高嶺土是一種用途廣泛的非金屬原料,應用領域涉及造紙、陶瓷、石油化工、涂料、耐火材料等。高嶺土的白度是影響其應用的一個重要指標,但優質高嶺資源越來越少,大部分需經除鐵處理。根據高嶺土的成因和種類不同,所含鐵的組分和含量也各不相同,除了含石英、長石、云母等以外,通常會有數量各不相同的金屬氧化物(南方主要為鐵的氧化物)、有機物和碳質,前者是影響高嶺土白度的主要染色物質。
物理分選方法(重選、磁選)常用于高嶺土原料的預先富集或有害物質的預先分離, 分選出大部分雜質礦物,提純高嶺土。但物理分選方法具有一定的局限性,對于粒度細、含量低的雜質礦物難于有效分離,對于高嶺土中的晶格鐵更是無法分離,僅靠物理分選的方法很難獲得高白度的優質高嶺,因此,要獲得優質高嶺土還需要經過漂白處理, 高嶺土中的著色物質主要有鐵礦物、碳質和有機質,鈦礦物在南方原料中含量少(目前處理尚困難), 本文著重分析著色物質的存在方式及適宜的漂白方式。
1 鐵的存在形式及其漂白方法
鐵礦物是高嶺土中最常見的著色物質,每種高嶺土中均有不同程度的分布,常見鐵礦物包括:黃鐵礦(FeS2)、褐鐵礦(Fe2O3·nH2O )、赤鐵礦(Fe2O3)、菱鐵礦(FeCO3)、磁鐵礦(Fe3O4)等,其中以三價鐵最常見,這些鐵礦物會使高嶺土呈現不同程度的灰色、褐色、粉紅色等,使高嶺土白度降低。由于鐵礦物性質不同,可以采用不同的漂白工藝。
從國內外資料來看,漂白劑成本較高,通常先除去大量雜質后,再采用各種化學漂白的處理方法。國內通常采用水洗、分級的方法,去除砂質礦物(石英、長石)和重礦物(鐵、鈦氧化物),對于高鐵量高嶺土則采用強磁選漂白、還原漂白法、氧化還原漂白法、酸浸漂白、還原絡合漂白法,其中以還原絡合漂白最為有效。
2.1 含黃鐵礦型高嶺土的除鐵———氧化漂白法
一般采用強氧化劑(次氯酸鈉、過氧化氫、高錳酸鉀等),在水中將黃鐵礦氧化為可溶于水的亞鐵鹽,然后通過水洗而除去,反應過程可表示為:
FeS2 + 8NaClO → Fe2+ + 8Na+ + 2SO42- + 8Cl- (1)
為防止后續Fe2+被重新氧化,加入絡合劑(草酸)是一種有效的方法,其工藝參數一般為:pH =5~6;漂白劑用量為1.5%左右;漂白時間在20~35℃時為2~3h。
2.2 含Fe2O3(氧化鐵)型除鐵
氧化鐵是高嶺土中最常見的雜質之一, 常以三價氧化物或氧化鐵水和物的形式存在,不溶于水,在稀酸中也難于反應。常采用除鐵方法包括酸浸法、還原法、酸浸還原聯合法等。
2.2.1 酸浸除鐵漂白法
常采用鹽酸除鐵和草酸浸除鐵。反應方程式為:
Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O (2)
3C2O42- + Fe3+ → [Fe(C2O4)]3- (3)
實驗表明,pH 為5~7 時,鐵基本不溶,必須在強酸性環境中(pH<2)才易除去,且鹽酸加草酸的效果要好于分別單個加入。這是由于草酸的絡合作用有助于鐵的溶出,方法雖然簡單,但無法獲得白度大于90°的優質高嶺土。
2.2.2 還原除鐵漂白法
利用還原劑將高嶺土中難溶的三價鐵還原成二價鐵(溶于水),從而使氧化鐵脫除,常用連二亞硫酸鈉在pH為2~4、常溫條件下將Fe3+ 還原成Fe2+ ,經過濾多次洗滌除鐵,具體反應如下:
Fe2O3+Na2S2O4+H2SO4 =Na2SO4+2FeSO3+H2O (4)
由于連二亞硫酸鈉在酸性環境中或高溫環境中會分解為SO2 、H2S 等,而降低漂白效果,且工作環境差,刺激性氣味很濃,適當加些金屬鋅粉有助于除鐵,其工藝參數為:pH=2~4;連二亞硫酸鈉加入量7%~8%。
2.2.3 酸浸還原聯合除鐵
常采用鹽酸或硫酸加入活潑金屬鋅, 可達到比較好的除鐵效果。其反應如式(5)至式(7):
6H++Fe2O3→2Fe3++3H2O (5)
Zn+2H+→Zn2+ +H2 (6)
Fe3++H2→Fe2++2H+ (7)
為防止后續Fe2+再被氧化,加入絡合劑草酸也是一種有效的輔助手段。其工藝參數為:鹽酸10%;pH 為2~3;鋅粉1‰;草酸2%。
2.3 氧化還原聯合除鐵
當高嶺土中鐵的存在形式復雜,既有黃鐵礦、有機質,又含有氧化鐵礦時,這時需采用氧化還原聯合漂白法,以分別除去不同的雜質。比如采用次氯酸鈉和雙氧水為氧化劑,以連二亞硫酸鈉為還原劑進行除鐵,可達到比較好的效果。
3 結語
高嶺土的除鐵是高嶺土加工的一個重要組成部分,除鐵工藝取決于原料中鐵的種類及存在方式。氧化鐵是高嶺土中最常見的有害雜質, 采用連二亞硫酸鹽還原除鐵,及酸浸除鐵可起到一定的效果。還原加絡合或酸浸加絡合將使除鐵效果更佳。需要指出, 高嶺土原料除鐵工藝的選擇除了要考慮鐵的種類及存在形式, 還要考慮關注環境、經濟技術分析,選用安全、可靠、經濟合理的除鐵方法。
作者:劉小燕 (閩清陶瓷研究所,閩清350800)
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