（中國粉體技術網/班建偉）煤系高嶺土是一種與煤共生的硬質高嶺土，儲量大、分布廣，一般含80%~90% 以上的高嶺石，較砂質高嶺土高，但其含較多鐵、鈦、碳等雜質，浸染成灰、黑、褐等色調，影響其在造紙、搪瓷、橡膠、陶瓷、涂料、玻纖等行業中的應用。煤系高嶺土鐵雜質主要存在形式有：黃鐵礦(FeS2)、針鐵礦(FeO(OH))、褐鐵礦(Fe2O3 ·nH2O)、赤鐵礦(Fe2O3)、菱鐵礦(FeCO3)、磁鐵礦(Fe3O4) 等。主要除鐵方法有水洗、浮選、磁選、煅燒等物理方法；酸浸、漂白、氯化焙燒等化學方法；生物除鐵等其他方法。
湖北宜昌地區煤系高嶺土含鐵高，鐵主要以黃鐵礦形式存在，黃鐵礦屬于硫化礦，易被黃藥類捕收劑浮選去除。因此，本試驗采用浮選方法去除煤系高嶺土中的黃鐵礦。對煤系高嶺土進行了原礦礦物學研究，對鐵的物相和含量進行了測試分析，研究了磨礦細度、抑制劑、pH 值、捕收劑等因素對浮選效果的影響，并對機理進行了分析。
1 實驗部分
1.1 原礦性質試驗
礦樣來自湖北宜昌，肉眼觀察呈灰黑色。XRF 分析得出礦樣主要化學成分(w/%)為：SiO2，45.72 ；Al2O3，33.01 ；Fe2O3，3.03 ；TiO2，1.77 ；SO3，2.23 ；CaO，0.072 ；K2O，0.12 ；Na2O，0.058 ；P2O5，0.037 ；Cr2O3，0.017 ；ZrO2，0.066 ；BaO，0.024 ；燒失量，13.76。對試驗礦樣進行XRD 分析，結果見圖1。
 由原礦化學成分和圖1 可知，SiO2 與Al2O3 摩爾比為2.35，高嶺土理論值為2，故該煤系高嶺土含有少量石英；XRD 分析顯示，該煤系高嶺土礦物組成(w/%) 為：高嶺石，82.9 ；石英，7.5 ；鐵、鈦染色雜質礦物（黃鐵礦、銳鈦礦、針鐵礦等），4.8 ；碳質，2.2 ；其他物質，2.6。
1.2 試劑及儀器設備
硫酸、水玻璃、碳酸鈉、丁基黃藥、松醇油，均為分析純。一級去離子水：電阻率大于10 MΩ·cm。FA2004 精確天平、38~250 μm標準石子篩、CQM-Φ180×200 瓷襯球磨機、RK/FD（0.75 L）單槽浮選機、RK/ZL-Φ260×200 多功能真空過濾機、FN-101-2 干燥箱、pHS-3C pH 計、D/MAXRB型X 射線衍射儀、Axios advanced 型X 射線熒光光譜儀。
1.3 試驗方法
煤系高嶺土原礦經對輥式破碎機閉路破碎至-2 mm，得到的-2 mm 礦在混勻后，縮分出每份250 g 的平行試樣。用縮分后的礦樣進行以下試驗：⑴ XRD 和XRF 分析，確定原礦物相和化學組成；⑵窄級別分級后對各粒級鐵的物相和Fe2O3 含量進行測試分析；⑶浮選試驗：將礦樣進行磨礦浮選試驗，試驗流程見圖2，采用1 粗1 精反浮選試驗流程，使用水玻璃抑制石英及硅酸鹽礦物，同時分散高嶺土礦漿，采用丁基黃藥浮選黃鐵礦，硫酸和碳酸鈉調節pH 值，用2 號油（松醇油）作為起泡劑。反浮選精選時起泡劑和捕收劑用量為反浮選粗選用量的一半，起泡劑用量固定，粗選為20 g/t，精選10 g/t。通過單因素試驗，研究磨礦細度、抑制劑、pH 值調整劑、捕收劑用量對高嶺土精礦產率和Fe2O3 含量的影響，尋求最佳工藝條件。
2 結果與討論
2.1 原礦中鐵的分布
煤系高嶺土中鐵雜質主要以二價黃鐵礦和三價針鐵礦形式存在，對原礦進行窄級別分級，各粒級中的Fe2O3 含量見表1，各粒級的XRD 圖譜見圖3。
由表1 可知，Fe 主要賦存在-250+125 μm、-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 4 個粒級，+250 μmFe2O3 含量最少。從圖3 可看出，針鐵礦的衍射峰較弱，鐵的主要衍射峰為黃鐵礦，d 值為0.271 nm，峰形尖銳，峰的強度大，可見該煤系高嶺土鐵雜質主要以黃鐵礦的形式存在。由圖3 還可看出，在-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 有較強的衍射峰，黃鐵礦主要賦存在這3 個粒級；而-60+45 μm、-45+38 μm、-38 μm 中黃鐵礦衍射峰微弱，說明黃鐵礦在這3 個粒級含量低；+250 μm 和-250+125 μm 基本沒有衍射峰，黃鐵礦基本不存在，這與表1 測得的各粒級Fe2O3 含量基本相符。
2.2 磨礦細度
取 250 g 礦樣，添加1.25 g 水玻璃，用瓷襯球磨機在磨礦質量分數35% 下磨礦不同時間，磨礦產品進行浮選試驗，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，不添加pH 值調整劑，即pH 值為6，試驗結果見圖4。
 由圖4 可知，當磨礦細度-74 μm 占68.12% 時Fe2O3 含量最低，這是因為黃鐵礦主要存在于中間粒級，合適的磨礦細度是保證鐵礦物單體解離的前提條件。隨著磨礦細度的增加，高嶺土精礦產率呈下降趨勢，這是因為磨礦細度增加，會使高嶺土過磨，產生大量礦泥，影響浮選效果。磨礦細度-74 μm 占68.12% 時，精礦產率達到92.91%，與產率最高點相差1% 左右，而Fe2O3 含量最低，綜合考慮，選取磨礦細度-74 μm 占68.12% 為最佳磨礦條件，此時磨礦時間為9 min。
2.3 抑制劑用量
在磨礦細度 -74 μm 占68.12%，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，無pH 值調整劑的條件下進行抑制劑用量的條件試驗，抑制劑用量為2.5~10 kg/t。抑制劑水玻璃用量對Fe2O3 含量以及精礦產率的影響，見圖5。
由圖5 可知，Fe2O3 含量和精礦產率呈現先降低后增加的趨勢，這是因為隨水玻璃用量的增加，石英和硅酸鹽礦物受到抑制，Fe2O3 含量減少；但當水玻璃用量過大，達到10 kg/t 時，黃鐵礦也會受到抑制，使得Fe2O3 含量急劇升高。水玻璃用量在3.75 kg/t 和7.5 kg/t 時Fe2O3 含量達到最低，而精礦產率相差1%左右，結合經濟成本考慮，選擇抑制劑水玻璃最佳用量為3.75 kg/t。
2.4 pH 值調整劑用量
本試驗用硫酸和碳酸鈉調節pH 值。確定磨礦細度-74 μm 占68.12%，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，抑制劑水玻璃3.75 kg/t，改變pH 值調整劑用量。pH 值對Fe2O3 含量以及精礦產率的影響，見圖6。
 由圖7 可知，Fe2O3 含量和精礦產率均呈先降低后增加的趨勢，隨著丁基黃藥用量從64 g/t 增加到80 g/t，Fe2O3 含量從0.79% 降低到0.77%，繼續增加丁基黃藥用量，Fe2O3 含量在0.77% 附近波動，變化不明顯，而精礦產率在94% 附近波動，綜合考慮，捕收劑丁基黃藥粗選最佳用量為80 g/t，精選為40 g/t。
2.6 流程試驗
用對輥破碎機將煤系高嶺土原礦閉路破碎至-2 mm，用上述單因素條件試驗確定的最佳工藝條件來進行煤系高嶺土反浮選黃鐵礦的流程試驗，最佳工藝條件如下：采用1 粗1 精反浮選流程，磨礦時間9 min，磨礦細度-74 μm 占68.12%，抑制劑水玻璃用量3.75 kg/t，不添加pH 值調整劑，pH 值為6，捕收劑丁基黃藥用量粗選80 g/t，精選40 g/t。最終得到的高嶺土精礦Fe2O3 含量為0.77%，高嶺土精礦產率94.44%，鐵去除率達到76.00%，具有較好的浮選指標。
3 抑制與氧化機理
3.1 水玻璃的抑制機理
水玻璃能有效抑制石英等硅酸鹽礦物，同時也是高嶺土的有效分散劑。高嶺土有3 個解離面：層面（001）、端面（110）（010），其中層面（001）最易解離，當層面解離時不伴隨著化學鍵的斷裂，只有氫鍵斷裂，理論上層面不會荷電，但實際礦物中有Al3+、Fe3+ 取代Si4+，Mg2+、Fe2+ 取代Al3+，使得層面恒定荷少量負電；高嶺土端面（110）（010）發生解離時，晶胞中會有Al-O 和Si-O 的斷裂，斷裂生成的Al 和Si 吸附定位離子H+ 和OH- 而使高嶺土荷電，據報道，高嶺土在端面上的零電點PZC 為7.3±0.2，因此高嶺土端面在酸性條件下荷正電，堿性條件下荷負電。高嶺土飽和礦漿有一定的緩沖效果，在不添加pH 值調整劑的時候礦漿pH值1 min 后穩定在5.6 處，所以，在磨礦時高嶺土層面帶負電，端面帶正電，容易使高嶺土聚集成團，影響磨機磨礦效率，因此應該在磨礦時添加分散劑，降低礦漿黏度，增加礦漿分散性能。根據水玻璃在水中的溶液化學性質，水玻璃在pH 值小于9.4 時主要以Si(OH)4 形式存在，在pH 值為9.4~12.6 時主要以SiO(OH)3- 形式存在，在pH 值大于12.6 時，以SiO2(OH)22- 形式存在。一般認為水玻璃抑制石英和硅酸鹽礦物的主要作用是由SiO(OH)3- 和Si(OH)4 引起的，這兩種物質能吸附在礦物表面，它們又有很強的親水性，吸附在礦物表面后，使得該礦物親水而起抑制作用。
3.2 黃鐵礦的氧化機理
黃鐵礦表面容易發生氧化，早期黃鐵礦會生成缺金屬硫化礦FeSx，外層由硫組成，具有一定疏水性；進一步氧化，酸性條件下，黃鐵礦表面發生氧化生成Fe2+ 和S0，堿性條件下，黃鐵礦生成Fe(OH)3 和S0 ；更進一步氧化后，黃鐵礦表面生成 Fe2+（酸性）或 Fe(OH)3（堿性）和親水性的 SxOy2-（S2O32-、SO32-、S2O42-）。黃鐵礦的疏水性取決于其表面覆蓋的疏水性的S、FeSx 和親水性的 Fe(OH)3、SxOy2-，pH 值對其有很大影響，堿性條件下，生成的Fe(OH)3 親水，抑制了黃鐵礦的上浮，這與圖6 試驗結果相符。
4 結論
1. 由XRF 分析得到煤系高嶺土原礦Fe2O3 含量3.03%，SO3 含量2.23%。煤系高嶺土鐵、硫含量較高；由原礦XRD 以及窄級別分級后各粒級Fe2O3含量分布和XRD 圖譜分析可知，鐵雜質主要以黃鐵礦形式存在，黃鐵礦主要存在于-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 這3 個中間粒級，+250 μm 黃鐵礦含量最少。
2. 經破碎磨礦后采用1 粗1 精反浮選流程去除黃鐵礦，確定了各因素最佳條件：磨礦時間9 min，此時磨礦細度為-74 μm 占68.12%，抑制劑水玻璃用量3.75 kg/t，pH 值為6，捕收劑丁基黃藥用量粗選80 g/t，精選40 g/t。
3. 試驗得到最終高嶺土精礦Fe2O3 含量0.77%，精礦產率達到94.44%，鐵去除率達到76.00%，有較好的浮選指標。
4. 在磨礦時添加適量分散劑水玻璃，降低礦漿黏度，增加礦漿分散性能。同時，水玻璃溶液中的SiO(OH)3- 和Si(OH)4 吸附在石英及硅酸鹽礦物表面，使其親水而受到抑制。
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