凹凸棒又称坡缕石,是一种以含水富镁硅酸盐为主的层链状粘土矿。天然的凹凸棒石中,凹凸棒土含量为70-80%,蒙脱石和海泡石等含量为10%-15%,石英砂含量为4%-8%,方解石和白云石含量为1%-5%。凹凸棒的颜色随杂质种类和含量不同而呈现浅灰、浅绿或浅褐等不同的颜色。
1、凹土棒为什么要分散提纯?
蒙脱石、伊利石和石英砂等这些杂质的存在必然会削弱凹凸棒原有的吸附性、胶体性和粘结性能,故在实际应用时,通常需要经过分散提纯制备出高纯度的凹凸棒样品。
凹凸棒土大的比表面和表面的电性质使其具有很好的吸附性,但凹凸棒原矿中的棒晶通常以棒晶束和聚集体形式存在,必然会影响其比表面积,进而影响其吸附性能,限制了凹凸棒的应用范围。因此,凹凸棒原矿在使用前通常需要采用一定的的分散提纯方法去除杂质,解离棒晶束和聚集体,以改善其显微结构,使其变得疏松多孔,提高比表面积、吸附性能和胶体性能。因此,凹凸棒的提纯分散对其的工业应用具有很大的意义。
2、凹凸棒的提纯技术
(1)凹凸棒干法提纯
凹凸棒石干法提纯是,此法提纯工艺流程过于简单,提纯效果不能明显提高凹凸棒石的品质,对要求不高的产品可按此法。干法产品主要用于塑料、橡胶等行业,常作为载体和填料。
凹凸棒干法提纯是利用凹凸棒土中物质的密度和粒度不同而进行的,通过将矿物粉碎,采用重力差异进行分离(如旋风分离、离心分离、分级机等),一般包括破碎、粉磨、分级等,该提纯方法的关键在于粉磨和分级工艺。一般采用雷蒙磨进行粉碎,可轻松除去凹凸棒土中不易磨碎的非粘土杂质,如石英砂、碳酸盐等。
该方法成本费用低,工艺流程简单,但提纯效果有限,只适用于原矿品位好、凹凸棒含量高的矿石,所得产品主要在橡胶、塑料等行业作载体和填料。
(2)凹凸棒湿法提纯
湿法提纯技术主要依据凹凸棒石与杂质矿物的物理和结构特性差异进行分离,其过程主要包括:
①将凹凸棒破碎或粉磨,并加水浸泡;
②湿法提纯技术的关键是分散,一般要加入适量分散剂(六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酸、硅酸钠等),使固相含量控制在5%-22%;提纯要求越高,固相含量相对要低;相反,要求越低,固相含量可相对高些;对纳米级凹土,则固相含量要更低,且要充分分散;
③沉降或离心分离,将制得的凹凸棒浆料通过自然沉降或旋水力流器进行分离,使杂质与矿浆分离得到凹土精矿浆;
④脱水与干燥,提纯过程中由于凹凸棒土本身的膨胀性、高粘性和胶体性,使得凹凸棒的脱水和干燥较为困难;脱水过程中在保持原矿物化性质不变的基础上可添加一些物质来降低矿浆的粘度,并选择高效的过滤设备。
凹凸棒湿法提纯工艺回收率偏低,资源浪费严重,生产成本高。湿法提纯的凹凸棒产品主要用在对凹土纯度要求较高的行业,如化妆品、洗涤剂、医药、催化剂和助滤剂等。
(3)凹凸棒挤压预处理
对凹凸棒进行机械挤压是简单、方便且广泛应用的预处理方法。凹凸棒粘土矿石经简单的机械挤压处理后,其内部的显微结构变得疏松多孔,原始晶束和聚集体形成细小的晶束与棒状晶体,晶束之间变得松散而杂乱交错,形成大量架空的孔洞,以及显微间隙和裂缝。
当制备凹凸棒土的悬浊液时,水分便可通过晶体内部的孔隙、孔道和微孔很容易的进入微粒的内部,并进一步渗透到棒晶束和纤维聚集体中,从而使颗粒的内部显微结构因水化作用而产生高强度的膨胀,待气泡淬灭时产生很高的压强,使大的晶束和聚集体发生解离,随着距离的拉大,引力逐渐减小,这时只要受到较小的外力作用(弱分散条件),凹凸棒土就很容易在分散介质中分散成细小的晶束甚至为棒晶。经过高度分散的晶束或棒晶便可在分散介质中形成立体的网状结构,从而将大量的自由水包围在里面,使其失去流动性,形成了具有较高粘度的溶液。
反之,如果凹凸棒土未经过挤压等使其“膨松化”的处理,只有在强的剪切力作用下,才可使颗粒由表及里的逐渐解体分散,达到同样的粘度。可见挤压并不能提高凹凸棒土的极限粘度,只是一种使其显微结构松散化的改性处理,使其很容易分散在水等介质中并达到极限粘度。因此,在湿法提纯前通常通过物理的挤压处理拆散凹凸棒土原本排列致密的聚集体与晶束形成松散多孔的结构,为凹凸棒的提纯分散做好准备。
3、凹凸棒提纯技术研究进展
汤庆国等利用高速离心分级机对分散后的凹凸棒原矿进行选矿提出,可获得凹凸棒含量为93%精矿,平均粒径为0.92μm。矿浆经过稀盐酸和超声波处理后,凹凸棒矿物含量可达95%。
曹耀华等采用磨矿-分级工艺流程,对安徽嘉山县难选的官山凹土(凹凸棒石含量55%左右)进行了提纯试验,获得了凹凸棒石含量为80.92%的精矿,产率49.30%,产品细度均小于1μm。
金叶玲等采用分散剂协同超声水热法提纯凹凸棒,将含有3%六偏磷酸钠的凹凸棒浆料加热到40℃,并超声波+中速搅拌一段时间,提纯后所得凹凸棒为疏松的针状晶体,粒度D90在4.7μm以下,白度达87%,纯度接近100%,且易重新分散于水中。
熊余等采用酸洗工艺对凹凸棒进行提纯,其最佳酸洗工艺参数为:在80℃下,液固比5:1的凹凸棒浆料用浓度60%的硫酸酸洗2.5h;提纯后可得到SiO2含量达76%以上的凹凸棒石精矿。
4、凹凸棒提纯存在的问题
虽然国内外的学者对于凹土提纯进行了许多有意义的研究,获得了纯度很高的凹凸棒石,但是单从得到的凹凸棒石的纯度上来推测提纯工艺的优劣显得比较片面,还需考虑到提纯回收率的问题,而且在工业应用中,要解决凹凸棒提纯的问题,必须考虑到以下几个核心问题:
(1)凹凸棒矿石的选择
目前,如何将蒙脱石从凹凸棒中分离出来依然是个很困难的问题,故在选择提纯凹凸棒矿石的时候首先要考虑所选矿石类型,要选易于提纯的凹土矿石(即杂质矿物为石英或白云石的矿石)。
(2)凹凸棒石的分散问题
如何使凹凸棒石在水中更好的分散,采取哪种分散技术更有效、更节能环保是目前凹凸棒提纯中迫切需要解决的问题。
(3)水土分离的难题
在除去了凹凸棒中所含的杂质矿物之后,剩余水悬浮液中所含的凹凸棒石是分散在水中的,如何将这部分纯的凹凸棒石从水中分离出来,且不消耗大量的能量也是目前所需要解决的难题。