某低品位硅藻土物理提纯研究

崔志强，杨奇丽

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，阜新 123000)



某低品位硅藻土物理提纯研究

崔志强，杨奇丽

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，阜新 123000)

对某低品位硅藻土原矿，根据矿物组成、微观形貌分析及粒度分布，采用"擦洗-小锥角水力旋流器分级-强磁选"工艺提纯了硅藻土原矿。结果表明，以NaOH调节pH为10、六偏磷酸钠为分散剂，矿浆浓度15%、六偏磷酸钠浓度3.0%时，经强力混浆40 min，可实现蒙脱石、云母、石英等矿物与硅藻土颗粒的充分解离；采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小锥角水力旋流器串联“抛细截粗”分级可得φ50-D、φ10-D混合硅藻土粗精矿；经“一粗一扫”强磁选(磁场强度1.1 T)可得硅藻土精矿，并达到工业用助滤剂二级产品标准。

硅藻土； 提纯； 小锥角水力旋流器

1 引 言

硅藻土是以硅藻遗骸沉积生成的硅质型生物沉积岩[1]，其主要成分为非晶质SiO2。硅藻土具有管孔状结构、较大的比表面积及良好的热稳定性使其广泛作为工业催化剂载体、过滤剂、漂白剂、吸附剂、硅藻壁材、填料等。我国优质的硅藻土资源很少，天然的硅藻土通常与粘土矿物(如蒙脱石)、碎屑矿物(长石、石英)等共存，为提高硅藻土的品位，采用物理或化学选矿技术综合利用低品位硅藻土资源是当前中国硅藻土产业可持续发展的必然需要[2]。

硅藻土的选矿常采用干法或湿法分级、重力沉降、磁选、擦洗、酸浸、焙烧、超声波清洗分离或离心旋流-选择性絮凝等方法，提高硅藻的孔隙率[3]，也有学者以用十二胺为捕收剂用浮选法分离硅藻土、钠长石及石英[4]；对硅藻土等级采用SiO2含量表征，同时Fe2O3、Al2O3含量越低，硅藻土等级越高，此外电子显微镜下硅藻破损率可辅助表征硅藻土等级[5]。

2 硅藻土原矿工艺矿物学分析

2.1 硅藻土原矿化学成分分析

硅藻土原矿为淡黄色土状结合体，将硅藻土原矿在105 ℃下烘干至衡重后，对其化学成分分析如下：SiO2，65.14%；Al2O3，15.18%；Fe2O3，7.26%；CaO，0.34%；MgO，0.68%；K2O，2.12%；Na2O，0.35%；TiO2，0.87%；烧失量，7.19%。由硅藻土原矿化学成分及含量可知，其主要化学成分为SiO2，但Al2O3含量高达15.18%，表明硅藻土原矿中粘土类矿物较高；K2O含量高于Na2O含量，表明硅藻土原矿中可能存在长石、云母类矿物；Fe2O3、TiO2含量较高，为有害成分需要脱除；CaO、MgO基本达到工业产品要求。

2.2 硅藻土原矿物相及微观形貌分析

采用岛津6100型X射线衍射仪(测试条件：电流，30 mA；靶型，Cu靶；起始角，5°；终止角，65°；扫描速度，10 °/min；步长，0.04°)，其XRD图谱见图1。

图1 硅藻土原矿XRD图谱Fig.1 XRD pattern of raw diatomite

图2 硅藻土原矿扫描电镜图片Fig.2 SEM patterns of raw diatomite

由图1知，硅藻土原矿中除非晶质SiO2外，含有蒙脱石、云母、石英等非金属矿矿物，该部分伴生矿物可能堵塞硅藻土的原始孔道，阻碍硅藻土多孔、过滤的应用性能；此外，还有磁铁矿、钛磁铁矿类金属矿物，该部分伴生矿物的存在，胶结于硅藻土颗粒间或孔道内，同样影响硅藻土性能。

采用JSM-6700F型扫描电镜观察硅藻土微观形貌及成形硅藻的粒度，见图2。由图2可知，硅藻土原矿中硅藻颗粒为圆盘状、圆筛状；完整圆筛状硅藻、高度20～50 μm，部分硅藻颗粒之间和颗粒内部孔径通道被粘土类矿物粘附、胶结或填充；圆盘状硅藻土颗粒多半伴有破损部分，颗粒直径约20～60 μm。

由上述分析可知，硅藻土中胶结的蒙脱石、云母及含铁钛类杂质是影响硅藻土品位的主要因素；使蒙脱石、云母等杂质与硅藻土颗粒解离并经物理、化学选矿分离是提纯硅藻土品位的有效途径。

3 硅藻土物理提纯

对硅藻土的物理选矿提纯可采用采用分散-擦洗-分选工艺。粘土类矿物(如蒙脱石)在水介质中通常可分散至-10 μm；经筛分试验知云母类矿物主导粒级为45～200 μm，该粒级中还含有部分晶质石英；硅藻土颗粒的主导粒级为20～50 μm，因此将杂质矿物与硅藻土颗粒充分解离，采用“抛细截粗”工艺并结合强磁选方法可实现硅藻土的物理提纯。有学者[3]研究了硅藻土选矿中焦磷酸钠、六偏磷酸钠、水玻璃等分散剂对粘土矿物的分散作用，结果表明焦磷酸钠和六偏磷酸钠对硅藻土选矿效果的影响优于水玻璃；且硅藻土选矿效果与矿浆pH值有一定关系。对试验样硅藻土以NaOH为pH值调整剂、六偏磷酸钠为分散剂，采用强力混浆擦洗-小锥角水力旋流器分级工艺对硅藻土原矿进行分级提纯，并采用CGS湿式感应强磁选机(磁场调节范围0～1.3 T)脱除强、弱磁性杂质矿物。

3.1 硅藻土的擦洗与分级

取一定量的硅藻土，调节硅藻土擦洗矿浆质量浓度15%，经2 mm方孔筛脱除植物残屑；经强力混浆设备混浆一定时间，搅拌转速600 r/min，采用BT-9300型激光粒度分析仪测定矿浆中-10 μm含量与+45 μm含量，得擦洗时间对硅藻土矿浆-10 μm含量、+45 μm含量变化曲线，见图3。

图3中，随擦洗时间延长，硅藻土矿浆中-10 μm含量呈增加趋势，擦洗20 min前-10 μm含量增幅较大、擦洗时间20 min后-10 μm含量增幅较小且其含量基本稳定，表明可分散的粘土矿物已充分分散；矿浆中+45 μm含量呈减少趋势，其减小幅度随擦洗时间延长而减小，其含量减小至20%左右并趋于稳定。由此可见，擦洗时间为40 min时，硅藻土矿浆中粘土类极细粒矿物和云母、石英类粗粒级矿物可充分分散。

图3 擦洗时间与矿浆中-10 μm与+45 μm含量变化Fig.3 Content change of -10 μm and +45 μm under different time

图4 六偏磷酸钠用量与矿浆中-10 μm与+45 μm 含量变化Fig.4 Content change of -10 μm and +45 μm under different (NaPO3)6 dosage

用NaOH调节硅藻土矿浆pH为10，加入一定质量浓度10%的六偏磷酸钠溶液，擦洗时间为40 min，采用BT-9300型激光粒度分析仪测定矿浆中-10 μm含量、+45 μm含量，可得不同浓度六偏磷酸钠对硅藻土矿浆分散性的影响，见图4。

图4中，随六偏磷酸钠的用量增加，硅藻土矿浆中-10 μm含量逐渐增加、+45 μm含量逐渐减少。其中-10 μm含量增幅较大，可能由于硅藻土孔道内主要为粘土类矿物(蒙脱石)，在分散剂六偏磷酸钠作用下更易充分分散；+45 μm含量减幅较小，可能由于胶结与硅藻土颗粒间或附着于硅藻土侧壁的云母、晶型石英在擦洗和较低浓度分散剂作用下已实现分散、脱附。其中当六偏磷酸钠用量为3.0%时，硅藻土矿浆中-10 μm含量逐渐增加、+45 μm含量基本趋于稳定，表明吸附、胶结于硅藻土侧壁或孔道的杂质矿物达到分散平衡。

对擦洗后的硅藻土矿浆，采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小锥角水力旋流器分别在0.20 MPa、0.35 MPa、0.70 MPa压力下分级提纯[7]，根据各级旋流器分级粒度不同，采用图5工艺可得φ75 mm小锥角水力旋流器底流(φ75-D)、φ50 mm、φ10 mm小锥角水力旋流器混合底流(φ50-D、φ10-D)及φ10 mm小锥角水力旋流器溢流(φ10-Y)。

图5 硅藻土分级提纯工艺流程Fig.5 Purification process of diatomite

取小锥角水力旋流器底流、溢流矿浆，于105 ℃烘干至衡重，称重、计算产率；并取各级产品，测定主要化学成分及含量，结果见表1。

由表1知，通过“抛细截粗”工艺，经小锥角水力旋流器分级提纯，φ75-D、φ10-Y中Al2O3含量高于硅藻土原矿，表明粘土类矿物云母及晶质石英在该分级产品中富集；φ75-D中Fe2O3、TiO2和K2O含量较高，结合粒度差异表明其主要矿物为云母、部分磁铁矿、钛磁铁矿及晶质石英；φ10-Y中CaO、Na2O含量较高，表明其主要矿物可能为蒙脱石类矿物，且其SiO2含量偏高，表明φ10-Y中含有石英或硅藻土颗粒碎屑；φ50-D、φ10-D中SiO2含量显著升高，Al2O3含量下降，结合小锥角水力旋流器分级粒度差异表明其中主要矿物为硅藻土粗精矿颗粒，但仍含有部分Al2O3及一定量的Fe2O3、TiO2，需进一步脱除，其他指标均达到硅藻土助滤剂三级以上标准。

表1 分级提纯各级产品产率、化学成分及含量Tab.1 Yield, chemical composition and content of purification products

3.2 硅藻土的强磁选

对小锥角水力旋流器分级提纯的硅藻土粗精矿，采用CGS湿式感应强磁选机，根据“一粗一扫”工艺进行强磁选脱除含铁、钛类矿物，其中粗选、扫选的磁场强度相同。硅藻土粗精矿矿浆质量浓度15%、调节励磁电流及磁场强度，可得强磁选尾矿；并对除杂后的硅藻土进行主要化学成分分析，见表2。

表2 不同磁场强度下硅藻土化学成分及含量Tab.2 Chemical composition and content of diatomite under different magnetic intensity

图6 提纯硅藻土扫描电镜图片Fig.6 SEM patterns of purified diatomite

由表2知，随磁场强度增加，除杂后的硅藻土中SiO2含量增加，Al2O3、Fe2O3及TiO2含量降低；磁场强度由0.2 T到0.5 T时，Fe2O3和TiO2含量显著降低，表明在中、低磁场强度下强磁性矿物磁铁矿、钛磁铁矿可充分脱除；磁场强度由0.5 T到1.1 T时，Al2O3、Fe2O3及TiO2含量进一步降低，但降低幅度较小，继续增加磁场强度，三者含量基本不变，表明磁场强度1.1T时含铁类弱磁选矿物(蒙脱石、云母等)可进一步脱除。经物理提纯的硅藻土扫描电镜，见图6。

图6中，经物理提纯后硅藻土的孔道大部分被疏通，其孔道直径小于0.5 μm，且硅藻土颗粒粒度减小。

该低品位硅藻土原矿经物理提纯后硅藻土精矿可达工业用助滤剂二级产品，若对该硅藻土精矿采用焙烧-酸浸工艺进一步降低Al2O3、Fe2O3含量，有望达到工业用助滤剂二级产品或食品、医药用硅藻土产品。

4 结 论

对某低品位硅藻土，在矿浆浓度15%，以NaOH调节pH值为10、六偏磷酸钠为分散剂，分散剂浓度3.5%，经强力混浆40 min，可实现蒙脱石、云母、晶型石英与硅藻土颗粒的充分分散；采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小锥角水力旋流器串联“抛细截粗”，经分级可得φ50-D、φ10-D混合硅藻土粗精矿；磁场强度1.1 T时，经“一粗一扫”强磁选可得硅藻土精矿，提纯后硅藻土粗精矿孔道大部分被疏通，其孔道直径小于0.5 μm达到工业用助滤剂二级产品。

[1] 张凤君.硅藻土加工与利用[M]．北京：化学工业出版社，2006：1-3．

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Physical Purification of Low Grade Diatomite

CUIZhi-qiang,YANGQi-li

(College of Environmental Sciences and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Taking low grade raw diatomite from Liaoning province as research mineral, according to the mineral composition, microstructure analysis and particle size distribution, the raw diatomite could be purified through the process of scrubbing, small angle hydrocyclone classification and high intensity magnetic separation. The results show that with sodium hydroxide to adjust pH 10, sodium hexametaphosphate as dispersant, the diatomite slurry concentration as 15%, and the dispersant concentration as 3.0 %, after 40 min intensive mixing, the diatomite particles can be dissociated from montmorillonite, mica, quartz and other minerals. Usingφ75 mm,φ50 mm,φ10 mm small angle hydrocyclone series connection, removing fine fraction and retaining large particles, the diatomite coarse concentrates fromφ50 mm andφ10 mm small angle hydrocyclone underflow mixture can be available. Through one rough and one scavenging high intensity magnetic separation ( the magnetic field intensity 1.1 T ), the diatomite concentrates can be obtained, and the diatomite grade is suitable to industrial filter aid secondary product.

diatomite;purification;small angle hydrocyclonen

国家自然科学基金(41501217)

崔志强(1994-),男.主要从事土壤成分分析与矿产资源综合利用研究.

TD97

A

1001-1625(2016)08-2642-05