煅烧高岭土的现状及应用
煅烧高岭土的现状及应用
摘要
煅烧高岭土主要化学分:SiO2-52.41%,Fe2O3-0.6%,Al2O3-43.08%。纯质煅烧高岭土白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能;具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。高岭土被广泛应用于造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。
高岭土在造纸工业的应用十分广泛。主要有两个领域，一个是在造纸(或称抄纸)过程中使用的填料，另一个是在表面涂布过程中使用的颜料。
关键词：煅烧高岭土
现状
应用
0前言
高岭土是我国的优势非金属矿资源。经高温煅烧改性而成的煅烧高岭土以其白度高、晶形好、孔隙率大、容重小、化学稳定性和绝缘性好、遮盖力强等特性广泛应用于油漆涂料、造纸、橡胶、塑料、电缆、陶瓷等领域。高岭土是一种天然矿物，在我国有丰富的储藏，现已探明地质储量约30亿t，主要分布在粤、桂、赣、闽、苏等地区[1]。高岭土经过煅烧，具有优良的光散射能力和特殊的油墨吸收性，以及更好的收缩性、阻燃性、吸湿性和更高的强度、电阻率，用于造纸、塑料、电网改造、建筑等行业[2]，可以大大提高这些材料的使用性能，此外煅烧高岭土还是制备分子筛的廉价原料[3]与普通高岭土比较, 缎烧高岭土具有更高的化学稳定性和电绝缘性, 而且其白度高、耐火度高、密度小、比表面积大油吸收性能好, 所以在轻工、化工、电器、冶金以及一些工业部门得到更为广泛
的应用.缎烧高岭土作为高岭土(或煤歼石)深加工的产品, 在提高资源的综合利用潜力和增加有关企业的经济效益方面有着重大的意义.在我国, 煤系高岭土分布广泛, 储量丰富, 已探明的储量非含煤高岭土1317亿,t 含煤高岭土1617亿,t 具有良好的开发利用前景。
1资源现状
中国是世界煤炭资源大国，在分布广、厚度大的含煤岩系中，蕴藏有大量可供顺便开采、综合利用的共伴生矿产——煤系高岭土，煤系高岭土是中国特有、独具特色、有广阔利用前景的重要的非金属矿产资源。我国煤系高岭土在地质时代上从晚古生代到新生代各主要聚煤期的煤系中均有煤系高岭土的分布，而以晚古生代石炭-二叠系煤系中分布最广、厚度大、质量好、储量可观、开发应用价值大。目前，在我国东北、西北、西南一些较大的矿区已经在对该地区的煤系高岭土资源进行开发利用，如：大同、朔州、内蒙、淮北、秀山等地，有的矿区已形成可观的开发规模和经济效益。我国优质高岭土资源储量4.6亿吨，居世界储量的3.9%，位于世界第9位，但上述的高岭土资源储量主要以水洗高岭土为主。我国的煤系高岭土估计储量在112亿吨左右，其中探明储量为17亿吨，其中包含煤炭生产和加工过程中排弃的煤矸石中的高岭岩中的含量80%以上的煤系高岭土。因煤炭开采而排弃的煤矸石累计有30多亿吨，占地1.2亿万顷，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物，这部分煤矸石中约50%为极具开发利用价值的煤系高岭土。因此将煤系高岭土计算在内，中国已成为高岭土资源的第一大国。 中国的高岭土资源分为硬质高岭土、软质高岭土、砂质高岭土三种原料类型和热液蚀变型、风化残积型、风化淋积型、河湖海湾沉积型、含煤建造沉积型等成因类型。全国共有高岭土矿点700多处，其中200多处作过地质工作，探明储量超过31亿吨（煤系高岭土17亿吨，非煤系高岭土14.32亿吨），其分布为广东3.09亿吨，福建1.11亿吨，江西0.77亿吨，湖南0.54亿吨，江苏0.37亿吨，东部、西部、中部所占比例分别为25.17%、46.54%和28.27%。[4] 2生产简述
2.1高岭土煅烧机理
整个高岭土缎烧过程的反应方程式表示如下:
当高岭土锻烧温度接近5 0 ℃ 时, 其中的握基作为蒸汽逸出, 同时晶体开始瓦解。随着温度升高, 脱轻逮度增大, 到6 50 ℃ 左右完成脱经, 这时水合铝硅酸盐变成主要由三氧化二铝和二氧化硅组成的物质, 这种物质通常称为缎烧陶土或偏高岭土。如温度稳定而缓慢上升, 偏高岭土的脱轻颗粒基本上保持了原来的六边形。缎烧脱轻后的高岭土是一种非晶质的高岭石结晶。 2.2高岭土的加工
高岭土在缎烧前要加工成极细的粉料。由矿区开采的原矿多数为相当大的块状物, 因此加工的第一阶段是先将原矿破碎成小块后, 储存在堆场并经空气、或在回转窑中干燥, 抑或直接送碾磨机粉碎, 这时干燥和研磨同时进行, 热空气从碾磨机底部进入,经过一系列辅助设备到碾磨室, 碾磨后的物料通过碾磨室内的风叶旋转分级机、租粒物料被排出返回碾磨室, 碾细物料由逆风集尘器收集, 气体从旋风集尘器经风机再返回碾磨机底部[5]。 2.3煅烧前对材料的工艺要求
为避免过分缎烧而结块, 高岭土锻烧前要加工成细粉料; 矿物杂质如石英云母和黄铁矿等应予排除, 一些含铁的氧化物, 则应采用酸处理、漂白等方法, 以提高原料的质量.2.4高岭土煅烧工艺
一般都为先磨后烧再解离。高档土的生产工艺为:原矿→雷蒙磨→湿法超细磨→干燥脱水→打散→回转窑煅烧→打散→包装。中档煅烧土的生产工艺大多为:
原矿→雷蒙磨→湿法超细磨→压滤脱水→成型→立窑煅烧→自然冷却→雷蒙磨→气流磨→包装。低档煅烧土的生产工艺中,一般没有超细磨,大多为原矿→咸阳磨/ 雷蒙磨→立窑/ 隧道窑/ 倒烟窑煅烧→咸阳磨/ 雷蒙磨→包装,有的厂在包装前加有分级机。高档土采用打散→回转窑煅烧→打散这一工艺,主要考虑因素有下述方面: ①有利于保持最终产品粒度,打散后物料烧结较小; ②有利于煅烧过程中有机质和炭质的脱除; ③有利于保持产品的性能,如分散性等。不同的打散、煅烧设备各有其优、缺点,对于不同的应用领域和产品性能期望值,应视具体情况选择不同的设备[6]。 2.4.1低温煅烧
低温煅烧设备类型有快速脱水器、倒焰窑、连续式推板窑。
快速脱水器：锻烧工艺可分二步.第一步缎烧温度60 ℃ 左右.由空气预热室产生的高温热空气鼓人此旋涡器, 形成一旋转向上的热气流, 极细物料从上、下物料喷人口注人, 借助注人器或喷雾器分散, 并以逆流方向进人圆锥形反应室中.热空气由下部最小直径一端的喷嘴以平均50 一1 5 。米/ 秒的速度以旋转方式进人,缎烧后的物料由上部最大直径一端排出,然后用旋风集尘器分离和收集.由此制得的非晶质缎烧高岭土还可进行第二步缎烧处理.锻烧温度在偏高岭石的转变温度以上, 即高岭土放热反应开始的温度9 0 ~10 0 0 ℃ 。
倒焰窑：倒焰窑按烧成室形状分为圆形与矩形两种, 其结构和工作原理基本相同.优点: 窑室容积变化范围大( 1 5。米3 ) 烧成制度较灵活.操作管理简单, 生产技术较易掌握. 推板式隧道窑：这是一种连续式窑.这种窑的窑体结构紧凑, 占地面积小, 设备简单, 投资少, 投产快.适应国内生产要求.由于窑道载面小, 一般窑内温差较小,产品烧成质量均匀一致.热利用率高,操作管理方便.缎烧温度在1 4 0 ℃ 以下.此类窑的结构有单通道和双通道明焰式和隔焰式之分, 用煤、油作其热源, 采用隔焰式, 用煤气、电作热源采用明焰式.2.4.2高温煅烧
高温煅烧所用设备是回转炉和窑车式隧道窑. 连续式回转炉燃烧的气体以逆流方式由燃烧室进人缎烧炉, 炉中给料从烟气出口端进人, 缎烧过的物料从烟气人口端排出, 而废气则通过缎烧炉的另一端
烟道排出.缎烧过程中的热, 在燃烧的气体与物料对流时, 传递到高岭土和外壳, 外壳再辐照到高岭土.回转窑的缎烧温度高达150 0 ℃ , 这时高岭土可转化为粘土熟料，一台直径3 米、长47 米的回转窑, 保温时间18 0 分钟, 粘土熟料生产能力30 吨/天, 耗热每吨熟料3.48 x l09焦耳. 窑车式隧道窑：这种窑是由前后彼此连接, 上面铺有耐火材料的窑车, 沿窑底轨道借推车机推移前进, 构成可动窑底.高岭土砖坯或装有坯件的匣钵, 堆码在窑车台上, 随窑车移动, 经预热、烧成、冷却后出窑.英国瓷土公司生产耐火熟料时, 将精选高岭土滤饼(含水30 % ) 通过回转窑干燥, 制成坯(含水约16 % ),经窑车选送至隧道式烘房干燥, 然后在长1阳米的隧道窑中缎烧.窑车在缎烧区停留2 5 小时, 缎烧温度从13 0 ℃ 上升到结束时的15 2 5 ℃ , 采用油为燃料, 一次缎烧循环约60 小时[7]。
3高岭土的应用现状
缎烧高岭土用途不同于普通高岭土。脱经的缎烧高岭土用作电缆料电性改良剂此外还可广泛用于橡胶制品如乙烯基和丁基合成橡胶密封圈的生产中。缎烧高岭土还可用作农药、水果催熟荆的载体, 农药或催熟剂被它吸附在表面后, 在农田或果品仓库内慢慢地释出, 使得农药长效, 水果不致很快熟烂。
高岭土在脱经以后进一步在1000 ℃锻烧获得的产品比脱经高岭土更白更亮, 并可使其它颜料的属性也更高级。用作纸张填料时具有明显的光学性能, 并可部分或全部代替TiO2 降低纸张成本。在普通涂布瓷土中加入缎烧高岭土导致不透明度和白度提高, 涂布光泽保持不变或略有提高。 3.1造纸工业
造纸工业是锻烧高岭土的重要用户, 造纸工业的发展已成为衡量一个国家现代化水平的标志, 发达国家人均年用纸90 kg左右, 1993年我国人均用纸9 kg左右, 1996年已达26 kg,近年来我国造纸工业正以每年15% 的速度递增。煅烧高岭土油墨吸收性好, 遮盖率高, 可部分代替昂贵的钛白粉,尤其适合高速刮刀涂布机使用, 随着我国造纸业的发展, 产量的扩大以及高速刮刀涂布机的引进, 锻烧高岭土的用量也在逐步扩大。 3.2在涂料工业中的应用
用高岭土作为涂料工业的添加剂[ 8] , 其功能作用不断体现, 主要是可降低涂料的粘稠度, 提高流平性, 减慢沉降速度, 提高附着性。高岭土可以改善涂料贮存稳定性、涂刷性、涂层的抗浮色和发花性等。总的看来, 使用高岭土作添加剂, 有助于满足对涂料提出的日益严格的性能和耐久性方面的许多要求.当要求制备VOC, 高固体涂料时尤为如此。高岭土添加剂的规格品种, 将不断增加, 它可以适应任何类型的涂料体系, 从底漆到面漆, 任何固体成分、任何光泽和任何厚度的涂层。随着人们对环境的重视, 涂料工业正在开发替代产品, 许多新型涂料, 如粉末涂料、水性涂料、高固涂料和辐射涂料问世, 更加需要高岭土.3.3合成沸石
以天然高岭土为原料, 通过活化、改性处理直接制备高性能、多功能分子筛, 将有利于简化工艺, 降低成本和能耗, 这是分子筛研制的一个新动向。沸石因其独特的晶体结构, 具有较好的热稳定性、化学稳定性与独特的选择吸附性和离子交换性, 被广泛用于石油、化工、冶金、电子、医药、环保等部门。近年来, 国内外学者对以锻烧煤系高岭土合成沸石进行了广泛的研究, 应用水热晶化法可合成A,X, Y 型等沸石。 3.4生产水玻璃及白炭黑、硅胶
这是利用生产硫酸铝、氯化铝等产生的残渣来生产的。在用煤系高岭土为原料生产硫酸铝、氯化铝等铝盐过程中, 相应会产生大量的残渣, 残渣的主要化学成分为S iO2, 可用来生产硅酸钠和白炭黑。酸浸后的残渣用烧碱进行溶解, 通过过滤除去残渣中不溶于碱的物质可以获得硅酸钠溶液。硅酸钠溶液加人电解质, 用稀硫酸或盐酸进行处理, 可沉淀出含水二氧化硅, 经过滤、洗涤、干燥后得到白炭黑。
3.5在农用塑料薄膜中的应用
高岭土做为塑料加工时使用的一种添加剂已有很长历史[ 8] 。由于普通高岭土吸附着大量的水份,在塑料加工温度下会汽化, 致使塑料基体中出现大小不均的孔洞, 影响材料的力学性能。因此通常都是将高岭土缎烧后, 去除水分再使用, 而不是简单地在100e 左右的温度下烘除水分。将锻烧高岭土、云母和滑石使用在塑料薄膜中, 都有明显的阻
隔红外光的作用, 有利于提高塑料大棚的保温性,而不含S i元素的碳酸钙就不具有这一功能。 3.6在橡胶中的应用
在橡胶制品中, 提高各种配合剂在胶料中的分散程度, 是确保胶料质地均匀和制品性能优越的关键[ 9].改性煅烧高岭土与胶料的表面极性相近,易被胶料湿润, 吃粉较快, 可提高其分散效果, 起到一定的补强效果, 并且改善了生产工艺和产品的力学性能。普通的改性煅烧高岭土在橡胶中的应用, 一般都能起到半补强以上的效果, 并有利于分散和交联。硫化效率有明显的改善, 对其加工性能也有一定的提高, 且可增大填充量, 有利煅烧高岭土的应用性能, 其加工性能也有一定的提高, 且可增大填充量, 有利于降低成本。
4高岭土的应用前景
目前，国家越来越重视我国煤系高岭土行业的发展。我国非金属矿“十五”发展规划指出以先进的技术装备和生产工艺，提高资源利用率，通过矿物材料的深加工，使资源的价值得到更大发挥，要重点做好煅烧高岭土等产品的开发。我国能源节约与资源综合利用“十五”规划指出实施可持续发展战略，要求节约资源，保护环境，建立共伴生矿资源综合利用示范工程，围绕攻克高岭土超细、增白、改性等技术难点，组织一批综合利用深加工项目，对煤系共伴生资源进行深加工和利用。
国家经贸委《煤矸石综合利用技术政策要点》指出煤矸石综合利用技术以巩固、推广为主，完善、开发并举。巩固已有的技术成果，推广技术成熟、经济合理、有市场前景的技术，逐步完善比较成熟的技术，研究开发新技术，积极引进国外先进技术和装备，在消化吸收的基础上努力创新，不断提高煤矸石综合利用的技术装备水平，促进煤矸石的扩大利用。
2005年6月30日国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知中再次强调推进废物综合利用，要以煤矿瓦斯利用为重点，推进共伴生矿产资源的综合开发利用。以粉煤灰、煤矸石、尾矿和冶金、化工废渣及有机废水综合利用为重点，推进工业废物综合利用，并将煤矸石综合利用作为一项长期的技术政策加以鼓励。 5结语
我国的高岭土资源十分丰富, 目前主要用于建筑、卫生和日用陶瓷( 占61.6 % ) , 其次是耐火材料( 1 2.3% )、高低压电瓷( 6.2% )、造纸( 5.7% ) 和橡胶( 3.7% )等。为了合理地利用高岭土资源, 充分发挥高岭土的性能, 巩固和扩大高岭土的应用领域, 提高高岭土的经济价值, 应该加强缎烧高岭土系列产品的开发和应用研究, 使我国的高岭土加工水平上一个台阶。
参考文献
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