高岭土选矿工艺

1 前言

    高岭土是一族粘土矿物的总称，其基本组成为高岭石组和多水高岭石组，主要由高岭石、埃洛石组成，含量可达90%以上，其次还有水云母，常混有黄铁矿、褐铁矿、锐钛矿、石英、玉髓、明矾等，有时还有少量的有机质。高岭土具有可塑性、粘结性、烧结性及耐火性等优良的工艺特性，所以被广泛应用于陶瓷、造纸、橡胶、塑料和耐火材料等工业。高岭土矿床的成因类型主要有三类：风化型、沉积型和热液蚀变型。

    高岭土原矿的加工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:干法工艺和湿法工艺，通常硬质高岭土采用干法生产，软质高岭土采用湿法生产。

2 干法选矿工艺

    干法工艺是一种简单经济的加工工艺。采出的原矿经过锤式破碎机碎至25.4mm后，给入笼式破碎机，使粒度减小到6.35mm，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。碎后的矿石则经配有离心分离机和旋风除尘器的吹气式雷蒙磨进一步磨细[2]。该工艺可将大部分砂石除去，产品通常用于橡胶、塑料及造纸工业的低价填料。用于造纸工业时，该产品可作为填料层灰分含量小于10%或12%处的填料，此时产品的亮度要求不高。

    当干法对产品的白度等要求较高时，必须对雷蒙磨产出的产品进行干式除铁。干法工艺的优点是可省掉产品脱水和干操过程，减少灰粉流失，工艺流程短，生产成本低，适宜于干旱和缺水地区。但要得到高纯优质高岭土还得靠湿法工艺。
 
3 湿法选矿工艺

    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，以除去不同的杂质。准备好的矿浆先经耙式洗箱、浮槽分级机或旋流器除砂，然后用连续式离心机、水力旋流器、水力分选器或振动细筛(325目)将其分为粗细两个粒级。分级机的细粒级送入HGMS(高梯度磁选机)除去铁钛杂质，产品经搅拌擦洗剥离后进行氧化铁浸出，对亮度已足够高并具有良好涂层性能的粘土可不经磁选和剥离而直接送至浸出作业。浸出后，在矿浆中添加明矾使粘土矿物凝聚而便于脱水。漂白的粘土用高速离心机，旋转式真空过滤机或压滤机脱水。过滤机或压滤机脱水。滤饼经再分散成55%～65%固体的矿浆，然后喷雾干燥制成松散的干品。部分干品被混入到分散的矿浆中制成70%固体，用船运至造纸厂。

    不经选别的最终产品亮度较低，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亮度的粘土产品。但这些独立的作业均具有各自的优势与缺陷，因而工业上通常采用两至三种这些工艺的联合流程以便粘土资源的综合利用。

3.1 高梯度磁选

    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。美国利用PEM-84型湿式高梯度磁选机，可使高岭土原矿中的Fe2O3由0.9%降至0.6%，Ti2O3由1.8%～2.0%降至0.8%。这种高梯度磁选机用不锈钢毛作介质，场强为1.5～2.0T时，需耗电270～500kw。我国对湖南酸陵、耒阳、泊罗、衡岭土进行了湿法研究[3-6]，都取得了良好的试验结果，特别是用振动高梯度磁选脱除高岭土中的铁钛取得了非常好的试验指标。对湖南耒阳高岭土用我国CLY500型振动高梯度磁选机与美国PEM - 84的高梯度磁选机对比试验结果看，从降铁、钛杂质含量，提高白度来看，中国的高梯度磁选机性能优于美国。

    由于有些高岭土矿中部分铁杂质以硅酸盐形式存在，磁性非常弱，而钛以金红石的形式存在，则磁选方法很难奏效，因此流程中通常配以浮选，选择性絮凝等其他作业，以提高产品的质量。近年来，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。Eriez超导磁选机具有迅速升磁的特点，可在60s内达到最高设计场强(5T)，而消磁时间短，这就大大缩短了负载循环期间从磁体中冲洗磁性杂质所需的时间。其能耗低，比常规磁选机减少80%左右，处理量大，可达100t/h以上。英国试验过一种往复螺旋管超导磁系，其设计类似于常规的罐形磁滤器，所不同的是它在工作循环期间仍将超导磁体保留在激磁状态，而无须开关控制，并可连续作业。德国洪堡公司设计的3048mm、超导高梯度磁选机，结构简单，操作及维护费用低，同时具有较好的稳定性。

3.2 泡沫浮选

    浮选作业的目的是从高岭土中浮选出钛杂质。由于杂质颗粒极细，通常采用载体浮选工艺。载体矿物可以是方解石、硅砂(-325目)，载体矿物的用量一般为高岭土重量的10%~20%，载体的一部分经过回可再利用。浮选过程中所用的药剂包括:分散剂硅酸钠，pH调整剂氢氧化胺和苛性钠捕收剂塔尔油、脂肪酸及石油磺酸钙。但是浮选存在不少缺点，载体的疏水化需要大量的药剂.浮选过程只能在矿浆浓度较低有效，从而增加脱水费用.所加载体必须从粘土产品中尽可能地清除.并从泡沫产品中回收以循环使用。残留在粘土中的化学药剂及载体矿物对最终产品有害。Cundy和Yong等人研究了一种不需载体的浮选工艺，直接从高岭土中浮出锐钛矿，其特点是在分散剂(如硅酸钠)和pH调整剂(常用氢氧化胺)存在条件下进行高矿浆浓度(40%～60%固体)擦洗，清除表面污物，同时擦洗也使锐钛矿和赤铁矿从高岭土矿物中解离出来，然后将少量的活化剂及脂肪酸类捕收剂一起加入矿浆，被捕收剂覆盖的锐钛矿在高剪切搅拌条件下形成选择性团聚，从而使颗粒尺寸显著增大，高剪切搅拌调浆后的矿浆稀释至15%~20%固体进行浮选，高岭土中的明矾石也可用浮选脱除。

3.3选择性凝聚/絮凝

    在pH8~11时，向高岭土矿浆中加Ca2+、Mg2+等碱性土金属离子可观察到铁钛杂质的选择性凝聚，然后用弱阴离子聚合电解质进行选择性絮凝。该工艺要求矿浆浓度要低于20%，因此必定有大量的水分要在后续作业中脱去，同时残留的絮凝剂对最终产品的质量也有影响。

    用高分子絮凝剂对高岭土进行选择性絮凝，高岭土颗粒相互絮凝沉向底部，铁钛杂质则因颗粒微细而存在于上部的悬浮液中呈红褐色，将这上部的悬浮液脱去即可脱去大部分的铁钛杂质，再用别的作业(如磁选)加以处理即得到高品质的高岭土。苏州高岭土公司采用选择性絮凝新工艺取得了较好的指标。采用选择性絮凝加高梯度磁选处理高岭土也获得了满意的指标。

3.4浸出

    浸出是在弱酸性溶液(pH3～4)有还原剂(NaS2O4)存在条件下进行的，可使溶解的铁保持Fe2+状态，避免生成Fe(OH)3，用水洗涤使之与高岭土分离。为了除去深色的有机质，可以用强氧化剂(过氧化氢、次氯酸钠等)进行漂白，苏州高岭土公司选厂采用氧化漂白法取得了优质的高岭土产品。据报道，用微生物处理高岭土可以明显地提高产品的质量。

3.5脱水

    选别后的粘土在贮浆桶内贮存6～8h，pH调节到3～4，接近粘土的零电点，因而粘土颗粒容易团聚。在矿浆中添加明矾对粘土粒子的团聚有帮助，可促进脱水。圆筒过滤机为常用的脱水装置，它可使矿浆浓度增至55%~60%。过滤作业的重要作用之一在于除去粘土中的化学药剂。为强化此作业，常采用水喷雾。喷雾干燥已成为粘土工业中十分有效的一种工艺，但其成本昂贵。近年来，出现了一种利用电场中荷电颗粒电泳特性的新型过滤工艺。高岭土粒子在pH>3时荷负电，其周围由带相反电荷的离子雾所包围而形成双电层。在电场中粘土粒子移向阳极，离子雾中配衡离子则移向阴极。当颗粒抵达阳极时，便用来保护电极的阳极薄膜上形成的滤饼.阳极滤饼采用电渗法进一步脱水，多余水分按电渗原理用泵通过荷负电的滤饼毛细管抽出。

    采用脱水剂使高岭土颗粒团聚成大颗粒，这样既可以加速颗粒沉淀速度，有利于脱水，又可以减少微细粒的高岭土损失，因此高岭土新型高效脱水剂的开发也是其研究方向之一。

4 高岭土选矿技术的特点

综合各国高岭土选矿技术有以下特点：

    ①从矿山开采出的原矿就地进行粗选，将大量尾砂丢弃在矿山，这既解决了采空区填充，也减少了选矿厂原矿堆存和运输，只设精选厂，集中精选各粗选厂的精矿；

    ②矿山与精选厂之间一般采用管道运输，美国从1939年开始，高岭土矿浆就采用管道运输；

    ③高浓度制浆，分选过程矿浆中加分散剂，脱水过程中加絮凝剂，压滤机或真空过滤机产品可不经干燥即作为产品出售；

    ④选矿作业除采用水力旋流器分级外，也采用离心分级机、砂磨机、高梯度磁选机、浮选机，以提高产品细度和降低铁、钛、硫等杂质；

    ⑤化学漂白工艺为美国、英国、前苏联等主要高岭土生产国所普遍采用，以生产高白度的高岭土产品，但其成本较高；

    ⑥高岭上产品以块状、粗粉状、细粉状和浆状形式出售。生产厂根据用户的要求，供应不同的产品。产品的干燥设备品种多，但以喷雾干燥应用最多，因其成本相对较低;

    ⑦选矿厂不仅生产能力大，而且品种多，且都是标准化的产品。可满足不同用户的需要。中国高岭土公司产品有四大类34个品种。这些产品广泛用于纸张的填料和涂料，陶瓷工业的原料，橡胶和塑料的填充剂和增强剂，白水泥油毛毡、屋面涂料和防水剂的配料，玻璃纤维的配料，油墨颜料，化妆品和肥皂的填料，农药和化肥的载体，研磨材料的粘结剂，合成分子筛，石油催化剂，原子能反应堆等许多行业。

5 结论

    ①载体浮选工艺使微细粒的高岭土选别成为可能。其优点是增加粒子动能，但其药剂耗量高，且载体矿物的使用及加工成本进一步增高。

    ②不用载体而借助于多价阳离子的活化作用，亦可使锐钛矿得以浮游，但脂肪酸配捕收剂耗量高于其他工业矿物的浮选，这可能是粒子的表面积大所致。  

    ③高剪切搅拌在浮选中起着两方面的作用，一是使锐钛矿从高岭石中解离出来，二是诱发捕收剂覆盖的锐钛矿颗粒之间的剪切絮凝。

    ④高梯度磁选技术大大改变了高岭土工业的面貌，特别是振动高梯度磁选能有效地脱除高岭土中的铁钛杂质，而对产品的粒度组成、物理化学性质等影响极小，可以生产出高品质的高岭土产品。干式高梯度磁选处理硬质高岭土就可省去产品脱水，减少产品流失，适宜于干旱少水地区。超导高梯度磁选机能耗少，处理量大.产品纯度高，必将在高岭土工业中得到广泛应用。

    ⑤对高岭土产品氧化漂白及微生物处理，可以大大提高产品质量。

    ⑥电泳/电渗脱水工艺将矿浆浓度提高到70%左右，而生产费用大大低于喷雾干燥。

    ⑦多种作业联合处理及最终产品多是高岭土选矿工艺的主要特征。