白泡石提鋁降鉀可行性技術實驗研究

劉海深，羅大芳，許紹彬，王利明

（重慶國際復合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 前言

重慶砂巖資源豐富，主要分為軟質砂巖、硬質石英砂巖、硬質白泡石砂巖3種。其中白泡石砂巖是一種高嶺土膠結石英晶粒的沉積巖，具有一定的力學強度，廣泛應用于建筑、耐火材料、建材等領域［1-3］。

白泡石作為玻璃纖維生產原料，具有儲量大、價格低、易開采、便運輸等優點，是玻纖生產的重要硅鋁原料之一。目前，玻纖生產所用白泡石的鋁元素的質量分數（本文均以氧化物計）約為10%～12%，必須加入一定量高嶺土、葉蠟石或其他高鋁礦物，才能達到玻纖對鋁元素質量分數要求［4，5］，但滿足玻纖生產的優質高嶺土和葉蠟石市場資源一直緊張，尤其是葉蠟石主要分布于東南沿海區域［6，7］。

白泡石中高嶺土質量分數約為20%，其礦物組成與江西、廣西、廣東等地軟質高嶺土礦較為接近，但江西、廣西、廣東等地軟質高嶺土多為疏松沙質礦，部分通過擦洗、搗漿即可使高嶺土、長石、云母礦充分單體解離［8-11］。而重慶地區白泡石礦為高硬度沉積巖，高嶺土同石英、長石等礦物膠結致密，單體解離難度大，需經過磨礦后才能有效單體解離。

開發一種以白泡石為原料，通過分離白泡石中部分石英和云母的方式，富集白泡石中高嶺土，達到提高鋁質量分數降低鉀元素質量分數的目的，得到一種可直接用于玻纖生產的高鋁低鉀粉料，以減少部分高嶺土、葉蠟石使用，對西南片區玻纖生產企業具有較大意義。

本文以永川某白泡石礦為實驗基礎，進行白泡石中高嶺土、長石、石英、云母礦分離實驗及應用可行性研究，詳見后文。

1 實驗部分

1.1 原料

本文選用鋁質量分數約為10.5%，鉀元素質量分數為1.09%，石英顆粒晶粒大小為50～100μm永川某白泡石作為研究對象，進行白泡石礦物分離實驗研究。其化學組成見表1。

表1 永川白泡石化學組成表 （%）

XRF化學成分見表1，XRD分析結果見圖1，數據表明本實驗選取的白泡石鉀元素質量分數較高，鐵元素質量分數較低，硅、鋁組分均在玻纖行業常用指標范圍，XRD半定量分析顯示該永川白泡石中石英質量分數為71.2%，高嶺石為19.7%，云母族礦物為9.1%，本實驗樣品具有研究代表性。

圖1 永川白泡石XRD半定量分析

1.2 設備和儀器

熒光分析儀：Axios-max型，帕納科；

X射線衍射儀：DX-2700型，丹東浩元；

浮選機：XFGCI型，武漢探礦。

1.3 方法

（1）采用帕納科Axios-max型熒光分析儀對樣品進行化學成分分析，測試電壓為60 kV，電流為50 mA。

（2）采用丹東浩元的DX-2700型X射線衍射儀對樣品進行衍射XRD測試，測試條件：銅靶，電壓35 kV， 電流30 mA，步進掃描模式，角度3°～75°，掃描步寬0.02，采樣時間1.5 s。

（3）采用Jade9.0軟件，對樣品XRD數據進行礦物晶相定性及半定量分析。

（4）采用武漢探礦的XFGCI型浮選機進行浮選實驗。

2 結果與討論

2.1 干法磨礦實驗

先將白泡石礦破碎至2 mm全通過，充分混合均勻后，縮分成150 g/袋。在干燥條件下，使用罐磨機分別研磨10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s，將所得樣品進行干法篩分分離，并對篩后產物進行成分分析。

圖2、3分別為不同磨礦時間下120目篩下物化學元素組成、回收率和產率對比圖，圖4為磨礦時間為40 s時，各粒級化學元素組成。

結合圖2、3，可以看出各元素回收率隨磨礦時間呈正比例變化，但磨礦時間達到40 s后，鋁元素質量分數達到最高值18.84%，篩下物產率為39.26%，鋁元素回收率為70.73%，磨礦時間超過40 s后，篩下物鋁元素質量分數呈降低趨勢，分析認為磨礦時間過長后，白泡石中石英顆粒得到充分研磨，進入篩下產物中。從圖4可以看出鋁元素主要富集于120目篩下產物中，60目以上粒級的鋁質量分數接近原礦鋁質量分數為9.54%，說明大于60目的粒級礦物未得到充分研磨，石英與高嶺石分離較少；80～120目產物鋁質量分數為5%左右，說明高嶺石同石英部分單體解離，分析認為部分膠結在石英表面的高嶺石層未有效剝離。此外，從圖4還看出鐵、鈦質量分數變化趨勢同鋁質量分數變化趨勢基本一致，說明鐵、鈦元素主要富集于高嶺石及云母族礦物中，但120目篩下物的鉀質量分數劇增，篩上鉀質量分數較低，說明白泡石中云母族礦物同其石英充分單體解離、并磨碎，這與白泡石礦物組成研究具有一致［3］。

圖2 不同磨礦時間120目篩下物化學組成

圖3 不同磨礦時間120目篩下物回收率

圖4 干法磨礦40秒各粒級化學組成

玻纖生產過程中，硅鋁原料鋁元素質量分數一般控制在16%～20%之間，因此，選擇以鋁質量分數最高的磨礦時間條件為基礎，進行下一步實驗研究。

2.2 干、濕法實驗對比

為進一步了解白泡石可磨性及干法、濕法磨礦環境因素對單體解離度的影響，對白泡石進行濕法磨礦，礦漿溶度為60%，控制磨礦時間為40 s。結果表明，濕法磨礦后，120目篩下物化學成分同干法磨礦結果較為接近，但整體較干法磨礦低，各元素的回收率略高。說明濕法條件下，白泡石更容易得到細粒級粉料，但對礦物的單體解離沒有明顯影響，這與漿液流動性較好，研磨過程中部分細粒級得到充分研磨及濕法篩分有較大關系。

表2 干、濕法磨礦120目篩下物化學組成對比表 （%）

圖5 干、濕法磨礦40秒120目篩下物回收率

2.3 浮選實驗

從上文可知，通過簡單的磨礦和篩分，可以一定程度上分離出白泡石中部分石英，達到富集高嶺石和提高鋁質量分數目的。但篩下產物中鉀元素和鐵元素的質量分數上升較高，無法大量用于玻纖生產，這主要是由于白泡石中云母磨碎后，富集于120目 篩下產物中，且僅通過磨礦和篩分分級，無法使其與高嶺石有效分離。

諸多研究表明，水力旋流器和旋風分離器、高梯度磁選等物理分離方式，很難將粒徑相近的云母、高嶺土有效分離［12，13］。浮選是用于分離云母、長石、高嶺土最常見選礦手段［14，15］。

為研究120目篩下物礦物解離情況，并探究鉀降低的可行性，本文以干法磨礦40 s條件下，所得的120目篩下產物進行浮選實驗研究。采用反浮選工藝，浮選實驗流程見圖6。

圖6 反浮選工藝流程圖

從圖6和表3分析實驗數據得出，磨礦時間40 s 后的篩下產物直接進行反浮選，未見明顯效果，據此推斷該磨礦條件下，篩下物中云母未同高嶺土單體解離度較低，需要進一步磨礦。

表3 120目篩下物直接反浮選實驗結果

表4為120目篩下物再磨后的反浮選結果，從表中數據可以看出，120目篩下物再磨后，反浮選效果明顯，精礦鉀質量分數為0.76%，較原礦降低30.28%，鋁質量分數為17.25%，較原礦高64.44%，篩下物鉀元素去除率為72.19%。此外，發現相比原礦，鐵質量分數、鈦質量分數變化差異明顯，70.62%的鐵元素富集于尾礦中，93.31%的鈦元素富集于高嶺土精礦中，說明大部分鐵元素賦存于云母族等硅酸鹽礦物中，鈦元素則以其他形式存在。

表4 再磨至200目占80%后反浮選實驗結果

實驗證明，通過浮選手段可有效分離白泡石中云母和高嶺土礦物，但由于玻纖生產原料均為干燥粉體，浮選產物需要烘干后才能使用，且產生的酸性廢水再次處理，該工藝成本較高，無法起到降低成本的目的，因此該選礦手段去除白泡石中鉀暫不適用于玻纖行業。

3 結論

（1）通過磨礦手段可以分離部分石英，達到提高富集高嶺土、提高鋁質量分數效果，但磨礦時間超過40 s后，120目篩下產物鋁質量分數開始降低。干法磨礦40 s時，120目篩下物鋁質量分數最高為18.48%，產率為39.26%，元素回收率為70.73%。

（2）干法磨礦和濕法磨礦，120目篩下物鋁質量分數較干法磨礦低，但鋁元素回收率更高為76%，主要是因為漿料流動性較好，細顆粒易磨碎，120目產物中石英質量分數上升。

（3）干法磨礦40s后120目篩下物直接進行浮選效果不佳，將篩下物再磨至200目達到80%后，浮選手段可以有效分離白泡石中云母物質，但該方法不具備經濟效益，暫不適用于玻纖生產。

（4）尋找和開發一種能保持石英顆粒粒徑基本不變情況下，使石英、云母、高嶺石3者有效單體解離的粉碎技術和干法分離云母、高嶺土技術，是白泡石提鋁、降鉀的技術難點和研究方向。