伊利石酸浸除铁增白试验研究

王高锋，王　珊，孙　文，郑水林

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京　100083)



伊利石酸浸除铁增白试验研究

王高锋，王珊，孙文，郑水林

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083)

以承德某伊利石矿为原料，盐酸为浸取剂，进行酸浸除铁增白试验研究。考察了盐酸浓度、反应时间和反应温度对除铁增白效果的影响，设计了废酸回用技术路线。采用扫描电镜(SEM)、元素能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段对样品进行表征，结果表明：盐酸酸浸除铁增白效果明显，且酸浸过程伊利石的微观形貌和晶体结构未发生变化。适宜的酸浸工艺条件为：盐酸浓度20wt%、反应时间2 h、反应温度75 ℃，此条件下酸浸样品的Fe2O3含量由1.14%降至0.64%，白度由79.3%升高至88.4%。

伊利石； 增白； 酸浸

1　引　言

伊利石是一种高钾、富铝、比表面积大的层状含水硅酸盐类粘土矿物。伊利石的晶体结构属于2∶1型结构单元层的二八面体型，即两个硅氧四面体夹一个铝氧八面体(T-O-T)组成的三层结构。晶体间发生晶格取代作用，铝原子取代硅氧四面体中的硅原子，Mg2+和Fe2+等取代八面体中的Al3+，使晶胞带负电，产生的负电荷由等量的K+来平衡。其理想化学组成为K0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2，式中R2+代表二价金属阳离子Mg2+和Fe2+等。该矿物单斜晶系，晶体细小，其粒径通常在1～2 μm以下，肉眼不易观察，在电子显微镜下单体呈片状形貌，集合体呈不规则的鳞片状形貌。伊利石因其具有明亮、光滑、松软、耐热、绝缘性能好、遮盖率高，且不具膨胀性和可塑性等特点，广泛应用于造纸业、陶瓷业、化妆品业、橡塑产业等领域。天然伊利石矿成因复杂，通常含有铁、钛等染色杂质矿物及有机质，从而影响样品的白度及其应用性能。因此，伊利石矿的除铁增白显得尤为重要[1-3]。

伊利石矿常用的增白方法主要有还原增白、氧化增白、焙烧增白、着色增白以及酸浸增白等[4,5]。还原增白的实质是使伊利石黏土中难溶性的Fe3+还原成可溶性的Fe2+，而后洗涤除去，该法虽然成本低、反应快，但存在保险粉用量大、对环境污染重、工艺条件苛刻等缺点[6-8]；氧化增白和焙烧增白只能针对含有黄铁矿或有机质的伊利石粘土，应用范围较窄[9,10]；着色增白引入其它物质，因而会降低伊利石纯度[11]；酸浸增白法广泛应用于其它非金属矿物除铁增白，如云母、硅藻土、高岭土、硅微粉等[12,13]，但采用酸浸法对伊利石进行除铁增白的研究报道较少。一方面，原因在于酸浸增白法会产生一定量的废酸，污染环境；另一方面，高温和浓酸可能会对伊利石原始结构造成破坏[14]。针对上述研究现状，本研究主要考察盐酸浓度、反应时间和反应温度对伊利石矿除铁增白效果的影响，并设计经济合理的废酸回用技术路线，同时采用扫描电镜分析和物相分析对酸浸前后伊利石样品微观形貌和晶体结构进行表征分析。

2　实　验

2.1原料

伊利石原矿由承德人和矿业有限公司提供，其化学组成见表1。从表1中可以看出，伊利石原矿的主要化学成分为SiO2、Al2O3、K2O和Fe2O3，Al2O3含量较高，表明伊利石原矿中伊利石含量较高；铁是影响伊利石原矿白度的主要杂质元素，原矿白度为79.3%。该原矿的XRD图谱如图1所示，由图谱可知，该原矿中的主要矿物成分为伊利石(90%左右)，含有少量杂质矿物石英、斜发沸石、高岭石和微量杂质矿物纤铁矿、赤铁矿等，另外含有铁氧化物。因此，铁在伊利石黏土矿中主要以含铁矿物杂质和氧化物的形式存在，该氧化物可能为吸附于伊利石颗粒表面的微细粒晶质铁、表面铁质薄膜等，可用酸浸法除去；此外，还有一部分由于晶格取代作用以结构铁形式存在。

2.2实验方法

准确称取10 g伊利石原矿倒入500 mL三口烧瓶中，加入40 mL不同浓度盐酸，在设定的反应温度下搅拌反应一定时间，反应完后过滤、洗涤至滤液呈中性，样品置于105 ℃烘箱中干燥12 h。打散、称重、检测白度和Fe2O3含量。

2.3样品表征

采用DHF82多元素快速分析仪(湘潭市仪表有限公司)测量样品Fe2O3含量；采用DN-B2白度仪(杭州高新自动化仪表公司)测量样品白度；采用S-4800场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)对样品进行形貌分析和能谱分析；采用D8-ADVANCE X射线粉末衍射仪(德国布鲁克公司)对样品进行物相分析。

表1　伊利石原矿化学组成

3　结果与讨论

3.1盐酸浓度

采用不同浓度(5wt%、10wt%、15wt%、20wt%、25wt%)的盐酸对伊利石原矿进行酸浸实验，反应温度为75 ℃，反应时间为1 h，从而考察盐酸浓度对伊利石白度和Fe2O3含量的影响，试验结果见图2。由图2可知，随着盐酸浓度的增加，样品白度不断增加，Fe2O3含量不断降低，说明增加盐酸浓度能够提高除铁增白效果。在酸性条件下，含铁杂质矿物和铁的氧化物杂质中Fe2O3和FeO(OH)等易溶于酸，形成Fe2+和Fe3+经洗涤过滤可除去。盐酸浓度的增加使得溶液中H+浓度增加，反应体系中经历含铁杂质物质含量大于反应所需H+浓度到H+浓度大于含铁杂质物质含量的转变，因此，盐酸浓度的增加有助于伊利石矿中含铁杂质物质的浸出。但盐酸浓度过高，不仅增加生产成本，而且盐酸挥发加快，反而影响酸浸效果。综上所示，适宜的盐酸浓度确定为20wt%。

图1　伊利石原矿的XRD图Fig.1　XRD pattern of raw illite

图2　盐酸浓度对伊利石白度和Fe2O3含量的影响Fig.2　Effect of HCl concentration on the whiteness and Fe2O3 content of illite

3.2反应时间

在不同反应时间(0.5 h、1.0 h、2.0 h、4.0 h)下，采用浓度为20wt%的盐酸对伊利石原矿进行酸浸实验，反应温度为75 ℃，从而考察反应时间对伊利石白度和Fe2O3含量的影响，试验结果见图3。由图3可知，随着反应时间的增加，样品白度逐渐增大并逐渐趋于稳定。样品Fe2O3含量随着反应时间的增大先降低后逐渐趋于稳定，当反应时间大于2 h后，样品白度和Fe2O3含量基本不再变化。随着反应时间的延长，盐酸与影响伊利石矿白度的杂质物质接触时间更加充分，有助于杂质物质的浸出，因此，酸浸样品白度提高、Fe2O3含量降低；当反应时间大于2 h后，反应基本完全，因此，酸浸样品白度和Fe2O3含量逐渐趋于稳定。综上所述，适宜的反应时间确定为2 h。

图3　反应时间对伊利石白度和Fe2O3含量的影响Fig.3　Effect of the reaction time on the whiteness and Fe2O3content of illite

图4　反应温度对伊利石白度和Fe2O3含量的影响Fig.4　Effect of reaction temperature on whiteness and Fe2O3 content of illite

3.3反应温度

在不同反应温度(25 ℃、50 ℃、75 ℃、98 ℃)下，采用浓度为20wt%的盐酸对伊利石原矿进行酸浸实验，反应时间为2 h，从而考察反应温度对样品白度和Fe2O3含量的影响，试验结果见图4。由图4可以看出，随着反应温度的升高，伊利石白度不断增大，Fe2O3含量不断降低，说明升高反应温度能够提高除铁增白效果。反应温度升高，一方面可使溶液中H+活性增加；另一方面也使得伊利石矿中影响白度的杂质物质变得活泼，易于与其它矿物分离，从样品中游离出来，或者导致杂质物质之间间隙增大，增加了溶液中H+与之接触的机会，从而提高酸浸效果。当反应温度大于75 ℃，样品白度和Fe2O3含量变化趋势减缓，原因在于温度升高，盐酸挥发加快，使得溶液中H+浓度下降，反应趋势减缓。综上所述，适宜的反应温度确定为75 ℃。

图5　废酸回用技术工艺流程图Fig.5　Process flow diagram of recycle technology of waste acid

3.4废酸回用

酸浸过程会产生一定量的含酸废水，如不进行处理，会对环境造成污染。实验设计了如图5所示的废酸回用技术路线，以解决酸浸过程产生的废酸问题。实验证明，母液和一次洗水回用酸浸效果良好，母液回用四次依旧可使酸浸样品白度达到87.0%，Fe2O3含量降低至0.65%；其余洗水用石灰中和至pH=7。废酸回用不仅解决了可能产生的环境问题，而且节约了经济成本。

3.5能谱分析

对优化工艺条件下制备的酸浸伊利石样品与原矿进行扫描电镜-能谱分析，如图6所示。由图6可知，酸浸后伊利石中Fe元素含量较原矿明显降低，说明盐酸酸浸有效去除了伊利石原矿中的有色杂质铁，从而提高了伊利石白度。

图6　酸浸前后伊利石样品能谱图Fig.6　SEM-EDS images of illite samples before(a) and after (b) acid leaching

3.6微观形貌分析

对优化工艺条件下制备的酸浸伊利石样品与原矿进行SEM微观形貌分析，如图7所示。由图7可以看出，酸浸前伊利石大部分呈鳞片状集合体形貌，酸浸后伊利石样品呈现出较多的片状单体形貌，说明酸浸除去了部分杂质物质，使伊利石集合体间变得疏松，片状单体从集合体中解离，伊利石样品更加分散。但伊利石片状单体形貌没有发生变化。

3.7矿物组成分析

图8为酸浸后样品的XRD图。与图1对比可以看出，酸浸前后样品主要矿物组成没有发生明显变化，并没有产生新的物相，说明酸浸过程伊利石的晶体结构没有发生变化；酸浸后伊利石相关特征峰强度较酸浸前有所增强，含铁物质特征峰强度相比原矿有所减弱，说明酸浸除去部分含铁杂质物质，从而提高伊利石矿的白度。

图7　酸浸前(a)和酸浸后(b)伊利石样品扫描电镜图Fig.7　SEM images of illite samples before(a) and after (b) acid leaching

图8　酸浸后样品XRD图Fig.8　XRD pattern of sample after acid leaching

4　结　论

(1)采用盐酸酸浸伊利石矿除铁增白效果明显，得到其优化工艺条件为：盐酸浓度20wt%、反应时间2 h、反应温度75 ℃。设计了废酸回用技术路线，既解决了可能的环境污染问题，又节约了成本;

(2)在优化酸浸工艺条件下，伊利石样品中Fe2O3含量由原矿的1.14%降至0.64%，白度由79.3%提高到88.4%;

(3)通过微观形貌分析可知，酸浸过程伊利石片状单体形貌没有发生变化；酸浸后伊利石样品较酸浸前更加分散;

(4)通过矿物组成分析可知，酸浸过程伊利石晶体结构没有发生变化；酸浸除去了部分含铁杂质物质，从而提高伊利石矿的白度。

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Experimental Research on Bleaching of Illite by Acid Leaching

WANGGao-feng,WANGShan,SUNWen,ZHENGShui-lin

(School of Chemical and Environment Engineering,Chinese University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Illite ore from Chengde was used as raw material, hydrochloric acid as leaching agent, the bleaching of illite through acid leaching was studied. The influence of hydrochloric acid concentration, reaction time and reaction temperature on the bleaching effect of illite were explored, and the recycle technical route of waste acid was designed. The characterizations of illite samples were carried out by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The result showed that the effect of bleaching on illite by hydrochloric acid leaching was significant, in addition, the microstructure and crystal structure of illite during leaching was not changed. The optimum conditions for leaching are as follows: hydrochloric acid concentration 20wt%, reaction time 2 h and reaction temperature 75 ℃. Under this condition, the Fe2O3content of the product can be decreased from 1.14% to 0.64% and the whiteness of illite can be increased from 79.3% to 88.4%.

illite;bleaching;acid leaching

王高锋(1993-)，男，博士研究生.主要从事无机非金属矿物材料方面的研究.

郑水林，教授.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1301-05