某低品位硅藻土物理提純研究

崔志強，楊奇麗

(遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，阜新 123000)

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某低品位硅藻土物理提純研究

崔志強，楊奇麗

(遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，阜新 123000)

對某低品位硅藻土原礦，根據礦物組成、微觀形貌分析及粒度分布，采用"擦洗-小錐角水力旋流器分級-強磁選"工藝提純了硅藻土原礦。結果表明，以NaOH調節pH為10、六偏磷酸鈉為分散劑，礦漿濃度15%、六偏磷酸鈉濃度3.0%時，經強力混漿40 min，可實現蒙脫石、云母、石英等礦物與硅藻土顆粒的充分解離；采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小錐角水力旋流器串聯“拋細截粗”分級可得φ50-D、φ10-D混合硅藻土粗精礦；經“一粗一掃”強磁選(磁場強度1.1 T)可得硅藻土精礦，并達到工業用助濾劑二級產品標準。

硅藻土； 提純； 小錐角水力旋流器

1 引 言

硅藻土是以硅藻遺骸沉積生成的硅質型生物沉積巖[1]，其主要成分為非晶質SiO2。硅藻土具有管孔狀結構、較大的比表面積及良好的熱穩定性使其廣泛作為工業催化劑載體、過濾劑、漂白劑、吸附劑、硅藻壁材、填料等。我國優質的硅藻土資源很少，天然的硅藻土通常與粘土礦物(如蒙脫石)、碎屑礦物(長石、石英)等共存，為提高硅藻土的品位，采用物理或化學選礦技術綜合利用低品位硅藻土資源是當前中國硅藻土產業可持續發展的必然需要[2]。

硅藻土的選礦常采用干法或濕法分級、重力沉降、磁選、擦洗、酸浸、焙燒、超聲波清洗分離或離心旋流-選擇性絮凝等方法，提高硅藻的孔隙率[3]，也有學者以用十二胺為捕收劑用浮選法分離硅藻土、鈉長石及石英[4]；對硅藻土等級采用SiO2含量表征，同時Fe2O3、Al2O3含量越低，硅藻土等級越高，此外電子顯微鏡下硅藻破損率可輔助表征硅藻土等級[5]。

2 硅藻土原礦工藝礦物學分析

2.1 硅藻土原礦化學成分分析

硅藻土原礦為淡黃色土狀結合體，將硅藻土原礦在105 ℃下烘干至衡重后，對其化學成分分析如下：SiO2，65.14%；Al2O3，15.18%；Fe2O3，7.26%；CaO，0.34%；MgO，0.68%；K2O，2.12%；Na2O，0.35%；TiO2，0.87%；燒失量，7.19%。由硅藻土原礦化學成分及含量可知，其主要化學成分為SiO2，但Al2O3含量高達15.18%，表明硅藻土原礦中粘土類礦物較高；K2O含量高于Na2O含量，表明硅藻土原礦中可能存在長石、云母類礦物；Fe2O3、TiO2含量較高，為有害成分需要脫除；CaO、MgO基本達到工業產品要求。

2.2 硅藻土原礦物相及微觀形貌分析

采用島津6100型X射線衍射儀(測試條件：電流，30 mA；靶型，Cu靶；起始角，5°；終止角，65°；掃描速度，10 °/min；步長，0.04°)，其XRD圖譜見圖1。

圖1 硅藻土原礦XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of raw diatomite

圖2 硅藻土原礦掃描電鏡圖片Fig.2 SEM patterns of raw diatomite

由圖1知，硅藻土原礦中除非晶質SiO2外，含有蒙脫石、云母、石英等非金屬礦礦物，該部分伴生礦物可能堵塞硅藻土的原始孔道，阻礙硅藻土多孔、過濾的應用性能；此外，還有磁鐵礦、鈦磁鐵礦類金屬礦物，該部分伴生礦物的存在，膠結于硅藻土顆粒間或孔道內，同樣影響硅藻土性能。

采用JSM-6700F型掃描電鏡觀察硅藻土微觀形貌及成形硅藻的粒度，見圖2。由圖2可知，硅藻土原礦中硅藻顆粒為圓盤狀、圓篩狀；完整圓篩狀硅藻、高度20～50 μm，部分硅藻顆粒之間和顆粒內部孔徑通道被粘土類礦物粘附、膠結或填充；圓盤狀硅藻土顆粒多半伴有破損部分，顆粒直徑約20～60 μm。

由上述分析可知，硅藻土中膠結的蒙脫石、云母及含鐵鈦類雜質是影響硅藻土品位的主要因素；使蒙脫石、云母等雜質與硅藻土顆粒解離并經物理、化學選礦分離是提純硅藻土品位的有效途徑。

3 硅藻土物理提純

對硅藻土的物理選礦提純可采用采用分散-擦洗-分選工藝。粘土類礦物(如蒙脫石)在水介質中通?？煞稚⒅?10 μm；經篩分試驗知云母類礦物主導粒級為45～200 μm，該粒級中還含有部分晶質石英；硅藻土顆粒的主導粒級為20～50 μm，因此將雜質礦物與硅藻土顆粒充分解離，采用“拋細截粗”工藝并結合強磁選方法可實現硅藻土的物理提純。有學者[3]研究了硅藻土選礦中焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、水玻璃等分散劑對粘土礦物的分散作用，結果表明焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉對硅藻土選礦效果的影響優于水玻璃；且硅藻土選礦效果與礦漿pH值有一定關系。對試驗樣硅藻土以NaOH為pH值調整劑、六偏磷酸鈉為分散劑，采用強力混漿擦洗-小錐角水力旋流器分級工藝對硅藻土原礦進行分級提純，并采用CGS濕式感應強磁選機(磁場調節范圍0～1.3 T)脫除強、弱磁性雜質礦物。

3.1 硅藻土的擦洗與分級

取一定量的硅藻土，調節硅藻土擦洗礦漿質量濃度15%，經2 mm方孔篩脫除植物殘屑；經強力混漿設備混漿一定時間，攪拌轉速600 r/min，采用BT-9300型激光粒度分析儀測定礦漿中-10 μm含量與+45 μm含量，得擦洗時間對硅藻土礦漿-10 μm含量、+45 μm含量變化曲線，見圖3。

圖3中，隨擦洗時間延長，硅藻土礦漿中-10 μm含量呈增加趨勢，擦洗20 min前-10 μm含量增幅較大、擦洗時間20 min后-10 μm含量增幅較小且其含量基本穩定，表明可分散的粘土礦物已充分分散；礦漿中+45 μm含量呈減少趨勢，其減小幅度隨擦洗時間延長而減小，其含量減小至20%左右并趨于穩定。由此可見，擦洗時間為40 min時，硅藻土礦漿中粘土類極細粒礦物和云母、石英類粗粒級礦物可充分分散。

圖3 擦洗時間與礦漿中-10 μm與+45 μm含量變化Fig.3 Content change of -10 μm and +45 μm under different time

圖4 六偏磷酸鈉用量與礦漿中-10 μm與+45 μm 含量變化Fig.4 Content change of -10 μm and +45 μm under different (NaPO3)6 dosage

用NaOH調節硅藻土礦漿pH為10，加入一定質量濃度10%的六偏磷酸鈉溶液，擦洗時間為40 min，采用BT-9300型激光粒度分析儀測定礦漿中-10 μm含量、+45 μm含量，可得不同濃度六偏磷酸鈉對硅藻土礦漿分散性的影響，見圖4。

圖4中，隨六偏磷酸鈉的用量增加，硅藻土礦漿中-10 μm含量逐漸增加、+45 μm含量逐漸減少。其中-10 μm含量增幅較大，可能由于硅藻土孔道內主要為粘土類礦物(蒙脫石)，在分散劑六偏磷酸鈉作用下更易充分分散；+45 μm含量減幅較小，可能由于膠結與硅藻土顆粒間或附著于硅藻土側壁的云母、晶型石英在擦洗和較低濃度分散劑作用下已實現分散、脫附。其中當六偏磷酸鈉用量為3.0%時，硅藻土礦漿中-10 μm含量逐漸增加、+45 μm含量基本趨于穩定，表明吸附、膠結于硅藻土側壁或孔道的雜質礦物達到分散平衡。

對擦洗后的硅藻土礦漿，采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小錐角水力旋流器分別在0.20 MPa、0.35 MPa、0.70 MPa壓力下分級提純[7]，根據各級旋流器分級粒度不同，采用圖5工藝可得φ75 mm小錐角水力旋流器底流(φ75-D)、φ50 mm、φ10 mm小錐角水力旋流器混合底流(φ50-D、φ10-D)及φ10 mm小錐角水力旋流器溢流(φ10-Y)。

圖5 硅藻土分級提純工藝流程Fig.5 Purification process of diatomite

取小錐角水力旋流器底流、溢流礦漿，于105 ℃烘干至衡重，稱重、計算產率；并取各級產品，測定主要化學成分及含量，結果見表1。

由表1知，通過“拋細截粗”工藝，經小錐角水力旋流器分級提純，φ75-D、φ10-Y中Al2O3含量高于硅藻土原礦，表明粘土類礦物云母及晶質石英在該分級產品中富集；φ75-D中Fe2O3、TiO2和K2O含量較高，結合粒度差異表明其主要礦物為云母、部分磁鐵礦、鈦磁鐵礦及晶質石英；φ10-Y中CaO、Na2O含量較高，表明其主要礦物可能為蒙脫石類礦物，且其SiO2含量偏高，表明φ10-Y中含有石英或硅藻土顆粒碎屑；φ50-D、φ10-D中SiO2含量顯著升高，Al2O3含量下降，結合小錐角水力旋流器分級粒度差異表明其中主要礦物為硅藻土粗精礦顆粒，但仍含有部分Al2O3及一定量的Fe2O3、TiO2，需進一步脫除，其他指標均達到硅藻土助濾劑三級以上標準。

表1 分級提純各級產品產率、化學成分及含量Tab.1 Yield, chemical composition and content of purification products

3.2 硅藻土的強磁選

對小錐角水力旋流器分級提純的硅藻土粗精礦，采用CGS濕式感應強磁選機，根據“一粗一掃”工藝進行強磁選脫除含鐵、鈦類礦物，其中粗選、掃選的磁場強度相同。硅藻土粗精礦礦漿質量濃度15%、調節勵磁電流及磁場強度，可得強磁選尾礦；并對除雜后的硅藻土進行主要化學成分分析，見表2。

表2 不同磁場強度下硅藻土化學成分及含量Tab.2 Chemical composition and content of diatomite under different magnetic intensity

圖6 提純硅藻土掃描電鏡圖片Fig.6 SEM patterns of purified diatomite

由表2知，隨磁場強度增加，除雜后的硅藻土中SiO2含量增加，Al2O3、Fe2O3及TiO2含量降低；磁場強度由0.2 T到0.5 T時，Fe2O3和TiO2含量顯著降低，表明在中、低磁場強度下強磁性礦物磁鐵礦、鈦磁鐵礦可充分脫除；磁場強度由0.5 T到1.1 T時，Al2O3、Fe2O3及TiO2含量進一步降低，但降低幅度較小，繼續增加磁場強度，三者含量基本不變，表明磁場強度1.1T時含鐵類弱磁選礦物(蒙脫石、云母等)可進一步脫除。經物理提純的硅藻土掃描電鏡，見圖6。

圖6中，經物理提純后硅藻土的孔道大部分被疏通，其孔道直徑小于0.5 μm，且硅藻土顆粒粒度減小。

該低品位硅藻土原礦經物理提純后硅藻土精礦可達工業用助濾劑二級產品，若對該硅藻土精礦采用焙燒-酸浸工藝進一步降低Al2O3、Fe2O3含量，有望達到工業用助濾劑二級產品或食品、醫藥用硅藻土產品。

4 結 論

對某低品位硅藻土，在礦漿濃度15%，以NaOH調節pH值為10、六偏磷酸鈉為分散劑，分散劑濃度3.5%，經強力混漿40 min，可實現蒙脫石、云母、晶型石英與硅藻土顆粒的充分分散；采用φ75 mm、φ50 mm、φ10 mm小錐角水力旋流器串聯“拋細截粗”，經分級可得φ50-D、φ10-D混合硅藻土粗精礦；磁場強度1.1 T時，經“一粗一掃”強磁選可得硅藻土精礦，提純后硅藻土粗精礦孔道大部分被疏通，其孔道直徑小于0.5 μm達到工業用助濾劑二級產品。

[1] 張鳳君.硅藻土加工與利用[M]．北京：化學工業出版社，2006：1-3．

[2] 鄭水林,孫志明，胡志波，等．中國硅藻土資源及加工利用現狀與發展趨勢[J]．地學前緣，2014，21(5)：274-280．

[3] 孫志明.硅藻土選礦及硅藻功能材料的制備與性能研究[D]．北京：中國礦業大學(北京)學位論文，2014．

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[5] 楊小平，孫志明，毛 俊，等．離心選礦機提純硅藻土的中試研究[J]．中國礦業，2013，2(10)：91-95．

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Physical Purification of Low Grade Diatomite

CUIZhi-qiang,YANGQi-li

(College of Environmental Sciences and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Taking low grade raw diatomite from Liaoning province as research mineral, according to the mineral composition, microstructure analysis and particle size distribution, the raw diatomite could be purified through the process of scrubbing, small angle hydrocyclone classification and high intensity magnetic separation. The results show that with sodium hydroxide to adjust pH 10, sodium hexametaphosphate as dispersant, the diatomite slurry concentration as 15%, and the dispersant concentration as 3.0 %, after 40 min intensive mixing, the diatomite particles can be dissociated from montmorillonite, mica, quartz and other minerals. Usingφ75 mm,φ50 mm,φ10 mm small angle hydrocyclone series connection, removing fine fraction and retaining large particles, the diatomite coarse concentrates fromφ50 mm andφ10 mm small angle hydrocyclone underflow mixture can be available. Through one rough and one scavenging high intensity magnetic separation ( the magnetic field intensity 1.1 T ), the diatomite concentrates can be obtained, and the diatomite grade is suitable to industrial filter aid secondary product.

diatomite;purification;small angle hydrocyclonen

國家自然科學基金(41501217)

崔志強(1994-),男.主要從事土壤成分分析與礦產資源綜合利用研究.

TD97

A

1001-1625(2016)08-2642-05