高嶺土作為一種性能優(yōu)良的工業(yè)礦物,廣泛應(yīng)用于陶瓷、造紙、橡膠、塑料、建材、油漆、石油化工等,尤其在陶瓷工業(yè)中用得較多。高嶺土既可作為陶瓷坯料,又可作釉料。
無論陶瓷工業(yè)還是其它工業(yè)部門,對(duì)高嶺土的白度都有一定要求。而自然界產(chǎn)出的高嶺土中,往往因含有一些有機(jī)質(zhì)和鐵、鈦、錳等元素的礦物而影響其自然白度。高嶺土中的鐵雜質(zhì)不僅影響陶瓷產(chǎn)品的燒后顏色,而且還嚴(yán)重影響陶瓷產(chǎn)品的介電性能和化學(xué)穩(wěn)定性。采用常規(guī)的物理選礦方法,對(duì)黃鐵礦等弱磁性礦物及細(xì)顆粒含鐵雜質(zhì)去除效果不明顯。而采用化學(xué)除鐵法可以有效地除去這部分鐵雜質(zhì)。
1、高嶺土的化學(xué)除鐵法
目前高嶺土常用的化學(xué)除鐵法有氧化法、還原法和漢化-還原聯(lián)合法三種,其中還原法應(yīng)用得最廣泛。具體用哪一種方法適應(yīng)要根據(jù)高嶺土中含有的鐵礦物類型來定。
1.1 氧化除鐵法
當(dāng)高嶺土中含有黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)時(shí),常使礦物呈灰色,這些物質(zhì)采用酸洗和還原法均難以除去,需要采用氧氣除鐵法進(jìn)行漂白。
氧化除鐵法是用強(qiáng)氧化劑,在水介質(zhì)中將處于還原狀態(tài)的黃鐵礦等氧化成可溶于水的亞鐵離子;同時(shí)將深色有機(jī)質(zhì)氧化,使其成為能被水洗去的無色氧化物。氧化法中所用的氧化劑有次氯酸鈉、過氧化氫、高錳酸鉀、氯氣、臭氧等。
氧化除鐵效果與介質(zhì)的pH值有關(guān),還受到礦石特性、溫度、藥劑用量、礦漿濃度、漂白時(shí)間等因素的影響。
(1)pH值的影響。次氯酸鹽為弱酸鹽,在不同pH值下其氧化能力不同。在堿性介質(zhì)中較穩(wěn)定,而在酸性和中性介質(zhì)中不穩(wěn)定,且分解迅速,生成強(qiáng)氧化成分。在弱酸性(Ph5~6)條件下,其活性最大,氧化能力最強(qiáng),此時(shí)二價(jià)鐵離子也相對(duì)較穩(wěn)定。
(2)溫度的影響。隨著溫度升高,漂白劑的水解速度加快,漂白速度也加快,所需漂白時(shí)間縮短。但溫度過高時(shí)熱耗量大,藥劑分解速度過快,會(huì)造成浪費(fèi)并污染環(huán)境。實(shí)際操作中可在常溫下通過加大藥劑量、調(diào)整pH值、延長(zhǎng)漂白時(shí)間等來達(dá)到預(yù)期效果。
(3)藥劑用量的影響。最佳藥劑用量與原礦特性、雜質(zhì)被氧化程度、反應(yīng)溫度、時(shí)間和pH值等有關(guān),藥劑用量過大或過小皆影響除鐵效果。
(4)礦漿濃度的影響。藥劑用量一定時(shí),礦漿濃度降低則除鐵漂白效果下降;若濃度過高,由于產(chǎn)品不洗滌,過濾后殘留藥劑離子過多也會(huì)影響產(chǎn)品性能。
(5)漂白時(shí)間的影響。時(shí)間越長(zhǎng)除鐵效果越好,開始時(shí)反應(yīng)速度很快,隨后越來越慢,合理又經(jīng)濟(jì)的漂白時(shí)間需要通過試驗(yàn)才能確定。
1.2還原除鐵法
1.2.1 保險(xiǎn)粉還原法
高嶺土還原除鐵最常用的藥劑是連二亞硫酸鈉,工業(yè)上又稱為保險(xiǎn)粉,其分子式為Na2S2O4,是一種強(qiáng)還原劑,高嶺土中存在的三價(jià)鐵的氧化物不溶于水,也難溶于稀酸,但在保險(xiǎn)粉存在的條件下,可將氧化鐵中的三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵。由于二價(jià)鐵可溶于水,經(jīng)過濾、洗滌即可除去。該過程的主要反應(yīng)如下:
Fe2O3+Na2SO4+H2S2O4=Na2SO4+2FeSO3+H2O
影響這一反應(yīng)過程的主要因素如下:
(1)酸度的影響
保險(xiǎn)粉還原氧化鐵的反應(yīng)不宜在堿性條件下進(jìn)行。但是漂白反應(yīng)的pH值又不宜太低,否則保險(xiǎn)粉穩(wěn)定性下降,發(fā)生分解反應(yīng)。試驗(yàn)表明,pH=0.8時(shí),在室溫下只要2min,保險(xiǎn)粉就會(huì)分解一半。
(2)溫度的影響
與大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣,保險(xiǎn)份與氧化鐵的反應(yīng)隨溫度升高而加快,但是保險(xiǎn)粉的穩(wěn)定性則隨溫度升高而大大下降。在實(shí)際生產(chǎn)中控制好其它條件,在常溫下漂白也可取得較好效果。
(3)保險(xiǎn)粉用量的影響
理論上,根據(jù)高嶺土中所含氧化鐵量可計(jì)算出保險(xiǎn)粉用最,但實(shí)際用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論用量。
保險(xiǎn)粉用量一般需通過試驗(yàn)來確定。另外,要進(jìn)行除鐵漂白的高嶺土中Fe2O3含量不宜太高(一般低于1%),否則保險(xiǎn)粉用量過多會(huì)導(dǎo)致除鐵成本增大。
(4)其它因素的影響
反應(yīng)時(shí)間對(duì)除鐵效果影響較大,時(shí)間過短達(dá)不到理想白度;時(shí)間過長(zhǎng)浪費(fèi)藥劑,甚至因空氣氧化二價(jià)鐵的重新氧化,同樣導(dǎo)致產(chǎn)品白度下降。一般認(rèn)為,反應(yīng)時(shí)間應(yīng)在40min到2h,反應(yīng)完畢應(yīng)立即洗滌、過濾,否則就會(huì)出現(xiàn)返黃現(xiàn)象,即二價(jià)鐵重新氧化,使高嶺土白度降低;礦漿濃度雖對(duì)漂白本身影響不大,但濃度過高時(shí)礦漿粘度增大,使反應(yīng)難以進(jìn)行,一般礦漿濃度應(yīng)控制在15%以下。
1.2.2 硼氫化鈉還原法
常用的還原劑除了連二亞硫酸鈉外,還有連二亞硫酸鋅,相比之下前者很不穩(wěn)定.后者則穩(wěn)定得多。但是用連二亞硫酸鋅漂白時(shí)會(huì)使廢水中鋅離子濃度過高,對(duì)江河水造成污染。為此,可采用硼氫化鈉還原法。
這種方法實(shí)際上是在漂白過程中通過硼氫化鈉與其它藥劑反應(yīng)生成連二亞硫酸鈉來進(jìn)行漂白。具體過程為:
在pH為7.0~10.0的條件下,將一定量的硼氫化鈉和NaOH與礦漿混合,然后通入SO2氣體。調(diào)節(jié)pH值在6~7,此pH值有利于在礦漿中產(chǎn)生最大量的連二亞硫酸鈉。再用H2SO3或SO2調(diào)節(jié)pH值到2.5~4,此時(shí)即可發(fā)生漂白反應(yīng)。生成連二亞硫酸鈉的反應(yīng)如下:
NaBH4+9NaOH+9SO2=4Na2S2O4+NaBO2+NaHSO3+6H2O
這種方法的本質(zhì)仍是連二亞硫酸鈉起還原漂白作用,但在pH6~7時(shí),生成的大量連二亞硫酸鈉十分穩(wěn)定。
在隨后的pH值降低時(shí),連二亞硫酸鈉與高嶺土礦漿中的氧化鐵立即反應(yīng),得到及時(shí)利用,從而避免了連二亞硫酸鈉的分解損失。
1.2.3 還原絡(luò)合除鐵法
如前所述,高嶺土中的三價(jià)鐵用連二亞硫酸鈉還原成二價(jià)鐵后,如果不立即過濾洗滌,產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)返黃現(xiàn)象。解決這一問題較有效的方法是加絡(luò)合劑,使二價(jià)鐵離子得到絡(luò)合而不再容易被氧化?捎脕韺(duì)鐵進(jìn)行絡(luò)合的藥劑很多,有磷酸、聚乙稀醇、羥胺、羥胺鹽、草酸、聚磷酸鹽、乙二胺醋酸鹽、檸檬酸等。
1.3氧化-還原聯(lián)合除鐵法
有些高嶺土單獨(dú)采用氧化除鐵法或還原除鐵法均不能達(dá)到滿意的效果,這時(shí)就需采用氧化-還原聯(lián)合除鐵法進(jìn)行漂白。該工藝是先用強(qiáng)氧化劑次氯酸鈉和過氧化氫對(duì)高嶺土中的染色有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦等進(jìn)行氧化除去,然后再用連二亞硫酸鈉進(jìn)行還原漂白,使高嶺土中剩余的鐵的氧化物如Fe2O3、FeOOH等被還原成可溶性二價(jià)鐵而除去,使這一類高嶺土得到漂白。
2、結(jié)語(yǔ)
高嶺土的精加工要經(jīng)過提純分級(jí)、剝片、磁選、化學(xué)漂白等一系列工序。由于化學(xué)漂白法的藥劑成本相對(duì)較高,因此在工業(yè)生產(chǎn)中要充分利用前面的幾道工序?qū)Ω邘X土進(jìn)行選礦、除鐵,然后再進(jìn)行化學(xué)漂白,以盡量減少漂白工藝所處理的礦漿量,減少漂白劑用量。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,陶瓷工業(yè)及其它工業(yè)部門對(duì)高嶺土的白度要求越來越高,化學(xué)除鐵漂白法將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。