淮北煤系高岭土工艺矿物学研究

淮北是我国重要的产煤地之一，矿区内煤系高岭土普遍含有机炭质，矿石一般为灰色－灰黑色，块状构造、壳状断口、隐晶质结构、蠕虫状晶体、结晶有序度高，是我国北方石炭、二叠煤层中具有的一种高岭岩煤石。区内煤系高岭土矿床层位稳定，储量达4亿t以上，一般在煤矿的开采过程中常当作废物处理，如何合理地利用，变废为宝，必须对具体矿石的特征进行详细的研究。由于煤系高岭土分布在煤层顶板和底板等不同部位，其矿物组成和有机质等含量也不同，影响高岭土的质量和加工工艺。本研究对淮北某矿煤系高岭土的特征进行了系统的研究，研究了有害组分的赋存状态，提出了合理开发的工艺和技术路线。

一、试验原料和测试仪器

（一）试样。采自淮北新蔡煤矿不同的层位，分别编为1^#样、2^#样和3^#样，3^#根据采样位置进一步分3－1^#样、3－2^#样。

（二）测试仪器。YQ－Z－48A白度测试仪，杭州轻通仪器开发公司；DMAX－ⅢAX射线衍射仪，日本电子株式会社；Leica DMLP透／反两用偏光显微镜，德国莱卡公司。

二、矿石物质组成

（一）矿石化学组成

高岭土矿的化学成分分析结果见表1。

表1  高岭土矿的化学成分分析结果    %

注：中国地质大学国家重点实验室化学分析室测定。

从表1可见，3种矿石中SiO₂ 40.98%～44.97%，Al₂O₃ 36. 21%～38. 54%。除了1^#样，其它两个样的含量接近高岭石理论值(SiO₂ 46. 55%，Al₂O₃ 39. 50%)；杂质元素是Fe，Ti，P，Mn，S。1^#样全铁的含量最高，为4.10%，其中Fe₂O₃ 0.18%，FeO3.53%，以亚铁为主；2^#样中TFe 0.71%，其中Fe₂O₃0.18%，FeO 0.48%，亚铁的含量小于1^#样；3^#样(3－1^#和3－2^#混合样)中TFe 0.61%，其中Fe₂O₃0.33%，FeO 0.25%，亚铁含量最低；3种矿石TiO₂含量相近，为0.44%～0.68%。S的含量很低，0.008%～0.03%。P₂O₅除了1^#样含量稍高外(1.30%)，其它样含量较低(0.05%～0.51%)。Mg，Ca，Na，K，Mn的含量很低。由此可知淮北煤系高岭土中，高岭石的含量高，杂质元素P，S含量低，需除去的主要元素是Fe，Ti。

（二）矿石的矿物组成

1、偏光显微镜观察

(1)1^#样。矿石肉眼观察为浅灰色，表面可见褐色粒状的菱铁矿。矿石呈斑点状结构，致密块状构造。显微镜下特征是高岭石为微细粒的隐晶质，见图1(a)和图1(b)，浅褐色，一般单体颗粒粒径<2μm，含量85%～90%。菱铁矿为球粒状、粒状，大小不同，最大为1.080mm，最小0.005mm，一般0.074～0.526mm，薄片中呈褐色，含量10%左右。少量铁白云石，炭和绿泥石，显微镜下呈黑色的小点碳质为炭，含量3%～5%。

图1  1^#样的显微镜照片

(2)2^#样。肉眼为深灰色，隐晶质结构，致密块状构造，显微镜下高岭石为浅褐色，颗粒细小，一般<2μm，含量>95%。少量的菱铁矿和黄铁矿，见图2(a)和图2(b)，粒度0.049～0.088 mm，含量1%～2%。少量炭质，呈小黑点状分布在高岭石中。极少量金红石和锆石，皆为自形颗粒，一般小于0.010 mm。

图2  2^#样的显微镜照片

(3)3^#样（3-1^#和3-2^#混合样）。肉眼观察为浅灰色－土黄色－浅黄色，隐晶结构，致密块状构造。镜下高岭石为微粒状，单体一般<2μm，含量95%。其它组分是少量植物炭屑和菱铁矿<2%，见图3(a)和图3(b)。

图3  3^#样的显微镜照片

2、矿石X射线衍射分析

矿区不同矿样XRD图谱见图4。图4中可见高岭石和菱铁矿的衍射峰。①1^#样：菱铁矿含量在10%左右，这和镜下鉴定的结果一政。②2^#样：单从XRD图谱分析，主要是高岭石，菱铁矿的衍射峰强度极弱，说明其含量<2%。③3^#样：从XRD图谱分析，菱铁矿的衍射峰强度高于2^#样，菱铁矿含量3%～4%。

图4  不同矿样XRD的图谱对比

K－高岭石；S－菱铁矿

根据化学成分、显微镜观察和XRD物相分析，各矿石的矿物组成见表2。

表2  矿样的矿物组成及含量    %

三、矿石中高岭石的结晶特征

从非定向高岭石的X射线衍射图谱可以分析高岭石的结晶程度和结构有序度。典型的结晶较好的高岭石的X射线衍射图谱的特征是基面反射和非基面反射的衍射峰强度均强而且衍射峰对称、分解良好，尤其是4.18×10^-10m的衍射峰(指标化后是(111)面网）、3.84×10^-10m的衍射峰(指标化后是(021)面网）和2.38×10^-10m的衍射峰(指标化后是(003)面网）两侧的(131)和(201)两组衍射峰也分解良好。高度无序的高岭石的这些反射峰反射极不明显，均为连续反射代替。分析淮北4个高岭土原矿样品的衍射图谱和数据（表3），高岭石的结晶有序度可认为属于高结晶有序度，单纯从结晶度分析，淮北的高岭石可以达到优质高岭土的标准，得出其高岭土的结晶有序度属于高结晶度高岭石标准，纯度也可以达90%以上，但由于其含铁量较高，特别是菱铁矿，影响了其工艺指标，将大大降低高岭土的工业价值。要提高其利用价值，必须对矿石作出进一步的处理。

表3  淮北高岭石的衍射特征和其它地区的对比四、高岭石形貌特征

四、高岭石形貌特征

为了了解原矿未经加工高岭石的粒度和形貌特征，分别对1^#样，2^#样和3^#样（3-1^#和3-2^#混合样）的新鲜面进行了SEM分析。3种矿样描述如下：

（一）1^#样。高岭石单体呈片状，最大2.5μm，一般2～0.5μm之间，大小不均，片的边缘不规则，集合体为叠片状或蠕虫状，见图5(a)，(b)，(c)。照片中的小亮点（<0.5μm）为炭屑。

图5  1^#样原矿SEM照片

（二）2^#样。片状的高岭石，单体最大3μm，一般0.5～2.0μm之间，大小比较均匀，颗粒边缘凹凸不平。集合体为叠片状，见图6(a)，(b)，(c)。

图6  2^#样原矿SEM照片

（三）3^#样。片状的高岭石，单体最大1.5μm，一般0.5～1.0μm之间，大小比较均匀，集合体为叠片状。颗粒边缘较平直，部分颗粒可见不完整的六边形，见图7(a)，(b)，(c)。

图7  3^#样原矿SEM照片

总之，1^#样和2^#样高岭石特征相似，单体粒度大小相近。3^#样高岭石的结晶粒度小，结晶的形态属于半自形，好于1^#样和2^#样，但单体的厚度大。

五、矿石白度特征

高岭土矿中Fe、Ti等致色离子的赋存状态，是影响其煅烧白度的主要因素。原矿白度测定结果见表4，2^#原矿在不同温度下的煅烧白度测定结果见表5。

表4  原矿白度测试结果    %

注：恒温1h。

表5   2^#原矿在不同温度下的煅烧白度

从表4可见，原矿干法制样后白度和煅烧后的白度，高低与矿石所含矿物组成有关，高岭石含量高的2^#样、3-1^#样和3-2^#样原矿白度相对较高，为56.08^#～68.76%。2^#煅烧后白度提高较多，达到69.40%，其余两个样白度没有明显变化。对含菱铁矿多的1^#样煅烧后，由于在氧化条件下，菱铁矿煅烧后变为赤铁矿，反而白度降低。

从表5可见，随着煅烧温度的提高，矿石的白度不断提高，在1 350℃时，可达到77. 02%。

综合分析，仅从矿石化学成分分析，按照高岭土国家标准(GB/T 14563-2008)，2^#、3^#已达到以下标准：①造纸工业用煅烧土产品ZT-Dl和ZT-D2的标准；②搪瓷工业用高岭土产品化学成分的TT-1和TT-2的标准；③橡塑工业用煅烧土产品化学成分XT-Dl和XT-D2的标准；④陶瓷工业达到了TC-2和TC-3产品的标准；④涂料用煅烧土TL-1，TL-2和TL-3产品的标准。但是，由表4和5白度研究可知，按照高岭土国家标准(GB/T14563-2008)，各种产品对白度的要求，原矿样都达不到，煅烧后也不能达到国标的要求。因此，如果要综合利用这4个矿石，必须进行提纯和增白的加工工艺研究。

六、结论

（一）淮北煤系高岭土主要矿物组成是高岭石和菱铁矿。其高岭石的含量较高为90%～95%，有较高的结晶有序度等，主要呈蠕虫状，单体粒度较小，片与片间结构松散，并且片很薄，容易进行剥片，降低其粒度。

（二）该矿菱铁矿含量较高，对原矿及煅烧产品的增白有很大的影响。但该矿其他脉石矿物含量很少，因此如何充分除去菱铁矿成为开发利用该矿的关键因素。