柯尔碱膨润土提纯试验研究

徐 颖，邓利蓉，翟秀芳，李莎莎，杨奔奔(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

柯尔碱膨润土提纯试验研究

徐 颖，邓利蓉，翟秀芳，李莎莎，杨奔奔
(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

以柯尔碱低品位钠基膨润土为对象，研究湿法提纯工艺。采用正交实验方法考察了固液比、离心时间、离心转速对提纯效果的影响，并通过X-射线衍射(XRD)和红外光谱(IR)对原土及提纯土的结构进行了表征。结果表明，柯尔碱膨润土最佳提纯条件为：固液比为1∶12，离心转速为1 200 r/min，离心时间为5 min。该条件下膨润土的膨胀容、吸蓝量、胶质价、以及阳离子交换容量都得到提高，原土和提纯土的XRD和IR结果均表明提纯后蒙脱石峰变强，杂质峰减弱，说明提纯效果显著。

膨润土；提纯；离心法；正交实验；吸蓝量

膨润土又称膨润岩或斑脱岩，是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物[1]，蒙脱石的单位晶胞是由两层硅氧四面体片晶层中间夹一层铝(镁)氧八面体晶层构成的2∶1型晶体结构[2]。目前膨润土作为优良的黏合剂、吸附剂、脱色净化剂、环保消毒防护剂、催化剂、触变剂等已被广泛应用于冶金、铸造、化工、陶瓷、石油钻探以及国防等领域[3-4]，也称“千种用途土”。我国膨润土资源丰富，新疆是我国膨润土远景储量最大的地区[5]，其矿床资源总量为5.945×109t[6]，柯尔碱矿带是其中之一的超大型膨润土矿床，具有很好的开发利用前景。但是，该地区的膨润土多数品位较低，原矿中除含有蒙脱石外还有石英、高温钠长石、石膏等杂质，性能较差。因此，开展对中低品位的柯尔碱膨润土的提纯应用研究为开发其深加工产品提供了依据，对充分利用该膨润土资源具有重要的现实意义。

膨润土的提纯方法一般分为物理和化学提纯方法。物理提纯方法即选矿提纯方法，又分为手选、风选(干法提纯)和水选(湿法提纯)3种方法[7]。其中手选主要用于原矿蒙脱石含量较高的膨润土，干法提纯适用于蒙脱石含量大于80%、粒度较细而脉石矿物(石英、长石)粒度较粗的矿石，而对于蒙脱石含量较低(30%～80%)或对于所含长石、石英的粒度极小的膨润土矿，要获得更高纯度的膨润土或蒙脱石，往往采用湿法提纯[8]。湿法提纯根据工艺过程的不同又分为自然沉降法、絮凝法、离心法和二次分级法等。

本实验选用新疆托克逊县柯尔碱膨润土，原土中蒙脱石含量约为50%，为中低品位膨润土矿，拟选用离心分离的湿法提纯。提纯过程用L9(34)正交实验探索固液比、离心转速、离心时间对提纯效果的影响，利用X射线衍射分析及红外光谱对原土和提纯土结构进行测试和表征，确定该膨润土的高效、低耗提纯工艺，为柯尔碱膨润土的开发利用提供了依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要试剂有0.2%亚甲基蓝标准溶液、氧化镁、1%焦磷酸钠溶液、1.0 mol/L的盐酸溶液等，所用试剂均为分析纯。

实验仪器主要有D90型电动机械搅拌机；DZTW调温电热套；LD5-2A型低速离心机；DHG-9240A型电热鼓风干燥箱；美国布鲁克公司的TENSOR27型红外光谱仪；布鲁克D8 Advance型X射线衍射仪。

1.2 柯尔碱膨润土的矿物组成

膨润土样品为新疆托克逊县柯尔碱膨润土，取原矿破碎、研磨过200目筛。原矿样的化学全分析结果见表1。从表1可以看出，该膨润土的化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、NaO和MgO等，可推测膨润土中蒙脱石是由Si、Al、Mg等组成，并且表面吸附着一定量Na和K。

表1 柯尔碱膨润土的化学成分分析结果

1.3 实验方法

将柯尔碱膨润土通过0.074 mm(200目)标准筛，称取100 g过筛后样品，加入一定量水，搅拌配成浆液，浸泡24 h，倾去上清液，再加水至原刻度，搅拌均匀，静置30 min，用虹吸法取出上层浆液，弃去下层粗渣。将上层浆液离心分离，去除上层清夜，将下层浆料于50 ℃烘干，研磨即得到提纯土，测试提纯土的吸蓝量、膨胀容，并对其微观结构进行表征。采用正交实验设计考察了固液比、离心转速、离心时间对提纯效果的影响。

1.4 样品指标的检验及测试

按《非金属矿石物化性能和成分分析方法手册》对柯尔碱膨润土进行基本性质分析[9]。

采用布鲁克D8 Advance型X射线衍射仪对样品晶体结构进行表征，采用步进的方式扫描，步长为0.02°，驻留时间为1 s，扫描范围为5～80°，管电压40 kV，管电流40 mA，λ=1.541 8 Å的CuKα射线，制样方式为粉末压片法制样；IR采用美国布鲁克公司的TENSOR27型红外光谱仪进行测试，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 离心法最佳工艺条件

2.1.1 正交实验设计

为了获得离心提纯柯尔碱膨润土最佳提纯工艺参数，选择固液比A、离心转速B、离心时间C为主要因素进行正交实验，以提纯产物吸蓝量作为评价提纯效果好坏的指标，影响因素及水平见表2。

2.1.2 极差分析

正交实验结果见表3。由表3中正交实验的极差分析可以看出影响离心提纯效果的主要因素为固液比，其次为离心转速，离心时间的影响较弱，优水平为A3B3C2，固液比为1∶12，离心转速为1 200 r/min，离心时间为5 min时有利于膨润土的提纯。

表2 正交实验的影响因素及水平

表3 正交实验结果

2.2 提纯后膨润土物化性能评价

将在最佳离心法提纯工艺条件下得到提纯土的物化性能与原土对比，结果见表4。从表4数据可以看出，经过提纯的膨润土的膨胀容、胶质价、吸蓝量和阳离子交换容量都得到了一定程度的提高，表明膨润土的膨胀、水化、分散能力和蒙脱石含量都得到了的提高，说明此提纯工艺能得到较高质量膨润土产品。

表4 柯尔碱膨润土提纯前后性能对比

2.3 原土与提纯土的FTIR分析

图1所示为柯尔碱膨润土原土及采用高速离心法提纯后的提纯土的红外光谱图。从图1中可看出原土的红外光谱在高频区3 617 cm-1和3 437 cm-1有两个明显的吸收谱带，前者由Al—O—H的伸缩振动引起，后者由层间水分子的H—O—H的伸缩振动引起，与中波段1 639 cm-1处层间水羟基的弯曲振动相对应。在1 030 cm-1附近较强的、宽敞的吸收带为钠基膨润土的特征吸收峰[10]，是蒙脱石的Si---O---Si反对称伸缩振动引起。在915 cm-1附近有一个弱的吸收带，该谱带与蒙脱石的羟基振动有关。在525 cm-1和470 cm-1附近有两个中等强度的吸收带，它们与蒙脱石的Si---O---M(M为金属阳离子)和M---O的偶合振动有关。798 cm-1为石英的特征衍射峰。这些特征说明柯尔碱膨润土主要成分为蒙脱石，主要杂质成分为石英。对比原土和提纯土谱图上的红外吸收峰的位置、峰形以及峰的强度可以看出经过离心法提纯蒙脱石特征吸收峰强度增大，而798 cm-1处出现的石英的特征吸收峰明显减弱，说明经过提纯很好的去除了膨润土中的石英杂质，蒙脱石含量明显提高。

2.4 原土与提纯土的X射线衍射分析

对柯尔碱膨润土原土与提纯土用X射线衍射仪进行结构表征，结果如图2所示。由图2中原土的X射线衍射谱分析知：原土的d(001)面网间距为1.216 9 nm，说明柯尔碱膨润土的主要矿物成分为含有一层结晶水的蒙脱石矿物，同时从谱图中还可以看出，原土中还有一定量的石英，并含有少量的高温钠长石和石膏。提纯土XRD表明：d(001)面网间距为1.448 2 nm，d(001)衍射强度较高、峰形尖锐陡峻，表明蒙脱石结晶度高、有序度好，对比提纯前后样品的XRD谱图可以看出膨润土经过离心法提纯后，蒙脱石特征衍射峰峰强明显加强，但峰形基本不变，提纯前后均为“瘦而高”。谱线的宽窄或峰型反映了晶体结构的有序度和晶粒大小[11]，说明采用离心法提纯基本不影响蒙脱石颗粒大小。并且提纯后石英峰强度明显减小，高温钠长石和石膏的特征衍射峰基本消失，说明离心法提纯后蒙脱石含量提高，能有效的去除杂质，提纯效果较好。

图1 原矿与提纯膨润土的红外谱图

图2 原土与提纯土的X射线衍射分析谱图

3 结 论

1)对新疆柯尔碱膨润土进行湿法提纯，最佳提纯工艺条件为：固液比为1∶12，离心转速为1 200 r/min，离心时间为5 min。

2)提纯后柯尔碱膨润土的膨胀容由10.75 mL/g提高到19.5 mL/g，吸蓝量由30.39 g/100g提高到74 g/100g，阳离子交换容量由0.43 mmol/g提高到0.78 mmol/g，胶质价也得到大幅提高。说明通过高速离心法提纯，在最佳工艺条件下得到了较高质量的膨润土产品。XRD和IR结果均表明经过提纯后蒙脱石峰变强，杂质峰减弱，说明提纯效果显著。

[1] 姜桂兰，张培萍.膨润土加工与应用[M].北京：化学工业出版社，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] 朱学忠，李彬，单洪仁.浅析膨润土矿的应用[J].西部探矿工程，2015，27(1)：1-3，6.

[4] 崔学奇，吕宪俊，周国华.膨润土的性能及其应用[J].中国非金属矿工业导刊，2000(2)：6-9.

[5] 武占省，孙喜房，李春.日月雷矿膨润土提纯影响因素分析及产品性能表征[J].矿业研究与开发，2010(1)：52-55.

[6] 张永浩，王志强，刘艳，等.柯尔碱膨润土作为高放废物处置库回填材料可行性分析[J].甘肃科技，2010，26(19)：53-54，81.

[7] 李雪梅，王延利.蒙脱石提纯研究进展[J].岩矿测试，2006，25(3)：252-258.

[8] 张彩云，董前年，章于川，等.膨润土湿法提纯及其钠化工艺优化研究[J].非金属矿，2007，30(2)：42-44.

[9] 金永绎.非金属矿石物化性能和成分分析方法手册[M].北京：科学出版社，2004：3-22.

[10] 李志娟，王晓飞，周岐雄，等.哈密某膨润土的性能表征与提纯[J].金属矿山，2014(9)：72-76.

[11] 温淑瑶，杨德涌，陈捷.膨润土及其酸化土、碱处理酸化土的X射线衍射特征及扫描电镜下的表面特征分析[J].矿物学报，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 责任编辑：赵奎涛

徐颖(1990-)，女，湖北黄冈人，硕士，助理工程师，从事矿物学与矿物材料学研究工作，E-mail：xuying.0703@163.com。

TF111.3

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1004-4051(2017)08-0126-03