高嶺土是以高嶺石為主要成分的黏土類礦物，俗稱為“瓷土”，包括高嶺石、珍珠石、地開石和埃洛石等礦物，其脈石礦物主要有石英、長石、云母、鐵礦物和鈦的氧化礦物等。

高嶺石的晶體化學(xué)式為Al₄［Si₄O₁₀］（OH）₈，是1:1型層狀硅酸鹽礦物，由一個硅氧四面體層和一個鋁氧八面體層構(gòu)成，層間由氫氧鍵連接。

▼高嶺石晶體結(jié)構(gòu)

根據(jù)其質(zhì)地、可塑性和砂質(zhì)可分為硬質(zhì)高嶺土、軟質(zhì)高嶺土和砂質(zhì)高嶺土。根據(jù)其成因可分為煤系高嶺土和非煤系高嶺土。

煤系高嶺土是煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，包括硬質(zhì)高嶺土、半軟質(zhì)高嶺土和軟質(zhì)高嶺土，其儲量占我國高嶺土總儲量的50%以上。

我國高嶺土儲量豐富，已查明資源量21.00億噸，占世界查明資源量的9.46%，僅次于美國及印度，居世界第三位，主要分布在廣東、陜西、福建、江西和廣西等地。

目前，高嶺土廣泛應(yīng)用于陶瓷、造紙和橡膠等領(lǐng)域，其應(yīng)用過程中一個非常重要的工藝性能參數(shù)就是白度。

造紙、搪瓷、橡膠和陶瓷用優(yōu)質(zhì)高嶺土的白度要求分別為≥87.0%、≥80.0%、≥78.0%和≥90.0%。有機(jī)質(zhì)和含鐵、鈦、錳等元素的礦物以及過渡金屬氧化物等有害雜質(zhì)都會不同程度的降低高嶺土的白度。

研究發(fā)現(xiàn)，晶格內(nèi)的鐵離子不會影響高嶺土的白度，但獨(dú)立存在的赤鐵礦、黃鐵礦和褐鐵礦則會降低高嶺土的白度。改性高嶺土和納米高嶺土的興起使高嶺土在環(huán)保、國防和醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得更優(yōu)良的應(yīng)用性能，但同時也對高嶺土的品質(zhì)有更加嚴(yán)格的要求。國內(nèi)生產(chǎn)的高嶺土產(chǎn)品白度普遍不高，因此多用于陶瓷用二、三級高嶺土，難以滿足造紙和陶瓷用優(yōu)質(zhì)高嶺土的白度要求。

此外，不同領(lǐng)域用高嶺土對其Al₂O₃、SiO₂和Fe₂O₃等含量均有要求，優(yōu)質(zhì)高嶺土依賴進(jìn)口。因此，對高嶺土進(jìn)行提純，繼而提高其品質(zhì)及附加值已成為高嶺土生產(chǎn)及應(yīng)用所面臨的主要問題之一。

對高嶺土進(jìn)行提純的目的是去除鐵礦物、鈦礦物和有機(jī)質(zhì)等有害的染色雜質(zhì)，以提高產(chǎn)品的白度，或去除石英、長石等砂質(zhì)礦物，以提升高嶺土產(chǎn)品的品質(zhì)，進(jìn)而拓展其應(yīng)用的廣度及深度，獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益，以及充分利用高嶺土資源。

目前，高嶺土提純采用的工藝主要包括重選、磁選、浮選、浸出、化學(xué)漂白和焙燒等。

▼高嶺土主要提純方法

重選提純工藝主要是利用高嶺土和脈石之間的密度和粒度差異，去除輕質(zhì)的有機(jī)質(zhì)和Fe₂O₃等含鐵、鈦和錳等元素的高密度雜質(zhì)，以達(dá)到提純高嶺土的目的，減少或去除雜質(zhì)對其白度的負(fù)面影響。

同樣，利用高嶺土和脈石顆粒的密度差異，采用離心工藝也可以去除石英等脈石顆粒，達(dá)到提純高嶺土的目的。

實(shí)踐表明：重選提純高嶺土是行之有效的，以小錐角旋流器組或離心機(jī)替代高嶺土提純流程中的洗滌和篩分作業(yè)，既能實(shí)現(xiàn)洗滌和分級的目的，還可以去除部分雜質(zhì)，具有較好的應(yīng)用價值。但同時也要考慮僅通過重選工藝很難得到符合要求的最終高嶺土產(chǎn)品，重選提純后仍要通過煅燒、磁選和浸出等方法以得到最終合格產(chǎn)品。

最新研究進(jìn)展：

任瑞晨以六偏磷酸鈉為分散劑，采用直徑為150、75、50、10mm的小錐角旋流器四級串聯(lián)流程對高嶺土進(jìn)行提純，不僅顯著降低了Fe₂O₃的含量，而且有效去除了粗顆粒石英。隨著旋流器直徑的減小，溢流產(chǎn)品鋁硅比不斷提高，表明通過旋流器組對高嶺土進(jìn)行提純時選用小錐角旋流器是合理的。

 

J.M.R.deFigueiredo等對平均粒徑為11.8、14.95μm的兩種高嶺土礦樣進(jìn)行提純研究，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的高嶺土礦漿加入碳酸鈉攪拌24h后給入旋流器進(jìn)行提純，結(jié)果表明旋流器去除石英等脈石礦物是有效的。旋流器組可替代高嶺土提純流程中的洗滌和篩分作業(yè)，既簡化了洗滌及篩分流程，又可以去除部分雜質(zhì)，是高嶺土生產(chǎn)工藝改進(jìn)的一條途徑。

 

易龍生等對高嶺土進(jìn)行離心脫硅試驗(yàn)，在最優(yōu)條件下，可除去大部分石英及部分長石，使高嶺土產(chǎn)品中的SiO₂含量減少5.2%，Al₂O₃含量增加1.5%。

磁選工藝用于去除高嶺土中的赤鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦和金紅石等弱磁性染色雜質(zhì)。磁選不需要使用化學(xué)藥劑，對環(huán)境無污染，因而在非金屬礦的提純過程中使用較為廣泛。去除高嶺土中的弱磁性雜質(zhì)顆粒需要較高的磁場強(qiáng)度和磁場梯度，而磁選技術(shù)的發(fā)展及設(shè)備的升級，使高嶺土等非金屬礦的磁選提純得以有效實(shí)現(xiàn)。

立環(huán)高梯度磁選機(jī)作為一種高性能的強(qiáng)磁選設(shè)備，在高嶺土提純的生產(chǎn)中已經(jīng)得到使用。我國目前已經(jīng)研制出適合非金屬除雜的具有高磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的立環(huán)高梯度磁選機(jī)，隨著磁選技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的更新，高嶺土的磁選提純工藝將取得更好的效果。超導(dǎo)磁選機(jī)作為一種新興的磁分離技術(shù)，具有高場強(qiáng)、節(jié)能、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，也被用于高嶺土的提純。

磁選提純工藝解決了因含鐵量高而不具備商業(yè)開采價值的低品質(zhì)高嶺土資源的開發(fā)利用問題，超導(dǎo)磁選機(jī)更是可以直接處理含雜質(zhì)較多的高嶺土。但單一的磁選作業(yè)也難以獲得高品質(zhì)的高嶺土產(chǎn)品，目前還需要配合化學(xué)漂白等其他工藝來進(jìn)一步降低高嶺土產(chǎn)品的含鐵量。

最新研究進(jìn)展：

熊大和采用立環(huán)高梯度磁選機(jī)對淮北煤系高嶺土原礦進(jìn)行處理，產(chǎn)品中Fe₂O₃的含量＜0.5%，可將煅燒產(chǎn)品白度提高到93%，實(shí)現(xiàn)了較好的提純效果。

王浩等采用高梯度磁選機(jī)提純高嶺土試驗(yàn)結(jié)果表明，該磁選機(jī)不僅可以有效去除Fe₂O₃，也能明顯降低K₂O和TiO₂的含量，進(jìn)一步提高產(chǎn)品白度。除了對磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度要求較高外，礦漿流速、磁介質(zhì)種類等因素對高嶺土的磁選提純也起到一定影響。同時還發(fā)現(xiàn)，在相同磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度下，通過優(yōu)化礦漿流速和選擇合適的磁介質(zhì)可以使高嶺土產(chǎn)品的自然白度提高1%。

李亦然等采用超導(dǎo)磁分離技術(shù)對高嶺土進(jìn)行提純試驗(yàn)，結(jié)果表明磁介質(zhì)越細(xì)，場強(qiáng)越高，除鐵效果越好，同時發(fā)現(xiàn)礦漿流速對提純效果影響明顯，礦漿最佳流速為1cm/s。在最優(yōu)條件下將高嶺土中的Fe₂O₃含量由2.5%降至0.93%。因其磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，超導(dǎo)磁選機(jī)可用于直接提純雜質(zhì)含量高的高嶺土。

浮選提純工藝可以有效去除高嶺土中的含鐵、鈦和碳雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)回收再利用煤系高嶺土等低品級高嶺土資源。高嶺土顆粒較細(xì)，比脈石礦物更難上浮，因此高嶺土浮選提純工藝多采用反浮選以達(dá)到較好的去除雜質(zhì)的效果，如反浮選除碳、脫硫和除鐵。

水玻璃被用于高嶺土反浮選除雜過程中抑制石英及硅酸鹽礦物，同時對高嶺土起到較好的分散效果。反浮選工藝除碳藥劑使用量少，具有較好的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。

反浮選除雜流程中對不同雜質(zhì)可選用不同的捕收劑。相關(guān)研究表明：羥肟酸螯合捕收劑可以與高嶺土中的雜質(zhì)金屬離子形成螯合環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效捕收。采用螯合捕收劑可以簡化浮選流程，減少生產(chǎn)費(fèi)用，同時因?yàn)椴恍枰砑踊罨瘎?，從而減少了藥劑用量和對后續(xù)選別作業(yè)的影響。

浮選提純工藝多用來處理雜質(zhì)較多和白度較低的高嶺土原礦，以實(shí)現(xiàn)對低品級高嶺土資源的綜合利用。浮選可使高嶺土的白度明顯提升，其不足之處在于需要添加化學(xué)藥劑，造成生產(chǎn)成本增高，且易對環(huán)境造成污染。螯合捕收劑等新型藥劑的研發(fā)是浮選提純研究的主要方向之一。

最新研究進(jìn)展：

洪微等對高嶺土進(jìn)行反浮選脫碳試驗(yàn)，在高嶺土磨礦細(xì)度為-0.045mm含量占83.57%時，以煤油為捕收劑，松醇油為起泡劑，水玻璃作為抑制劑，通過條件試驗(yàn)確定了最佳浮選條件：煤油、松醇油和水玻璃的最佳用量分別為600、150、2500g/t，在該條件下游離碳基本被除去，減少了碳質(zhì)對后續(xù)提純的影響。

曹學(xué)鵬開展了對高嶺土反浮選脫硫研究。高嶺土的硫元素主要賦存于黃鐵礦中，所處理的高嶺土92.68%的硫賦存于黃鐵礦中。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著磨礦細(xì)度增加，對硫的浮選回收效果越好，但-0.074mm含量超過90%時產(chǎn)生的細(xì)泥會對浮選產(chǎn)生影響，最終在-0.043mm含量占95%的磨礦細(xì)度下實(shí)現(xiàn)硫的回收率87.30%，獲得硫品位48.77%的硫精礦，達(dá)到良好的脫硫效果，既對高嶺土進(jìn)行了提純，又實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用。

余力等研究發(fā)現(xiàn)，自制的含有磷酸-2-乙基己基脂的捕收劑對氧化鐵雜質(zhì)的去除效果顯著優(yōu)于氧化石蠟皂和油酸鈉等傳統(tǒng)捕收劑。

浸出是通過適當(dāng)浸出藥劑來選擇性地溶解并去除高嶺土中的某些雜質(zhì)組分的方法，如使用鹽酸或硫酸的酸法浸出和微生物浸出法。浸出工藝流程簡單、節(jié)能、可降低生產(chǎn)成本，具有較好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

煤系高嶺土中含有黃鐵礦、褐鐵礦和赤鐵礦等雜質(zhì)，在煅燒過程中黃鐵礦會被氧化成黑褐色的鐵氧化物，使高嶺土的白度有所降低。氧化亞鐵硫桿菌可以通過催化氧化作用分解黃鐵礦，因此可以用于去除高嶺土中的黃鐵礦。

與目前常用的提純工藝相比，浸出提純工藝流程簡單，可以顯著降低生產(chǎn)成本，使低品位高嶺土得到有效的開發(fā)利用，具有更高的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)然，在采用微生物浸出時，必須進(jìn)行更加嚴(yán)格的環(huán)境評估及經(jīng)濟(jì)效益評估。

最新研究進(jìn)展：

陳武生等對主要含鐵雜質(zhì)為黃鐵礦和赤褐鐵礦的高嶺土進(jìn)行提純研究，浮選和強(qiáng)磁選提純效果較差。采用濃度25%的硫酸對含鐵較高的硬質(zhì)高嶺土進(jìn)行酸浸處理5h，其除鐵率可達(dá)37.67%。因原礦中鐵多以黃鐵礦的形式存在，為到達(dá)更好的除鐵效果，以H₂O₂為氧化劑進(jìn)行氧化酸浸，結(jié)果表明H₂O₂濃度為2mol/L時，采用0.5mol/L的鹽酸浸出，除鐵率可達(dá)到45.83%。

雷邵民等對富黃鐵礦煤系高嶺土采用微生物浸出法進(jìn)行研究。從酸性礦坑水中獲取氧化亞鐵硫桿菌對黃鐵礦進(jìn)行氧化，其氧化速度比自熱氧化提高3倍，脫硫率超過83.82%，除鐵率超過72.32%，使產(chǎn)品白度提升12.1%～13.9%，有效地實(shí)現(xiàn)了除鐵脫硫的目的。

A.Zegeye等用希瓦氏菌浸出高嶺土中的鐵雜質(zhì)，三價鐵僅在pH＜3的酸性條件下可溶，而二價鐵能在更大的pH值范圍內(nèi)溶解，希瓦氏菌具有較強(qiáng)的鐵還原能力，因此被用于浸出高嶺土中的鐵雜質(zhì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在30℃下希瓦氏細(xì)菌浸出5d即可使高嶺土的白度從54%提升至66%，ISO亮度從74%提升到79%，較好地提高了高嶺土的白度和ISO亮度指標(biāo)。

三價鐵離子及其氧化物是降低高嶺土白度的主要染色雜質(zhì)，通過化學(xué)試劑去除這些有害雜質(zhì)的方法稱為化學(xué)漂白法。高嶺土的化學(xué)漂白法分為氧化法、還原法和氧化-還原聯(lián)合法等。

氧化漂白法的原理是將還原態(tài)的有害著色雜質(zhì)氧化成可溶性的物質(zhì)，進(jìn)而將其去除，例如將黃鐵礦氧化成可溶性的硫酸亞鐵，然后將有機(jī)質(zhì)氧化后通過水洗去除。常用的強(qiáng)氧化劑有次氯酸鈉、高錳酸鉀和過氧化氫等。該方法在使用過程中需要嚴(yán)格控制體系的pH值，如果pH值過高將使Fe^2＋轉(zhuǎn)化為難溶的Fe^3＋；此外溫度、藥劑用量、礦漿濃度和漂白時間等對漂白效果均有影響，需經(jīng)條件試驗(yàn)確定最佳方案。

還原漂白法的原理是將難溶的三價鐵氧化物還原為可溶的二價鐵鹽，使有害元素鐵轉(zhuǎn)化為可溶相以溶解，繼而通過洗滌流程去除。常用的還原漂白藥劑有連二亞硫酸鈉（Na₂S₂O₄）和二氧化硫脲（HO₂SC（NH）NH₂）等。

該方法同樣需要嚴(yán)格控制體系的pH值。當(dāng)pH值較低時，連二亞硫酸鈉容易分解；當(dāng)pH值較高時，可以增強(qiáng)連二亞硫酸鈉的還原能力，但是被還原的二價鐵離子在高pH值條件下易發(fā)生氧化，又被氧化成難溶的三價鐵。同樣，如果反應(yīng)時間過長，剛還原的二價鐵離子也會被氧化成三價鐵離子，導(dǎo)致高嶺土白度的降低，在工業(yè)生產(chǎn)中將這一現(xiàn)象稱為“返黃”現(xiàn)象。

另外，還可以采用還原-絡(luò)合法來解決Fe^2＋的氧化問題。以草酸等為絡(luò)合劑與Fe^2＋發(fā)生反應(yīng)，可以生成可溶的［Fe（C₂O₄）₂·H₂O］^2-，進(jìn)而溶于水達(dá)到去除目的，同時也避免了Fe^2＋的氧化，達(dá)到較好的漂白效果。

化學(xué)漂白法可以大幅提升高嶺土產(chǎn)品的白度，但其生產(chǎn)成本較高，多用于對經(jīng)過除雜的高嶺土精礦進(jìn)行進(jìn)一步提純。連二亞硫酸鈉等藥劑的使用會產(chǎn)生酸性廢氣和廢水，對環(huán)境污染影響較大，因此采用此方法時需要考慮環(huán)保問題和經(jīng)濟(jì)合理性，今后的發(fā)展趨勢應(yīng)采用更加廉價且無污染的漂白劑。

最新研究進(jìn)展：

于瑞敏等采用還原法將高嶺土白度提高了21.7%，可見化學(xué)漂白法可以較大幅度地提高高嶺土的白度。同時發(fā)現(xiàn)漂白使Fe含量降低的同時，未明顯降低Al的含量。

 

聶鑫采用還原-絡(luò)合法從離子型稀土尾礦中提純高嶺土，在溫度50℃、pH值為3、保險粉和草酸添加量分別為3%和2.5%、漂白60min的條件下得到最佳的漂白效果，使高嶺土白度提高14.8%。

焙燒也是提高高嶺土白度的一種重要提純工藝。高嶺土可通過焙燒工藝去除其中的含碳雜質(zhì)，如通過磁化焙燒加磁選去除磁性雜質(zhì)，通過氯化焙燒去除某些金屬雜質(zhì)。

磁化焙燒將高嶺土中含鐵雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)磁性或強(qiáng)磁性的含鐵礦物，進(jìn)而通過磁選進(jìn)行雜質(zhì)的去除。

氯化焙燒是在高嶺土焙燒過程中添加氯化劑，使某些金屬氧化物和硫化物雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的氯化物以達(dá)到去除該金屬元素的目的。

焙燒提純工藝可以使高嶺土白度大幅提升而獲得高品質(zhì)的高嶺土產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對低品級高嶺土資源的利用，可獲得較高品質(zhì)的高嶺土產(chǎn)品。但該方法能耗大，生產(chǎn)過程中會對環(huán)境造成污染。因此，今后的發(fā)展思路是通過優(yōu)化焙燒流程和設(shè)備，不斷降低生產(chǎn)成本及污染，其對促進(jìn)焙燒提純高嶺土及資源綜合利用具有重要意義。

最新研究進(jìn)展：

姬夢姣等研究了低溫焙燒工藝從某低品級煤系高嶺土去除含碳雜質(zhì)，其中以化學(xué)需氧量（COD）來量化除碳效果。經(jīng)該工藝處理，在粒徑為0.043～0.074mm、升溫時間為3h、溫度在450℃下保溫1.5H時，COD值從27641.1μg/g降至1049.7μg/g，降低了96.20%。研究表明，采用該低溫焙燒可脫除表面和層間羥基，而不會破壞高嶺石結(jié)構(gòu)，同時使含碳有機(jī)質(zhì)有效分解，使該低品級煤系高嶺土達(dá)到玻璃纖維原料要求，有效實(shí)現(xiàn)對低品級煤系高嶺土資源的利用。

夏光華等對某鐵染高嶺土進(jìn)行提純研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)漂白法和磁選除鐵效果均不理想，而通過磁化焙燒顯著降低了高嶺土中的含鐵雜質(zhì)，磁化焙燒后的非磁性產(chǎn)品產(chǎn)率達(dá)84.4%，高嶺土白度由64.8%提升到87.4%，磁化焙燒對該高嶺土的提純效果優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)漂白法。

易龍生等采用氯化焙燒將煅燒白度為86.3%的高嶺土中的Fe₂O₃含量由1.26%降到0.35%，TiO₂含量由1.03%降到0.46%，Al₂O₃含量增加1.00%，煅燒白度增加至93.6%，得到了質(zhì)量較高的高嶺土產(chǎn)品。

單一的提純工藝難以獲得高品質(zhì)的高嶺土產(chǎn)品，特別是處理我國儲量較大的低品級煤系高嶺土以及礦石組成復(fù)雜的高嶺土。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用多種提純工藝相結(jié)合的聯(lián)合流程。