全风化花岗岩综合利用研究

李五中，戴若丁，陈 进，柴青平，霍苗苗，刘思彤，宋 雪

(1.惠州交投阳光绿色石场有限公司，广东 惠州 516000；2.鞍钢集团矿业设计研究院，辽宁 鞍山 114000)

花岗岩受强烈的物理、化学风化作用后，会在母岩上形成一层土体，这类物质称为全风化花岗岩。其主要矿物组成以高岭石为主的粘土矿物、石英、长石、云母等。长石等抗风化能力差的矿物，在水和二氧化碳的作用下，其含有的K+、Na+逐渐流失，形成粘土矿物高岭石[1-3]。

广东地区的花岗岩受潮湿温热地域环境影响，风化程度很高，形成了厚度很大的全风化残积土层。广东某地区石场风化花岗岩(全风化+半风化)排土废弃物存量巨大，约3 000万m3，这些矿山固体废弃物一方面占据大量空间堆积，易造成二次污染，另一方面存在二次绿化复垦。对于广东地区的全风化花岗岩的研究大多还在对其物理、化学指标的调查研究。俞旺新等[4]通过掺加低配比的煤矸石粉来提高路填土的强度，改良了路填花岗岩残积土物理力学性能。田朋飞等[5]对沿线花岗岩残积土的风化成因、粒度特征、结构特征、路用性能、填料处治与路基病害等问题进行了研究。戴航等[6]选取了不同类型的花岗岩残积土，通过X-射线衍射试验、土工试验以及三轴剪切等相关力学试验，对比研究了不同类型花岗岩残积土的矿物组成、物理力学性质、固结压缩性和抗剪强度特性等。

本文针对广州惠东地区的全风化花岗岩的矿物学特征，开展了高岭土、石英提纯试验研究，获得的高岭土和石英满足陶瓷用的质量要求。

1 原矿性质分析

1.1 原矿物相组成及化学性质分析

对全风化花岗岩进行化学成分以及X-射线衍射物相分析(表1、图1)，原矿含砂量大，铁含量高。矿物组成主要为石英(44.0%)、高岭石(31.9%)、长石(21.1%)以及其他矿物(3.0%)。高岭石族矿物结晶程度较低，说明长石未完全风化。

图1 原矿XRD图谱

表1 全风化花岗岩岩化学成分 (单位：%)

1.2 原矿分级产物特征

对原矿的粒度组成及分级产物化学成分进行了分析(表2)。原矿中细粒级产物产率较高，随着粒度变细，SiO2含量降低，Al2O3提升，说明高岭石物质主要赋存于-0.025mm以下的产物中。对-0.025mm及+2mm产物做X-射线衍射分析，+2mm产物中SiO2含量为91.41%，说明粗粒级产物中石英含量比较高(图2)。-0.025mm产物主要物相为高岭石族，具体为珍珠高岭土和地开石，总含量为90%以上(图3)。通过分级产物的特征分析可知，可以通过选矿的方式将高岭土、石英分别提纯出来。

图3 -0.025mm产物XRD图谱

表2 原矿粒度组成及化学成分分析

图2 +2mm产物XRD图谱

2 全风化花岗岩综合利用试验

2.1 高岭土提纯试验

2.1.1 高岭土选矿试验

原矿含砂量大，需要先通过捣浆除砂除去大部分粗砂。矿浆浓度40%，捣浆时间40min。通过捣浆除砂处理后(表3)，SiO2含量由62.96%下降到53.65%，要想继续降低SiO2含量，提升Al2O3含量，需要进一步分级。

表3 捣浆除砂试验结果 (单位：%)

为了进一步提纯高岭土，对捣浆除砂后的溢流产品进行水力旋流器分级试验。对该矿样分别使用FX150、FX25和FX15旋流器试验平台进行三段分级试验。溢流产率及粒度分析如表4、表5所示，矿样经FX150水力旋流器一级分级后，溢流实际产率为25.45%，-38μm粒级达到95.45%。一级溢流产品给入FX25旋流器，进行二级分级，溢流实际产率为20.92%，-20μm粒级达到93.03%。二级溢流产品给入FX15旋流器，进行三级分级，溢流实际产率为5.83%，-10μm粒级达到87.88%。表明经FX25、FX15旋流器分级后，脉石矿物进入底流。

表4 水力分级试验浓度及产率 (单位：%)

表5 溢流粒度分级结果

根据表6化学成分分析显示，一级分级后，Al2O3含量达到32.69%，二级分级后Al2O3含量提升至33.02%，三级分级后Al2O3含量继续提升至34.19%。表明经过旋流器分级后细粒级富集，高岭土在细粒级中也相对富集，K2O含量略有下降。溢流中Fe2O3含量有相应的提高，表明铁含量也随着高岭石的富集而富集。其原因是经过FX25，FX15旋流器分级后有部分长石进入底流。虽然三级分级后Al2O3含量有所提升，但是产率比较低，因此后续除铁漂白试验矿样选用FX25溢流产品。

表6 分级产物化学成分分析 (单位：%)

2.1.2 高岭土漂白试验

高岭土漂白除铁的原理是使用还原剂将Fe3+还原成二价铁盐，经洗涤，过滤除去[7-9]。高岭土的漂白试验选用草酸作为稳定剂及pH值调整剂，固液比为1∶6，温度40℃，还原剂为二氧化硫脲，考察还原剂用量对除铁增白效果的影响(表7)。当固液比、温度、草酸用量一定时，二氧化硫脲用量为4%时，除铁效果最好，铁含量由5.44%降低到1.02%，烧成白度由47.12提升到85.12。

表7 漂白试验条件及结果

2.2 石英砂提纯试验

对风化岩捣浆后的沉砂产物进行了筛分以及化学成分分析(表8)，粗砂中主要成分为石英，伴有少量的长石及粘土物质，可通过选矿方式将其除去[10]。

表8 沉砂粒度分级及化学成分分析 (单位：%)

首先对+2mm的沉砂产物进行粉碎，过100目筛子，使石英单体解离，对筛下产品进行擦洗处理，除去粘土等附着的矿物。擦洗条件为：转速1 600 r/min，擦洗浓度55%，分散剂为六偏磷酸钠，浓度为1%。再使用陶瓷球磨对擦洗后的石英进行磨矿，筛分得到0.045～0.154mm石英。分选后的石英砂中SiO2含量为99.01%、Fe2O3含量为0.12%。使用超声—化学酸洗法进一步除铁(表9)，在超声辅助处理下，草酸除铁效果最好，当草酸浓度为1mol/L时，Fe2O3含量由0.12%降低到0.03%，除铁率达到75%。石英经提纯后，粒度在0.045～0.154mm之间，满足陶瓷用石英的要求。

表9 石英超声—酸洗除铁效果

3 结论

广东省惠东某地区存在大量全风化花岗岩废弃物，风化岩废弃物矿物组成为：石英44.0%、长石21.1%、高岭石31.9%、其他矿物3.0%。高岭土主要赋存在-0.025mm细粒级矿物中，0.5mm以上粒级中主要为石英。

原矿经过捣浆除砂—水力旋流器分级得到产率为20.92%，SiO2含量40.31%、Al2O3含量33.02%的高岭土精矿，经化学除铁漂白后，高岭土中铁含量由5.44%降低到1.02%，烧成白度由47.12提升到85.12。符合陶瓷用高岭土标准。

捣浆沉砂中的石英含量较高，沉砂经粉碎—筛分—擦洗后石英SiO2含量达到99.01%，通过超声—酸洗处理后铁含量降至0.03%，粒度在0.045～0.154mm之间，是一种优质的陶瓷用石英。