资源型矿物简介、高岭土

十二、高岭土东北大学矿物材料与粉体技术研究中心高鹏第三章、非金属矿物分述12.1、高岭土基本特征高岭土：又称为“高岭石粘土”，俗称为“瓷土”。高岭土是一种以高岭石为主要成分可塑性很强的粘土。是在湿热条件下，由富含铝酸盐矿物的岩石风化而来，也可由热液蚀变或表生沉积作用形成。高岭土原矿外观呈白、浅灰等色，含杂质时呈黄、灰或玫瑰等色；致密块状或疏松土状，质软，有滑腻感，硬度小；密度为2.4~2.6g/cm3；耐火度高，可达1700~1790℃；具良好的绝缘性和化学稳定性。纯净的高岭土煅烧后颜色洁白，白度可达80%~90%。高岭石：矿物名。

化学式为：Al4[Si4O10](OH)8、Al2Si2O5(OH)4、Al2O3·2SiO2·2H2O。理论化学成分为SiO246.54%，Al2O339.50%，H2O13.96%。高岭土中的高岭石一般为无色或白色的细小鳞片，单晶体呈六方板状或书册状，平行连生的集合体往往呈蠕虫状或手风琴状，粒径以0.5~2μm者为多，个别蠕虫晶体可达数毫米。高岭土的矿物组成风化型高岭土矿是以砂质高岭土为主，有用矿物以高岭石为主，次为埃洛石。其它矿物有石英、长石、云母、褐铁矿等。石英、长石、白云母可综合回收、利用。热液蚀变型高岭土矿，主要矿物有高岭石、地开石、埃洛石。其它矿物有黄铁矿、明矾石、石英、云母、叶蜡石、蒙脱石等。其中黄铁矿、明矾石、石英可综合回收利用。沉积型高岭土矿，主要矿物为高岭石。少量的有机质、水铝石、勃姆石、石英、云母、蒙脱石、赤铁矿、金红石等。其他矿物为杂质，没有回收价值。12.2、高岭土的工艺特性1．白度和亮度白度是高岭土工艺性能的主要参数之一，纯度高的高岭土为白色。白度可用白度计测定。白度计是测量对3800—7000Å波长光的反射率的装置。在白度计中，将待测样与标准样(如BaSO4、MgO等)的反射率进行对比，即白度值(如白度90即表示相当于标准样反射率的90%)。2．粒度分布高岭土的粒度分布特征对矿石的可选性及工艺应用具有重要意义，其颗粒大小，对其可塑性、泥浆粘度、离子交换量、成型性能、干燥性能、烧成性能均有很大影响。高岭土矿都需要进行技术加工处理，是否易于加工到工艺所要求的细度，已成为评价矿石质量的标准之一。各工业部门对不同用途的高岭土都有具体的粒度和细度要求。如美国对用作涂料的高岭土要求小于2μm的含量占90～95%，造纸填料小于2μm的占78～80%。3．可塑性高岭土与水结合形成的泥料，在外力作用下能够变形，外力除去后，仍能保持这种形变的性质即为可塑性。可塑性是高岭土在陶瓷坯体中成型工艺的基础，也是主要的工艺技术指标。可塑性指标代表高岭土泥料的成型性能，用可塑仪直接测定泥球受压破碎时的荷重及变形大小可得，以kg·cm表示，往往可塑性指标越高，其成型性能越好。4．结合性结合性指高岭土与非塑性原料相结合形成可塑性泥团并具有一定干燥强度的性能。结合能力的测定，是在高岭土中加入标准石英砂(其质量组成0.25—0.15粒级占70%，0.15—0.09mm粒级占30%)。以其仍能保持可塑泥团时的最高含砂量及干燥后的抗折强度来判断其高低，掺入的砂越多，则说明这种高岭土结合能力就越强。通常凡可塑性强的高岭土结合能力也强。5．粘性和触变性粘性是指流体内部由于内摩擦作用而阻碍其相对流动的一种特征，以粘度来表示其大小，单位是Pa·s。粘度的测定，一般采用旋转粘度计，以在含70%固含量的高岭土泥浆中的转速来衡量。在生产工艺中，粘度具有重要意义，它不仅是陶瓷工业的重要参数，对造纸工业影响也很大。据资料表明，国外用高岭土作涂料，在低速涂布时要求粘度约0.5Pa·s，高速涂布时要求小于1.5Pa·s。

触变性指已经稠化成凝胶状不再流动的泥浆受力后变为流体，静止后又逐渐稠化成原状的特性。以厚化系数表示其大小，采用流出粘度计和毛细管粘度计测定。6．干燥性能干燥性能指高岭土泥料在干燥过程中的性能。包括干燥收缩、干燥强度和干燥灵敏度等。干燥收缩指高岭土泥料在失水干燥后产生的收缩。高岭土泥料一般在40—60℃至多不超过110℃温度下就发生脱水而干燥，因水分排出，颗粒距离缩短，试样的长度和体积就要发生收缩。干燥收缩分线收缩和体收缩，以高岭土泥料干燥至恒重后长度及体积变化的百分数表示。7．烧结性烧结性是指将成型的固体粉状高岭土坯体加热至接近其熔点时，物质自发地充填粒间隙而致密化的性能。气孔率下降到最低值，密度达到最大值的状态，称为烧结状态，相应的温度称为烧结温度。继续加热时，试样中的液相不断增加，试样开始变形，此时温度即称转化温度。烧结温度与转化温度的间隔称烧结范围。烧结温度和烧结范围在陶瓷工业中是决定坯料配方、选择窑炉类型的重要参数。试料以烧结温度低、烧结范围宽(100—150℃)为宜。8．烧成收缩烧成收缩性是指已干燥的高岭土坯料在烧成过程中，发生一系列物理化学变化(脱水作用、分解作用、生成莫来石，易熔杂质熔化生成玻璃相充填于质点间的空隙等)，而导致制品收缩的性能，也分为线收缩和体收缩两种。同干燥收缩一样，烧成收缩太大，容易导致坯体开裂。另外，焙烧时，坯料中若混有大量的石英，它将发生晶型转化(三方→六方)，使其体积膨胀，也会产生膨胀。9．耐火性耐火性是指高岭土抵抗高温不致熔化的能力。在高温作业下发生软化并开始熔融时温度称耐火度。其可采用标准测温锥或高温显微直接测定，也可用M．A．别兹别洛道夫经验公式进行计算。耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228式中：Al2O3为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其中Al2O3所占的质量百分比；R2O为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其它氧化物所占的质量百分比。通过此公式计算耐火度的误差在50℃以内。耐火度与高岭土的化学组成有关，纯的高岭土的耐火度一般在1700℃左右，当水云母、长石含量多，钾、钠、铁含量高时，耐火度降低，高岭土的耐火度最低不小于1500℃。工业部门规定耐火材料的R2O含量小于1.5—2%，Fe2O3小于3%。10．悬浮性和分散性悬浮性和分散性指高岭土分散于水中难于沉淀的性能。又称反絮凝性。一般粒度越细小，悬浮性就越好。用于搪瓷工业的高岭土要求有良好的悬浮性。一般据分散于水中的样品经一定时间的沉降速度来确定其悬浮性能的好坏。11．可选性高岭土的可选性取决于有害杂质的矿物成分、赋存状态、颗粒大小等。石英、长石、云母、铁、钛矿物等均属有害杂质。高岭土选矿主要包括除砂、除铁、除硫等项目。12.3、高岭土的提纯高岭土原矿的选矿提纯工艺取决于原矿的性质及产品的最终用途，在工业生产中应用的工艺有两种：干法和湿法工艺，通常硬质高岭土采用干法生产，软质高岭土采用湿法生产。干法工艺是一种简单经济的加工工艺。原矿经锤式和笼式破碎机破碎，利用笼式破碎机内的热空气将高岭土的水分由采出的20%降至10%左右。再经配有离心分离机和旋风除尘器的吹气式雷蒙磨磨细。该工艺可除去大部分砂石，产品通常用于橡胶、塑料及造纸工业的低价填料。

湿法工艺包括矿石准备、选矿加工和产品处理三个阶段准备阶段包括配料、破碎和捣浆等作业。捣浆是将高岭土原矿与水、分散剂混合在捣浆机内制浆，捣浆作业可使原矿分散，为选别作业制备适当细度的高岭土矿浆，并同时去掉大粒的砂石。选矿阶段可能包括水力分级、浮选、选择性絮凝、磁选、化学处理(漂白)等作业。一般来讲，不经选别的最终产品白度较低，只有在流程中配置磁选、泡沫浮选或选择性絮凝作业才能获得高白度的粘土产品。以下是除去高岭土中杂质铁，提高其白度的几种方法。(1)吸附浮选法在细碎高岭土(细度为-43m，含Fe2O30.72%)矿浆中加入载体石灰石粉，石灰石粉作为吸附剂，把Fe2O3从矿浆中吸附到石灰石粉载体上，载体既可依靠自身的疏水性，又可靠捕收剂造成的疏水性附着于气泡，得到含铁的载体泡沫产品与含高岭土精矿的槽内产品。吸附浮选所用设备即为常规的机械搅拌式浮选机，所用捕收剂为塔尔油，硫酸铵用于抑制高岭土，碳酸钠作pH调整剂，水玻璃作矿浆分散剂。吸附浮选工艺流程如图12.1所示。用吸附浮选法可使高岭土中的Fe2O3由0.72%降至0.5%以下。(2)双液浮选法将高岭土矿调成一定浓度的水溶液矿浆，加入pH调整剂调至所需的pH值，搅拌一定时间后加入捕收剂，继续调浆一定时间后，然后加入有机溶液，再充分搅拌合适的时间后，静置分层、分离，得到有机相产品(含Fe2O3)和水相产品(含高岭土)。本方法所用装置类似于萃取分离装置。工艺流程见图12.2。此法除铁效果不错，能使-2m高岭土Fe2O3的脱除率和高岭土精矿产品的回收率达到理想结果。同时，有机溶液回收再生，循环使用效果甚佳。(3)化学漂白对于一些牢固覆盖在高岭土颗粒表面的氧化铁，采用磁选、浮选方法是很难将其去掉的。采用酸洗的方法可以将一些染色杂质除掉，但酸的强度过高会溶解高岭土中的Al2O3，造成晶格结构的变化。为此出现了漂白工艺：着色漂白化学漂白：氧化法、还原法等。(4)磁选除铁法高岭土中的染色杂质(如赤铁矿等)具有弱磁性，因而可以利用高梯度磁选机将其除去。超导磁选机已成功地应用于高岭土分选，不仅能耗减少，而且场强可以大大提高，高岭土精矿的质量也更高。(5)磁种磁选法把细碎煤系高岭土(细度为-20μm)矿浆放入可调整转速的搅拌器中搅拌，添加定量溶解好的分散剂，调整矿浆浓度为40%~50%。加入pH调整剂，调节pH值为5.5~7.0，搅拌10min，待搅拌均匀后，添加事先分散调节好的磁种(-6μm的磁铁矿或-1μm的人造铁氧体微粒)，使磁种选择性地与铁、钛矿物颗粒凝聚，提高这些弱磁性目的矿物的磁性。采用磁种分离工艺，可使原矿含Fe2O31.38%、含TiO20.97%的煤系高岭土的铁、钛去除率分别达52.2%和49.5%。(6)加氯高温焙烧法。煤系高岭土中固定碳含量一般为2%左右，碳存在于高岭石结晶体间隙中，使煤系高岭土呈现灰黑或灰白色，这种高岭土常采用高温氧化焙烧法除碳来提高高岭土的白度。高岭土中的含Fe矿物，如黄铁矿、菱铁矿及褐铁矿，在高温焙烧时均会转变成Fe2O3，造成原料发黄或呈砖红色，因此，必须在焙烧前或焙烧过程中采取除铁、钛措施，才能将产品白度提至90%以上。采用加氯高温焙烧法，在除碳的同时，能够去除铁、钛致色因子，达到高岭土增白的目的。加氯高温焙烧高岭土，在高岭土中碳的参与下，将铁钛的氧化物转化为低熔点高挥发性的FeCl3(沸点315℃)及TiCl4(沸点136℃)，碳则转化为CO、CO2，从而使C、Fe、Ti与高岭土分离。其化学反应式如下：苏州观山高岭土选矿厂工艺流程湛江高岭土选矿厂12.4、高岭土的超细碎除了白度、纯度等指标外，为了满足铜版纸、涂布纸及纸板以及高档油漆涂料、塑料和橡胶制品等对高岭土产品的技术要求，部分优质高岭土、粒度及其分布是至关重要的指标，部分优质高岭土，尤其是硬质高岭土还需要进行超细粉碎加工。12.4.1干法超细碎大多用于硬质高岭土的超细粉碎，特别是用于直接生产满足用户要求的超细粉，产品细度一般是d90≤10μm，加工设备大多采用高速机械冲击式的超细粉磨机、振动磨、高速离心式自磨机、气流磨等。气流粉碎法。气流粉碎法的实质是利用流体能量，使粉料受到很大的剪切碰撞、摩擦力等的作用。当作用力大于粒子本身的破坏应力时，粒子即被粉碎。该法是将粉料连续给入750m/s或更高的超音速气流中，使粉体颗粒相互碰撞达到碾磨，同时使碾碎的颗粒随同喷射的旋涡气流进入分级室中分级，再通过离心作用，将分级旋流中的粗粒子甩向外边，通过回路管使之再循环回到超音速喷嘴，小于一定粒度大小的细颗粒被排放出来，进入捕集器收集。12.4.2湿法超细碎大多用于软质和砂质高岭土除砂和除杂后的超细粉碎，特别用于加工d80≤2μm或d90≤2μm的涂料级高岭土产品，也是工业上用硬质高岭土或高岭石加工d80≤2μm或d90≤2μm的涂料级高岭土产品所必须采用的超细粉碎方法。由于高岭石为片状晶型，因此高岭土的湿式超细粉碎又称为剥片，意即将较厚的叠层状的高岭土剥分成较薄的小薄片。剥片的方法有湿法研磨、挤压和化学浸泡法。研磨法是借助于研磨介质的相对运动，对高岭土颗粒产生剪切、冲击和磨剥作用，使其沿层间剥离成薄片状微细颗粒。常用的设备是研磨剥片机、搅拌球磨机、砂磨机等。研磨介质常用玻璃珠、氧化铝珠、刚玉珠、氧化锆珠、天然石英砂等，粒径0.8~3mm。通过搅拌泥浆和细研磨介质组成的混合物而达到剥离目的。高岭土经剥分后，晶体结构一般没被破坏，新生面不污染，能解离释放出高岭土中的着色杂质，通过沉降或离心分离除去。所以，在细度大大提高的同时，白度和光泽度也有所提高。挤压法使用的设备是高压均浆机。工作原理是通过活塞泵使均浆器料筒内的高岭土料浆加压到20~60MPa，高压料浆从均浆器的喷嘴(表面经过硬化处理的很窄的缝隙)以大于950m/s的线速度喷出。由于压力急剧降低，从而使料浆内高岭土晶体叠层产生“松动”，高速喷出的料浆射到常压区的叶轮上，突然改变运动方向，产生很强的穴蚀效应。这一压力的突然降低便产生空穴效应，好象爆米花一般，这种强大的冲击力结合空穴作用与摩擦剪切力使高岭土的晶面沿结合力较弱的氢键间层层剥开。用此工艺处理的高岭土粒度范围是2—20μm。经试验证明，用高压均浆器一次处理后的料浆中小于2μm的粒级可由原来的18%提高到37%。如福建龙岩高岭土矿，原矿天然白度很高(75—80)，高岭石含量为20%—30%，精选后高岭土为片状，粒度以2—5μm、5—10μm为主，达不到涂料级产品标准，采用高压挤压法后，可得小于2μm颗粒占80%以上的涂料级产品，获得了最大的经济效益。化学浸泡法是利用化学药剂溶液对高岭土进行浸泡，当药剂浸入到晶体叠层以氢键结合的晶面间时，晶面间的结合力变弱，晶体叠层出现松动现象，此时再施以较小的外力，即可使叠层的晶片剥离。化学浸泡法使用的药剂有尿素、联苯胺、乙酰氨等。12.5、高岭土的用途1）陶瓷我国陶瓷用高岭土占高岭土总产量的50~60%，大部分是原矿与-80目至-325目的水洗产品，相比之下，美国陶瓷用高岭土仅占总量的2%。以高岭土为原料的陶瓷有日用瓷、建筑、卫生、电瓷、无线电瓷、工