韦能，徐勇强，杨勇，何亚群

（中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116）

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩，主要杂质有：黏土矿物，如伊利石、绿泥石、高岭石等；非金属矿物，如石英、长石、沸石、硫酸盐、碳酸盐等；此外，还有极少量的金属硫化物或氧化物矿物，如黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿、金红石等。由于膨润土具有膨胀性、吸水性、分散性、阳离子交换性及润滑性等性能，膨润土及各种改性产品被广泛应用于冶金球团、铸造型砂粘合剂、造纸等领域[1]。

总体上，膨润土的提纯方法可分为湿法和干法两类。其中湿法提纯适用于蒙脱石含量小于80%的膨润土，而干法提纯常用于分选蒙脱石含量大于80%的膨润土[2]。杨有学[3]通过在水介质中对膨润土进行四级分选提纯，证明在水介质中对膨润土进行分选是可行的。罗太安等[4]研究了矿浆质量分数、制浆时间、分散剂用量等因素对膨润土提纯效果的影响，结果表明，在矿浆质量分数为15%, 搅拌时间为 2 h, 六偏磷酸钠为0.2%的条件下，提纯效果得到很大改善。侯云丹等[5]采用湿法提纯工艺，研究了液固比、离心转速、离心时间及温度对膨润土提纯效果的影响，发现在液固比为12，离心机转速为2500 r/min，离心时间为9 min，温度为40℃时，膨润土的提纯效果较好。王福卫等[6]采用不同提纯工艺对广西宾阳膨润土进行提纯，发现自然沉降法耗时长，提纯效果不佳；超声波提纯耗时最短，提纯效果较好；水力旋流器法提纯效果低于超声波提纯，但提纯量较高。徐颖等[7]基于湿法提纯工艺，对柯尔碱膨润土进行提纯，得出当固液比为1 : 12，离心转速为1200 r/min，离心时间为5 min时，提纯效果显著。王志强等[8]对天然钠基膨润土进行干法提纯，提纯后的膨润土各项指标均达到膨润土防水毯产品的要求。

本文以山东昌乐某矿膨润土为实验物料，借助SEM、XRD和XRF等现代分析仪器，对其进行矿物学特性分析。基于湿法提纯工艺，探索了在自然沉降法下，分散剂种类、分散剂用量、分散时间、沉降时间对提纯效果的影响，并尝试自然沉降与离心沉降相结合的实验方法，探索了先自然沉降后离心沉降的“一精一粗”分离提纯工艺。

1 实 验

1.1 实验样品

本实验采用的膨润土取自山东昌乐某矿，其主要的物理性质见表1。

表1 膨润土的主要物理性质Table 1 Main physical properties of bentonite

表中胶质价是指膨润土与水按比例混合，加适量氧化镁后所形成凝胶体的体积，与膨润土的水化程度及胶体性能有关。膨胀容是指膨润土与盐酸溶液混合后，膨胀所占据的体积。膨胀容体现膨润土的粘结性、保水性、流变特性等。

由表1可见，该膨润土水分为14.64%，胶质价及膨胀容均满足市场要求，但吸蓝量较低，即其中有价成分蒙脱石的含量较低，因此需要对此膨润土进行提纯以满足膨润土加工产品的应用需求[9]。

1.2 分析仪器

采用美国FEI扫描电子显微镜Quanta 250测试膨润土的表面形貌，测试条件为：高真空背散射模式，加速电压25 kV，工作距离为11-14 mm。采用德国布鲁克X射线衍射仪D8 Advance XRD 测试膨润土的结构参数，测试条件：电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度为0.1 sec/step，采样间隔为：0.019450（step）。采用德国布鲁克X射线荧光光谱仪S8 TIGER测试膨润土组分含量，主要技术参数：顺序扫描式；功率4 kw，最大电压60 kv，最大电流170 mA；元素检测范围为Be(4) ~ U(92)；检出限为10-6~ 100%。

1.3 实验方法

自然沉降：取一定量膨润土，加入去离子水配成一定浓度的矿浆，在磁力搅拌器下搅拌10 min，加入一定量的分散剂，分散、自然沉降一定时间，顺序倒出轻重产物，分别烘干称重，烘干后的样品研磨至-0.074 mm测定吸蓝量。

离心沉降：将轻产物倒入离心机中，在离心机中以一定离心转速下离心一段时间，顺序倒出轻重产物，分别烘干称重，烘干后的样品研磨至200网目以下测定吸蓝量。

吸蓝量的测定过程采用GB/T 20973-2007《膨润土》中的相关要求。

2 结果与分析

2.1 SEM分析

取已在(105±3)℃烘干3 h的膨润土试样，将其研磨筛分为-0.125+0.074 mm、-0.074+0.045 mm和-0.045 mm三个粒级。随后利用酚醛树脂对样品进行固化抛光处理。图1为三个粒级样品的SEM背散射照片。

图1 膨润土各粒级SEM背散射照片Fig.1 SEM backscattered photographs of each particle size of bentonite

由图1可知，各粒级都有明显的衬度区别，亮白色颗粒代表具有高原子序数的脉石矿物，暗黑色颗粒则为膨润土矿物。在-0.125+0.074 mm的粒度范围内，已经存在较多单体解离的脉石颗粒，说明原矿研磨至0.125 mm时就能达到单体解离要求。图1-(a)中脉石颗粒粒度为300 μm左右，(b)中脉石颗粒粒度约为100 μm，(c)中脉石颗粒粒度约50 μm，继续研磨会导致膨润土中蒙脱石和脉石的同步破碎，且增加了分选过程中的能量消耗。另较粗脉石的嵌布形式为包裹状，通过剥离作用能针对性的解离出目的矿石，较容易脱除；而呈星散状浸染分布的脉石颗粒，其粒度较细，约为-2 μm，难以脱除，且在水介质中细粒脉石易罩盖在粗颗粒蒙脱石上，增加了膨润土提纯的难度。

2.2 XRD分析

该膨润土的X射线衍射见图2。

图2 膨润土X射线衍射图谱Fig.2 X-ray diあraction pattern of bentonite

由图2可知，该膨润土的主要物质为蒙脱石，其2θ值在3.2°附近；主要杂质为低温型石英（2θ为20.8°）、多硅锂云母（2θ为8.9°）等，提纯实验的主要目的是脱除这些杂质矿物。该蒙脱石的d001值为，根据相关文献描述[10]，d001值在属于钠基膨润土。

2.3 XRF分析

为进一步探索矿石的综合性质，对该膨润土进行XRF含量分析，结果见表2。

表2 膨润土X射线荧光光谱分析结果/%Table 2 X-ray fluorescence analysis results of bentonite

蒙脱石的理论分子式为[Si8AL4O20(OH)4·n H2O]，理论化学组成为：SiO2含量为66.7%，Al2O3含量为28.3%，H2O含量为5.0%。由表2可知，膨润土化学成分以SiO2、Al2O3为主，其含量分别50.72%和19.45%；Fe2O3含量为10.17%，Na2O、CaO、K2O的含量较少；SiO2/ Al2O3质量比值为2.60，虽与理论值（2.36）较为接近，但由于存在低温石英等杂质，导致纯蒙脱石形态的SiO2含量偏低，需对膨润土进行提纯处理，提高蒙脱石含量。

2.4 分选提纯

2.4.1 分散剂种类实验

分别称取三份50 g膨润土配成矿浆浓度为15%的溶液，在分散过程中分别加入0.2%分散剂（焦磷酸钠、六偏磷酸钠），同时设置无分散剂的对照组，分散10 min，自然沉降3.5 h。根据上述方法分选出膨润土精矿和尾矿，其结果见表3。

表3 分散剂种类对提纯效果的影响Table 3 Eあect of the type of dispersant on the purification

由表3可知，不添加分散剂时基本没有提纯效果；使用焦磷酸钠作为分散剂的膨润土精矿有较高的蒙脱石含量，但其产率仅为56.26%。自然沉降对膨润土的提纯效果不理想，可能原因有：分散时间不足，矿浆得不到充分分散；沉降时间过长，使悬浮在溶液中的蒙脱石也沉入尾矿；仅受重力加速度作用的自然沉降法提纯难以去除粒度较细的杂质。

2.4.2 膨润土提纯正交实验

为探究自然沉降法提纯的较佳条件，选取影响蒙脱石含量的三个因素即分散剂用量、分散时间和沉降时间作为实验因素，每个因素选择3个水平，用L9(34)正交表进行实验设计，因素水平见表4。

表4 正交实验因素水平Table 4 Factors of orthogonal test

根据表5可知，沉降时间对精矿蒙脱石含量影响最大，三个因素对结果的影响强度的排序为：沉降时间>分散剂用量>分散时间，较佳水平组合为分散剂用量0.6%，分散时间为2.5 h，沉降时间为4 h。由表6可知，三个因素对实验结果均无显著性影响，没有统计学意义，因素水平间可自由组合，但相对来说A1B3C3的组合较好。

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

2.4.3 自然沉降与离心沉降联合提纯实验

自然沉降耗时长，且难以脱除细粒杂质，在特定时间内难以获得较高蒙脱石含量的膨润土精矿，因此考虑在提纯工艺中加入离心沉降环节来加速提纯效率。通过自然沉降粗选得到膨润土粗精产品，粗精产品再经过离心提纯精选得到膨润土精矿和尾矿，即“一精一粗”的提纯工艺。选用正交实验中产率最高实验条件作为联合提纯实验中自然沉降实验的条件，即：分散剂用量为0.4%、分散时间2.5 h、沉降时间2 h。

称取4份20 g膨润土，分别加入180 g去离子水制成2份浓度为10%的矿浆，加入0.4%焦磷酸钠分散2.5 h，自然沉降2.5 h，将自然沉降的轻产物放入离心机中，设定离心转速（1组：1000 r/min；2组：1500 r/min），离心时间（1组：3 min；2组：5 min），根据上述方法分选出膨润土精矿和尾矿，其结果见表7。

表7 膨润土离心提纯实验结果Table 7 Centrifugal purification test results of bentonite

由表7可知，两组实验中精矿蒙脱石品位均提升了10% ~ 11%，且随着离心机转速和离心时间的增加，提纯效果有所增加。

3 提纯结果分析

虽然膨润土原矿在破碎至-0.125 mm时，已经解离出部分脉石颗粒，但仍有大量呈星散状嵌布的细粒脉石颗粒保留在膨润土颗粒内部，而分散剂的作用能够有效地促进膨润土颗粒的分散，促进了膨润土颗粒和脉石颗粒的解离，继而提纯效果有所增加。另一方面XRD和XRF的分析结果显示，脉石颗粒的主要成分是石英和云母，其密度与蒙脱石的密度较为接近，因此仅在重力作用的条件下，很难在有限的分选时间内实现膨润土的高效分离提纯。本实验探索了离心力场对膨润土提纯效果的影响。结果表明，离心分选能有效提高精矿产品中的蒙脱石含量，在保证产率相似的前提下，蒙脱石品位较自然沉降提高了10%左右。针对本实验膨润土，提出“一精一粗”的提纯工艺，见图3所示，即通过先自然沉降后离心沉降的联合工艺，最大程度上实现了膨润土中粗、细粒脉石颗粒的脱除。

图3 “一粗一精”工艺流程Fig.3 “One roughing one cleaning” process

4 结 论

本文采用SEM、XRD及XRF分析膨润土的矿物学特性，探索分散剂种类、分散剂用量、分散时间、沉降时间对提纯效果的影响，探究了先自然沉降后离心沉降提纯工艺的提纯效果，得到以下主要结论：

（1）添加分散剂可以增加膨润土的提纯效果，且焦磷酸钠作为分散剂时膨润土具有较高的蒙脱石含量；

（2）以焦磷酸钠为分散剂，当用量为0.6%，分散时间为2.5 h，沉降时间为4 h时，自然沉降效率较优；

（3）采用自然沉降+离心沉降的联合工艺对膨润土进行提纯，在不降低蒙脱石产率的条件下，蒙脱石品位提高10% ~ 11%。