第2l卷第3期 矿 冶 Vo1.21,No.3 2012年9月 MINING&METALLURGY 文章编号:1005-7854【2012)03—0048 ̄5 广西某膨润土矿的性能及工业应用研究 杨慧群 管俊芳 尤大海 (武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉430070) 摘 要:利用化学分析、X一衍射、扫描电镜、差热分析和理化性能测试等多种方法系统地研究了广西某 膨润土的特征,结果表明,该膨润土矿为钙基膨润土,主要脉石矿物为石英和钾长石,蒙脱石含量为 39.62%。沉降法分级后,一2 m粒级产率3.70%,蒙脱石含量为66.76%,其膨胀容、胶质价和吸水率 分别为7.50 mL/2g,160.O0 mL/15 g,331.94%。原矿各项指标达不到冶金球团用的钙基膨润土的最低 标准,一2 m粒级的膨润土能够达到冶金球团用的钙基膨润土二级品以上的国标要求,表明该矿具有 一定的工业利用价值。 关键词:钙基膨润土;沉降分级;理化性能 中图分类号:TD98 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1005-7854.2012.03.013 STUDY ON CHARACTERISTICS AND INDUSTRIAL APPLICATION OF GUANGXI BENTONITE YANG Hui-・qun GUAN Jun-fang YOU Da・・hai (School of Resource&Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China) ABSTRACT:The characteristics of Guangxi bentonite ore are studied systematically through chemical analysis, XRD,SEM,differential thermal analysis and physical and chemical properties analysis,which shows that the ben— tonite ore is calcium based bentonite with quartz and feldspar as main gangue minerals,and the content of montmo- rillonite is 36.50%.After free settling classiication,ore of一2 m parfticles is obtained with recovery of 3.7%, and montmorillonite content of 66.76%.The inflation index,gelling index and bibulous rate are 7.50 mL/2 g, 160.O0 mL/15 g and 331.94%respectively.The index of raw ore does not reach the lowest standard of Ca—benton- ite for metallurgy pellet,however,the ore with一2 Izm particles reaches the requirements of the national standard secondary—class product for metallurgy pellet,which shows that the ore is of certain industrial value. KEY WORDS:Ca・bentonite;settling classification;physical and chemical properties 天然膨润土大多纯度不高,杂质含量较多,对膨 成品球的质量;高丹盈‘。 等人研究了膨润土类型对 润土的性能影响较大¨ ,另外不同产地的膨润土的 特征存在差异性,导致膨润土的应用领域不同,工业 价值差异较大 。例如,张玉柱 等人研究了膨 润土的理化性能对球团性能的影响,发现膨胀容影 响球团爆裂温度,蒙脱石含量与胶质价影响生球和 塑性混凝土性能的影响,发现掺钠基膨润土的塑性 混凝土的各项强度优于掺钙基膨润土的两倍以上, 膨润土的粒度、胶质价、膨胀容、吸蓝量是影响塑性 混凝土性能的主要因素。缺乏对广西膨润土矿特征 系统的研究,本文旨在研究该矿的理化性能,为其高 效合理的开发利用提供基础资料。 收稿日期:2011.10—19 作者简介:杨慧群,硕士研究生,主要从事矿物材料的研究。 杨慧群等:广西某膨润土矿的性能及工业应用研究 1 研究方法和实验仪器、试剂 1.1研究的技术路线 膨润土加工工艺:膨润土原矿一自然晾晒一缩 分一取样一浸泡一分级一制样一各粒级矿样理化性 能测试。其中,分级采用自然沉降法,具体做法是矿 浆过45 m筛湿筛分得+45 m粒级矿样,一45 m矿浆自然沉降分级,按照斯托克斯公式计算各 粒级沉降时间,得到一45+30,一30+2O,一20+10, 一10十5,一5+2,一2 m各粒级矿样。 1.2实验仪器与试剂 实验仪器设备:大功率搅拌器:JJ.1型,常州国 华电器有限公司;离心沉淀机:LJx一Ⅱ型,上海医用 分析仪器厂;电热干燥箱:KWY一500.1型,武汉市武 昌实验仪器厂;电动搅拌机:DGL一8401型,天津市华 兴科学仪器厂;高速微型粉碎机:Fw一80型,郑州科 丰实验仪器厂;体视显微镜:S8APO型,德国莱卡公 司;差热分析仪:STA499C型,德国耐驰公司;电子 显微镜:JSM一5610LV型,Et本JEOL公司;X射线衍 射仪:D/MAX-YB,日本RIGAKU公司。 实验药剂:焦磷酸钠:1%,武汉江北化学制药 厂;亚甲基蓝:分析纯,湖南湘中地质实验研究所;轻 质氧化镁:上海迪亚精细化工实验工厂。 2 膨润土矿的特征 2.1原矿特征 2.1.1原矿的化学成分 实验所用广西某膨润土矿,肉眼呈褐红色,蜡土 状光泽,泥状结构及粉砂状结构,吸水较重。化学成 分(%)i SiO2 65.73,A12O3 15.4,TFe2O3 2.33,MgO 1.6,CaO 0.73,Na,O 0.51,K,O 3.09,TiO,0.31, MnO 0.O19,P2O 0.041,H O 4.36,烧失量10.18。 该膨润土矿中SiO:,A1 O ,H O的含量均略低于蒙 脱石的理论化学成分(SiO:66.7%,A12O3 28.3%, H,O 5%)。根据原矿Na O/CaO可知,该膨润土矿 属于钙基膨润土,其中,Na,O含量为0.51%,与我 国典型钙基膨润土¨ 含量相当,CaO含量明显低于 我国典型钙基膨润土,表明该膨润土矿蒙脱石的含 量低,膨润土的质量差。K O含量较高,表明膨润土 存在含钾矿物。杂质元素主要为Fe,Ti和极少量的 Mn,P,其烧失量为10.18%。 2.1.2膨润土的矿物组成 膨润土的XRD图谱见图1。 从图1可知,原矿矿物组成主要为蒙脱石、石英 2o/(。) 图1 原矿的XRD图谱 Fig.1 The XRD of crude ore 和长石。蒙脱石最强的(001)面网的反射是鉴定蒙 脱石族矿物最重要的特征之一。通常,基面(001) 反射的底面间距d值随着层间吸附水分子量、层问 交换阳离子种类和比例的不同而不同,可用它的d 值大小来划分蒙脱石的类型。一般Mg“对Al”置 换越多,d(o01)越大,反之越小。当d㈣)=14.90~ 15.10 nm时,属于--j\面体的钠基蒙脱石,当d㈨¨ =15.30—15.50 nm时,为三八面体的钙基蒙脱 石 。该矿d㈣ =17.1788 nm,所含蒙脱石为含 2~3个水分子的三八面体钙基蒙脱石。 2.1.3膨润土的的理化性能 表1原矿的理化性能 Table 1 The physical and chemical properties of crude ore 吸蓝量/ 膨胀容/ 胶质价/ 吸水 蒙脱石 诫1平(g.(100g)一 )(mL.(2g)一 )(mL.(15g)一 )率/% 含量/% 原矿 17.51 3.50 47.50 134.79 39.62 注:蒙脱石含量由吸蓝量计算得出 ,以下同。 按膨润土国标¨ 测得原矿理化性能见表1。 由表1可知,该膨润土原矿的蒙脱石含量仅为 39.62%,纯度很低,低于国内钙基膨润土的平均水 平。吸蓝量为17.51 g/100 g,膨胀容为3.50 mL/2 g, 胶质价为47.50 mL/15 g,吸水率为134.79%,各项性 能均较低,达不到工业用膨润土品级要求。其中,胶 质价是膨润土胶体分散性能的量度,也是其分散性、 亲水性和膨胀性的综合反映¨ ,该矿胶质价中等, 矿石的胶体分散性不太好、膨胀容等也说明了这一 特点。 通过化学分析,光学显微镜镜下观察和XRD物 相分析可知,膨润土的主要矿物蒙脱石,石英和钾长 石,其含量分别为39.62%,38%和15%。 矿 冶 2.2分级膨润土的特征 2.2.1各粒级的产率特征 经分级,该膨润土矿的各粒级产率特征见表2。 表2各粒级矿样的产率特征 粒级/¨m 产率/% 注:自然沉降分级过程中,一5+2 m粒级的产率极低,几乎接 近于零,所以将一5+2 m粒级和一lO+5 m粒级合并。 由表2可知,+45 Ixm产率为72.00%,多数矿 物为石英,该矿的含砂量高于国内多数膨润土矿,影 响了其价值和应用。一20+10 Ixm和一10+2 m 粒级产率较高,分别为8.59%和8.18%,共占 16.77%;一45+30 m和一2 m粒级产量很低,分 别为4.18%和3.91%。 2.2.2各粒级的矿物组成 通过XRD图谱分析可知,原矿中石英含量较 高,分级后,随着粒度的变细,石英的含量越来越低, 蒙脱石的峰强变化正好与之相反,含量越来越高。~攀 ~一 一加如∞ 加 如加" 但是,一2 m粒级矿石仍含有少量的石英和长石等 脉石矿物,影响精矿品位。~一一 一~一一m H" 20/(。) 图2分级膨润土的XRD图谱 Fig.2 The XRD of each size fraction of bentonite 根据化学成分分析、XRD分析、显微镜镜下观 察等综合分析,各粒级膨润土的矿物组成见表3。 fraction 其他/% 由表3知,分级膨润土中,一45+30 m粒级粗 粒石英砂在粗粒级富集;一30 m各粒级,随着粒度 减小,蒙脱石含量提高,石英的含量逐渐下降,而长 石含量变化不大,可见石英颗粒较粗,长石颗粒较 细。粒度小于10 Ixm的蒙脱石占了蒙脱石总量的 42.8%,可见该矿蒙脱石颗粒较细。一2 Ixm粒级矿 样的蒙脱石含量约为67%,与XRD分析结果一致。 2.2.3各粒级膨润土的理化性能 各粒级膨润土的理化性能结果见表4。 表4各粒级膨润土矿样的理化性能 Table 4 The physical and chemical properties of each size fraction 由表4知,随着粒级减小,蒙脱石含量逐渐升 高,各项理化性能指标也随之逐渐提高,说明蒙脱石 的分布不均匀,在细粒级中,蒙脱石的含量及产率相 对较高,这与蒙脱石的工艺粒度较细是相对应的。 相比原矿,+10 Ixm所有粒级的理化性能提高不明 显,是+10 m蒙脱石含量较低的体现,一10 m蒙 脱石含量占总蒙脱石含量的42.8%。一2 m粒级 的理化性能涨幅很大,均达到最高值。其中,胶质价 高达160.00 mL/15g,膨胀容仅为7.50 mL/2g,表明 一2 m粒级膨润土矿具有良好的胶体性能,其胶质 价远高于一般的钙基膨润土,而接近于钠基膨润土, 但膨胀容偏低,说明该膨润土膨胀能力较小;吸水率 为331.94%,达到甚至超过钠基膨润土的水平;蒙 脱石含量偏低(<70%),白度低(<60%),除在铸 造和铁精矿粉球团中使用效果较好外,其他方面基 本不能直接使用。 杨慧群等:广西某膨润土矿的性能及工业应用研究 表5 冶金球团用钙基膨润土质量指标 Table 5 The standard of Ca—bentonite for metallurgical pellet 由GB/T20973—2007 12]可知,原矿未达到冶金 球团用钙基膨润土三级品的要求,经过分级后,各粒 级膨润土矿样可达到不同品级的要求。 对比表4和表5可以得知,一2 m粒级膨润土 矿样的膨胀容和吸水率都远远超过了一级品标准, 吸蓝量还差0.49 g/100g达到一级品标准。一10十 2 m粒级的吸蓝量和吸水率达到了三级品的等级 标准,膨胀容稍低,可考虑通过钠化改型提高该粒级 的膨胀容和胶质价,使其达标。 3 —2 txm膨润土矿样的特征 3.1 —2 膨润土矿样的化学成分分析 分级后一2 Ixm粒级膨润土矿的化学组成见表 6。 表6 —2 IJJll粒级膨润土矿样及原矿的化学成分 Table 6 The chemical compositions of crude ore and一2 LLm 矿样 原矿/% 一2um/% 矿样 原矿/% 一2 ̄m/% 从表6可知,分级后所得一2 m粒级矿样的 SiO2含量下降,A1 O 含量上升,SiO2/A1203比为 2.467,相比原矿的4.268,更加接近蒙脱石理论值 2.357,说明一2 txm粒级矿样中的石英或者长石类 矿物的含量比原矿低,与钾长石和蒙脱石中SiO 和 A1 O 的理论含量比较,发现一2 m矿中还含有少 量的石英和长石。比较原矿和一2 txm矿中TiO,, K。0的含量可以发现,一2 m矿的TiO:,K O含量 有所降低,说明~2 Dxm矿的含钛矿物和钾长石类矿 物含量比原矿低。而且Mg,Ca,Fe,Na得以富集,可 见一2 m矿的蒙脱石含量较原矿提高。原矿和一2 m矿的Na O的含量都比较低,导致了该矿的膨胀 性较差,可通过钠化改型来改善。一2 m矿的H:O 和烧失量明显上升,相比原矿分别提高了4.64%、 7.16%,是蒙脱石含量提高的表现。 3.2 —2 膨润土矿样的SEM分析 由一2 Ixm粒级膨润土的SEM(图3)可知,蒙脱 石为不规则厚片状,边缘卷曲,蒙脱石结晶颗粒细 小,多聚集成薄厚不一的团块状集合体,轮廓线较为 清晰,有明显的层状结构。板状为长石类,细粒状为 石英,一2 m膨润土矿中除了蒙脱石,还含有少量 的石英和长石类矿物,说明一2 m膨润土矿不纯, 这与化学分析、XRD分析以及理化性能测试结果一 致。 图3 —2 tan粒级膨润土矿的SEM照片 Fig.3 The SEM of一2p.m bentonite 3.3 —2 膨润土矿样的差热分析 蒙脱石的标准差热曲线特征为:第一吸热谷大 而宽,温度为80~215℃,是蒙脱石在加热过程中层 间水脱失引起的吸热效应,吸热谷的大小、形状和温 度主要由层问吸附阳离子和样品所处环境的相对温 度决定,一般而言,该吸热谷为复谷形状的层间阳离 子为钙离子,单谷形状的层间阳离子为钠离子;第二 吸热谷温度为550~750 oC,吸热峰较小,是由于蒙 脱石的脱羟基吸热造成,该吸热谷的温度高低主要 反映膨润土热稳定性的好坏,是评价其耐热性能的 尺度;第三吸热谷温度为850—1050℃,吸热峰较 小,是蒙脱石的晶格破坏吸热造成;之后随温度继续 升高,有一个放热峰,是体系内部重结晶形成新的矿 物相而放热所致,这与蒙脱石的化学成分、结晶度和 产状等有关 ’ ’ 。 对比图4和标准曲线,可以发现该矿样有两个 吸热效应和一个放热效应:第一个吸热谷大而且宽, 为典型的复谷,其吸热温度分别为79℃和151℃, 7O~80℃的吸热峰,失重8.52%,是由于加热过程 中矿物失去表面的吸附水,140~150℃,吸热伴失 重,分阶段脱失层间吸附水和晶层内可交换ca“, Mg“周围束缚的水分子,此特征符合层问可交换阳 离子为Ca“时的典型图谱。该矿样的表面及层间 吸附水含量较高,为10.67%,说明该膨润土有一定 的黏性;第二个吸热谷在650℃左右,失重5.49%, 是由于蒙脱石脱去结构水(OH)所致,其失去结构 ・52- 矿 , 吕 、 ● 斟 1{丑I{ ≥ 妄 姗 5 100 2lH】300 41)0 500 600 700 8o0 900 1000 温度CC 图4 —2 Illn膨润土矿的差热曲线 Fig.4 The DTA of一21. ̄m bentonite 水的温度与通常的钙基蒙脱石相近,具有一定的耐 热性;放热效应发生在900—1000℃,矿物内部重结 晶,生成新相,1000 o一 ulE.5 一\料覃f0 5 C累计失重17.34%,与化学成 O 5 分分析结果一致。差热分析结果表明,一2 m膨润 土矿的主要成分为蒙脱石,其层间可交换阳离子以 ca“为主,属钙基蒙脱石。 4 结论 论文对广西某膨润土矿的原矿特征和经自然沉 降分级后所得各粒级膨润土矿的特征进行研究后, 得到如下结论: 1)该膨润土矿样为钙基膨润土,所含脉石矿物 为石英、长石类,少量含铁钛矿物,各项理化性能均 较低,达不到工业用膨润土品级要求。由于该膨润 土含砂量较高,不经选矿提纯,工业应用有一定的局 限性。 2)沉降分级后,一2 m粒级矿中蒙脱石含量大 大提高,从原矿的39.62%提高到66.76%;一2 m粒 级膨润土矿的膨胀容和吸水率分别为7.50 mL/2 g, 331.94%,超过了冶金球团用膨润土一级品标准,吸蓝 量仅差0.49g/100g达到一级品标准。一10+2 m 粒级的吸蓝量和吸水率达到了二级品的等级标准, 冶 膨胀容稍低,可考虑通过钠化改型改善该粒级的膨 胀性,提高其工业利用价值。 参考文献: [1]王鸿禧.膨润土[M].北京:地质出版社,1980. 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