膨润土的硫酸铵活化

刘 倚 豆，马 红 超，付 颖 寰，马 春，董 晓 丽，薛 文 平

（大连工业大学 化工与材料学院，辽宁 大连 116034）

0 引言

膨润土是一种含水铝硅酸盐黏土矿，被誉为“有千种用途的黏土”。膨润土中含有许多可回收利用的元素，如硅、铝和铁等。如果能将其中的硅、铝、铁等提取出来加以利用可进一步扩宽膨润土的应用领域，如将硅用来生产日化助剂速溶性偏硅酸钠［1］、橡胶补强剂白炭黑［2］等；将铝用来生产铝系净水剂（如聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硅酸硫酸铝）［3-4］等。目前膨润土活化通常采用酸化法，即用硫酸或盐酸［5-6］处理膨润土。酸浸不仅要将矿粉进行焙烧，且酸浸过程铝等金属离子的浸出速率较慢、浸出率较低，因而导致整个工艺流程复杂、废酸液不易处理、能耗相对较高，经济效益不佳。因此，通过高温焙烧和添加剂活化剂来提高铝的溶出率已成为人们深入研究的重要课题［7-9］。本文采用硫酸铵作为活化剂，通过与膨润土高温固相反应，使除二氧化硅以外的其他金属物质转化成相应的易溶于水的硫酸盐而分离，其工艺流程简单，所得的二氧化硅的纯度和活性都较高。目前，对于工艺的系统研究报道较少［10］。该方法作为生产优质水玻璃和白炭黑等产品的前处理工艺非常适合。本文详细考察了硫酸铵用量、活化时间与温度对膨润土提铝的影响。

1 实验

1.1 原料及试剂

原料为辽宁黑山钙基膨润土（主要成分见图1及表1），膨润土的主要成分为层状结构蒙脱石，此外还有少量的石英。化学试剂有硫酸铵、盐酸、乙二胺四乙酸二钠、二甲酚橙、乙酸铵、锌粒、无水乙醇与固体氟化钠，以上试剂均为分析纯。

图1 膨润土XRD 谱图Fig.1 The XRD of bentonite

表1 膨润土的主要化学成分（X 荧光光谱分析）Tab.1 Results of natural bentonite by X-ray fluorescence spectrometry

1.2 方 法

将膨润土与硫酸铵按一定比例研磨混合均匀，放入马弗炉中灼烧；加入蒸馏水溶解抽滤，取出液相分析铝含量。

Al浸出率的测定：滤液中铝离子的浸出率采用EDTA 络合反滴定法，即将获得的硫酸铝溶液中的Al3+与过量EDTA 充分络合，过量的EDTA采用锌盐滴定，然后加入氟离子释放EDTA，再用锌离子标定置换出来的EDTA［11］。由此计算出样品中的铝的提取率。

样品物相分析，用日本D/Max-A 型X 射线衍射仪，铜靶，射线波长λ=0.154 0nm，Ni滤光片，管压40kV，管电流50mA。

X 荧光光谱分析：采用德国布鲁克公司生产的型号为SRS-3400的X 荧光光谱仪，主要性能指标：X 光管功率40kW，最高管压60kV，最大电流150mA，X 光管铍窗厚度75mm，扫描速度最大为200°/min，光谱室温度稳定性±0.01 ℃。

2 结果与讨论

2.1 活化温度对铝浸出率的影响

将硫酸铵与膨润土按质量比为1∶2.5的比例混合均匀，选择焙烧时间为2h，考察不同活化温度（400、440、480、550、600 ℃）对膨润土提铝效果的影响。从图2可看出，铝的浸出率随浸出温度的升高先增加后降低，在480 ℃浸出率最大。这是因为温度升高，硫酸铵将被分解成氨气和硫酸［12］，在480 ℃时，硫酸铵完全分解，分子运动速度加快，扩散系数增大，导致反应剧烈，促进了铝的浸出。但温度过高浸出率又逐渐下降，这是由于活化生成的硫酸铝在高温重新分解生成氧化铝，从而使铝的浸出率降低。选择480℃为最优焙烧温度。

图2 焙烧温度对铝浸出率的影响Fig.2 Effect of different roasting temperature on aluminium leaching

2.2 硫酸铵用量对铝浸出率的影响

图3为硫酸铵和膨润土在480℃活化2h，考察硫酸铵用量［m（硫酸铵）/m（膨润土）分别为0.5、1.5、2.5和3.5］对膨润土提铝效果的影响。从图3可以看出，随着硫酸铵用量的增加，铝的浸出率逐渐增加，当硫酸铵的用量达到膨润土质量的2.5倍时，铝的浸出率达到85%，进一步增加硫酸铵的用量对铝浸出率的影响不明显。说明反应完全，因此确定硫酸铵与膨润土最佳质量比为2.5。

图3 硫酸铵用量对铝浸出率的影响Fig.3 Effect of ammonium sulfate dosage on aluminium leaching

2.3 焙烧时间对铝浸出率的影响

固定m（硫酸铵）/m（膨润土）与活化温度分别为2.5、480 ℃，考察活化时间（0.5、1.0、2.0、3.0、5.0h）对提铝效果的影响，实验结果如图4。由图4可知，随着焙烧时间的延长，铝的浸出率逐渐增加，当焙烧时间为2h，达到最大值85%，进一步延长焙烧时间，铝的浸出率反而迅速降低，这主要由于反应时间过长，焙烧生成的硫酸铝分解成氧化铝，从而使铝的浸出率降低，因此，膨润土硫酸铵焙烧的最佳焙烧时间为2h。

图4 焙烧时间对铝浸出率的影响Fig.4 Effect of different roasting time on aluminium leaching

2.4 产品XRD 分析及荧光光谱分析结果

膨润土经硫酸铵活化后产品X 射线衍射图谱如图5所示。比较图1和图5可以看出，酸浸后蒙脱石基本被全部分解，其中可溶性成分溶于浸出液，而硅变成了活性二氧化硅（在X 射线衍射图中表现为弥散的衍射峰）；而石英等脉石不被分解，残留在浸出渣中。

图5 膨润土浸出渣的XRD 谱图Fig.5 The XRD of leaching residue of bentonite

表2是产品化学成分的X 射线荧光分析结果，由产品主要成分分析显示硫酸铵活化对去除Al、Fe、Mg、Ca等杂质都有很好的效果，且产品SiO2质量分数高达94.3%。

表2 产品的主要化学成分（X 荧光光谱分析）Tab.2 Results of product by x-ray fluorescence spectrometry

3 结论

（1）采用硫酸铵作为活化剂，通过与膨润土高温固相反应，能够有效破坏矿物晶体结构，使除二氧化硅以外的其他金属物质转化成相应的易溶于水的硫酸盐而分离。

（2）在本工艺最佳工艺条件下可将85%的铝浸出，产物的二氧化硅纯度可达94.3%。

（3）与传统液相酸活化方法相比，本方法工艺简单，可连续操作性强，具有较高的商业开发价值。