陶瓷原料的化學(xué)除鐵探討*

陳 璐

(朔州陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 懷仁 038000)

在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中,應(yīng)用到的原料里通常都含有一些雜質(zhì),而在陶瓷原料雜質(zhì)中,鐵質(zhì)礦物是最常見(jiàn)的一種雜質(zhì)類(lèi)型,如果此類(lèi)雜質(zhì)得不到有效去除,會(huì)對(duì)陶瓷制品的品質(zhì)產(chǎn)生很大程度的不良影響。基于此,相關(guān)單位與工作人員一定要明確陶瓷原料里的主要鐵礦物質(zhì),結(jié)合實(shí)際情況,采取合理的措施進(jìn)行化學(xué)除鐵,進(jìn)一步確保陶瓷原料的品質(zhì)及其制品的質(zhì)量。

1 陶瓷原料中的主要鐵質(zhì)礦物

就目前的陶瓷原料來(lái)看,其中的主要鐵質(zhì)礦物包括菱鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、赤鐵礦以及黃鐵礦。不同鐵礦的物理性質(zhì)及其化學(xué)組成都存在較大差異。以下是對(duì)陶瓷原料中的幾種主要鐵質(zhì)礦物所進(jìn)行的分析。

1.1 各種主要鐵質(zhì)礦物物理性質(zhì)

對(duì)于陶瓷原料中主要的幾種鐵質(zhì)礦物,其物理性質(zhì)如下:

(1)菱鐵礦呈灰色、黃褐色或淺褐色,氧化后會(huì)呈現(xiàn)出深褐色,具有玻璃光澤。

(2)褐鐵礦呈暗褐色、黃褐色或深褐色,不透明,具有弱磁性或中磁性。

(3)磁鐵礦呈鐵黑色或條痕黑色,具有半金屬光澤,且磁性比較強(qiáng)。

(4)鈦鐵礦呈黑色、條痕鋼灰色、鋼灰色或鈦黑色,若其中存在褐鐵礦,則會(huì)呈現(xiàn)出紅褐色或褐色,具有半金屬光澤,磁性較弱。

(5)赤鐵礦呈鐵黑色或鋼灰色,常帶有淺藍(lán)錆色,其粉末或隱品質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)出鮮紅色或暗紅色,具有半金屬或金屬光澤,不存在解理。

(6)黃鐵礦呈黃銅色,其礦物表面會(huì)呈現(xiàn)出黃褐色錆色,具有金屬光澤,不存在解理。另外,不同鐵質(zhì)礦物的密度及其硬度也存在較大差別[1]。表1為陶瓷原料中幾種主要鐵質(zhì)礦物密度和硬度情況。

表1 陶瓷原料中幾種主要鐵質(zhì)礦物密度和硬度情況

1.2 各種主要鐵質(zhì)礦物化學(xué)組成

陶瓷原料中主要的幾種鐵質(zhì)礦物化學(xué)組成如下:

(1)菱鐵礦主要成分是FeCO3,其中的主要化學(xué)組分包括FeO 和CO2,同時(shí)也存在一些Mn、Mg等的雜質(zhì)。

(2)褐鐵礦是多種鐵的氫氧化物共同組成的一種混合物,其中的主要化學(xué)組分包括HFeO2(針鐵礦)、HFeO2·n H2O(水 針 鐵 礦)、FeOOH(纖 鐵 礦)、FeOOH·n H2O(水纖鐵礦),同時(shí)也存在一些二氧化錳、氧化錳以及黏土等雜質(zhì)。

(3)磁鐵礦主要成分是FeFe2O4,其中的主要化學(xué)組分包括FeO 以及Fe2O3。

(4)鈦鐵礦主要成分是Fe TiO3,其中的主要化學(xué)組分包括Fe、Ti以及O;其化學(xué)組分中的Fe2+和Mg2+或與Mn2+所形成的體系可完全達(dá)到類(lèi)質(zhì)相同的效果,如果FeO 的含量最高,就將此類(lèi)鐵質(zhì)礦物叫做鈦鐵礦。

(5)赤鐵礦主要成分是Fe2O3,其中的主要化學(xué)組分包括Fe和O,同時(shí)也存在一些Mg、Ca、Fe2+、Mn、Ti、Al2O3以及SiO2等雜質(zhì)。

(6)黃鐵礦主要成分是FeS2,其中的主要化學(xué)組分包括Fe和S,同時(shí)也存在一些Ni、Co、Ag、Au、Cu以及Sb等雜質(zhì)。而在不同的鐵質(zhì)礦物中,主要化學(xué)組分的質(zhì)量占比也各有不同。陶瓷原料中幾種主要鐵質(zhì)礦物化學(xué)組分占比情況如表2所示。

表2 陶瓷原料中幾種主要鐵質(zhì)礦物化學(xué)組分占比情況

2 陶瓷原料傳統(tǒng)除鐵方法及其局限性

對(duì)于陶瓷原料中含有的鐵質(zhì)礦物,傳統(tǒng)處理主要采用磁選法或超聲法進(jìn)行分離處理。其中,磁選法的主要原理是對(duì)不同鐵質(zhì)礦物的不同磁性條件加以利用,借助于磁場(chǎng)中的磁力作用將磁性較強(qiáng)的鐵質(zhì)礦物從陶瓷原料中去除,但是對(duì)于磁性不夠強(qiáng)的鐵質(zhì)礦物,此種方法則達(dá)不到理想的去除效果。超聲波法的主要原理是讓陶瓷原料與水溶液在超聲波的作用下高頻振動(dòng),并在高頻振動(dòng)下相互摩擦和碰撞,從而使陶瓷原料表面上附著的氧化鐵以及氫氧化鐵等薄膜被剝落脫出,以此來(lái)達(dá)到相應(yīng)的除鐵效果[2]。

上述方法雖然可以將陶瓷原料中的一部分鐵質(zhì)礦物去除,但是對(duì)于染浮在陶瓷原料顆粒上的顆粒狀鐵質(zhì)礦物,傳統(tǒng)的除鐵方法卻并不能將其有效去除。在這樣的情況下,陶瓷原料中依然會(huì)含有較多的鐵質(zhì)礦物,若不通過(guò)其他方法做出進(jìn)一步的除鐵處理,生產(chǎn)出的陶瓷制品質(zhì)量必將會(huì)受到一定程度的不良影響。基于此,化學(xué)除鐵法開(kāi)始受到了相關(guān)企業(yè)與研究者的高度重視,并在實(shí)際的陶瓷原料除鐵處理中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

3 陶瓷原料化學(xué)除鐵方法分析

3.1 升華法與溶解法

就目前的陶瓷原料精選來(lái)看,應(yīng)用在其中的化學(xué)除鐵方法主要有兩種:其一是升華法,其二是溶解法。這兩種化學(xué)除鐵方法的主要應(yīng)用目的都是將陶瓷原料里含量較低,且難以通過(guò)顆粒的形式被分離出的鐵質(zhì)礦物去除。其中,升華法的主要應(yīng)用原理是讓陶瓷原料中含有的氧化鐵在高溫條件下與氯氣發(fā)生反應(yīng),從而形成氯化鐵等可溶性、揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì),這樣便可將陶瓷原料中的鐵質(zhì)礦物有效去除。但是由于氯氣屬于有毒化學(xué)物,使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的安全隱患,所以此種方法在目前的陶瓷原料化學(xué)除鐵工藝中已經(jīng)很少使用。溶解法的主要應(yīng)用原理是采用酸或其他反應(yīng)劑來(lái)處理陶瓷原料,使其中的鐵質(zhì)礦物與反應(yīng)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而形成可溶性的鹽,再通過(guò)水沖洗的方式將其去除,以此來(lái)有效去除陶瓷原料中的鐵質(zhì)礦物。因此溶解除鐵方法具有簡(jiǎn)單、易操作和成本低等諸多優(yōu)勢(shì),所以在當(dāng)前的陶瓷原料除鐵工藝中,溶解法已經(jīng)成為了一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的化學(xué)除鐵方法。

3.2 主要的溶解法反應(yīng)

在當(dāng)今的陶瓷生產(chǎn)工藝中,溶解法是最為關(guān)鍵的一種化學(xué)除鐵方法,該方法在陶瓷原料的精選處理中發(fā)揮著不可或缺的作用。就目前的陶瓷原料溶解法除鐵而言,其主要的反應(yīng)類(lèi)型有三種,其一是酸處理法,其二是氧化處理法,其三是還原處理法[3]。以下是筆者對(duì)當(dāng)前陶瓷原料精選中的三種主要溶解除鐵方法所進(jìn)行的分析。

3.2.1 酸處理法

該方法的主要作用是將陶瓷原料中含有的石英中氧化鐵、長(zhǎng)石以及碳酸鐵綠泥石溶解。具體除鐵處理中,常用的反應(yīng)劑包括鹽酸和硫酸兩種,為加快處理速度,可將反應(yīng)條件設(shè)定為加熱。比如,在碳酸鐵去除中,其化學(xué)反應(yīng)式如下:

3.2.2 氧化處理法

該方法的主要作用是對(duì)陶瓷原料中的硫化鐵和有機(jī)物進(jìn)行分解。具體處理中,常用的反應(yīng)劑包括過(guò)氧化氫和次氯酸鈉兩種,為確保陶瓷原料的除鐵效果,可將反應(yīng)中的溶液p H 值控制在2～3。比如,在將次氯酸鈉作為反應(yīng)劑,去除陶瓷原料中的硫化鐵雜質(zhì)時(shí),其化學(xué)反應(yīng)式如下:

3.2.3 還原處理法

該方法的主要作用是將陶瓷原料黏土顆粒表面上吸附的氧化鐵去除。具體反應(yīng)中,常用的反應(yīng)劑包括連二亞硫酸鹽、亞硫酸鈉和二氧化硫三種,為確保陶瓷原料的除鐵效果,防止還原劑被分解,可將反應(yīng)中的溶液p H 值控制在2.5以上。比如,在將連二亞硫酸鈉作為反應(yīng)劑,去除陶瓷原料黏土表面附著的褐鐵礦時(shí),其化學(xué)反應(yīng)式如下:

在上述方法的具體應(yīng)用中,陶瓷生產(chǎn)企業(yè)也可以根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求,選擇合理的化學(xué)溶解法來(lái)去除陶瓷原料中的鐵質(zhì)礦物。比如,在陶瓷原料具有較高純度要求的情況下,可通過(guò)酸處理法進(jìn)行處理;而在陶瓷原料純度要求一般的情況下,則可以通過(guò)氧化處理以及還原處理法來(lái)進(jìn)行處理。這樣便可讓化學(xué)除鐵工藝在陶瓷原料的除鐵處理中發(fā)揮出充分的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),滿足陶瓷生產(chǎn)工藝中對(duì)于原料純度和產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)際需求。

3.3 主要注意事項(xiàng)

在通過(guò)化學(xué)溶解法進(jìn)行陶瓷原料除鐵的過(guò)程中,為進(jìn)一步確保除鐵效果,提升陶瓷原料質(zhì)量,生產(chǎn)企業(yè)與工作人員應(yīng)注意以下幾方面:①酸解法除鐵時(shí),一定要根據(jù)實(shí)際情況控制好酸濃度,以免酸濃度過(guò)低導(dǎo)致的除鐵效率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題;以及酸濃度過(guò)高所導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕、成本浪費(fèi)等問(wèn)題。②酸解法除鐵時(shí),酸液溫度也會(huì)直接影響到陶瓷原料的除鐵效果,因此,當(dāng)酸濃度保持一定時(shí),為進(jìn)一步提升化學(xué)除鐵的反應(yīng)速度,便可根據(jù)實(shí)際情況,適當(dāng)提升酸液溫度,從而獲得更好的除鐵效果。③在具體的化學(xué)除鐵中,通常會(huì)伴隨著大量酸性廢液產(chǎn)生,如果這些酸性廢液處理不當(dāng),便會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成很大程度的不利影響,基于此,相關(guān)單位一定要對(duì)酸性廢液進(jìn)行良好處理。為達(dá)到這一目標(biāo),可將循環(huán)水池建立在化學(xué)除鐵工藝終端,將石灰石等堿性礦物質(zhì)設(shè)置在循環(huán)水池中,以此來(lái)有效中和化學(xué)除鐵的酸性廢液,并嚴(yán)格做好中和之后的污水檢測(cè)工作,在確定其p H 值達(dá)標(biāo)之后才可以將其排放或循環(huán)利用。

3.4 除鐵質(zhì)量提升措施

經(jīng)上述分析可知,相比較傳統(tǒng)的物理除鐵技術(shù)而言,化學(xué)除鐵技術(shù)在陶瓷原料精選中具有更加突出的工藝優(yōu)勢(shì)。但是在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展中,陶瓷制造企業(yè)對(duì)于陶瓷原料的要求也越來(lái)越高。在這樣的情況下,為了讓陶瓷原料得到更好的除鐵處理效果,滿足其實(shí)際應(yīng)用需求,相關(guān)單位與研究者就需要深入研究其除鐵質(zhì)量的提升策略。比如,可將一些新工藝、新技術(shù)與新材料等引入陶瓷原料的化學(xué)除鐵工藝中,以此來(lái)提升其除鐵質(zhì)量。同時(shí)也可以將傳統(tǒng)的物理除鐵技術(shù)和現(xiàn)在的化學(xué)除鐵技術(shù)加以聯(lián)合應(yīng)用,以此來(lái)進(jìn)一步提升陶瓷原料的除鐵效率及其除鐵質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,陶瓷在現(xiàn)代市場(chǎng)中具有很高的需求量。而在陶瓷制品的生產(chǎn)過(guò)程中,原料除鐵工藝是一項(xiàng)需要重點(diǎn)關(guān)注的工藝技術(shù)。為獲得理想化的除鐵效果,化學(xué)除鐵工藝已經(jīng)在現(xiàn)代的陶瓷原料精選中得到了廣泛應(yīng)用,并發(fā)揮出了十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。基于此,陶瓷生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)研究者一定要加強(qiáng)此項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用研究,根據(jù)實(shí)際情況,結(jié)合陶瓷原料的實(shí)際應(yīng)用需求,采取合理的工藝措施來(lái)進(jìn)行化學(xué)除鐵處理,并在此基礎(chǔ)上不斷提升其除鐵質(zhì)量,使陶瓷原料的純度得到良好保障,充分滿足陶瓷制品的實(shí)際生產(chǎn)制造需求,促進(jìn)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在當(dāng)今時(shí)代的良好經(jīng)營(yíng)與發(fā)展。