摘 要

本论文以新疆夏子街的膨润土矿样为研究对象，通过对原矿的特征、矿样的捣浆实验，提纯实验，膨胀容、胶质价、吸蓝量测试，XRD分析，XRF分析，红外光谱分析，较系统地研究了对该膨润土矿的提纯效果，理化性质，成分等。得到以下认识：

夏子街的膨润土理化性质：膨胀容8ml/g，胶质价330ml/15g，吸蓝量为112mmol/100g。原矿主要的矿物组成是蒙脱石、石盐；此外，还含有少量石英、沸石、方解石、高岭石等矿物。原矿中主要的化学成分有Na₂O（2.312%）、MgO（2.454%）、SiO₂（64.883%）、K₂O（2.061%）、CaO（1.046%）、Fe₂O₃（3.321%）。

捣浆的适宜条件：搅拌时间25min，分散剂0.2%，矿浆浓度12%。

提纯实验结果表明：根据斯托克斯定律进行自然沉降法提纯，将膨润土矿以-2μm、-5~ 2μm、-10~ 5μm、-20~ 10μm、-30~ 20μm、-45~ 30μm、-75~ 45μm、 75μm，这八个粒级提纯分离，得到各粒级精矿的产率分别对应为0.51%、1.30%、10.25%、11.63%、15.63%、25.35%、25.455%、3.40%。

矿物的理化性质测试结果表明，提纯后的精矿，各粒级之间的理化性质存在明显规律，即粒级越小，相关的理化性质测试数值越高，证明细粒级矿物中蒙脱石含量高于粗粒级矿物。

XRD图谱分析表明，经过湿法提纯后，各粒级精矿与原矿相比较，石英、石盐、方解石、沸石、高岭土等杂质显著减少，蒙脱石含量增加：各粒级精矿之间相比较，细粒级精矿蒙脱石含量高于粗粒级精矿，杂质的峰趋于平缓且有一部分消失。

XRF分析结果表明，因提纯后去除了大部分石盐，使该钙基膨润土的表面钠化失效，Na₂O含量降低，CaO含量升高。同时，SiO₂含量的减少，表明主要杂质石英的减少。

红外图谱分析结果表明，找到主要矿物蒙脱石的特征谱峰，主要杂质石英，方解石，高岭土的特征谱峰，证明找到的在提纯矿中的矿物与XRD分析结果相一致。

关键词：膨润土 湿法提纯 蒙脱石 理化性质

Abstract

In this paper, the bentonite ore samples from Xiazi Street in Xinjiang are taken as the research object. Through the characteristics of the ore, the slushing experiment of the ore samples, the purifying experiments, the swelling capacity, the valence of the gum, the amount of blue absorption, XRD analysis, XRF analysis, infrared spectrum Analysis, systematically studied the purification effect, physicochemical properties, and composition of the bentonite ore. Get the following understanding:

The physical and chemical properties of bentonite in Xiazi Street: swelling capacity 8 ml/g, gelatin price 330 ml/15 g, and the amount of blue absorption 112 mmol/100 g. The main mineral composition of the ore is montmorillonite and rock salt; in addition, it also contains a small amount of minerals such as quartz, zeolite, calcite and kaolinite. The main chemical components in the ore include Na₂O (2.312%), MgO (2.454%), SiO₂ (64.883%), K₂O (2.061%), CaO (1.046%), and Fe₂O₃ (3.321%).

The suitable conditions of the mash were: stirring time 25min, dispersant 0.2%, pulp concentration 12%.

The results of purifying experiments show that according to the Stokes law, the natural sedimentation method is used to purify the bentonite ore by -2μm, -5~ 2μm, -10~ 5μm, -20~ 10μm, -30~ 20μm, -45 ~ 30μm, -75~ 45μm, and 75μm, these eight fractions were purified and separated, and the yields of the respective grade concentrates corresponded to 0.51%, 1.30%, 10.25%, 11.63%, 15.63%, and 25.35%, respectively. 25.455%, 3.40%.

The physicochemical properties of minerals indicate that there are obvious laws on the physical and chemical properties of the refined ore after purification, that is, the smaller the grain size, the higher the relevant physicochemical property test value, which proves that the montmorillonite in fine-grained minerals The content is higher than coarse-grained minerals.

The XRD pattern analysis shows that after wet purification, the impurities of quartz, rock salt, calcite, zeolite, kaolin, etc. are significantly reduced and the content of montmorillonite is increased compared to the original ore. In comparison, the montmorillonite content of the fine-grained concentrate is higher than that of the coarse-grained concentrate, and the peak of the impurity tends to be gentle and partially disappears.

The results of XRF analysis showed that due to the removal of most of the rock salt after purification, the surface sodium of the calcium bentonite failed, the Na2O content decreased, and the CaO content increased. At the same time, the decrease in SiO2 content indicates a decrease in the main journal quartz.

The infrared spectrum analysis results show that the characteristic peaks of the main mineral montmorillonite, the main impurity quartz, calcite, and kaolin are characteristic peaks, and the found minerals found in the purified ore are consistent with the XRD analysis results.

Keywords: bentonite,wet purification,montmorillonite,physical and chemical properties

目 录

第一章绪论 1

1.1膨润土概述 1

1.1.1膨润土 1

1.1.2 膨润土成分及结构 1

1.1.3 膨润土的性质 1

1.1.4膨润土的应用 2

1.2国内外膨润土研究现状 3

1.2.1膨润土提纯主要方法 3

1.2.2膨润土研究现状 3

1.3研究目的及意义 4

1.4技术路线 5

第二章实验原料、设备及研究方法 6

2.1实验原料 6

2.2实验试剂与设备 6

2.3实验方法 7

2.3.1实验路线 7

2.3.2膨胀容、胶质价、吸蓝量的测试方法 8

第三章 膨润土的特征及捣浆实验 10

3.1膨润土的特征 10

3.1.1膨润土原矿的理化性质 10

3.1.2膨润土原矿的化学成分 10

3.1.3膨润土原矿的矿物组成 10

3.2捣浆实验 11

3.2.1搅拌时间 11

3.2.2分散剂用量的影响探究 12

3.2.3搅拌浓度的影响研究 13

3.3本章小结 14

第四章提纯实验 15

4.1各粒级的产率 15

4.2各粒级膨润土的理化性质 16

4.2.1膨胀容 16

4.2.2胶质价 16

4.2.3吸蓝量 17

4.3各粒级膨润土的矿物组成 18

4.4各粒级膨润土的化学成分 22

4.5各粒级膨润土的红外光谱分析 25

4.6本章小结 28

第五章结论 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1膨润土概述

1.1.1膨润土

膨润土( Bentonite)又叫班脱岩或膨上岩，是一种分布广泛的非金属矿产。1888年由美国地质学家W.C. Knight发现，并以美国怀俄明州产地 “ForBenton”命名为“Bentonite”，此后将具有膨润土部分物理性质的黏土统称为膨润土^[1]。在我国，膨润土又被称为斑脱岩、皂土、膨闰岩等，比较准确的命名为蒙脱石黏土，蒙脱石也称为微晶高岭土。在地质勘探过程中发现，膨润土矿期初开采时，因为地表土质比较疏松所以很容易，但后期发现其深部较为致密坚硬。通过现有研究可知膨润土具有较强的吸湿性，吸水量可为初始体积的十倍左右，而膨胀倍数可从数倍至三十多倍^[2]。

1.1.2 膨润土成分及结构

蒙脱石是膨润土的主要成分，蒙脱石决定了膨润土的多数性质，并且，在评价一种膨润土的性质优劣时，往往取决于该膨润土中的蒙脱石含量，当其中蒙脱石含量达到较高的比例时，其各项性质往往比较优异^[3]。蒙脱石又名微晶高岭土，是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构组成的硅酸盐矿物^[4]。依据蒙脱石层间的阳离子种类，膨润土分为钠基、钙基、镁基、铝基等多种类型^[5]。

1.1.3 膨润土的性质

因为膨润土的结构比较特殊，所以具有很多的优良性质 ^[6][7]。

1. 吸附性。蒙脱石的层状结构使其比表面积增大。巨大的比表面积也就意味着具有巨大的表面能，从而使其吸附气体、水分及色素的能力较强。
2. 膨胀性。膨润土具有很强的吸湿性，其吸水膨胀后，蒙脱石层间距增大，自身体积也因膨胀而增大。钙基膨润土吸水膨胀的体积一般为本身体积的3倍，钠基膨润土膨胀的以及可以达到15以上，吸水量通常是自身质量的5倍左右。
3. 分散性。蒙脱石的晶胞粒级极细，并伴有很多的金属阳离子和羟基，所以其亲水性和分散性等性能优异。
4. 阳离子交换性。没有提纯加工过的蒙脱石在以水为介质的体系中的阳离子交换量为0.7~1.4mmol/g。蒙脱石的晶胞结构特殊，可在四面体和八面体内进行同晶置换，低价阳离子在一定程度上置换成高价硅、铝离子，使蒙脱石晶胞带有负电荷，从而拥有了吸附有机分子、部分阳离子的能力。
5. 黏结性。膨润土加水混合后具有很强的黏结性。这个性质是因为膨润土亲水，颗粒细小，不规则等特性导致的，容易吸附微量有机形成溶胶、聚集等而具有黏结性。
6. 稳定性。膨润土能在300℃的高温下保持其理化性能特征不失效，表现为优秀的热稳定性。此外，膨润土在强酸、强碱溶液里的溶解度较小，不易被氧化剂和强还原剂破坏，在有机溶剂里不溶解，表现为较好的化学稳定性。

1.1.4膨润土的应用

膨润土具有优异的膨胀性、吸附性、阳离子交换性、粘结性、悬浮性、可塑性等性质，是制造粘结剂、吸附剂、净化剂等常用的原料，并被应用于冶金、医疗、机械、化工、食品、石油、造纸和环境保护等行业^[8]。

当代社会，随着科学技术的发展，研究方法和手段的提高，深入的了解了膨润土成分、性质及性能，同时伴随着社会经济的发展，对膨润土的需求日益增大，应用范围也渐渐扩大，膨润土成为了一种“万能矿物原料”。

1. 冶金工业

高炉炼铁一般需要将铁矿的粒度控制在一定范围内，最好为球状且粒度大小均匀，这样才能保证高炉燃烧的效率，达到好的透气性和还原性，以此达到大风快烧的目的。钙基膨润土和钠基膨润土都可作为生产铁矿球团的粘合剂的原料，这样既提高了高炉的生产能力，又节省了溶剂和焦炭的使用量。

(2)建材工业

在建材工业中，膨润土常作为生产轻型材料、硅酸盐水泥、防水材料、隔热材料、高级陶瓷、防腐蚀涂料和建筑涂料等的原料^[9]。

(3)日用化学工业

细膨润土粉可作为肥皂、化妆品、牙膏等日用品的原料。提纯改性后的优质膨润土作为原料生产洗发水，不仅改变了洗发说的粘稠性和触变性，而且显著提高了洗涤效果，简化了洗发护发的程序。

(4)铸造业

膨润土作为粘合剂的用途中，最主要的就是在金属器具的铸造过程中，将模具砂粒稳固到一起，使其可以承受一定范围内的塑性变化，从而防止因模具的变形损坏而造成经济上的损失，并且在铁水注入过程和冷却固结过程中，保持铸件模具的完整，使铸件轻易脱落。在高压铸造、精密铸造时，因钠基膨润土的性质优于钙基膨润土，故优先选用钠基膨润土。

（5）钻井业

膨润土是一种比较便宜的钻井材料，常作为添加剂在钻井泥浆中使用，主要起到润滑钻头、乳化钻井液、稳固井壁、确保钻孔不偏移等作用。在正常情况下，钙基土和钠基土更适用于钻石油探井、高压喷井、小口径钻井和不稳定地层的钻探。

1.2国内外膨润土研究现状

1.2.1膨润土提纯主要方法

目前现有的主要的提纯方法主要分为物理方法和化学方法两个大类，物理提纯方法又被称为选矿提纯法，还可以细分为手选、风选和水选这三种方法^[10]。

风选是工业生产中应用较多的提纯方法，但该方法使用的前提是原矿中蒙脱石的含量需达到80%以上，并且其中杂质矿物的粒度、密度及其硬度均要大于膨润土的相关性质，利用重力逐级沉降使矿物分离，从而达到提纯的目的^[11]。通过风选（干法提纯）所得到的膨润土纯度高，回收率大，工艺相对简单，操作方便，但我国大部分的膨润土矿含杂质较多，纯度不高，而干法提纯在低品位膨润土矿时并没有优势，故其在工业生产中应用减少^[12]。

水选主要应用于含杂质较多的膨润土矿，一般蒙脱石含量高于30%，低于80%，并且原矿中杂质粒度不是很大的情况下选用湿法提纯。湿法提纯又包括自然沉降法、絮凝法、高速离心发等，这几种方法区别在于工艺流程的不同。水选法利用蒙脱石与杂质矿物的密度之间的差异，膨润土中长石、石英等杂质的粒径比蒙脱石大，因此在分散介质中充分分散后，可根据沉降速度的不同，在相应的沉降时间点上将蒙脱石与其他杂质分离，从而达到提纯的目的。胡雪峰等采用了自然沉降法，对膨润土的提纯进行了研究，进行相关测试后，得到结果为：石英，高岭土等杂质含量百分比显著减少，蒙脱石含量有较大幅度的提升。

当膨润土原矿中含有较细粒级的石英等杂质时，想得到高纯度的膨润土，选用化学提纯法是最为适合的。化学提纯法的原理主要是使用化学药剂与所含杂质发生化学反应而去除，一般去除石英时常选用强碱药剂^[13]。

工业生产中，提纯方法的选用，往往是物理提纯法与化学提纯法共同作用，并且需要在了解当地膨润土后，根据膨润土的品位状况与理化性质，选择最为有效的提纯方法。

1.2.2膨润土研究现状

目前我国膨润土产业发展迅速，应用已达24个领域，400多种用途，其中铸造业占38%，钻井泥浆占24%，铁矿球团占16%，活性白土占15%，剩余的7%应用于轻工、农业等领域^[14]，尽管这部分的用量小，但其价值高，经济效益突出。另一方面，国内的膨润土产品主要以原矿粉为主，多数都以粗加工形式售卖，深加工领域的价值尚未挖掘，也就意味着深加工领域的巨大经济价值无法体现，这对于国家经济发展是一种重大的损失。目前多来越多的科研工作者将眼光聚焦于这一方面，其价值也将陆续开发，应用领域也将越来越广泛。

21世纪以来，膨润土的提纯研究报道越来越多。莫文生在提纯时分散剂的选用领域进行研究，对比了几种分散剂对湿法提纯的效果影响，得到在使用六偏磷酸钠为分散剂时，能有效提高膨润土的吸附性能等性质的结论。吴东印等在钙基膨润土提纯领域有所发现，先将钙基膨润土改性为钠基膨润土，以提高其膨胀容、分散性等理化性质，再选用离心法进行提纯，使原矿中石英等杂质与蒙脱石分离，得到更优的提纯效果。

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