2022
引用本文 |
| 云南省某高岭土矿的工艺矿物学研究 |  [PDF全文] |
2. 云南省永平郭岭矿业有限责任公司, 云南 永平 672600
2. Yongping Guoling Mining Co. LTD, Yongping 672600, Yunnan, China
高岭土作为一种重要的非金属矿产资源被广泛应用于陶瓷、建筑材料、造纸涂料、石油化工和新材料等工业领域[1-3]。砂质高岭土矿床属风化型或沉积型矿床，主要分布在南方亚热带多雨地区，以高岭土族矿物为主要成分的矿石常常含石英、长石和云母等非金属矿物及钛、铁等金属氧化物杂质[4]，影响矿石的品质，因此砂质高岭土矿石必须经过选矿加工后才能更好地应用于工业领域[5]。正确客观评价高岭土矿的开发利用价值，必须对矿石进行工艺矿物学的研究。论文针对云南省某地高岭土矿，进行了系统的工艺矿物学研究工作，探究了高岭土矿分级后各粒级的产率、白度、矿物组成、化学成分，并表征了高岭石的形貌，研究了铁钛赋存状态等，其目的是为合理开发和利用该资源提供基础资料。
1 矿石的来源、测试仪器和药剂高岭土：矿样采集自云南某地高岭土矿。
试验所用测试仪器有：D/MAX-RB型X射线衍射仪(XRD)，日本理学公司；Zetium X型射线荧光光谱仪(XRF)，荷兰帕纳科公司(PANalytical B.V)；JSM-IT300型扫描电子显微镜(SEM)，日本电子株式会社；YQ-Z-48A型白度仪，杭州轻通仪器开发公司；JXA-8230型电子探针显微分析仪(EMPA)，日本电子株式会社。
试验所用药剂有：六偏磷酸钠(分析纯)，天津纵横兴工贸有限公司。
2 高岭土原矿特征 2.1 原矿化学成分高岭土矿的主要的化学成分见表 1。
| 表 1 高岭土矿的化学成分 Table 1 Chemical composition of kaolin ore |
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对高岭土而言，杂质成分是K2O、TiO2和Fe2O3，需通过后期的加工去除。
2.2 原矿白度及矿物组成高岭土原矿白度为63.96%。原矿的XRD谱图见图 1A，原矿矿物组成主要为高岭石和石英，并有少量白云母。
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(K: 高岭石; Q: 石英; M: 白云母; A: 钠长石) A: 原矿; B: -0.002 mm; C: -0.005+0.002 mm; D: -0.010+0.005 mm; E: -0.020+0.010 mm; F: -0.030+0.020 mm; G: -0.045+0.030 mm 图 1 各粒级高岭土的XRD图谱 Fig.1 XRD patterns of various classes of kaolin |
根据XRF化学成分分析和XRD物相半定量分析，原矿矿物组成为：石英21%左右，高岭石70%左右，白云母7%，其他2%(赤褐铁矿，钛铁矿，金红石等)。
3 高岭土的工艺矿物学特征 3.1 高岭土矿的粒级分布及白度将高岭土矿在质量浓度60%、六偏磷酸钠用量(质量分数，下同)0.2%的矿浆中捣浆20 min后淘洗分级，各粒级的产率和白度见表 2。
| 表 2 分级高岭土的产率、白度及矿物组成 Table 2 Yield, whiteness and mineral composition of each particle classes of kaolin |
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由表 2可知，该高岭土-0.045 mm粒级的产率为55.72%，其中-0.020+0.010 mm粒级的产率最大，为20.69%，其次-0.045+0.030 mm粒级产率为11.16%，-0.030+0.020 mm、-0.010+0.005 mm及-0.002 mm粒级产率均小于10%，-0.005+0.002 mm粒级的产率最低，为2.27%，-0.002 mm粒级的产率为5.89%，-0.010 mm粒级的产率共有17.19%。
白度：-0.010+0.005 mm粒级最高72.74%，其次是-0.020+0.010 mm粒级白度71.29%，-0.030+0.020 mm粒级白度67.81%，-0.045+0.030 mm粒级白度63.01%，-0.002 mm粒级白度最低是50.60%，粒度越细，高岭土白度越低，揭示铁钛等杂质元素在细粒级富集。
3.2 不同粒级高岭土的矿物组成分级后各粒级高岭土的XRD图谱见图 1。由图 1的XRD物相分析，结合光学显微镜的观察，表 3的化学成分综合分析，各粒级的矿物组成和含量见表 2。
| 表 3 分级高岭土的化学组成 Table 3 Chemical composition of each classes of kaolin |
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由表 2可知，高岭石在-0.045+0.030 mm粒级开始富集，含量在70%以上，-0.002 mm粒级含量达90%，在+0.045 mm粒级中，高岭石的含量仅为40%，这可能是因为该高岭土矿风化不彻底，高岭石呈长石矿物的假象存在，常规的捣浆工艺，高岭土集合体没有完全打散，这种现象在3.4节高岭石形貌中得到证实；石英含量随粒度的变细而越来越低，-0.005 mm粒级含量小于6%；白云母在-0.045 mm各粒级中均有分布，在-0.030+0.005 mm含量相对较高，为8%~10%。
3.3 不同粒级高岭土的化学成分分级后各粒级高岭土的化学成分见表 3(产率低的粒级，表中进行合并分析)。
由表 3可知，随着粒度的变细，SiO2含量逐渐减少，-0.045 mm粒级SiO2含量明显减少，到-0.005 mm粒级仅47.04%；-0.045 mm粒级Al2O3含量明显增加，到-0.005 mm粒级达34.61%；杂质元素铁在细粒级富集，其中-0.005 mm粒级含量最高达0.96%；杂质元素钛变化规律是在细粒级含量降低，在-0.045+0.020 mm含量最大0.25%；K2O在-0.020+0.005 mm粒级含量较高，达1.14%~1.25%。
3.4 高岭石的形貌特征不同粒级高岭土的SEM照片见图 2。由图 2可知，-0.020+0.010 mm和-0.010+0.005 mm两个粒级的高岭土中片状高岭石为叠片状或蠕虫状集合体。在堆积紧密的片状高岭石边缘可见少量的管状埃洛石。-0.005+0.002 mm粒级，高岭土中仍然以叠片状的高岭石为主，管状埃洛石含量有所提高。到-0.002 mm粒级，高岭土中埃洛石的含量明显增加，管长在0.5~2 μm之间。总之该高岭土矿是高岭石族的片状高岭石和管状埃洛石两种矿物组成，说明该高岭土不能应用在造纸领域。
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| 图 2 各粒级高岭土的SEM照片(10 000倍) Fig.2 SEM images of various classes of kaolin(×10 000) |
3.5 高岭土矿烧成白度
对高岭土矿-0.010 mm粒级产物进行了煅烧试验。经1 230 ℃煅烧后，产物白度为85.92%，相较于煅烧前，白度增加了21.78个百分点。
3.6 铁、钛赋存状态因为铁和钛是高岭土矿的主要有害杂质，铁钛的赋存状态研究是高岭土矿工艺矿物学研究的主要内容[6]。由表 3可知，分级高岭土中-0.045 mm以下粒级Fe2O3含量＞0.5%，若能在前期加工中降低Fe的含量，烧成白度有望提高，因此论文对矿石中铁钛的赋存状态进行了分析。对-0.010 mm粒级中高岭土进行了EPMA分析，-0.010 mm粒级高岭土的背散射图和Ti、Fe元素的面扫描见图 3，能谱分析见图 4。
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| 图 3 -0.010 mm粒级背散射图及Ti、Fe元素面扫描图 Fig.3 Backscattering diagram of -0.010 mm classes of kaolin and scanning diagram of Ti and Fe elements |
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| 图 4 -0.010 mm粒级各点EPMA能谱分析结果 Fig.4 EMPA energy spectrum analysis result of -0.010mm classes |
由图 3可知，在背散射图中，呈现一个较大亮区，其余有13处以上微细的亮区，结合Ti和Fe的面扫描图。对Ti元素，视域中可见8个明显的亮区；对Fe元素，视域中可见2个亮区和5个以上较亮的区域；有一个区域Fe和Ti同时存在。结合图 4能谱分析结果，这些亮点的矿物是赤褐铁矿、金红石和钛铁矿。
由图 4中能谱1和5，可知该点的矿物是赤褐铁矿，能谱图 2和4是钛铁矿，能谱图 2、3和4为金红石，能谱图6铁可能是浸染铁(薄膜铁)。综上所述，该高岭土中铁钛杂质主要以赤褐铁矿、金红石、钛铁矿等独立矿物形式存在，这部分钛铁杂质可通过前期的水力旋流器、磁选等物理选矿方法去除，少部分的铁以浸染形式存在，极少部分存在于在高岭石晶格中。
4 各粒级高岭土的质量高岭土原矿主要成分含量为：SiO2 56.64%、Al2O3 31.28%、Fe2O3 0.72%、TiO2 0.20%，自然白度63.96%，根据GB/T 14563—2020高岭土国家标准[8]，可达到陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)。
-0.045+0.020 mm粒级达到陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)；-0.020+0.010 mm粒级达到橡塑工业用水洗高岭土粉标准(XT)和陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)；-0.010+0.005 mm粒级满足橡塑工业用水洗高岭土标准(XT)和陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)；-0.005+0.002 mm粒级达到橡塑工业用水洗高岭土标准(XT)和陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)；-0.002 mm粒级满足陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)。
5 结论(1) 该高岭土淘洗率较高，-0.045 mm粒级达55.72%，由片状的高岭石和管状的埃洛石组成。通过简单的分级提纯工艺，可满足陶瓷工业用水洗高岭土标准(TC)；-0.020+0.002 mm还可满足橡胶工业用水洗高岭土标准(XT)。
(2) 该高岭土矿中，Fe、Ti杂质主要赋存在独立矿物赤褐铁矿、金红石和钛铁矿中，通过磁选可去除并提高烧成白度。
(3) 该高岭土优点是淘洗率较高，自然白度和烧成白度较高。缺点是片状的高岭石多为集合体，在+0.045 mm中，由于风化不彻底仍含有40%左右的高岭石。细粒级中由于管状埃洛石的存在，限制了其在造纸领域的应用。
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