侯衍哲

二氧化硫脲對(duì)高嶺土增白試驗(yàn)研究

侯衍哲

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132000）

高嶺土作為化工生產(chǎn)的重要原料，它的品質(zhì)在很多方面影響著生產(chǎn)質(zhì)量。我國(guó)高嶺土資源非常有限，為了能夠滿足化工生產(chǎn)的需要，通過(guò)應(yīng)用二氧化硫脲的還原性對(duì)高嶺土進(jìn)行增白。通過(guò)控制變量法對(duì)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)條件進(jìn)行研究，并總結(jié)出最佳實(shí)驗(yàn)方案，以獲得更為理想的增白效果。

二氧化硫脲；高嶺土；增白實(shí)驗(yàn)

高嶺土的物理性質(zhì)較為松軟、細(xì)膩，外觀呈現(xiàn)為白色的粉末。但是呈粉末狀的高嶺土是提純制取之后的產(chǎn)物，實(shí)際開采中的高嶺土往往純度很低，并且摻雜著自然界的雜質(zhì)，呈現(xiàn)灰色或褐色，不但在外觀上沒(méi)有純高嶺土潔白，而且在化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)不佳，會(huì)影響其使用效果和應(yīng)用性能。純凈高嶺土的優(yōu)秀耐火性決定了它優(yōu)秀的化學(xué)性質(zhì)。化工生產(chǎn)的過(guò)程中使用的高嶺土往往需要進(jìn)行提純和增白的處理，而其中在高嶺土中加入二氧化硫脲，可以幫助高嶺土提純并且去除影響高嶺土顏色的有色離子，例如鐵、錳、鈦等。

圖1 純凈高嶺土

1 高嶺土的運(yùn)用性能和用途

作為一種高嶺石族礦物，高嶺土擁有礦物質(zhì)常見(jiàn)的特性：致密結(jié)構(gòu)和松軟質(zhì)地。研究發(fā)現(xiàn)高嶺土是一種復(fù)合物，主要由二氧化硅、氧化鋁兩種無(wú)機(jī)物組成，包含微量有機(jī)物。高嶺土的品質(zhì)受到純度的影響，其耐火性和可塑性等化學(xué)特性也與純度有著密切的關(guān)系。高嶺土在生產(chǎn)生活中常常用于陶瓷、造紙、耐火材料等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，這些需要運(yùn)用到高嶺土的領(lǐng)域無(wú)一不需要純凈高質(zhì)量的高嶺土，并且對(duì)高嶺土的工藝條件有著非常嚴(yán)格的要求。由于未加工的高嶺土中含有鐵、錳、鈦等有色離子，其會(huì)使高嶺土出現(xiàn)黑、灰、褐色等，因而需要對(duì)高嶺土進(jìn)行增白處理。

1.1 高嶺土的資源分布

當(dāng)今高嶺土儲(chǔ)量最為豐富的主要分布在美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等國(guó)土面積較大的國(guó)家，因?yàn)楦邘X土的出產(chǎn)依賴于土地與合適的地理?xiàng)l件。以美國(guó)為例，并非美國(guó)全境都適合高嶺土的出產(chǎn)，近兩年的美國(guó)高嶺土開發(fā)多集中在一個(gè)州。而近兩年的探測(cè)報(bào)告顯示，巴西擁有豐富的高嶺土儲(chǔ)量。在我國(guó)，受多種多樣的地理?xiàng)l件影響，我國(guó)高嶺土的分布較為分散，全國(guó)共有700多個(gè)高嶺土產(chǎn)地，大部分分布于東北地區(qū)和廣袤的西北地區(qū)。

表1 高嶺土分類

1.2 高嶺土的工藝特征

高嶺土通常從以下幾個(gè)方面斷定其品質(zhì)。

白度和亮度：白度和亮度為衡量高嶺土品質(zhì)的第一要素，高嶺土的白度與其質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，若高嶺土擁有較高的白度，說(shuō)明高嶺土的質(zhì)量越好，純度越高，相對(duì)的其商業(yè)價(jià)值就更高。高嶺土的白度有兩種，一種為自然白度，一種為煅燒白度，兩種白度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)溫度來(lái)衡量，但煅燒溫度到達(dá)到1 500 ℃，而自然白度下的烘干溫度只有120 ℃。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，大部分企業(yè)會(huì)選擇用煅燒得來(lái)的高嶺土，因?yàn)槠浒锥葧?huì)高于自然白度，說(shuō)明高嶺土雜質(zhì)更少，品質(zhì)更好。

粒度分布：高嶺土的白度決定了其雜質(zhì)的多少，而粒度分布則決定了其純度。實(shí)際運(yùn)用中，高嶺土不能直接使用，而要通過(guò)多個(gè)過(guò)程的加工處理才能再次使用。根據(jù)高嶺土的使用方向，各種不同作用決定了高嶺土的粒度，均有嚴(yán)格的要求。

可塑性：可塑性的判定原理是將原料與水混合后形成的泥料在多種外力作用下觀察其外形的改變程度，若外形改變不大，則可以判定該高嶺土的可塑性較好。在高嶺土大量使用的陶瓷行業(yè)中對(duì)高嶺土的可塑性要求較高。一般通過(guò)兩個(gè)指數(shù)來(lái)確定高嶺土的可塑性，可塑性指標(biāo)和可塑性指數(shù)。前者用來(lái)確定高嶺土是否能夠定型，其與高嶺土定型性能呈正相關(guān)關(guān)系，若可塑性指標(biāo)高，則說(shuō)明高嶺土的定型性能較好。可塑性指數(shù)表示高嶺土的含水率，有4個(gè)級(jí)別。

耐火性：指在高溫的條件下熔化的程度。高嶺土的礦物組成決定了高嶺土的耐火度，通常情況下，高嶺土的純度與其耐火度呈正相關(guān)關(guān)系，最高耐火溫度可以到達(dá)2 000 ℃，而純度不高的高嶺土因?yàn)槠潆s質(zhì)會(huì)導(dǎo)致耐火性大大降低。

2 高嶺土增白常見(jiàn)方法

2.1 化學(xué)除鐵法

氧化除鐵法：氧化除鐵法是利用氧化劑與高嶺土中的四氧化三鐵和氧化鐵反應(yīng)。這些雜質(zhì)使高嶺土表現(xiàn)出灰褐色，由于這些雜質(zhì)在水中無(wú)法除去、利用還原和酸洗也無(wú)法除去，只有將高嶺土與水混合之后加入強(qiáng)氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，但是這種氧化方法并不能完全去除亞鐵和鐵離子。影響其效果的不僅有溫度和pH值，還有化學(xué)物質(zhì)的不同特性，事實(shí)上難以控制且效率低。

氧化還原漂白法：如果高嶺土中含有既有氧化性又有還原性的物質(zhì)，那就不能使用單個(gè)氧化或者還原的辦法，此時(shí)氧化還原法漂白較為合適。

2.2 物理除鐵法

磁選法：由于高嶺土中有大量含鐵礦物質(zhì)，但是這些礦物質(zhì)只有弱磁性，則對(duì)于磁性并非很強(qiáng)的鐵元素，有兩種情況進(jìn)行除鐵，一種情況是將弱磁性的鐵變成強(qiáng)磁鐵，之后通過(guò)磁選除去，另外一種方法是通過(guò)高強(qiáng)度的磁鐵進(jìn)行磁吸，這種方法的缺點(diǎn)是需要將高嶺土磨碎成為細(xì)粉質(zhì)的固體才能除去，且除鐵率低，但是對(duì)細(xì)顆粒高嶺土有很好的效果。

微生物除鐵法：這種方法在我國(guó)鮮少使用，但是在外國(guó)已有一部分研究者投入研究并且在生產(chǎn)中使用。其原理是通過(guò)微生物將高嶺土中的鐵溶解并去除，這種微生物除鐵的成本少、對(duì)高嶺土本身的性質(zhì)破壞不大，但是對(duì)環(huán)境的要求高，且生產(chǎn)周期非常長(zhǎng)。

3 二氧化硫脲在高嶺土增白處理中的作用

3.1 制備材料

二氧化硫脲、濃鹽酸、氫氧化鈉、草酸、硫酸、光度計(jì)、恒溫磁力攪拌器、白度測(cè)定儀、電子天平、干燥箱等。

3.2 制備方法

運(yùn)用儀器對(duì)高嶺土的化學(xué)成分進(jìn)行分析，測(cè)得高嶺土中各種無(wú)機(jī)物的含量（包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈉、氧化酶、氧化鉀、氧化鈣）。將高嶺土搗碎后研磨并得到高嶺土漿液。為了測(cè)定高嶺土礦漿的pH值，需要將礦漿加入恒溫?cái)嚢杵髦屑尤雺A液加以調(diào)解。而后少量多次滴入二氧化硫脲，并進(jìn)行漂洗、過(guò)濾、干燥、壓片。最后得到純高嶺土樣品。

3.3 二氧化硫脲對(duì)高嶺土增白的影響

實(shí)驗(yàn)證明，二氧化硫脲對(duì)高嶺土增白還存在一定的局限性。本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)通過(guò)控制變量法對(duì)還原時(shí)間、二氧化硫脲濃度用量等試劑進(jìn)行控制。由于二氧化硫脲的增白效果并非最佳，所以實(shí)驗(yàn)考慮通過(guò)催化劑提高二氧化硫脲的濃度，對(duì)二氧化硫脲進(jìn)行活化處理。化學(xué)物質(zhì)在活化劑的催化下會(huì)產(chǎn)生活化反應(yīng)，活化能升高，化學(xué)性能更加活躍。因而對(duì)二氧化硫脲進(jìn)行活化處理有助于提高二氧化硫脲的還原性，更快、更高效地對(duì)高嶺土進(jìn)行增白。二氧化硫脲的活化需要用到不同含有稀有元素的硝酸鹽，經(jīng)過(guò)鍛造之后再加入二氧化硫脲溶液進(jìn)行活化催化。由于不同硝酸鹽（含有稀有元素）對(duì)二氧化硫脲的活化效果不同，所以實(shí)驗(yàn)運(yùn)用電極測(cè)試對(duì)加入不同類型的二氧化硫脲溶液進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果得到硝酸鑭對(duì)二氧化硫脲的催化效果最好。在高嶺土的增白實(shí)驗(yàn)中，以硝酸鑭為催化劑進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)定硝酸鑭作為二氧化硫脲的催化劑是否會(huì)影響原本高嶺土的增白反應(yīng)。控制溶液的酸堿度和其他實(shí)驗(yàn)條件，改變硝酸鑭的用量（按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.6%的溶液）加入礦漿中，運(yùn)用電極進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果得到當(dāng)硝酸鑭溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%以下時(shí)對(duì)高嶺土的增白反應(yīng)影響不大。因而可以得出結(jié)論，當(dāng)硝酸鑭的用量為0.3%左右時(shí)，對(duì)高嶺土的還原反應(yīng)無(wú)影響且能提高二氧化硫脲的還原性能，并且有色離子濃度大大下降，滿足了化工生產(chǎn)的要求。

3.4 高嶺土增白實(shí)驗(yàn)最佳條件分析

二氧化硫脲用量：通過(guò)控制變量法控制不同二氧化硫脲濃度用量對(duì)增白實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)選擇二氧化硫脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.6%、0.7%、0.8%。通過(guò)白度檢測(cè)可以檢測(cè)到當(dāng)二氧化硫脲的濃度增高時(shí)，高嶺土樣品的白度明顯增高。而二氧化硫脲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.8%時(shí)，高嶺土的白度不再變化，故可以得出二氧化硫脲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%時(shí)對(duì)高嶺土樣品的增白效果最好，應(yīng)該采用0.8%的二氧化硫脲。

pH值：運(yùn)用控制變量法，控制礦漿濃度、二氧化硫脲濃度、實(shí)驗(yàn)溫度等條件，研究不同pH值對(duì)高嶺土增白實(shí)驗(yàn)的影響。由于二氧化硫脲在堿性環(huán)境下發(fā)揮還原性，故pH值調(diào)節(jié)在7～12。通過(guò)白度檢測(cè)可以檢測(cè)到當(dāng)pH值增高時(shí)，高嶺土樣品的白度明顯增高，當(dāng)pH值最高到達(dá)12時(shí)，白度最高。

還原時(shí)間：運(yùn)用控制變量法，控制礦漿濃度、二氧化硫脲濃度、實(shí)驗(yàn)溫度、pH值時(shí)，還原時(shí)間控制在5～15 min。通過(guò)白度檢測(cè)可以檢測(cè)到當(dāng)還原時(shí)間增加時(shí)，高嶺土樣品的白度明顯增高，當(dāng)還原時(shí)間在15 min時(shí)，對(duì)高嶺土的增白最有效果，當(dāng)還原時(shí)間超過(guò)15 min時(shí)，高嶺土的白度逐漸下降，故可以得知還原時(shí)間控制在15 min時(shí)最適宜。

礦漿濃度：運(yùn)用控制變量法，控制草酸濃度、二氧化硫脲濃度、實(shí)驗(yàn)溫度等條件相同，研究不同礦漿濃度對(duì)高嶺土增白實(shí)驗(yàn)的影響。當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%到40%時(shí)，通過(guò)白度檢測(cè)可以檢測(cè)到礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%時(shí)，高嶺土樣品的白度最高，隨著礦漿濃度的升高，高嶺土白度下降，故可以得出當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%時(shí)高嶺土增白效果最佳。

溫度：運(yùn)用控制變量法，控制草酸濃度、二氧化硫脲濃度、礦漿濃度等條件相同，研究不同溫度對(duì)高嶺土增白實(shí)驗(yàn)的影響。控制溫度在25～50 ℃。通過(guò)白度檢測(cè)可以檢測(cè)到隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，高嶺土白度上升，但考慮到實(shí)驗(yàn)的安全和能耗問(wèn)題，高嶺土的增白實(shí)驗(yàn)溫度可以控制在40 ℃。

4 結(jié)論

綜上所述，高嶺土的增白實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)減少高嶺土中有色離子的含量來(lái)起到增白的效果。選擇二氧化硫脲能夠通過(guò)還原反應(yīng)增加高嶺土的白度并提高品質(zhì)，以達(dá)到生產(chǎn)需要。在高嶺土的生產(chǎn)中，白度作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)，要求增白實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用應(yīng)該更加科學(xué)、合理、安全、高效，選用二氧化硫脲作為反應(yīng)試劑，活化劑作為催化二氧化硫脲的催化劑，控制礦漿濃度、二氧化硫脲、還原事件以及實(shí)驗(yàn)溫度等條件，能夠在最短時(shí)間內(nèi)快速獲得純凈高嶺土，提高高嶺土的純度，以達(dá)到生產(chǎn)的需要和要求。

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Experimental Study on Whitening of Kaolin Clay With Thiourea Dioxide

(PetroChina Jilin Chemical Engineering Co., Ltd., Jilin Jilin 132000, China)

Kaolin clay is an important raw material for chemical production, its quality affects the quality of production in many ways. China's kaolin clay resources are very limited, in order to meet the needs of chemical production, kaolin clay was whitened by applying the reduction of thiourea dioxide. The conditions of the experiment were studied by the control variable method, and the best experimental scheme was summarized in order to obtain a more ideal whitening effect.

Thiourea dioxide; Kaolin clay; Whitening experiment

TQ623.6

A

1004-0935（2022）04-0524-03

2021-12-06

侯衍哲（1970-），男，吉林省吉林市人，副高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院化學(xué)工程系無(wú)機(jī)化工專業(yè)，研究方向：高分子化工工藝、催化劑、助劑等。