摘 要

煤系高岭土富含硅和铝，可以通过酸浸脱铝提取其中活性铝成分加以综合利用。本试验针对粒度-325目煤系高岭土原矿，采用XRD、XRF、TG-DSC等技术对原矿进行矿物学研究。对本实验研究所用的湖北宜昌煤系高岭土的X射线衍射研究分析表明其中所含的矿物成分主要有长石、石英、高岭石等。XRF分析表明煤系高岭土中Al₂O₃含量为34.18%，SiO₂含量为49.03%。

将煤系高岭土在各温度下焙烧不同小时，制得高活性偏高岭土。采用了常压加温浸出活性铝的方法，详细的研究了不同条件对偏高岭土中活性铝浸出的影响，研究的主要因素有：偏高岭土焙烧温度和焙烧保温时间，盐酸酸浸偏高岭土时的水浴温度，盐酸酸浸偏高岭土时的盐酸浓度，酸浸偏高岭土时的酸浸时间和酸用量与偏高岭土用量的比例。

本文用EDTA络合滴定法测定活性铝溶出率。单因素试验结果表明：煤系高岭土经700℃焙烧、3h焙烧保温制备获得的偏高岭土具有较大活性；在酸浸浓度15%、液固比为8、酸浸时间150min、酸浸温度90℃的条件下浸出，活性铝溶出率最高，达到34.34%。

关键词：偏高岭土；加压酸浸出；活性铝；溶出率

Abstract

Coal measures kaolin as the solid waste in the process of coal mining, bring serious pollution problems. In recent years, its deep processing and comprehensive utilization of more and more the interest of scholars. This experimental research institute in hubei yichang coal measures kaolin X-ray diffraction analysis showed that containing main mineral composition of feldspar, quartz, kaolinite, and so on. Coal measures kaolin is a rich source of silicon and aluminum, can be extracted by acid leaching dealuminated the silicon, aluminum content of the comprehensive utilization of them. In this paper, using the hydrochloric acid leaching aluminum, detailed study of the different conditions in the experiment of coal measures kaolin of alumina leaching, involves main factors are: Metakaolin calcined temperature and holding time, hydrochloric acid pickling metakaolin when water bath temperature, hydrochloric acid pickling metakaolin when the concentration of hydrochloric acid, hydrochloric acid pickling metakaolin when the dosage of acid or hydrochloric acid leaching time and dosage of metakaolin liquid-solid ratio

The activity was evaluated by EDTA complexometric titration method aluminium dissolution rate. The single factor experiment results show that the coal measures kaolin by 850 ℃ roasting, 3 h preparation of metakaolin calcined holding time; In acid leaching concentration 15%, liquid-solid ratio of 8, 150 min pickling time, acid leaching temperature 90 ℃ under the condition of leaching, active aluminium dissolution rate is highest, at 34.34%.

Key words: single factor experiment; Hydrochloric acid leaching; Active aluminium dissolution rate; The best conditions

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

1.1.1 高岭土资源概况 1

1.1.2 高岭土全球分布状况 1

1.1.3 国内外高岭土及偏高岭土的开发利用现状 1

1.2 本课题的研究目的、意义及内容 3

1.2.1 研究的目的及意义 3

1.2.2 研究内容 4

第2章 试验药剂、设备与方法 6

2.1 试验药剂 6

2.2 试验设备 6

2.3 试验方法 7

2.3.1 试验研究方法 7

2.3.2 试验测试方法 7

第3章 煤系高岭土原矿矿物学 9

3.1 X射线荧光光谱分析（XRF） 9

3.2 原矿X射线衍射分析（XRD） 10

3.3 原矿热重-差热分析（TG-DSC） 10

3.4 小结 11

第4章 偏高岭土加温酸浸试验研究 12

4.1 偏高岭土酸浸温度对铝溶出率的影响 12

4.2 偏高岭土酸浸时间对铝溶出率的影响 13

4.3 偏高岭土酸浸浓度对铝溶出率的影响 14

4.4 偏高岭土和盐酸用量的液固比对铝溶出率的影响 15

4.5 焙烧温度对铝溶出率的影响 15

4.6 焙烧保温时间对铝溶出率的影响 16

4.7 偏高岭土及溶铝产物的XRF分析 17

4.8小结 18

第5章 结论 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1 国内外研究现状

1.1.1 高岭土资源概况

高岭土属于重要的非金属矿产资源，而且在全球都有分布，并且可以利用的作为矿产资源的高岭土资源丰富。

高岭土（2SiO₂·Al₂O₃·2H₂O）属于黏土类矿物。其理论化学组成为46.54%的SiO₂、39.5%的Al₂O₃、13.96%的H₂O，其分子结构为二八面体^[1]。高岭土主要包括以下类型的矿物：蒙脱石、地开石、高岭石等黏土矿物；以及石英、长石、云母等非黏土矿石。高岭土所含化学成分主要是SiO₂，Al₂O₃。还含有少量的杂质主要是：TiO2、Fe₂O₃、CaO和MgO。

我国高岭土矿产总量大于30亿t，且矿石种类繁多，包括14.32亿t的非煤系高岭土矿产资源和17亿t的煤系高岭土矿产资源 。煤系高岭土是我国特有的高岭土种类，储量位居世界第一，煤系高岭土主要存在于煤炭资源比较发达的地区^[2]，在我国国内的分布包括内蒙古（储量8.27亿t）、山西（储量3.4亿t）、河南（储量2.03亿t）、陕西（储量1.16亿t）、安徽（储量0.5亿t）等^{[2, 3]}。我国的高岭土矿床主要分布在西部（4%）、中部（28%）以及东部（25%）地区，具有代表性的是广东茂名的风化沉积型的高岭土，福建龙岩的铁钛杂质较少的风化型高岭土，苏州热液蚀变型高岭土^[4-6]。

1.1.2 全球高岭土分布概况

全世界现有的高岭土资源存有量约300亿t。散布于世界六十多个国家和地区。而其中又以美国的高岭土资源最为丰富，为86亿t。其中佐治亚州为其中最总要的嵌布地区，矿石储量占全美的80%左右，也因此世界上最主要的高岭土矿产资源生产国是美国。中国、英国、印度和保加利亚次之，这几个国家高岭土资源总占有量占全球的70%左右。中国的高岭土资源分布广泛但大多数国家和地区都还只是将高岭土用作造纸涂料、填料以及陶瓷。

1.1.3 国内外高岭土及偏高岭土资源的开发利用状况

高岭土是具有优良性能的非金属工业重要矿产，其具有较高的白度、良好的结构特性及可塑性、较易的分散性、较高的粘性、良好的抗酸性、耐火性以及电绝缘性等优良特性，这些特性导致其具有非常广泛的应用范围。比如现在已经在应用的有电子、塑料、橡胶、化纤、建筑材料、农药等等几十个行业。我国的煤系高岭土在应用的过程中也存在诸如：技术落后，效率低，生产厂家规模比较小；缺乏统一规划，并且在基础的科学研究方面投资较少；不光产品的种类少还只能生产一些低档的产品；资源开采利用率低等的问题^[7]。

而国外的高岭土应用领域的产品附加值显然比我们要高一些，产品的档次也会高些，比如在美国高岭土资源可用于玻璃纤维、耐火材料、油漆和催化剂等产品当中。相对的在美国，消费高岭土的主要市场就有玻璃纤维、油漆和催化剂等。而在欧洲，陶瓷还是人们喜爱的物品，所以高岭土用量最大的行业依然是传统的陶瓷行业^[8]

高岭土在适当的温度下焙烧一定的时间会脱去水分形成偏高岭土，制备偏高岭土有两种常见的方法：第一种是直接加温焙烧;第二种是高岭土与碱混合之后再一起焙烧^[9]。偏高岭土具有火山灰活性而且表现出热力学中的介稳状态，这可能是因为偏高岭土中的分子排列呈现出不规则形态导致的。

偏高岭土目前的应用领域也比较多，主要是利用了偏高岭土的特殊性能。比如现在偏高岭土应用最活跃的有水泥混凝土、地质聚合物、分子筛、催化剂等行业领域。

偏高岭土由于其具有的优良特性，所以偏高岭土应用最多的是在高性能的混凝土研究领域。有关资料表明:高岭土在焙烧形成偏高岭土的过程里会导致化学键遭到大量破坏产生化学键断裂，也就同时具备了非常大的表面能，因而偏高岭土能与Ca(OH)₂生成更多的水化物，从而具有更加强大的充填密实作用。黄宗凯^[10]等对偏高岭土在普通混凝土和高性能混凝土中的研究和应用做了比较翔实的比较工作，得出的结果认为：偏高岭土可以用来代替硅灰掺杂在混凝土中制造高强度混凝土；在制做高强混凝土时矿粉双掺的效果没有偏高岭土和粉煤灰双掺形成的高强混凝土强度高。用偏高岭土作混合料配制高强度混凝土时，掺量在15%之下时，制备的混凝土的强度与偏高岭土掺量成正比关系，且偏高岭土掺量与过程中所需高效减水剂的量成正比，但是适宜掺量为10%左右。且最好的高岭土焙烧成偏高岭土的温度为750℃。另外，对掺偏高岭土混凝土的各项性能的许多研究结果都表明，在混凝土中加入偏高岭土能显著改良混凝土的分子结构从而使得耐久性越发突出，并且其火山灰活性与硅灰活性相当^[11]。

在地质聚合物领域的应用。地质聚合物具有许多特性，例如: 耐酸性、耐久性、耐热性和制备过程的节能环保性，可广泛应用于交通、建材、冶金、核废料处理等领域。所以最近受到国内外的研究者的极大兴趣。郑娟荣^[12]等的试验表明偏高岭土地聚物的抗压性能与高岭土的焙烧温度成正比，但在约900℃时开始降低，且获得的地聚物硬化体的抗压性能与煅烧高岭土硅铝溶出率(即活性)有一定的相关性。彭军芝^[13]等的实验研究表明偏高岭土虽然保持了层片状结构，但片状和管状晶体尺寸变小、颗粒间隙下降、结块数量上升；属于一种结晶程度很差的过渡相状态，火山灰活性很高。在水玻璃作用下可产生胶凝反应形成地聚合物，其3d抗压强度可达55.64MPa。

制备催化剂基质。秦素亚等^[14]对偏高岭土用研磨-焙烧-碱处理的方法制备了流化催化裂化的催化剂大孔基质。试验成果表明，在这个过程之后，偏高岭土中生成了100-2000nm 的大孔，所生成的大孔与偏高岭土中原来的介孔构成了介孔-大孔双峰状态，用这个条件下获得的偏高岭土为FCC催化剂基质与以高岭土为FCC 催化剂基质进行比较，重油裂化生成汽油的回收率从28.82%提高到了36.14%。

合成分子筛。王雪静^[15]等用偏高岭土水热生成NaY 分子筛，纳米分子筛具有常规分子筛所不具有的诸如以下的一些特性：较大的比表面积、较大的中孔体积、优良的热稳定性能、高微分活性、高轻油产率，高强的重油裂解能力。周新涛^[16]等用偏高岭土水热合成磷酸硅铝分子筛。在473 K 下，晶化24 h 时，可获得结晶度较高的SAPO–5 晶体，其形貌为尺寸约200 nm 的柱状晶体，平均孔直径为9.72 nm，比表面积为205.9 m²/g，孔容为0.73 cm³/g，属于介孔材料。