白泡石提铝降钾可行性技术实验研究

刘海深，罗大芳，许绍彬，王利明

（重庆国际复合材料股份有限公司，重庆 400082）

0 前言

重庆砂岩资源丰富，主要分为软质砂岩、硬质石英砂岩、硬质白泡石砂岩3种。其中白泡石砂岩是一种高岭土胶结石英晶粒的沉积岩，具有一定的力学强度，广泛应用于建筑、耐火材料、建材等领域［1-3］。

白泡石作为玻璃纤维生产原料，具有储量大、价格低、易开采、便运输等优点，是玻纤生产的重要硅铝原料之一。目前，玻纤生产所用白泡石的铝元素的质量分数（本文均以氧化物计）约为10%～12%，必须加入一定量高岭土、叶蜡石或其他高铝矿物，才能达到玻纤对铝元素质量分数要求［4，5］，但满足玻纤生产的优质高岭土和叶蜡石市场资源一直紧张，尤其是叶蜡石主要分布于东南沿海区域［6，7］。

白泡石中高岭土质量分数约为20%，其矿物组成与江西、广西、广东等地软质高岭土矿较为接近，但江西、广西、广东等地软质高岭土多为疏松沙质矿，部分通过擦洗、捣浆即可使高岭土、长石、云母矿充分单体解离［8-11］。而重庆地区白泡石矿为高硬度沉积岩，高岭土同石英、长石等矿物胶结致密，单体解离难度大，需经过磨矿后才能有效单体解离。

开发一种以白泡石为原料，通过分离白泡石中部分石英和云母的方式，富集白泡石中高岭土，达到提高铝质量分数降低钾元素质量分数的目的，得到一种可直接用于玻纤生产的高铝低钾粉料，以减少部分高岭土、叶蜡石使用，对西南片区玻纤生产企业具有较大意义。

本文以永川某白泡石矿为实验基础，进行白泡石中高岭土、长石、石英、云母矿分离实验及应用可行性研究，详见后文。

1 实验部分

1.1 原料

本文选用铝质量分数约为10.5%，钾元素质量分数为1.09%，石英颗粒晶粒大小为50～100μm永川某白泡石作为研究对象，进行白泡石矿物分离实验研究。其化学组成见表1。

表1 永川白泡石化学组成表 （%）

XRF化学成分见表1，XRD分析结果见图1，数据表明本实验选取的白泡石钾元素质量分数较高，铁元素质量分数较低，硅、铝组分均在玻纤行业常用指标范围，XRD半定量分析显示该永川白泡石中石英质量分数为71.2%，高岭石为19.7%，云母族矿物为9.1%，本实验样品具有研究代表性。

图1 永川白泡石XRD半定量分析

1.2 设备和仪器

荧光分析仪：Axios-max型，帕纳科；

X射线衍射仪：DX-2700型，丹东浩元；

浮选机：XFGCI型，武汉探矿。

1.3 方法

（1）采用帕纳科Axios-max型荧光分析仪对样品进行化学成分分析，测试电压为60 kV，电流为50 mA。

（2）采用丹东浩元的DX-2700型X射线衍射仪对样品进行衍射XRD测试，测试条件：铜靶，电压35 kV， 电流30 mA，步进扫描模式，角度3°～75°，扫描步宽0.02，采样时间1.5 s。

（3）采用Jade9.0软件，对样品XRD数据进行矿物晶相定性及半定量分析。

（4）采用武汉探矿的XFGCI型浮选机进行浮选实验。

2 结果与讨论

2.1 干法磨矿实验

先将白泡石矿破碎至2 mm全通过，充分混合均匀后，缩分成150 g/袋。在干燥条件下，使用罐磨机分别研磨10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s，将所得样品进行干法筛分分离，并对筛后产物进行成分分析。

图2、3分别为不同磨矿时间下120目筛下物化学元素组成、回收率和产率对比图，图4为磨矿时间为40 s时，各粒级化学元素组成。

结合图2、3，可以看出各元素回收率随磨矿时间呈正比例变化，但磨矿时间达到40 s后，铝元素质量分数达到最高值18.84%，筛下物产率为39.26%，铝元素回收率为70.73%，磨矿时间超过40 s后，筛下物铝元素质量分数呈降低趋势，分析认为磨矿时间过长后，白泡石中石英颗粒得到充分研磨，进入筛下产物中。从图4可以看出铝元素主要富集于120目筛下产物中，60目以上粒级的铝质量分数接近原矿铝质量分数为9.54%，说明大于60目的粒级矿物未得到充分研磨，石英与高岭石分离较少；80～120目产物铝质量分数为5%左右，说明高岭石同石英部分单体解离，分析认为部分胶结在石英表面的高岭石层未有效剥离。此外，从图4还看出铁、钛质量分数变化趋势同铝质量分数变化趋势基本一致，说明铁、钛元素主要富集于高岭石及云母族矿物中，但120目筛下物的钾质量分数剧增，筛上钾质量分数较低，说明白泡石中云母族矿物同其石英充分单体解离、并磨碎，这与白泡石矿物组成研究具有一致［3］。

图2 不同磨矿时间120目筛下物化学组成

图3 不同磨矿时间120目筛下物回收率

图4 干法磨矿40秒各粒级化学组成

玻纤生产过程中，硅铝原料铝元素质量分数一般控制在16%～20%之间，因此，选择以铝质量分数最高的磨矿时间条件为基础，进行下一步实验研究。

2.2 干、湿法实验对比

为进一步了解白泡石可磨性及干法、湿法磨矿环境因素对单体解离度的影响，对白泡石进行湿法磨矿，矿浆溶度为60%，控制磨矿时间为40 s。结果表明，湿法磨矿后，120目筛下物化学成分同干法磨矿结果较为接近，但整体较干法磨矿低，各元素的回收率略高。说明湿法条件下，白泡石更容易得到细粒级粉料，但对矿物的单体解离没有明显影响，这与浆液流动性较好，研磨过程中部分细粒级得到充分研磨及湿法筛分有较大关系。

表2 干、湿法磨矿120目筛下物化学组成对比表 （%）

图5 干、湿法磨矿40秒120目筛下物回收率

2.3 浮选实验

从上文可知，通过简单的磨矿和筛分，可以一定程度上分离出白泡石中部分石英，达到富集高岭石和提高铝质量分数目的。但筛下产物中钾元素和铁元素的质量分数上升较高，无法大量用于玻纤生产，这主要是由于白泡石中云母磨碎后，富集于120目 筛下产物中，且仅通过磨矿和筛分分级，无法使其与高岭石有效分离。

诸多研究表明，水力旋流器和旋风分离器、高梯度磁选等物理分离方式，很难将粒径相近的云母、高岭土有效分离［12，13］。浮选是用于分离云母、长石、高岭土最常见选矿手段［14，15］。

为研究120目筛下物矿物解离情况，并探究钾降低的可行性，本文以干法磨矿40 s条件下，所得的120目筛下产物进行浮选实验研究。采用反浮选工艺，浮选实验流程见图6。

图6 反浮选工艺流程图

从图6和表3分析实验数据得出，磨矿时间40 s 后的筛下产物直接进行反浮选，未见明显效果，据此推断该磨矿条件下，筛下物中云母未同高岭土单体解离度较低，需要进一步磨矿。

表3 120目筛下物直接反浮选实验结果

表4为120目筛下物再磨后的反浮选结果，从表中数据可以看出，120目筛下物再磨后，反浮选效果明显，精矿钾质量分数为0.76%，较原矿降低30.28%，铝质量分数为17.25%，较原矿高64.44%，筛下物钾元素去除率为72.19%。此外，发现相比原矿，铁质量分数、钛质量分数变化差异明显，70.62%的铁元素富集于尾矿中，93.31%的钛元素富集于高岭土精矿中，说明大部分铁元素赋存于云母族等硅酸盐矿物中，钛元素则以其他形式存在。

表4 再磨至200目占80%后反浮选实验结果

实验证明，通过浮选手段可有效分离白泡石中云母和高岭土矿物，但由于玻纤生产原料均为干燥粉体，浮选产物需要烘干后才能使用，且产生的酸性废水再次处理，该工艺成本较高，无法起到降低成本的目的，因此该选矿手段去除白泡石中钾暂不适用于玻纤行业。

3 结论

（1）通过磨矿手段可以分离部分石英，达到提高富集高岭土、提高铝质量分数效果，但磨矿时间超过40 s后，120目筛下产物铝质量分数开始降低。干法磨矿40 s时，120目筛下物铝质量分数最高为18.48%，产率为39.26%，元素回收率为70.73%。

（2）干法磨矿和湿法磨矿，120目筛下物铝质量分数较干法磨矿低，但铝元素回收率更高为76%，主要是因为浆料流动性较好，细颗粒易磨碎，120目产物中石英质量分数上升。

（3）干法磨矿40s后120目筛下物直接进行浮选效果不佳，将筛下物再磨至200目达到80%后，浮选手段可以有效分离白泡石中云母物质，但该方法不具备经济效益，暂不适用于玻纤生产。

（4）寻找和开发一种能保持石英颗粒粒径基本不变情况下，使石英、云母、高岭石3者有效单体解离的粉碎技术和干法分离云母、高岭土技术，是白泡石提铝、降钾的技术难点和研究方向。