徐 穎，鄧?yán)?，翟秀芳，李莎莎，楊奔?西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土提純?cè)囼?yàn)研究

徐 穎，鄧?yán)兀孕惴?，李莎莎，楊奔?br/>(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

以柯?tīng)枆A低品位鈉基膨潤(rùn)土為對(duì)象，研究濕法提純工藝。采用正交實(shí)驗(yàn)方法考察了固液比、離心時(shí)間、離心轉(zhuǎn)速對(duì)提純效果的影響，并通過(guò)X-射線衍射(XRD)和紅外光譜(IR)對(duì)原土及提純土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土最佳提純條件為：固液比為1∶12，離心轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，離心時(shí)間為5 min。該條件下膨潤(rùn)土的膨脹容、吸藍(lán)量、膠質(zhì)價(jià)、以及陽(yáng)離子交換容量都得到提高，原土和提純土的XRD和IR結(jié)果均表明提純后蒙脫石峰變強(qiáng)，雜質(zhì)峰減弱，說(shuō)明提純效果顯著。

膨潤(rùn)土；提純；離心法；正交實(shí)驗(yàn)；吸藍(lán)量

膨潤(rùn)土又稱(chēng)膨潤(rùn)巖或斑脫巖，是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物[1]，蒙脫石的單位晶胞是由兩層硅氧四面體片晶層中間夾一層鋁(鎂)氧八面體晶層構(gòu)成的2∶1型晶體結(jié)構(gòu)[2]。目前膨潤(rùn)土作為優(yōu)良的黏合劑、吸附劑、脫色凈化劑、環(huán)保消毒防護(hù)劑、催化劑、觸變劑等已被廣泛應(yīng)用于冶金、鑄造、化工、陶瓷、石油鉆探以及國(guó)防等領(lǐng)域[3-4]，也稱(chēng)“千種用途土”。我國(guó)膨潤(rùn)土資源豐富，新疆是我國(guó)膨潤(rùn)土遠(yuǎn)景儲(chǔ)量最大的地區(qū)[5]，其礦床資源總量為5.945×109t[6]，柯?tīng)枆A礦帶是其中之一的超大型膨潤(rùn)土礦床，具有很好的開(kāi)發(fā)利用前景。但是，該地區(qū)的膨潤(rùn)土多數(shù)品位較低，原礦中除含有蒙脫石外還有石英、高溫鈉長(zhǎng)石、石膏等雜質(zhì)，性能較差。因此，開(kāi)展對(duì)中低品位的柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的提純應(yīng)用研究為開(kāi)發(fā)其深加工產(chǎn)品提供了依據(jù)，對(duì)充分利用該膨潤(rùn)土資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

膨潤(rùn)土的提純方法一般分為物理和化學(xué)提純方法。物理提純方法即選礦提純方法，又分為手選、風(fēng)選(干法提純)和水選(濕法提純)3種方法[7]。其中手選主要用于原礦蒙脫石含量較高的膨潤(rùn)土，干法提純適用于蒙脫石含量大于80%、粒度較細(xì)而脈石礦物(石英、長(zhǎng)石)粒度較粗的礦石，而對(duì)于蒙脫石含量較低(30%～80%)或?qū)τ谒L(zhǎng)石、石英的粒度極小的膨潤(rùn)土礦，要獲得更高純度的膨潤(rùn)土或蒙脫石，往往采用濕法提純[8]。濕法提純根據(jù)工藝過(guò)程的不同又分為自然沉降法、絮凝法、離心法和二次分級(jí)法等。

本實(shí)驗(yàn)選用新疆托克遜縣柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土，原土中蒙脫石含量約為50%，為中低品位膨潤(rùn)土礦，擬選用離心分離的濕法提純。提純過(guò)程用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)探索固液比、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間對(duì)提純效果的影響，利用X射線衍射分析及紅外光譜對(duì)原土和提純土結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和表征，確定該膨潤(rùn)土的高效、低耗提純工藝，為柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的開(kāi)發(fā)利用提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑有0.2%亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液、氧化鎂、1%焦磷酸鈉溶液、1.0 mol/L的鹽酸溶液等，所用試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器主要有D90型電動(dòng)機(jī)械攪拌機(jī)；DZTW調(diào)溫電熱套；LD5-2A型低速離心機(jī)；DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱；美國(guó)布魯克公司的TENSOR27型紅外光譜儀；布魯克D8 Advance型X射線衍射儀。

1.2 柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的礦物組成

膨潤(rùn)土樣品為新疆托克遜縣柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土，取原礦破碎、研磨過(guò)200目篩。原礦樣的化學(xué)全分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，該膨潤(rùn)土的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、NaO和MgO等，可推測(cè)膨潤(rùn)土中蒙脫石是由Si、Al、Mg等組成，并且表面吸附著一定量Na和K。

表1 柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土通過(guò)0.074 mm(200目)標(biāo)準(zhǔn)篩，稱(chēng)取100 g過(guò)篩后樣品，加入一定量水，攪拌配成漿液，浸泡24 h，傾去上清液，再加水至原刻度，攪拌均勻，靜置30 min，用虹吸法取出上層漿液，棄去下層粗渣。將上層漿液離心分離，去除上層清夜，將下層漿料于50 ℃烘干，研磨即得到提純土，測(cè)試提純土的吸藍(lán)量、膨脹容，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考察了固液比、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間對(duì)提純效果的影響。

1.4 樣品指標(biāo)的檢驗(yàn)及測(cè)試

按《非金屬礦石物化性能和成分分析方法手冊(cè)》對(duì)柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土進(jìn)行基本性質(zhì)分析[9]。

采用布魯克D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)樣品晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，采用步進(jìn)的方式掃描，步長(zhǎng)為0.02°，駐留時(shí)間為1 s，掃描范圍為5～80°，管電壓40 kV，管電流40 mA，λ=1.541 8 ?的CuKα射線，制樣方式為粉末壓片法制樣；IR采用美國(guó)布魯克公司的TENSOR27型紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 離心法最佳工藝條件

2.1.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了獲得離心提純柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土最佳提純工藝參數(shù)，選擇固液比A、離心轉(zhuǎn)速B、離心時(shí)間C為主要因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以提純產(chǎn)物吸藍(lán)量作為評(píng)價(jià)提純效果好壞的指標(biāo)，影響因素及水平見(jiàn)表2。

2.1.2 極差分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3中正交實(shí)驗(yàn)的極差分析可以看出影響離心提純效果的主要因素為固液比，其次為離心轉(zhuǎn)速，離心時(shí)間的影響較弱，優(yōu)水平為A3B3C2，固液比為1∶12，離心轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，離心時(shí)間為5 min時(shí)有利于膨潤(rùn)土的提純。

表2 正交實(shí)驗(yàn)的影響因素及水平

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 提純后膨潤(rùn)土物化性能評(píng)價(jià)

將在最佳離心法提純工藝條件下得到提純土的物化性能與原土對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)提純的膨潤(rùn)土的膨脹容、膠質(zhì)價(jià)、吸藍(lán)量和陽(yáng)離子交換容量都得到了一定程度的提高，表明膨潤(rùn)土的膨脹、水化、分散能力和蒙脫石含量都得到了的提高，說(shuō)明此提純工藝能得到較高質(zhì)量膨潤(rùn)土產(chǎn)品。

表4 柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土提純前后性能對(duì)比

2.3 原土與提純土的FTIR分析

圖1所示為柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土原土及采用高速離心法提純后的提純土的紅外光譜圖。從圖1中可看出原土的紅外光譜在高頻區(qū)3 617 cm-1和3 437 cm-1有兩個(gè)明顯的吸收譜帶，前者由Al—O—H的伸縮振動(dòng)引起，后者由層間水分子的H—O—H的伸縮振動(dòng)引起，與中波段1 639 cm-1處層間水羥基的彎曲振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。在1 030 cm-1附近較強(qiáng)的、寬敞的吸收帶為鈉基膨潤(rùn)土的特征吸收峰[10]，是蒙脫石的Si---O---Si反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)引起。在915 cm-1附近有一個(gè)弱的吸收帶，該譜帶與蒙脫石的羥基振動(dòng)有關(guān)。在525 cm-1和470 cm-1附近有兩個(gè)中等強(qiáng)度的吸收帶，它們與蒙脫石的Si---O---M(M為金屬陽(yáng)離子)和M---O的偶合振動(dòng)有關(guān)。798 cm-1為石英的特征衍射峰。這些特征說(shuō)明柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土主要成分為蒙脫石，主要雜質(zhì)成分為石英。對(duì)比原土和提純土譜圖上的紅外吸收峰的位置、峰形以及峰的強(qiáng)度可以看出經(jīng)過(guò)離心法提純蒙脫石特征吸收峰強(qiáng)度增大，而798 cm-1處出現(xiàn)的石英的特征吸收峰明顯減弱，說(shuō)明經(jīng)過(guò)提純很好的去除了膨潤(rùn)土中的石英雜質(zhì)，蒙脫石含量明顯提高。

2.4 原土與提純土的X射線衍射分析

對(duì)柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土原土與提純土用X射線衍射儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果如圖2所示。由圖2中原土的X射線衍射譜分析知：原土的d(001)面網(wǎng)間距為1.216 9 nm，說(shuō)明柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的主要礦物成分為含有一層結(jié)晶水的蒙脫石礦物，同時(shí)從譜圖中還可以看出，原土中還有一定量的石英，并含有少量的高溫鈉長(zhǎng)石和石膏。提純土XRD表明：d(001)面網(wǎng)間距為1.448 2 nm，d(001)衍射強(qiáng)度較高、峰形尖銳陡峻，表明蒙脫石結(jié)晶度高、有序度好，對(duì)比提純前后樣品的XRD譜圖可以看出膨潤(rùn)土經(jīng)過(guò)離心法提純后，蒙脫石特征衍射峰峰強(qiáng)明顯加強(qiáng)，但峰形基本不變，提純前后均為“瘦而高”。譜線的寬窄或峰型反映了晶體結(jié)構(gòu)的有序度和晶粒大小[11]，說(shuō)明采用離心法提純基本不影響蒙脫石顆粒大小。并且提純后石英峰強(qiáng)度明顯減小，高溫鈉長(zhǎng)石和石膏的特征衍射峰基本消失，說(shuō)明離心法提純后蒙脫石含量提高，能有效的去除雜質(zhì)，提純效果較好。

圖1 原礦與提純膨潤(rùn)土的紅外譜圖

圖2 原土與提純土的X射線衍射分析譜圖

3 結(jié) 論

1)對(duì)新疆柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土進(jìn)行濕法提純，最佳提純工藝條件為：固液比為1∶12，離心轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，離心時(shí)間為5 min。

2)提純后柯?tīng)枆A膨潤(rùn)土的膨脹容由10.75 mL/g提高到19.5 mL/g，吸藍(lán)量由30.39 g/100g提高到74 g/100g，陽(yáng)離子交換容量由0.43 mmol/g提高到0.78 mmol/g，膠質(zhì)價(jià)也得到大幅提高。說(shuō)明通過(guò)高速離心法提純，在最佳工藝條件下得到了較高質(zhì)量的膨潤(rùn)土產(chǎn)品。XRD和IR結(jié)果均表明經(jīng)過(guò)提純后蒙脫石峰變強(qiáng)，雜質(zhì)峰減弱，說(shuō)明提純效果顯著。

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Study on purification of bentonite from Kerjian

XU Ying，DENG Lirong，ZHAI Xiufang，LI Shasha，YANG Benben
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China)

A low grade bentonite from Kerjian was taken as the object of the study and the wet processing technology of purification was carried out.The influence of bentonite slurry，centrifugal time，and centrifugal speed on the purification of bentonite were presented in orthogonal experiment.The characterization of raw bentonite and purtified bentonite was tested by XRD and IR.The results showed that the best conditions for purification was when the bentonite slurry was 1∶12，the centrifugal speed was 1 200 r/min，the centrifugal time was 5 min.Under this condition，the expansion capacity，the ethylene blue adsorbed，the colloidal value and the cation exchange capacity of the bentonite were improved.The XRD and IR of raw bentonite and purtified bentonite showed that the impurities peaks was reduced but montmorrilonite peak was strengthened after purtification，so the purity effect was obviously improved.

bentonite；purification；centrifugation purification；orthogonal experiment；ethylene blue adsorbed

2017-01-23 責(zé)任編輯：趙奎濤

徐穎(1990-)，女，湖北黃岡人，碩士，助理工程師，從事礦物學(xué)與礦物材料學(xué)研究工作，E-mail：xuying.0703@163.com。

TF111.3

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1004-4051(2017)08-0126-03