肯尼亚某硅藻土选矿提纯试验研究

黄庆柒，雷满奇，陈燕清

广西地质矿产测试研究中心，广西 南宁 530023

硅藻土是一种由单细胞藻类的遗骸沉积而成的非金属矿[1-3]，其主要矿物成分为蛋白石，主要化学成分为非晶态SiO2。硅藻土生物成因独特，具有孔隙率高、孔体积大、吸附力强、质轻等特点，广泛应用于食品、化学、建材、环保等领域[4-5]。目前，国内常用的硅藻土选矿方法[6-10]主要有擦洗法、焙烧法、酸浸法、离心沉降法、磁选法以及综合提纯法等。

2020 年，研究小组以肯尼亚巴林戈PL 矿区的硅藻土为原料开展提纯工作，分别采用离心分离、煅烧、酸浸等选矿提纯工艺处理，并通过矿物成分分析、化学成分分析以及扫描电镜分析等手段对选矿提纯后的硅藻土进行表征，探索与该矿区相适应的硅藻土处理工艺。

1 试验样品与试验方法

1.1 原矿性质

试验用硅藻土来自肯尼亚巴林戈PL 矿区。原矿由带土黄色调的浅灰色块状以及浅灰褐色土状样组成，质轻。硅藻土主要成分为蛋白石（方英石），含火山玻璃、蒙脱石、高岭石、褐铁矿以及少量有机质。硅藻土原矿 XRD 图谱如图1 所示，化学多项分析结果如表1 所示。硅藻土粒度较细，-0.010mm 粒级含量86.51%，其粒度分析结果如表2 所示。

表1 硅藻土化学分析结果表

表2 硅藻土粒度分析结果表

图1 硅藻土原矿XRD 图

1.2 试剂及仪器设备

试验用到的试剂有：质量分数为 98%的硫酸、六偏磷酸钠、氢氧化钠。六偏磷酸钠、氢氧化钠均为分析纯，其中氢氧化钠配成5%的溶液。

实验用到的仪器设备有：低速台式离心机SF-TDL-SA（上海菲恰尔分析仪器有限公司）、强力电动搅拌器JB90-D（上海标本模型厂）、电子恒温水浴锅HH-4（常州易晨仪器制造有限公司）、高温箱式电阻炉SX-4-10（长沙远东电炉厂）和电子天平。

1.3 试验方法

1.3.1 离心分离试验

研究小组通过离心作用力使硅藻土中的火山玻璃、高岭石等杂质分离，从而达到硅藻土富集的目的。研究小组取硅藻土原矿样加水调浆，并加入氢氧化钠调节矿浆pH，在实验室自制擦洗机内擦洗一定时间，加入分散剂六偏磷酸钠后继续擦洗。擦洗结束后，静置5 min，取上层进行离心分离，取底流，干燥后即为硅藻精土。离心提纯工艺流程如图2 所示。

图2 离心提纯工艺流程图

1.3.2 煅烧试验

研究小组通过加温使硅藻土中有机质等杂质受热变成挥发性气体脱除硅藻土，从而达到硅藻土富集的目的。研究小组取一定量硅藻土原矿样，在马弗炉内以不同的煅烧温度煅烧一定时间，在干燥器内冷却至室温，剩余部分即为硅藻精土。

1.3.3 酸浸试验

酸浸试验通过浓酸作用，使硅藻土中火山玻璃、蒙脱石、高岭石、褐铁矿等杂质得以清洗溶解出来，从而达到提高硅藻土品质的目的。研究小组取一定量的硅藻土原矿样和水，放在500 ml 烧杯中，搅拌混匀后加入不同质量分数的浓硫酸，在水浴温度保持100℃的情况下，搅拌混合液反应4 h，随后加入一定量的水稀释至中性，混合物经过滤、干燥后得到硅藻精土。

2 试验结果与讨论

2.1 离心分离试验

2.1.1 离心转速条件

固定离心分离时间2.5 min、分散剂用量0.5%、矿浆浓度25%，离心转速分别为1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min，试验结果如图3 所示。

从图3 可知，离心分离在一定程度上可以提高硅藻土产品的品质，离心分离所获得的硅藻精土SiO2品位有所提高，且杂质Al2O3、Fe2O3含量略有下降；另外，随着离心转速的增大，Si 与Al、Fe 的分离效果越好，但离心转速增大到2000 r/min 时，Si 与Al、Fe 品位变化趋于平缓，继续增大离心转速时效果不明显。

图3 离心转速条件试验结果图

2.1.2 离心时间

固定离心转速2000 r/min、分散剂用量0.5%、矿浆浓度25%，离心分离时间分别为2.5 min、5 min、7.5 min、10 min，试验结果如图4 所示。

从图4 可知，离心转速在2000 r/min 条件下，合适的离心分离时间能使硅藻土中Si 与Al、Fe 分离，时间过短或者过长均会影响离心产品产率，从而影响产品品质。因此，研究小组选定离心时间为2.5 min。

图4 离心时间条件试验结果图

2.1.3 矿浆浓度

固定离心转速2000 r/min，离心分离时间2.5 min，分散剂用量0.5%，采用的矿浆浓度分别为10%、15%、20%、25%、30%，试验结果如图5 所示。

从图5 可知，相同的离心条件下，矿浆浓度越大，硅藻土中Si 与Al、Fe 的分离效果越好。当矿浆浓度为25%，底流SiO2品位在81%左右，继续增大矿浆浓度，矿浆变得粘稠，提高SiO2品位趋势减缓。

图5 矿浆浓度条件试验结果图

2.1.4 分散剂用量

固定离心转速2000 r/min，离心时间2.5 min，矿浆浓度25%，分散剂采用六偏磷酸钠，用量分别为0 kg/t、2 kg/t、4 kg/t、6 kg/t、8 kg/t，试验结果如图6 所示。

图6 分散剂用量条件试验结果图

从图6 可知，六偏磷酸钠用量太低，分散效果较差，硅藻土中杂质Al、Fe 基本没有分离。当六偏磷酸钠用量为4 kg/t 时，硅藻精土SiO2含量达到81%，继续增大用量，回收率有所提高，但SiO2略有下降。

2.2 煅烧试验

煅烧工艺的设计对最终产品的品质起主要作用[11]。研究小组设计了不同温度、相同时间的煅烧实验，观测S iO2、Al2O3、Fe2O3的品位变化情况，实验结果如图7 所示。由图7 可知，煅烧温度在350℃～650℃时，硅藻精土中SiO2的品位有较大提高，而且温度越高，其品位越高；煅烧温度在650℃～955℃时，SiO2的品位变化较小。另外可以看出，不同的煅烧温度下，硅藻精土中的Al2O3、Fe2O3含量基本没有太大的变化。煅烧温度越高，能耗越大，但温度＞650℃后明显无法显著提高SiO2品位，从节能角度考虑，研究小组选定煅烧温度为650℃。

图7 煅烧温度条件试验结果图

在选定的煅烧温度条件后，研究小组进一步进行煅烧时间条件试验，结果如图8 所示。

由图8 可知，煅烧时间为0.5～3 h 时，硅藻精土中SiO2、Al2O3、Fe2O3品位变化规律一致，均为先增加后略有下降。煅烧时间为2 h时，SiO2品位最佳，为82.93%。

图8 煅烧时间条件试验结果图

2.3 酸浸提纯试验

国内精选硅藻土，普遍采用硫酸法或盐酸法。研究小组使用了硫酸法，分别进行硫酸浓度、酸浸时间条件、液固比条件试验。

2.3.1 硫酸浓度

研究小组设定水浴温度为100℃，液固比3 ∶1，酸浸时间4 h，硫酸浓度分别为20%、40%、60%、80%，试验结果如图9 所示。

由图9 可知，酸浸浓度对硅藻土的提纯有明显的影响。硅藻精土中的SiO2品位在酸浸浓度为40%时已达到91.12%，再继续提高硫酸浓度反而会导致品位下降；Al2O3、Fe2O3品位在硫酸浓度控制在60%时最低，分别为2.1%、0.29%，继续提高硫酸浓度反而会提高Al2O3、Fe2O3品位。因此，研究小组最终选定硫酸浓度40%。

图9 硫酸浓度条件试验结果图

2.3.2 酸浸时间

固定水浴温度100℃，液固比3 ∶1，硫酸浓度40%，酸浸时间分别为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，试验结果如图10 所示。

由图10 可知，酸浸时间到达4 h 后硅藻土中Si、Al、Fe 的品位变化趋势变缓，反应已基本到达平衡，故研究小组最终选定酸浸时间为4 h。

图10 酸浸时间条件试验结果图

2.3.3 液固比

固定水浴温度100℃，酸浸时间4 h，硫酸浓度40%，液固比分别为2∶1、3∶1、4∶1、5 ∶1，试验结果如图11 所示。

试验中的液固比是指配制好的一定浓度硫酸质量与硅藻土质量之比。硅藻土具有吸水性，较低的液固比不利于矿浆流动，从而影响搅拌、均匀加热等操作。从图11 可知，硅藻土的SiO2品位在液固比＜3 ∶1 时较低，液固比≥3 ∶1 时有所增加并趋于平稳，故研究小组最终选定液固比为3 ∶1。

图11 液固比条件试验结果图

2.3.4 水浴温度

固定液固比3 ∶1，酸浸时间4 h，硫酸浓度40%，水浴温度分别为50℃、70℃、90℃、100℃，试验结果如图12 所示。

由图12 可知，水浴温度＜70℃时，硅藻精土中的SiO2品位呈平缓上升趋势；水浴温度＞70℃时，SiO2品位呈快速上升趋势。由此可知，水浴温度越高，酸浸效果越好，为能获得最佳的浸出效率，研究小组选定水浴温度为100℃。

图12 水浴温度条件试验结果图

3 硅藻土表征

3.1 硅藻土提纯前后对照分析

确定上述所选用的3 种处理硅藻土的方法后，研究小组将硅藻土成分分析进行对比，结果如表3 所示。

表3 硅藻土成分分析对比表单位：%

研究小组认为，离心分离以及煅烧能在一定程度上提高硅藻土SiO2品位，但杂质Al、Fe 的含量并没有明显降低；采用酸浸处理方法，SiO2品位可提高到90%，杂质含量明显降低。工业用硅藻土助滤剂标准（GB 24265-2009）要求SiO2≥85%、Al2O3＜5%、Fe2O3≤1.5%、CaO ＜0.5%、MgO ＜0.4%。采用硫酸提纯的硅藻土SiO291.12%，杂质成分分别降至Al2O32.47%、Fe2O30.34%、CaO 0.25%、MgO 0.14%，符合要求。由此可见，采用硫酸法处理肯尼亚巴林戈PL 矿区硅藻土是行之有效的方法。

3.2 硅藻土提纯前后电镜扫描结果

研究小组将酸浸提纯前后的硅藻土进行电镜扫描。从扫描图像中可见，原硅藻土中直柱形硅藻体表面上覆盖着杂质，微孔堵塞；经酸浸后，硅藻土上的微孔杂质被溶解洗去，硅藻体微孔显露。这也在一定程度上说明了研究小组的方法是有效的。

4 结 语

（1）该次实验用硅藻土质轻、粒度细，采用离心分离提纯可在一定程度上提高硅藻土的品质，但杂质Al、Fe 的含量没有明显降低；硅藻土有机质含量少，水分含量也较少，采用单一煅烧工艺只提高了硅藻土中SiO2含量，但杂质Al、Fe 含量并没有降低；采用硫酸浸出方法可除去硅藻土中大部分杂质，Al2O3、Fe2O3相应降低至2.47%、0.34%。

（2）研究小组采用酸浸提纯硅藻土时，最佳工艺参数为硫酸浓度40%、酸浸时间4 h、液固比3 ∶1、水浴温度设定100℃。

（3）酸浸提纯后获得的硅藻土精土SiO2品位为91.12%，其他的Al、Fe、Ca、Mg 等品位均满足工业用硅藻土助滤剂指标中Ⅰ级品要求（GB 24265-2009）。