低品位膨润土矿离心机提纯工艺研究

王志明，吕宪俊，邱 俊

（山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛266590）

膨润土资源具有各种优良的特性，使其在国民经济各行业中发挥着重要作用，尤其是高纯膨润土在食品、医药等行业显示出优良的性能。我国膨润土资源储量丰富，位居世界首位，其中80%以上为钙基膨润土，且品位介于30%～60%之间，属于中低品位的膨润土矿［1］。目前，国内膨润土产品的4／5用于冶金球团、铸造粘接剂和钻井泥浆、油脂脱色剂等行业，在食品、医药等高附加值行业应用较少，高纯蒙脱石产品还是以进口为主。英国Laporte公司、美国的Rheox公司、日本Ube公司、德国Sun.clemic等公司垄断了我国高纯蒙脱石生产的大部分市场。此外，法国益普生公司的“思密达”产品在我国广泛销售［2］。因此，如何有效利用国内丰富的低品位膨润土矿资源开发高附加值的蒙脱石产品，拓展我国在高纯膨润土的领域的研究应用，具有广阔的发展前景。

针对高纯膨润土的制备，使用离心机［3］具有广泛的应用前景。但目前研究采用的原矿品位普遍较高，一般在65%～80%之间，针对30%～60%的膨润土原矿研究较少，无法针对我国丰富的低品位膨润土矿进行广泛的应用。武占省等［4］采用原矿品位为68.5%的膨润土矿进行离心提纯，制浆的液固比为14∶1，制浆80min，采用3000r／min离心10min时，制得蒙脱石含量95%的产品。陈媛媛［5］等人则采用原矿品位75%的膨润土矿，15%的矿浆浓度，在2000r／min的条件下，离心2min制得蒙脱石含量93.7%的高纯膨润土产品。此外，马亮［6］等人用蒙脱石含量79%的膨润土原矿在液固比1∶12、离心机转速1000r／min、分散剂用量0.3%的条件下，离心提纯制得纯度94%的高纯蒙脱石产品。以上研究普遍采用较高膨润土原矿进行，针对低品位膨润土矿制备高纯蒙脱石的研究较少，文献中也鲜有报道。张娜［7］曾采用原矿品位45%～49%的膨润土原矿在2100r／min的转速下，制得蒙脱石含量90.56%的膨润土原矿。同时，Lin等［8］也曾使用蒙脱石30%～40%的膨润土原矿，室温静置3d使矿物全部浸湿，然后经搅拌、离心制得纯度较高的膨润土。此法虽能用低品位膨润土矿制得高纯蒙脱石，但是提纯工艺复杂，制浆离心时间长，只能分批进行，不能连续生产。

为增加低品位钙基膨润土矿的附加值，提高卧式螺旋离心机提纯高纯蒙脱石产品的工业应用，本文采用莱阳某地蒙脱石含量为37.00%的钙基膨润土矿为原料，通过离心机操作参数及提纯工艺的优化，对卧式螺旋离心机提纯工艺参数对蒙脱石指标的影响规律进行了总结，并考察了扫选段数对蒙脱石回收率的影响。实验获得了良好的结果，为低品位钙基膨润土矿的深加工利用提供了理论基础。

1 实验原料和方法

1.1 原料、仪器和试剂

1.1.1 实验原料

实验采用莱阳富饶膨润土矿，外观呈灰绿色，样品颗粒粗大，含砂较多。样品晾晒后，经12mm筛网筛除粗粒，筛下产物破碎至－2mm，采用移堆法混匀，缩分为1kg／袋，作为实验用原矿。原矿主要性能如表1所示。

表1 原矿主要性能指标测试结果

由原料分析可知，膨润土矿原矿主要化学成分为SiO2和 Al2O3，其含量分别为64.98%和13.03%，烧失量为10.16%，另含有少量的CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3、MnO。

从图1XRD图谱中可以看出，主要成分为石英和长石，另含有少量的蒙脱石。蒙脱石的特征衍射峰晶面间距d001值为15.530Å，为典型的钙基膨润土［9］。经纯矿物标定法［10］换算原矿中蒙脱石含量为37.00%，说明原矿样品中杂质矿物的含量较高。原矿样品水化性能较差，需进一步提纯。

图1 膨润土原矿X射线衍射分析图谱

1.1.2 仪器和试剂

仪器：D／Max 2500PC型X射线衍射分析仪（日本理学公司，测试条件：铜靶，最大电压60kV，最大电流300A，角度范围3°～70°，角度重现性0.0001）；BT－9300Z激光粒度分布仪；XZM－100振动磨样机；SB2－1.8－3.6型电热板；FT101A（S）P－4电热鼓风干燥箱；Lw300卧式螺旋卸料沉降离心机（济南化工机械总厂）。

试剂：亚甲基蓝（IND［11］，上海阿拉丁试剂有限公司）；焦磷酸钠（AR，上海埃彼化学试剂有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 卧式螺旋离心机提纯实验

所用设备为Lw300卧式螺旋卸料沉降离心机，每批用料3kg，每次磨至－200目含量84.39%，采用正交实验设计考察了给料浓度、给料速度、转鼓转速对离心机提纯效果的影响［12］。

1.2.2 原料及产品性能测试

实验过程中的吸蓝量、阳离子交换容量、膨胀容、胶质价的测定，参照中华人民共和国国标GB／T＿20973－2007［13］进行。其中蒙脱石含量采用纯矿物标定法［10］测定。

为了表征试验样品中蒙脱石的纯度，首先利用Lw300卧式螺旋卸料沉降离心机，在给料浓度3%、给料速度1.00m3／h、转速3000r／min条件下，从实验用原矿中提取少量蒙脱石纯矿物。经X射线衍射分析表明，所制备的纯矿物基本为蒙脱石，仅发现微量石英（图3）的弱衍射峰。因此，将该样品作为本实验的纯矿物使用。

测定该纯矿物的吸蓝量为40.9g／100g。因此，将试验样品中的纯度标定公式修改为

2 结果分析与讨论

2.1 离心机提纯工艺参数的优化

为了获得离心机最佳提纯工艺参数，实验采用L9（34）正交表考查了给矿浓度、给矿速度和离心机转速对分选结果的影响考。正交实验结果见表2，工艺参数对离心机溢流（精矿）品位、产率和回收率的影响计算结果见表3～5。

图2 纯矿物X射线衍射分析图谱

表2 L9（34）正交实验数据处理结果表

表3 正交实验品位数据处理结果

表4 正交实验产率数据处理结果

表5 正交实验回收率数据处理结果

从实验结果来看（表3、表4、表5），对分选指标影响最显著的因素为离心转速，其次为给矿速度和给矿浓度，但影响规律各不相同。随着离心转速的增加，离心机溢流品位逐渐提高，但溢流产率和蒙脱石回收率则逐渐下降；随着给矿速度的增加，离心机溢流品位有所降低，但溢流产率和蒙脱石回收率则有所增大；随着给矿浓度的增加，离心机溢流品位有所提高，但溢流产率和蒙脱石回收率则有所下降。因此，从保证溢流品位的角度，应采用较大离心转速、较小的给矿速度和较大的给矿浓度。

为了保证离心机溢流的纯度，根据实验结果实验确定离心机分选的最优条件为：转速2304r／min，给矿浓度5%，给矿速度1.50m3／h。在该条件下，离心机溢流（精矿）品位（蒙脱石含量）96.58%、产率2.44%、回收率6.37%。

对最佳条件下的离心机溢流（精矿）进行X射线衍射分析表明（图2），该精矿主要为蒙脱石，检测到少量石英、长石的衍射峰，但杂质矿物的衍射峰强度远低于蒙脱石的第二特征峰。说明该产品中蒙脱石的含量能够达到高纯蒙脱石的要求。采用纯矿物标定法（式1）测得该产品的蒙脱石含量为96.58%。

以上结果表明，采用卧式螺旋离心机，控制适宜的工艺条件，能够从低品位膨润土中分离高纯蒙脱石。但从实验结果也可以看出，采用一段离心机分选，镜框的产率和回收率仍较低，应进一步探索提高精矿产率和回收率的途径。

图3 离心机最佳工艺参数下溢流产品XRD图谱

2.2 离心机扫选段数对分选指标的影响

2.2.3 离心机扫选开路流程实验

正交实验中最优方案制得的蒙脱石纯度较高，但是回收率较低，仅为6.37%，为进一步提高蒙脱石产品回收率，针对一段卧式螺旋离心机尾矿进行了多段扫选工艺，实验结果如表6所示。

表6 离心扫选实验数据结果

扫选实验可以看出，扫选能有效增加溢流产品回收率，且前两段扫选溢流产品蒙脱石含量较高，基本符合高纯蒙脱石要求，后续两段较低，有待进一步研究。

实验对粗选至三段扫选的溢流进行混合，制得综合精矿1；对粗选至四段扫选溢流进行混合制得综合精矿2。综合精矿1和2的化验结果见表7。

从表7可以看出，综合精矿1的蒙脱石含量为93.88%，综合精矿2的蒙脱石含量为92.52%。二者XRD图谱如图4所示。

表7 离心扫选实验数据结果

图4 综合精矿1（a）和综合精矿2（b）XRD图谱

从图4中可以看出，综合精矿1中杂质第一特征峰明显低于蒙脱石第二特征峰，达到高纯土要求。而综合精矿2中杂质的第一特征峰与蒙脱石第二特征峰很接近，不符合高纯土要求。故最终试验选定采用一段粗选、三段扫选的工艺进行高纯蒙脱石的制备，最终制得蒙脱石含量93.88%、产率9.05%、回收率22.96%的精矿产品。

3 结论

实验表明，莱阳膨润土矿样为钙基膨润土，且蒙脱石含量较低，直接利用价值不高。其中主要有用矿物为蒙脱石，主要杂质矿物为石英和长石。采用卧式螺旋离心机提纯工艺，能有效制得高纯蒙脱石，其中矿浆给料浓度对卧式螺旋离心机提纯效果影响不大，主要影响因素是给料速度和卧式螺旋离心机转鼓转速。随转鼓转速增加，给料速度降低，蒙脱石含量增加。转速增大到一定程度后，溢流产品蒙脱石含量趋于稳定。实验最终在转速2304r／min、给料浓度5%、给料速度1.50m3／h的条件下，进行一段粗选可获得品位96.58%、产率2.44%、回收率6.37%的高纯蒙脱石精矿。在此基础上，采用三段扫选的工艺使精矿的产率和回收率进一步提高，获得综合品位93.88%、产率9.05%、回收率22.96%的高纯蒙脱石产品。

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［7］张娜，汪立今，宋来忠.新疆巴里坤膨润土改性提纯试验［J］.岩矿测试矿，2007，26（2）：150－152.

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［13］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 20973－2007，膨润土［S］.2007.