對吉林磐石鈣基膨潤土鈉化改型研究

姜 巍

1.吉林省第一地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長春 130033；2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130061

我國膨潤土的儲量居世界首位，占世界總量的60%。據(jù)中國非金屬礦信息網(wǎng)資料顯示：中國膨潤土礦資源非常豐富，猜測資源量在70 億噸以上。其中，鈉基膨潤土具有很好的膨潤性和陽離子交換性，已被廣泛地應(yīng)用于冶金、機械、石油、化工和環(huán)境保護等眾多領(lǐng)域，而且還是生產(chǎn)許多膨潤土深加工產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料。但是，我國天然產(chǎn)出的鈉基膨潤土卻很少，絕大多數(shù)為鈣基膨潤土，世界上也日趨枯竭。利用資源豐富的鈣基膨潤土, 用改性膨潤土（以下簡稱改型鈉土） 代替天然優(yōu)質(zhì)鈉土具有重大意義。國內(nèi)外采用多種改性或鈉化方法, 一些成本偏高,一些工藝復(fù)雜, 使用范圍受到限制, 所以對鈣基土的鈉化改型的方法研究很有必要。

1 實驗

1.1 原材料組成與物化性能

本次實驗所用膨潤土是我所的膨潤土原礦。該膨潤土原礦品位中等, 對天然膨潤土進行了x 射線衍射分析, 結(jié)果表明, 礦石礦物主要成分為蒙脫石,其次為少量的長石和石英等。Ca2＋、Mg2＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)比Na＋、K＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)高很多。由X 射線衍射圖得知, 蒙脫石（001） 面的d 值為1 154 921 nm , 屬較典型的鈣基膨潤土（圖1）。

鈉化劑的選取大多是采用較常見的鈉鹽,如Na2CO3,NaCl,六偏磷酸鈉和NaOH,還有焦磷酸鈉和多聚磷酸鈉等。山東理工大學(xué)的潘嘉芬認(rèn)為,Na2CO3,NaCl 和六偏磷酸鈉3 種改性劑均能不同程度地提高膨潤土的膨脹容和膨潤值。其中,NaCl的改性效果較碳酸鈉稍差,但氯化鈉價格低、產(chǎn)品沉降速度比碳酸鈉改性的膨潤土稍快,因此更適用于作污染物的吸附劑使用。六偏磷酸鈉改性后,產(chǎn)品沉降速度非常慢,影響后續(xù)產(chǎn)品的過濾脫水操作過程,因此不宜采用。

1.2 鈉化方法及流程

鈣膨潤土鈉化的化學(xué)反應(yīng)是一個鹽基交換反應(yīng)。一般在水的存在下交換反應(yīng)比在干燥環(huán)境中好。由于水化作用而形成了一個隔水膜, 包裹著顆粒內(nèi)部未鈉化的鈣土, 如果這一層水化膜不能及時剝離掉,就會影響里層的鈉化。導(dǎo)致“夾生”現(xiàn)象和大量未反應(yīng)的游離碳酸鈉存在, 二者對產(chǎn)品質(zhì)量

圖1 天然樣品x射線衍射Fig.1 Natural X ray diffraction

和泥漿性能都有不利的影響。因此, 鈉化反應(yīng)是否能夠完全,關(guān)鍵在于鈉化方法和條件, 也就是所用的改性設(shè)備和工藝本次實驗采用的鈉化方法為半干法往膨潤土干料中加入溶解的鈉鹽, 借助外加的高能量機械力的擠壓, 將Na＋強制引入蒙脫石層間。鈉化改性劑主要是碳酸鈉。也可以用焦磷酸鈉、氫氧化鈉、醋酸鈉、草酸鈉、氯化鈉、氟化鈉等, 但這些鈉鹽, 有的價格太貴, 有的效果不好。本次實驗鈉化劑分別采用碳酸鈉（Na2CO3） 、氯化鈉（NaCl）。

2 實驗結(jié)果與結(jié)論

羅太安等在廣豐膨潤土鈉化改型研究中,趙兵在鈉基膨潤土的制備中分別用懸浮法采用NaC1 進行了鈉化改型研究, 效果不錯, 我們采用了Na2CO3、NaCl 進行鈉化處理。

表2 氯化鈉改性膨脹容測試結(jié)果Table 2 Test results of sodium chloride modified swelling capacity

改性劑： 氯化鈉、碳酸鈉；

改性劑用量： 土∶鹽=100：1；100 ∶2；100∶3。

含水量： 土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%～35%。

操作： 常溫，將鈉鹽溶于定量水中之后與土混合，擠壓至均勻，密封不同時間，90～100 ℃條件下干燥，粉碎。

2.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2、表3、表4。

3 熱分析結(jié)論

0 原土在90～150 ℃之間有兩個吸熱峰，是蒙脫石脫出層間水的吸熱效應(yīng)，屬于典型的鈣基土，伴隨失重。

表3 碳酸鈉改性膨脹容測試結(jié)果Table 3 Test results of sodium carbonate modified swelling capacity

表4 碳酸鈉改性膠質(zhì)價測試結(jié)果Table 4 Test results of sodium carbonate modified colloid valency

1-1 和2-1 在100 ℃左右的吸熱峰為脫層間水所致，伴隨失重，第二個吸熱峰已經(jīng)明顯減小，說明，鈣基土的特征已經(jīng)不顯著，鈉化有效果。

1-2、1-3、2-2、2-3 樣品在100 ℃左右僅有一個脫水吸熱峰，無鈣基土特征，實現(xiàn)了鈉化改性。

常溫空氣中存放含水率12%～16%左右。

結(jié)果表明：改性劑采用碳酸鈉效果明顯優(yōu)于氯化鈉；1%～2%的碳酸鈉陳化40 h 就可以獲得性能滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的鈉基土。

1%與2%等量混合樣品的膨脹容為24.50 mL/g。水分8.7%。膠質(zhì)價大于100 mL/15g。

4 結(jié)論

（1） 我所膨潤土原礦品位中等（蒙托石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.68%） , 為典型的鈣基膨潤土； 我所批量鈉化土產(chǎn)品達到工業(yè)生產(chǎn)要求,但我所希望提高生產(chǎn)效率。（2） Na2CO3的改型效果是最好的。Na2CO3添加量為3%時, 膨脹容和膠質(zhì)價最高, 達到了工業(yè)要求。隨著NaCl 加入量增加, 膨脹容、膠質(zhì)價都不同程度的有所降低, 均沒有達到工業(yè)要求。

（3） 陳化時間控制在88 h。

（4） 采用濕樣法和干樣法改土都達到工業(yè)要求, 但干樣法改型不徹底, 改土屬于鈉鈣基膨潤土。

（5） 該實驗效果已經(jīng)達到了工業(yè)要求, 改善了原礦的各項指標(biāo), 并且為我所膨潤土礦生產(chǎn)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。

[1] 張 敏, 劉 濤, 張一敏. 低品位鈣基膨潤土改型研究[J].礦產(chǎn)綜合利用， 2005（,1）.