徐 穎，鄧利蓉，翟秀芳，李莎莎，楊奔奔(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

柯爾堿膨潤土提純試驗研究

徐 穎，鄧利蓉，翟秀芳，李莎莎，楊奔奔
(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

以柯爾堿低品位鈉基膨潤土為對象，研究濕法提純工藝。采用正交實驗方法考察了固液比、離心時間、離心轉(zhuǎn)速對提純效果的影響，并通過X-射線衍射(XRD)和紅外光譜(IR)對原土及提純土的結(jié)構進行了表征。結(jié)果表明，柯爾堿膨潤土最佳提純條件為：固液比為1∶12，離心轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，離心時間為5 min。該條件下膨潤土的膨脹容、吸藍量、膠質(zhì)價、以及陽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，雜質(zhì)峰減弱，說明提純效果顯著。

膨潤土；提純；離心法；正交實驗；吸藍量

膨潤土又稱膨潤巖或斑脫巖，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)氧八面體晶層構成的2∶1型晶體結(jié)構[2]。目前膨潤土作為優(yōu)良的黏合劑、吸附劑、脫色凈化劑、環(huán)保消毒防護劑、催化劑、觸變劑等已被廣泛應用于冶金、鑄造、化工、陶瓷、石油鉆探以及國防等領域[3-4]，也稱“千種用途土”。我國膨潤土資源豐富，新疆是我國膨潤土遠景儲量最大的地區(qū)[5]，其礦床資源總量為5.945×109t[6]，柯爾堿礦帶是其中之一的超大型膨潤土礦床，具有很好的開發(fā)利用前景。但是，該地區(qū)的膨潤土多數(shù)品位較低，原礦中除含有蒙脫石外還有石英、高溫鈉長石、石膏等雜質(zhì)，性能較差。因此，開展對中低品位的柯爾堿膨潤土的提純應用研究為開發(fā)其深加工產(chǎn)品提供了依據(jù)，對充分利用該膨潤土資源具有重要的現(xiàn)實意義。

膨潤土的提純方法一般分為物理和化學提純方法。物理提純方法即選礦提純方法，又分為手選、風選(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土，干法提純適用于蒙脫石含量大于80%、粒度較細而脈石礦物(石英、長石)粒度較粗的礦石，而對于蒙脫石含量較低(30%～80%)或?qū)τ谒L石、石英的粒度極小的膨潤土礦，要獲得更高純度的膨潤土或蒙脫石，往往采用濕法提純[8]。濕法提純根據(jù)工藝過程的不同又分為自然沉降法、絮凝法、離心法和二次分級法等。

本實驗選用新疆托克遜縣柯爾堿膨潤土，原土中蒙脫石含量約為50%，為中低品位膨潤土礦，擬選用離心分離的濕法提純。提純過程用L9(34)正交實驗探索固液比、離心轉(zhuǎn)速、離心時間對提純效果的影響，利用X射線衍射分析及紅外光譜對原土和提純土結(jié)構進行測試和表征，確定該膨潤土的高效、低耗提純工藝，為柯爾堿膨潤土的開發(fā)利用提供了依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑有0.2%亞甲基藍標準溶液、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。

實驗儀器主要有D90型電動機械攪拌機；DZTW調(diào)溫電熱套；LD5-2A型低速離心機；DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱；美國布魯克公司的TENSOR27型紅外光譜儀；布魯克D8 Advance型X射線衍射儀。

1.2 柯爾堿膨潤土的礦物組成

膨潤土樣品為新疆托克遜縣柯爾堿膨潤土，取原礦破碎、研磨過200目篩。原礦樣的化學全分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，該膨潤土的化學成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、NaO和MgO等，可推測膨潤土中蒙脫石是由Si、Al、Mg等組成，并且表面吸附著一定量Na和K。

表1 柯爾堿膨潤土的化學成分分析結(jié)果

1.3 實驗方法

將柯爾堿膨潤土通過0.074 mm(200目)標準篩，稱取100 g過篩后樣品，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，測試提純土的吸藍量、膨脹容，并對其微觀結(jié)構進行表征。采用正交實驗設計考察了固液比、離心轉(zhuǎn)速、離心時間對提純效果的影響。

1.4 樣品指標的檢驗及測試

按《非金屬礦石物化性能和成分分析方法手冊》對柯爾堿膨潤土進行基本性質(zhì)分析[9]。

采用布魯克D8 Advance型X射線衍射儀對樣品晶體結(jié)構進行表征，采用步進的方式掃描，步長為0.02°，駐留時間為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采用美國布魯克公司的TENSOR27型紅外光譜儀進行測試，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 正交實驗設計

為了獲得離心提純柯爾堿膨潤土最佳提純工藝參數(shù)，選擇固液比A、離心轉(zhuǎn)速B、離心時間C為主要因素進行正交實驗，以提純產(chǎn)物吸藍量作為評價提純效果好壞的指標，影響因素及水平見表2。

2.1.2 極差分析

正交實驗結(jié)果見表3。由表3中正交實驗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，離心時間為5 min時有利于膨潤土的提純。

表2 正交實驗的影響因素及水平

表3 正交實驗結(jié)果

2.2 提純后膨潤土物化性能評價

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比，結(jié)果見表4。從表4數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過提純的膨潤土的膨脹容、膠質(zhì)價、吸藍量和陽離子交換容量都得到了一定程度的提高，表明膨潤土的膨脹、水化、分散能力和蒙脫石含量都得到了的提高，說明此提純工藝能得到較高質(zhì)量膨潤土產(chǎn)品。

表4 柯爾堿膨潤土提純前后性能對比

2.3 原土與提純土的FTIR分析

圖1所示為柯爾堿膨潤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有兩個明顯的吸收譜帶，前者由Al—O—H的伸縮振動引起，后者由層間水分子的H—O—H的伸縮振動引起，與中波段1 639 cm-1處層間水羥基的彎曲振動相對應。在1 030 cm-1附近較強的、寬敞的吸收帶為鈉基膨潤土的特征吸收峰[10]，是蒙脫石的Si---O---Si反對稱伸縮振動引起。在915 cm-1附近有一個弱的吸收帶，該譜帶與蒙脫石的羥基振動有關。在525 cm-1和470 cm-1附近有兩個中等強度的吸收帶，它們與蒙脫石的Si---O---M(M為金屬陽離子)和M---O的偶合振動有關。798 cm-1為石英的特征衍射峰。這些特征說明柯爾堿膨潤土主要成分為蒙脫石，主要雜質(zhì)成分為石英。對比原土和提純土譜圖上的紅外吸收峰的位置、峰形以及峰的強度可以看出經(jīng)過離心法提純蒙脫石特征吸收峰強度增大，而798 cm-1處出現(xiàn)的石英的特征吸收峰明顯減弱，說明經(jīng)過提純很好的去除了膨潤土中的石英雜質(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

對柯爾堿膨潤土原土與提純土用X射線衍射儀進行結(jié)構表征，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，說明柯爾堿膨潤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)衍射強度較高、峰形尖銳陡峻，表明蒙脫石結(jié)晶度高、有序度好，對比提純前后樣品的XRD譜圖可以看出膨潤土經(jīng)過離心法提純后，蒙脫石特征衍射峰峰強明顯加強，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)構的有序度和晶粒大小[11]，說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度明顯減小，高溫鈉長石和石膏的特征衍射峰基本消失，說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)對新疆柯爾堿膨潤土進行濕法提純，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，離心時間為5 min。

2)提純后柯爾堿膨潤土的膨脹容由10.75 mL/g提高到19.5 mL/g，吸藍量由30.39 g/100g提高到74 g/100g，陽離子交換容量由0.43 mmol/g提高到0.78 mmol/g，膠質(zhì)價也得到大幅提高。說明通過高速離心法提純，在最佳工藝條件下得到了較高質(zhì)量的膨潤土產(chǎn)品。XRD和IR結(jié)果均表明經(jīng)過提純后蒙脫石峰變強，雜質(zhì)峰減弱，說明提純效果顯著。

[1] 姜桂蘭，張培萍.膨潤土加工與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] D.C.Rodr-guze-Sarmiento，J.A.Pinzon-Bello.Adsorption of sodium dodecylbenzene sulfonate on organophilic bentonites[J].Applied Clay Science，2001，18(3-4)：173-181.

[3] 朱學忠，李彬，單洪仁.淺析膨潤土礦的應用[J].西部探礦工程，2015，27(1)：1-3，6.

[4] 崔學奇，呂憲俊，周國華.膨潤土的性能及其應用[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊，2000(2)：6-9.

[5] 武占省，孫喜房，李春.日月雷礦膨潤土提純影響因素分析及產(chǎn)品性能表征[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010(1)：52-55.

[6] 張永浩，王志強，劉艷，等.柯爾堿膨潤土作為高放廢物處置庫回填材料可行性分析[J].甘肅科技，2010，26(19)：53-54，81.

[7] 李雪梅，王延利.蒙脫石提純研究進展[J].巖礦測試，2006，25(3)：252-258.

[8] 張彩云，董前年，章于川，等.膨潤土濕法提純及其鈉化工藝優(yōu)化研究[J].非金屬礦，2007，30(2)：42-44.

[9] 金永繹.非金屬礦石物化性能和成分分析方法手冊[M].北京：科學出版社，2004：3-22.

[10] 李志娟，王曉飛，周岐雄，等.哈密某膨潤土的性能表征與提純[J].金屬礦山，2014(9)：72-76.

[11] 溫淑瑤，楊德涌，陳捷.膨潤土及其酸化土、堿處理酸化土的X射線衍射特征及掃描電鏡下的表面特征分析[J].礦物學報，2001，21(3)：453-456.

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，從事礦物學與礦物材料學研究工作，E-mail：xuying.0703@163.com。

TF111.3

A

1004-4051(2017)08-0126-03