劉 倚 豆，馬 紅 超，付 穎 寰，馬 春，董 曉 麗，薛 文 平

（大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

膨潤土是一種含水鋁硅酸鹽黏土礦，被譽(yù)為“有千種用途的黏土”。膨潤土中含有許多可回收利用的元素，如硅、鋁和鐵等。如果能將其中的硅、鋁、鐵等提取出來加以利用可進(jìn)一步擴(kuò)寬膨潤土的應(yīng)用領(lǐng)域，如將硅用來生產(chǎn)日化助劑速溶性偏硅酸鈉［1］、橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑白炭黑［2］等；將鋁用來生產(chǎn)鋁系凈水劑（如聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合硅酸硫酸鋁）［3-4］等。目前膨潤土活化通常采用酸化法，即用硫酸或鹽酸［5-6］處理膨潤土。酸浸不僅要將礦粉進(jìn)行焙燒，且酸浸過程鋁等金屬離子的浸出速率較慢、浸出率較低，因而導(dǎo)致整個(gè)工藝流程復(fù)雜、廢酸液不易處理、能耗相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)效益不佳。因此，通過高溫焙燒和添加劑活化劑來提高鋁的溶出率已成為人們深入研究的重要課題［7-9］。本文采用硫酸銨作為活化劑，通過與膨潤土高溫固相反應(yīng)，使除二氧化硅以外的其他金屬物質(zhì)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的易溶于水的硫酸鹽而分離，其工藝流程簡單，所得的二氧化硅的純度和活性都較高。目前，對(duì)于工藝的系統(tǒng)研究報(bào)道較少［10］。該方法作為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水玻璃和白炭黑等產(chǎn)品的前處理工藝非常適合。本文詳細(xì)考察了硫酸銨用量、活化時(shí)間與溫度對(duì)膨潤土提鋁的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試劑

原料為遼寧黑山鈣基膨潤土（主要成分見圖1及表1），膨潤土的主要成分為層狀結(jié)構(gòu)蒙脫石，此外還有少量的石英?；瘜W(xué)試劑有硫酸銨、鹽酸、乙二胺四乙酸二鈉、二甲酚橙、乙酸銨、鋅粒、無水乙醇與固體氟化鈉，以上試劑均為分析純。

圖1 膨潤土XRD 譜圖Fig.1 The XRD of bentonite

表1 膨潤土的主要化學(xué)成分（X 熒光光譜分析）Tab.1 Results of natural bentonite by X-ray fluorescence spectrometry

1.2 方 法

將膨潤土與硫酸銨按一定比例研磨混合均勻，放入馬弗爐中灼燒；加入蒸餾水溶解抽濾，取出液相分析鋁含量。

Al浸出率的測定：濾液中鋁離子的浸出率采用EDTA 絡(luò)合反滴定法，即將獲得的硫酸鋁溶液中的Al3+與過量EDTA 充分絡(luò)合，過量的EDTA采用鋅鹽滴定，然后加入氟離子釋放EDTA，再用鋅離子標(biāo)定置換出來的EDTA［11］。由此計(jì)算出樣品中的鋁的提取率。

樣品物相分析，用日本D/Max-A 型X 射線衍射儀，銅靶，射線波長λ=0.154 0nm，Ni濾光片，管壓40kV，管電流50mA。

X 熒光光譜分析：采用德國布魯克公司生產(chǎn)的型號(hào)為SRS-3400的X 熒光光譜儀，主要性能指標(biāo)：X 光管功率40kW，最高管壓60kV，最大電流150mA，X 光管鈹窗厚度75mm，掃描速度最大為200°/min，光譜室溫度穩(wěn)定性±0.01 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 活化溫度對(duì)鋁浸出率的影響

將硫酸銨與膨潤土按質(zhì)量比為1∶2.5的比例混合均勻，選擇焙燒時(shí)間為2h，考察不同活化溫度（400、440、480、550、600 ℃）對(duì)膨潤土提鋁效果的影響。從圖2可看出，鋁的浸出率隨浸出溫度的升高先增加后降低，在480 ℃浸出率最大。這是因?yàn)闇囟壬撸蛩徜@將被分解成氨氣和硫酸［12］，在480 ℃時(shí)，硫酸銨完全分解，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，擴(kuò)散系數(shù)增大，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈，促進(jìn)了鋁的浸出。但溫度過高浸出率又逐漸下降，這是由于活化生成的硫酸鋁在高溫重新分解生成氧化鋁，從而使鋁的浸出率降低。選擇480℃為最優(yōu)焙燒溫度。

圖2 焙燒溫度對(duì)鋁浸出率的影響Fig.2 Effect of different roasting temperature on aluminium leaching

2.2 硫酸銨用量對(duì)鋁浸出率的影響

圖3為硫酸銨和膨潤土在480℃活化2h，考察硫酸銨用量［m（硫酸銨）/m（膨潤土）分別為0.5、1.5、2.5和3.5］對(duì)膨潤土提鋁效果的影響。從圖3可以看出，隨著硫酸銨用量的增加，鋁的浸出率逐漸增加，當(dāng)硫酸銨的用量達(dá)到膨潤土質(zhì)量的2.5倍時(shí)，鋁的浸出率達(dá)到85%，進(jìn)一步增加硫酸銨的用量對(duì)鋁浸出率的影響不明顯。說明反應(yīng)完全，因此確定硫酸銨與膨潤土最佳質(zhì)量比為2.5。

圖3 硫酸銨用量對(duì)鋁浸出率的影響Fig.3 Effect of ammonium sulfate dosage on aluminium leaching

2.3 焙燒時(shí)間對(duì)鋁浸出率的影響

固定m（硫酸銨）/m（膨潤土）與活化溫度分別為2.5、480 ℃，考察活化時(shí)間（0.5、1.0、2.0、3.0、5.0h）對(duì)提鋁效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4可知，隨著焙燒時(shí)間的延長，鋁的浸出率逐漸增加，當(dāng)焙燒時(shí)間為2h，達(dá)到最大值85%，進(jìn)一步延長焙燒時(shí)間，鋁的浸出率反而迅速降低，這主要由于反應(yīng)時(shí)間過長，焙燒生成的硫酸鋁分解成氧化鋁，從而使鋁的浸出率降低，因此，膨潤土硫酸銨焙燒的最佳焙燒時(shí)間為2h。

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)鋁浸出率的影響Fig.4 Effect of different roasting time on aluminium leaching

2.4 產(chǎn)品XRD 分析及熒光光譜分析結(jié)果

膨潤土經(jīng)硫酸銨活化后產(chǎn)品X 射線衍射圖譜如圖5所示。比較圖1和圖5可以看出，酸浸后蒙脫石基本被全部分解，其中可溶性成分溶于浸出液，而硅變成了活性二氧化硅（在X 射線衍射圖中表現(xiàn)為彌散的衍射峰）；而石英等脈石不被分解，殘留在浸出渣中。

圖5 膨潤土浸出渣的XRD 譜圖Fig.5 The XRD of leaching residue of bentonite

表2是產(chǎn)品化學(xué)成分的X 射線熒光分析結(jié)果，由產(chǎn)品主要成分分析顯示硫酸銨活化對(duì)去除Al、Fe、Mg、Ca等雜質(zhì)都有很好的效果，且產(chǎn)品SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)94.3%。

表2 產(chǎn)品的主要化學(xué)成分（X 熒光光譜分析）Tab.2 Results of product by x-ray fluorescence spectrometry

3 結(jié)論

（1）采用硫酸銨作為活化劑，通過與膨潤土高溫固相反應(yīng)，能夠有效破壞礦物晶體結(jié)構(gòu)，使除二氧化硅以外的其他金屬物質(zhì)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的易溶于水的硫酸鹽而分離。

（2）在本工藝最佳工藝條件下可將85%的鋁浸出，產(chǎn)物的二氧化硅純度可達(dá)94.3%。

（3）與傳統(tǒng)液相酸活化方法相比，本方法工藝簡單，可連續(xù)操作性強(qiáng)，具有較高的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。