黃 強,郭銀祥
(中材地質工程勘查研究院,北京 100102)
高純斜發(fā)沸石的發(fā)現(xiàn)及其應用價值
黃 強,郭銀祥
(中材地質工程勘查研究院,北京 100102)
斜發(fā)沸石資源非常豐富,但天然產(chǎn)出的礦石很少有高純的。由于沸石礦物結晶晶粒細比較難提純,因此,盡管斜發(fā)沸石有許多優(yōu)越的性能,因沒有純凈的經(jīng)濟的產(chǎn)品,到目前為止還沒有在高技術領域應用的先例。本文介紹一個近年發(fā)現(xiàn)的高純天然斜發(fā)沸石礦及礦石性能,希望由它帶動斜發(fā)沸石在高技術領域的應用研究,以促進高附加值產(chǎn)品的開發(fā)。
斜發(fā)沸石;高純;高技術領域;應用
斜發(fā)沸石1890年首先發(fā)現(xiàn)于美國,我國則是1972年在浙江縉云縣首次發(fā)現(xiàn),其理想分子式為:(1/2Ca,Na,K)8[Si40Al8O96]·32H2O。其主要物理化學性質有離子交換性、吸附性、化學活性、催化性等,目前主要的應用領域為:建筑材料(包括水泥混合材、混凝土礦物添加劑、沸石質輕骨料等)、動物飼料添加劑、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)氨氮吸附劑、動物墊料、土壤改良劑、環(huán)境材料等。
本文作者發(fā)現(xiàn)的高純斜發(fā)沸石礦位于華北地臺的張家口—承德一帶,礦石經(jīng)XRD檢測確認為純斜發(fā)沸石相,CEC達到210mmol/100g,目前正在做工業(yè)應用試驗,涉及海水提鉀、氣體分離等領域。
礦床位于華北地臺,距離我國著名的赤城獨石口沸石礦不足100km,礦床的產(chǎn)出時代為晚侏羅世,礦體呈似層狀,厚度3~10m,產(chǎn)狀單斜緩傾,10°∠15°,目前尚未進行正規(guī)地質工作,初步追索確定礦體走向延長約有70m,上下圍巖為凝灰?guī)r、角礫狀凝灰?guī)r、珍珠巖。礦石由珍珠巖和/或凝灰?guī)r蝕變形成。
礦石以淺黃色為主,兼有淺灰色,表面十分細膩,貝狀斷口,密度1.90g/cm3,礦石硬度較小,莫氏硬度約為4,易于破碎。
礦石薄片觀察具有顯著的光性顯示,但無法分辨晶粒,在單偏光下為全透明,在正交偏光下半透明,在掃描電鏡下由于礦石由單一礦物組成,又十分致密,觀察不到晶體形態(tài),只能見到礦石的斷口形貌(見圖1),由此判斷礦石的礦物結晶粒度不大于1μm。
礦石XRD分析結果見圖2,為高純斜發(fā)沸石物相。
礦石化學成分分析結果為(%):SiO269.20,Al2O311.65,F(xiàn)e2O30.48,CaO 3.27,MgO 0.50,K2O 2.89,Na2O 0.53,MnO 0.01,SrO 0.06,LOI 11.04。由此分析結果計算的斜發(fā)沸石分子式:(K2.08Na0.59Ca1.96Mg0.42Fe3+0.20Al0.49)(Si38.69Al9.31O96)·32H2O。從化學成分看,礦石具有約3%的可交換性K2O,今后在開發(fā)利用時其尾礦可用于農(nóng)業(yè)的土壤改良劑,具有一定的鉀肥肥效。其次,礦石的Fe2O3含量較低,礦石粉的白度較高,原粉白度達到80%,計算結果認為Fe3+是以可交換形式存在,其礦粉在改性時白度會大幅度提高,對礦石原粉進行鈉交換后,白度可提高到91%。
沸石產(chǎn)品的另一個重要指標是陽離子交換容量,國內(nèi)外商業(yè)斜發(fā)沸石產(chǎn)品高檔的CEC也只有170mmol/100g,產(chǎn)品中含有石英、長石和火山玻璃等雜相礦物,影響交換量。本礦石XRD測試達到純相斜發(fā)沸石,批量礦石加工的礦粉CEC達到210mmol/100g,比目前市售高檔斜發(fā)沸石的交換量高25%。由于礦石礦物結晶粒度較小,礦粉的離子交換速度更快,可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速改性,一般0.1~0.2mm的粉末在交換柱中只需30min就可完成Na+或離子的改型。
斜發(fā)沸石屬高硅沸石,結構穩(wěn)定性較高,單相礦石的穩(wěn)定性會更高,以往的斜發(fā)沸石產(chǎn)品結構穩(wěn)定性一般只有400~700℃,例如河北圍場鹿圈礦,斜發(fā)沸石含量55%,450℃2h后沸石結構完全破壞;河北赤城獨石口礦,斜發(fā)沸石含量75%,600℃2h后結構完好無損,700℃2h后結構受損,XRD(020)強度只有原有的50%。本礦石斜發(fā)沸石含量100%,700℃2h后結構未受損,700℃6h后結構輕微受損,XRD(020)強度為原有的90%,此時,礦石的熱失重為12.3%,800℃2h后結構受損,XRD(020)強度為原有的10%。
天然沸石不耐堿,Na(OH)、Na2CO3及Ca(OH)2均可破壞斜發(fā)沸石結構,但其耐酸性比較強,本礦石0.1~0.3mm顆粒在濃度為1mol/L的HCl中100℃煮2h,結構未破壞;在2mol/L的HCl中100℃煮2h,結構也無破壞;在4mol/L的HCl中100℃煮2h,結構受損,XRD(020)強度為原有的55%。
研究發(fā)現(xiàn)斜發(fā)沸石的陽離子交換順序為:Cs+>Rb+>>K+>Na+>Li+,因此,斜發(fā)沸石可用于海水提鉀,已有的試驗證實,斜發(fā)沸石(含量50%~75%)的K+交換容量為13.4~19.5mg/g。本礦石的K+交換容量為23.8mg/g,如果海水提鉀裝置以本礦石為介質可提高效率20%以上,目前,該礦石已提供給海水提鉀項目組進行中試。
由于斜發(fā)沸石以前沒有高純商品,所以沒有在催化和氣體分離等高技術領域進行產(chǎn)業(yè)化試驗。本礦石已經(jīng)多家應用機構化驗,證實了它的高純品質,具有耐高溫、耐酸、結構相對穩(wěn)定等特性,引起相關技術人員的重視,目前正在進行高技術領域的相關應用研究。
P619.217;TD985
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1007-9386(2010)05-0017-01
2010-07-16