前言

高岭土是一种含铝的硅酸盐矿物，与云母、石英、碳酸钙并称为四大非金属矿。高岭土具有可塑性、粘结性、分散性、吸附性、化学稳定性等多种理化特性，可应用于造纸、陶瓷、塑料、橡胶、涂料、油漆、医药、化妆品等行业^[1]，是一种用途广泛的工业矿物资源^[2]。我国非煤系高岭土资源已探明储量为35亿t，居世界前列，其中矿石类型以砂质高岭土为主，大约占储量的60%以上^[3]。

砂质高岭土属风化型或沉积型矿床，主要分布在南方亚热带多雨地区，其主要矿物组成是高岭石、石英、长石和云母等^{[4, 5]}。砂质高岭土中，高岭石含量一般在15%~30%左右^[6-8]，粒径>50 μm的石英、长石、云母等矿物的含量≥50%。我国砂质高岭土主要以开采原矿和产品粗加工为主，淘洗率较低，生产精制高岭土能力不足。决定高岭土品质和应用价值的重要指标之一是白度，尤其是用于陶瓷领域的高岭土需要具有较高的烧成白度，而影响白度的主要因素是Fe、Ti等染色物质^[6]。因此查明影响高岭土白度的杂质种类和赋存状态，并采用低耗环保工艺将其去除，对提高高岭土的白度和附加值具有重要的意义。本研究通过对江西某砂质高岭土进行详细的工艺矿物学研究，查明了影响白度的杂质元素和赋存状态，并采用超导磁分离技术进行了除铁增白试验研究，确定制备精制高岭土的绿色环保工艺参数及流程。

1 原矿性质与试验准备 1.1 原矿性质

试验采用的高岭土原矿取自江西某地，属花岗岩风化残积型矿床，外观呈砂土状，浅红色。高岭土原矿X射线衍射图谱见图 1，高岭土原矿与不同粒级产品的化学多元素分析结果见表 1。

由图 1可见，高岭土中的主要矿物有高岭石、石英、钾长石和白云母。由表 1可见，矿石中主要化学成分为SiO₂和Al₂O₃，其次为K₂O、Na₂O和Fe₂O₃，TiO₂含量较低，因此铁是该砂质高岭土的主要着色体和杂质元素，随着粒度的减小，Fe₂O₃出现了先增加后减小的趋势，需进一步查清楚铁的赋存状态。

图 2、图 3和表 2是高岭土原矿和-325目产品的MLA面扫描和电子探针照片及分析结果。

由图 2、图 3和表 2可见，铁主要赋存在同时含有K和Al的白云母中。推测铁的存在方式主要有两种:一种是铁以类质同像存在于云母中；一种是在云母片间夹杂有微细粒铁矿物和金红石，他们是由于云母在风化过程中，铁从云母中析出形成铁矿物^[9]，该部分含量极少，无法通过XRD检测出。

1.2 试剂、设备及检测方法

试验中采用的分散剂是六偏磷酸钠，化学纯。

试验中采用的超导磁选机为江苏旌凯中科超导高技术有限公司的102型高梯度超导磁选试验机；立环脉动高梯度磁选机为赣州金环磁选设备有限公司生产的SLon-1000立环脉动高梯度磁选机；浆料磁选机为佛山高明星源机械有限公司生产的XYDC-Z8-13K全自动浆料电磁磁选机。

白度按照GB/T 5950—2008建筑材料与非金属矿产品白度测试方法进行检测，检测设备采用的是SC-80C全自动色差仪；Fe₂O₃的测试方法采用的是原子吸收光谱法。

2 试验研究

通过工艺矿物学研究可知，试验所用砂质高岭土中的染色物质Fe主要赋存在白云母中，而白云母和高岭土的粒度极细，目前工业上大多采用磁选和化学漂白工艺进行去除。在化学漂白过程中需加入硫酸、保险粉等化学药剂^[10]，不仅污染环境、腐蚀设备，而且还能改变高岭土原有性质，缩小产品适用领域。随着企业环保意识增强，该工艺应用会越来越少。而磁选是一种绿色无污染的物理分选工艺，是非金属矿除铁应用最广泛和有效的方法。本研究开展了不同磁选方式对砂质高岭土白度的影响，并选取最佳磁选方式进行条件优化试验研究，最终确定了砂质高岭土最佳磁选工艺。

2.1 砂质高岭土不同磁选方式研究

由于砂质高岭土中铁杂质含量少、磁性弱、粒度细，故应选用强磁选设备进行除铁。本试验选取了立环脉动高梯度磁选机、高梯度浆料磁选机、高梯度超导磁选机等具有较高磁场强度的磁选机对-325目高岭土进行除铁增白试验，结果如表 3所示。

由表 3可见，立环脉动高梯度磁选机和浆料磁选机可将Fe₂O₃含量分别降到0.76%和0.60%，白度增加到81.6%和85.0%，而精矿产率较低，并且采用的1.56 T和1.3 T是立环脉动高梯度磁选机及浆料磁选机的最大背景磁场强度，因背景磁场强度越高，激磁功率越大，设备能耗越高，单位生产成本越高，因此采用电磁磁选机的选矿成本较高；超导磁选机采用了3.5 T的背景磁场强度，磁选效果在这三种磁选机中是最好的，Fe₂O₃含量降到0.52%，白度88.8%，产率为59.66%，而且超导磁选机易于在很大的分选空间获得较高的磁场强度、体积小、重量轻、能耗和运行成本低，因此采用超导磁选机是制备细粒级精制高岭土较为有效的方法。以下试验均采用超导磁选机对砂质高岭土进行除铁增白，研究各个试验条件对高岭土磁选效果的影响。

2.2 磁场强度对高岭土超导磁选效果的影响

矿物按照磁性不同，分为强磁性矿物、弱磁性矿物和非磁性矿物。白云母是一种弱磁性矿物，比磁化系数为(2~4)×10^-7 m³/kg，而高岭土是一种非磁性矿物，比磁化系数为0 m³/kg^[12]。当磁场一定时，物体比磁化系数越大，矿粒在磁场中所受的比磁力越大，因此在强磁场中弱磁性矿物易与非磁性矿物实现有效分离，且物料粒度越细要求的磁场力越大。固定进料速度为0.8 cm/s，2#钢毛，分散剂用量为0.4%(样品的质量分数，下同)，分别在磁场强度为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 T的条件下，进行高岭土超导磁选试验，结果如图 4所示。

在超导磁选机中，被分选的物料受到磁力、重力、摩擦力、流体阻力、浮力等的作用，当多种作用力的矢量和朝向高梯度磁介质时，磁颗粒则向高梯度磁介质运动，到达受力平衡点后即附着在高梯度磁介质表面，进而实现与无磁性组分分离^[13]。高岭土矿浆中的弱磁性颗粒在磁场中受磁力由公式(1)表示：

$ {F_m} = {V_p}\rho {\chi _m}H\nabla B $

(1)

式中，ρ为颗粒密度，H为外磁场强度，$ {V_p}, \rho , {\chi _m}$为颗粒固有属性，$ \nabla B$为磁场梯度。钢毛为铁磁体，其在背景磁场为1 T左右时即可达到磁饱和。当钢毛达到磁饱和后，磁场强度继续升高对钢毛周边的磁场梯度理论上无影响。因此，弱磁性颗粒受磁力随磁场强度H增大而增加，从而增大钢毛捕捉颗粒概率，提高杂质去除率^[14]。

由图 4可见，随着磁场强度的增加，Fe₂O₃含量和白度均出现了相反的变化趋势，但总体上精矿中Fe₂O₃含量随着磁场强度的增大而下降，这表明增加磁场强度能提高铁矿物的去除能力。而磁场强度的增加或多或少会影响产率的变化，当磁场强度由2.5 T升高到4.5 T时，产率出现轻微波动，这说明磁介质表面吸附的颗粒质量基本一致，只是随着磁场强度的增加吸附的颗粒中弱磁性矿物所占比重增多，而当磁场强度继续增加到5.5 T时，磁介质捕捉能力更强，会捕捉到部分非磁性矿物，造成产率的降低。综合考虑，最终选择最佳磁场强度为4.5 T。

2.3 分散剂用量对高岭土超导磁选效果的影响

由于高岭土粒度较细，为取得更好的分选效果，会在矿浆中加入一定量的分散剂，使高岭土颗粒在矿浆中分散均匀。固定18%的料浆质量浓度，4.5 T的磁场强度，2#钢毛，进料速度为0.8 cm/s，分别在分散剂用量为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的条件下进行超导磁选试验，结果如图 5所示。

由图 5可见，随着分散剂用量的增加，Fe₂O₃含量先降低后升高，产率逐渐提高。分散剂的使用可改善矿浆的分散性，减弱磁选过程的机械夹杂与包裹，在细粒级矿物分选过程中十分必要，但过量的分散剂会影响矿浆的流动性和分散性，并且增加成本。综合考虑，最终选择最佳的分散剂用量为0.4%。

2.4 进料速度对高岭土超导磁选效果的影响

固定2#钢毛，分散剂用量为0.4%，磁场强度为4.5 T，分别在进料速度为0.6、0.8、1.0、1.5 cm/s的条件下，进行高岭土超导磁选，结果如图 6所示。

由图 6可见，随着进料速度的增加，Fe₂O₃含量也是逐渐增加的，说明进料速度过快，影响磁选介质对铁矿物的捕收能力，以及矿物在分选腔中的停留时间，因此精矿产率就会相应提高，但是进料速度过慢会影响设备的处理能力。综合考虑，最终选择最佳进料速度为0.8 cm/s。

2.5 分选介质尺寸对高岭土超导磁选效果的影响

钢毛是一种很微细(一般为十几微米至几十微米)的不锈钢磁性材料，有矩形断面和圆形断面两种。钢毛置于均匀的背景磁场中，在钢毛周围产生很高的磁场梯度，但磁场力的作用范围很小^[12]。因此，钢毛只适合分选磁性颗粒较细的矿物，本试验采用的矩形钢毛。固定分散剂用量为0.4%，磁场强度为4.5 T，进料速度为0.8 cm/s，分别在1#钢毛、2#钢毛和3#钢毛的条件下，进行高岭土超导磁选，结果如表 4所示。钢毛型号尺寸如表 5所示，经磨具压实，按8%体积填充分选腔。

由表 4可见，钢毛类型对高岭土磁选有一定的影响，可能是受到钢毛有效通道堵塞，非磁性颗粒夹杂的影响。2#钢毛的磁选效果最好，精矿中Fe₂O₃能降到0.50%，白度提高到91.0%，产率为61.85%。

2.6 电磁预处理对高岭土超导磁选效果的影响

为消除高岭土中大颗粒磁性矿物对超导磁选机中介质有效通道的堵塞，进一步提高产品白度，对-325目高岭土先经1.1 T浆料磁选机磁选预处理，电磁精矿再进入4 T超导磁选机进行二次磁选。超导磁选条件为：进料速度为0.8 cm/s，分散剂用量为0.4%，2#钢毛。试验流程如图 7所示，所得精矿结果与未经预处理结果的比较如表 6所示。

由表 6可见，采用电磁预选—超导磁选工艺流程，所得精矿Fe₂O₃含量低于经一次4.5 T超导磁选后的精矿，且白度由91%提高至93.4%，产率相差不大，因此电磁预选-超导磁选工艺要优于单一超导磁选工艺。主要原因有两个：一是因为磁性颗粒在外磁场中磁化，相互吸引形成磁团聚现象。磁团内部除磁性颗粒外，还包裹着高岭土颗粒，高岭土颗粒随磁团被分离出来，因而降低了产品产量。磁团产生速率与外界磁场强度有关，其随磁场强度增大而增加。若矿浆未经预处理易造成4.5 T强磁处理过程中磁颗粒负荷过高，产生大量磁团，造成高岭土流失严重。当采取分段处理工艺时，在1.1 T预处理过程中虽产生磁团聚现象，但磁团数量相对较少，因而高岭土损失较少。预选阶段去除了大量杂质，减轻了强磁处理过程中磁颗粒负荷，降低了磁团数量，减少了高岭土损失；二是因为钢毛表面吸附大量磁颗粒，且随磁场强度增加而增多。若直接进行强磁处理，易造成大量磁颗粒吸附在钢毛上堵塞通路，形成物理截留，影响高岭土颗粒通过。若先经过弱磁预处理，会减轻下一步强磁处理的杂质负荷，使得在强磁处理过程中高岭土颗粒能顺利通过钢毛。因此，分段磁选有利于高岭土降铁增白^[14]。

3 结论

(1) 以-325目江西某砂质高岭土为研究对象，分别采用三种湿式强磁选机对其进行磁选除铁制备精制高岭土。结果表明，超导磁选机磁场强度高、体积小、重量轻、能耗和运行成本低，是制备精制高岭土最为有效的磁选设备。

(2) 磁场强度、分散剂用量、进料速度、分选介质尺寸及预处理均影响高岭土的磁选效果。在分散剂用量为0.4%，进料速度为0.8 cm/s，使用2#钢毛的条件下，先经1.1 T弱磁预处理，再经4 T强磁处理后，高岭土精矿中Fe₂O₃含量为0.48%，白度为93.4%，产率为60.08%，取得了理想的分选指标。