全風(fēng)化花崗巖綜合利用研究

李五中，戴若丁，陳 進(jìn)，柴青平，霍苗苗，劉思彤，宋 雪

(1.惠州交投陽(yáng)光綠色石場(chǎng)有限公司，廣東 惠州 516000；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 鞍山 114000)

花崗巖受強(qiáng)烈的物理、化學(xué)風(fēng)化作用后，會(huì)在母巖上形成一層土體，這類(lèi)物質(zhì)稱(chēng)為全風(fēng)化花崗巖。其主要礦物組成以高嶺石為主的粘土礦物、石英、長(zhǎng)石、云母等。長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力差的礦物，在水和二氧化碳的作用下，其含有的K+、Na+逐漸流失，形成粘土礦物高嶺石[1-3]。

廣東地區(qū)的花崗巖受潮濕溫?zé)岬赜颦h(huán)境影響，風(fēng)化程度很高，形成了厚度很大的全風(fēng)化殘積土層。廣東某地區(qū)石場(chǎng)風(fēng)化花崗巖(全風(fēng)化+半風(fēng)化)排土廢棄物存量巨大，約3 000萬(wàn)m3，這些礦山固體廢棄物一方面占據(jù)大量空間堆積，易造成二次污染，另一方面存在二次綠化復(fù)墾。對(duì)于廣東地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖的研究大多還在對(duì)其物理、化學(xué)指標(biāo)的調(diào)查研究。俞旺新等[4]通過(guò)摻加低配比的煤矸石粉來(lái)提高路填土的強(qiáng)度，改良了路填花崗巖殘積土物理力學(xué)性能。田朋飛等[5]對(duì)沿線花崗巖殘積土的風(fēng)化成因、粒度特征、結(jié)構(gòu)特征、路用性能、填料處治與路基病害等問(wèn)題進(jìn)行了研究。戴航等[6]選取了不同類(lèi)型的花崗巖殘積土，通過(guò)X-射線衍射試驗(yàn)、土工試驗(yàn)以及三軸剪切等相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)比研究了不同類(lèi)型花崗巖殘積土的礦物組成、物理力學(xué)性質(zhì)、固結(jié)壓縮性和抗剪強(qiáng)度特性等。

本文針對(duì)廣州惠東地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖的礦物學(xué)特征，開(kāi)展了高嶺土、石英提純?cè)囼?yàn)研究，獲得的高嶺土和石英滿足陶瓷用的質(zhì)量要求。

1 原礦性質(zhì)分析

1.1 原礦物相組成及化學(xué)性質(zhì)分析

對(duì)全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行化學(xué)成分以及X-射線衍射物相分析(表1、圖1)，原礦含砂量大，鐵含量高。礦物組成主要為石英(44.0%)、高嶺石(31.9%)、長(zhǎng)石(21.1%)以及其他礦物(3.0%)。高嶺石族礦物結(jié)晶程度較低，說(shuō)明長(zhǎng)石未完全風(fēng)化。

圖1 原礦XRD圖譜

表1 全風(fēng)化花崗巖巖化學(xué)成分 (單位：%)

1.2 原礦分級(jí)產(chǎn)物特征

對(duì)原礦的粒度組成及分級(jí)產(chǎn)物化學(xué)成分進(jìn)行了分析(表2)。原礦中細(xì)粒級(jí)產(chǎn)物產(chǎn)率較高，隨著粒度變細(xì)，SiO2含量降低，Al2O3提升，說(shuō)明高嶺石物質(zhì)主要賦存于-0.025mm以下的產(chǎn)物中。對(duì)-0.025mm及+2mm產(chǎn)物做X-射線衍射分析，+2mm產(chǎn)物中SiO2含量為91.41%，說(shuō)明粗粒級(jí)產(chǎn)物中石英含量比較高(圖2)。-0.025mm產(chǎn)物主要物相為高嶺石族，具體為珍珠高嶺土和地開(kāi)石，總含量為90%以上(圖3)。通過(guò)分級(jí)產(chǎn)物的特征分析可知，可以通過(guò)選礦的方式將高嶺土、石英分別提純出來(lái)。

圖3 -0.025mm產(chǎn)物XRD圖譜

表2 原礦粒度組成及化學(xué)成分分析

圖2 +2mm產(chǎn)物XRD圖譜

2 全風(fēng)化花崗巖綜合利用試驗(yàn)

2.1 高嶺土提純?cè)囼?yàn)

2.1.1 高嶺土選礦試驗(yàn)

原礦含砂量大，需要先通過(guò)搗漿除砂除去大部分粗砂。礦漿濃度40%，搗漿時(shí)間40min。通過(guò)搗漿除砂處理后(表3)，SiO2含量由62.96%下降到53.65%，要想繼續(xù)降低SiO2含量，提升Al2O3含量，需要進(jìn)一步分級(jí)。

表3 搗漿除砂試驗(yàn)結(jié)果 (單位：%)

為了進(jìn)一步提純高嶺土，對(duì)搗漿除砂后的溢流產(chǎn)品進(jìn)行水力旋流器分級(jí)試驗(yàn)。對(duì)該礦樣分別使用FX150、FX25和FX15旋流器試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行三段分級(jí)試驗(yàn)。溢流產(chǎn)率及粒度分析如表4、表5所示，礦樣經(jīng)FX150水力旋流器一級(jí)分級(jí)后，溢流實(shí)際產(chǎn)率為25.45%，-38μm粒級(jí)達(dá)到95.45%。一級(jí)溢流產(chǎn)品給入FX25旋流器，進(jìn)行二級(jí)分級(jí)，溢流實(shí)際產(chǎn)率為20.92%，-20μm粒級(jí)達(dá)到93.03%。二級(jí)溢流產(chǎn)品給入FX15旋流器，進(jìn)行三級(jí)分級(jí)，溢流實(shí)際產(chǎn)率為5.83%，-10μm粒級(jí)達(dá)到87.88%。表明經(jīng)FX25、FX15旋流器分級(jí)后，脈石礦物進(jìn)入底流。

表4 水力分級(jí)試驗(yàn)濃度及產(chǎn)率 (單位：%)

表5 溢流粒度分級(jí)結(jié)果

根據(jù)表6化學(xué)成分分析顯示，一級(jí)分級(jí)后，Al2O3含量達(dá)到32.69%，二級(jí)分級(jí)后Al2O3含量提升至33.02%，三級(jí)分級(jí)后Al2O3含量繼續(xù)提升至34.19%。表明經(jīng)過(guò)旋流器分級(jí)后細(xì)粒級(jí)富集，高嶺土在細(xì)粒級(jí)中也相對(duì)富集，K2O含量略有下降。溢流中Fe2O3含量有相應(yīng)的提高，表明鐵含量也隨著高嶺石的富集而富集。其原因是經(jīng)過(guò)FX25，F(xiàn)X15旋流器分級(jí)后有部分長(zhǎng)石進(jìn)入底流。雖然三級(jí)分級(jí)后Al2O3含量有所提升，但是產(chǎn)率比較低，因此后續(xù)除鐵漂白試驗(yàn)礦樣選用FX25溢流產(chǎn)品。

表6 分級(jí)產(chǎn)物化學(xué)成分分析 (單位：%)

2.1.2 高嶺土漂白試驗(yàn)

高嶺土漂白除鐵的原理是使用還原劑將Fe3+還原成二價(jià)鐵鹽，經(jīng)洗滌，過(guò)濾除去[7-9]。高嶺土的漂白試驗(yàn)選用草酸作為穩(wěn)定劑及pH值調(diào)整劑，固液比為1∶6，溫度40℃，還原劑為二氧化硫脲，考察還原劑用量對(duì)除鐵增白效果的影響(表7)。當(dāng)固液比、溫度、草酸用量一定時(shí)，二氧化硫脲用量為4%時(shí)，除鐵效果最好，鐵含量由5.44%降低到1.02%，燒成白度由47.12提升到85.12。

表7 漂白試驗(yàn)條件及結(jié)果

2.2 石英砂提純?cè)囼?yàn)

對(duì)風(fēng)化巖搗漿后的沉砂產(chǎn)物進(jìn)行了篩分以及化學(xué)成分分析(表8)，粗砂中主要成分為石英，伴有少量的長(zhǎng)石及粘土物質(zhì)，可通過(guò)選礦方式將其除去[10]。

表8 沉砂粒度分級(jí)及化學(xué)成分分析 (單位：%)

首先對(duì)+2mm的沉砂產(chǎn)物進(jìn)行粉碎，過(guò)100目篩子，使石英單體解離，對(duì)篩下產(chǎn)品進(jìn)行擦洗處理，除去粘土等附著的礦物。擦洗條件為：轉(zhuǎn)速1 600 r/min，擦洗濃度55%，分散劑為六偏磷酸鈉，濃度為1%。再使用陶瓷球磨對(duì)擦洗后的石英進(jìn)行磨礦，篩分得到0.045～0.154mm石英。分選后的石英砂中SiO2含量為99.01%、Fe2O3含量為0.12%。使用超聲—化學(xué)酸洗法進(jìn)一步除鐵(表9)，在超聲輔助處理下，草酸除鐵效果最好，當(dāng)草酸濃度為1mol/L時(shí)，F(xiàn)e2O3含量由0.12%降低到0.03%，除鐵率達(dá)到75%。石英經(jīng)提純后，粒度在0.045～0.154mm之間，滿足陶瓷用石英的要求。

表9 石英超聲—酸洗除鐵效果

3 結(jié)論

廣東省惠東某地區(qū)存在大量全風(fēng)化花崗巖廢棄物，風(fēng)化巖廢棄物礦物組成為：石英44.0%、長(zhǎng)石21.1%、高嶺石31.9%、其他礦物3.0%。高嶺土主要賦存在-0.025mm細(xì)粒級(jí)礦物中，0.5mm以上粒級(jí)中主要為石英。

原礦經(jīng)過(guò)搗漿除砂—水力旋流器分級(jí)得到產(chǎn)率為20.92%，SiO2含量40.31%、Al2O3含量33.02%的高嶺土精礦，經(jīng)化學(xué)除鐵漂白后，高嶺土中鐵含量由5.44%降低到1.02%，燒成白度由47.12提升到85.12。符合陶瓷用高嶺土標(biāo)準(zhǔn)。

搗漿沉砂中的石英含量較高，沉砂經(jīng)粉碎—篩分—擦洗后石英SiO2含量達(dá)到99.01%，通過(guò)超聲—酸洗處理后鐵含量降至0.03%，粒度在0.045～0.154mm之間，是一種優(yōu)質(zhì)的陶瓷用石英。