二氧化硫脲对高岭土增白试验研究

侯衍哲

二氧化硫脲对高岭土增白试验研究

侯衍哲

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132000）

高岭土作为化工生产的重要原料，它的品质在很多方面影响着生产质量。我国高岭土资源非常有限，为了能够满足化工生产的需要，通过应用二氧化硫脲的还原性对高岭土进行增白。通过控制变量法对实验的各项条件进行研究，并总结出最佳实验方案，以获得更为理想的增白效果。

二氧化硫脲；高岭土；增白实验

高岭土的物理性质较为松软、细腻，外观呈现为白色的粉末。但是呈粉末状的高岭土是提纯制取之后的产物，实际开采中的高岭土往往纯度很低，并且掺杂着自然界的杂质，呈现灰色或褐色，不但在外观上没有纯高岭土洁白，而且在化学性质上表现不佳，会影响其使用效果和应用性能。纯净高岭土的优秀耐火性决定了它优秀的化学性质。化工生产的过程中使用的高岭土往往需要进行提纯和增白的处理，而其中在高岭土中加入二氧化硫脲，可以帮助高岭土提纯并且去除影响高岭土颜色的有色离子，例如铁、锰、钛等。

图1 纯净高岭土

1 高岭土的运用性能和用途

作为一种高岭石族矿物，高岭土拥有矿物质常见的特性：致密结构和松软质地。研究发现高岭土是一种复合物，主要由二氧化硅、氧化铝两种无机物组成，包含微量有机物。高岭土的品质受到纯度的影响，其耐火性和可塑性等化学特性也与纯度有着密切的关系。高岭土在生产生活中常常用于陶瓷、造纸、耐火材料等多个生产领域，这些需要运用到高岭土的领域无一不需要纯净高质量的高岭土，并且对高岭土的工艺条件有着非常严格的要求。由于未加工的高岭土中含有铁、锰、钛等有色离子，其会使高岭土出现黑、灰、褐色等，因而需要对高岭土进行增白处理。

1.1 高岭土的资源分布

当今高岭土储量最为丰富的主要分布在美国、英国、中国等国土面积较大的国家，因为高岭土的出产依赖于土地与合适的地理条件。以美国为例，并非美国全境都适合高岭土的出产，近两年的美国高岭土开发多集中在一个州。而近两年的探测报告显示，巴西拥有丰富的高岭土储量。在我国，受多种多样的地理条件影响，我国高岭土的分布较为分散，全国共有700多个高岭土产地，大部分分布于东北地区和广袤的西北地区。

表1 高岭土分类

1.2 高岭土的工艺特征

高岭土通常从以下几个方面断定其品质。

白度和亮度：白度和亮度为衡量高岭土品质的第一要素，高岭土的白度与其质量呈正相关关系，若高岭土拥有较高的白度，说明高岭土的质量越好，纯度越高，相对的其商业价值就更高。高岭土的白度有两种，一种为自然白度，一种为煅烧白度，两种白度的分级标准是通过温度来衡量，但煅烧温度到达到1 500 ℃，而自然白度下的烘干温度只有120 ℃。对于工业生产来说，大部分企业会选择用煅烧得来的高岭土，因为其白度会高于自然白度，说明高岭土杂质更少，品质更好。

粒度分布：高岭土的白度决定了其杂质的多少，而粒度分布则决定了其纯度。实际运用中，高岭土不能直接使用，而要通过多个过程的加工处理才能再次使用。根据高岭土的使用方向，各种不同作用决定了高岭土的粒度，均有严格的要求。

可塑性：可塑性的判定原理是将原料与水混合后形成的泥料在多种外力作用下观察其外形的改变程度，若外形改变不大，则可以判定该高岭土的可塑性较好。在高岭土大量使用的陶瓷行业中对高岭土的可塑性要求较高。一般通过两个指数来确定高岭土的可塑性，可塑性指标和可塑性指数。前者用来确定高岭土是否能够定型，其与高岭土定型性能呈正相关关系，若可塑性指标高，则说明高岭土的定型性能较好。可塑性指数表示高岭土的含水率，有4个级别。

耐火性：指在高温的条件下熔化的程度。高岭土的矿物组成决定了高岭土的耐火度，通常情况下，高岭土的纯度与其耐火度呈正相关关系，最高耐火温度可以到达2 000 ℃，而纯度不高的高岭土因为其杂质会导致耐火性大大降低。

2 高岭土增白常见方法

2.1 化学除铁法

氧化除铁法：氧化除铁法是利用氧化剂与高岭土中的四氧化三铁和氧化铁反应。这些杂质使高岭土表现出灰褐色，由于这些杂质在水中无法除去、利用还原和酸洗也无法除去，只有将高岭土与水混合之后加入强氧化剂进行氧化反应，但是这种氧化方法并不能完全去除亚铁和铁离子。影响其效果的不仅有温度和pH值，还有化学物质的不同特性，事实上难以控制且效率低。

氧化还原漂白法：如果高岭土中含有既有氧化性又有还原性的物质，那就不能使用单个氧化或者还原的办法，此时氧化还原法漂白较为合适。

2.2 物理除铁法

磁选法：由于高岭土中有大量含铁矿物质，但是这些矿物质只有弱磁性，则对于磁性并非很强的铁元素，有两种情况进行除铁，一种情况是将弱磁性的铁变成强磁铁，之后通过磁选除去，另外一种方法是通过高强度的磁铁进行磁吸，这种方法的缺点是需要将高岭土磨碎成为细粉质的固体才能除去，且除铁率低，但是对细颗粒高岭土有很好的效果。

微生物除铁法：这种方法在我国鲜少使用，但是在外国已有一部分研究者投入研究并且在生产中使用。其原理是通过微生物将高岭土中的铁溶解并去除，这种微生物除铁的成本少、对高岭土本身的性质破坏不大，但是对环境的要求高，且生产周期非常长。

3 二氧化硫脲在高岭土增白处理中的作用

3.1 制备材料

二氧化硫脲、浓盐酸、氢氧化钠、草酸、硫酸、光度计、恒温磁力搅拌器、白度测定仪、电子天平、干燥箱等。

3.2 制备方法

运用仪器对高岭土的化学成分进行分析，测得高岭土中各种无机物的含量（包括二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钠、氧化酶、氧化钾、氧化钙）。将高岭土捣碎后研磨并得到高岭土浆液。为了测定高岭土矿浆的pH值，需要将矿浆加入恒温搅拌器中加入碱液加以调解。而后少量多次滴入二氧化硫脲，并进行漂洗、过滤、干燥、压片。最后得到纯高岭土样品。

3.3 二氧化硫脲对高岭土增白的影响

实验证明，二氧化硫脲对高岭土增白还存在一定的局限性。本实验已经通过控制变量法对还原时间、二氧化硫脲浓度用量等试剂进行控制。由于二氧化硫脲的增白效果并非最佳，所以实验考虑通过催化剂提高二氧化硫脲的浓度，对二氧化硫脲进行活化处理。化学物质在活化剂的催化下会产生活化反应，活化能升高，化学性能更加活跃。因而对二氧化硫脲进行活化处理有助于提高二氧化硫脲的还原性，更快、更高效地对高岭土进行增白。二氧化硫脲的活化需要用到不同含有稀有元素的硝酸盐，经过锻造之后再加入二氧化硫脲溶液进行活化催化。由于不同硝酸盐（含有稀有元素）对二氧化硫脲的活化效果不同，所以实验运用电极测试对加入不同类型的二氧化硫脲溶液进行检测，结果得到硝酸镧对二氧化硫脲的催化效果最好。在高岭土的增白实验中，以硝酸镧为催化剂进行反应，测定硝酸镧作为二氧化硫脲的催化剂是否会影响原本高岭土的增白反应。控制溶液的酸碱度和其他实验条件，改变硝酸镧的用量（按照质量分数0.1%～0.6%的溶液）加入矿浆中，运用电极进行测试。结果得到当硝酸镧溶液的质量分数在0.3%以下时对高岭土的增白反应影响不大。因而可以得出结论，当硝酸镧的用量为0.3%左右时，对高岭土的还原反应无影响且能提高二氧化硫脲的还原性能，并且有色离子浓度大大下降，满足了化工生产的要求。

3.4 高岭土增白实验最佳条件分析

二氧化硫脲用量：通过控制变量法控制不同二氧化硫脲浓度用量对增白实验的影响。实验选择二氧化硫脲质量分数为0.5%、0.6%、0.7%、0.8%。通过白度检测可以检测到当二氧化硫脲的浓度增高时，高岭土样品的白度明显增高。而二氧化硫脲的质量分数高于0.8%时，高岭土的白度不再变化，故可以得出二氧化硫脲的质量分数在0.8%时对高岭土样品的增白效果最好，应该采用0.8%的二氧化硫脲。

pH值：运用控制变量法，控制矿浆浓度、二氧化硫脲浓度、实验温度等条件，研究不同pH值对高岭土增白实验的影响。由于二氧化硫脲在碱性环境下发挥还原性，故pH值调节在7～12。通过白度检测可以检测到当pH值增高时，高岭土样品的白度明显增高，当pH值最高到达12时，白度最高。

还原时间：运用控制变量法，控制矿浆浓度、二氧化硫脲浓度、实验温度、pH值时，还原时间控制在5～15 min。通过白度检测可以检测到当还原时间增加时，高岭土样品的白度明显增高，当还原时间在15 min时，对高岭土的增白最有效果，当还原时间超过15 min时，高岭土的白度逐渐下降，故可以得知还原时间控制在15 min时最适宜。

矿浆浓度：运用控制变量法，控制草酸浓度、二氧化硫脲浓度、实验温度等条件相同，研究不同矿浆浓度对高岭土增白实验的影响。当矿浆质量分数在20%到40%时，通过白度检测可以检测到矿浆质量分数在20%时，高岭土样品的白度最高，随着矿浆浓度的升高，高岭土白度下降，故可以得出当矿浆质量分数在20%时高岭土增白效果最佳。

温度：运用控制变量法，控制草酸浓度、二氧化硫脲浓度、矿浆浓度等条件相同，研究不同温度对高岭土增白实验的影响。控制温度在25～50 ℃。通过白度检测可以检测到随着实验温度的升高，高岭土白度上升，但考虑到实验的安全和能耗问题，高岭土的增白实验温度可以控制在40 ℃。

4 结论

综上所述，高岭土的增白实验主要是通过减少高岭土中有色离子的含量来起到增白的效果。选择二氧化硫脲能够通过还原反应增加高岭土的白度并提高品质，以达到生产需要。在高岭土的生产中，白度作为一项重要的指标，要求增白实验的运用应该更加科学、合理、安全、高效，选用二氧化硫脲作为反应试剂，活化剂作为催化二氧化硫脲的催化剂，控制矿浆浓度、二氧化硫脲、还原事件以及实验温度等条件，能够在最短时间内快速获得纯净高岭土，提高高岭土的纯度，以达到生产的需要和要求。

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Experimental Study on Whitening of Kaolin Clay With Thiourea Dioxide

(PetroChina Jilin Chemical Engineering Co., Ltd., Jilin Jilin 132000, China)

Kaolin clay is an important raw material for chemical production, its quality affects the quality of production in many ways. China's kaolin clay resources are very limited, in order to meet the needs of chemical production, kaolin clay was whitened by applying the reduction of thiourea dioxide. The conditions of the experiment were studied by the control variable method, and the best experimental scheme was summarized in order to obtain a more ideal whitening effect.

Thiourea dioxide; Kaolin clay; Whitening experiment

TQ623.6

A

1004-0935（2022）04-0524-03

2021-12-06

侯衍哲（1970-），男，吉林省吉林市人，副高级工程师，1994年毕业于吉林化工学院化学工程系无机化工专业，研究方向：高分子化工工艺、催化剂、助剂等。