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中国高岭土VS美国高岭土,差距在哪?

  高岭土(kaolin)是一种以高岭石族黏土矿物为主的黏土和黏土岩,属于非金属矿产,因江西省景德镇高岭村而得名。高岭土分为非含煤建造高岭土和煤系高岭土(岩)两种,目前,世界上生产的高岭土绝大多数属于前者,而煤系高岭土(岩)的开发利用还处于起步阶段。

  煤系高岭土,又称为煤矸石,是煤的伴生矿物。近年来,对煤系高岭土进行煅烧、酸碱改性等处理方法,使其大量用于高档的造纸填料、颜料级产品、分子筛等高附加值产品的制备,可广泛用于造纸、橡胶、电线电缆等行业。

  我国煤系高岭土分布广且种类复杂,但并非所有的煤系土都能作为生产双“90”(白度>90%、吸油值>90g/100g)造纸涂料煅烧高岭土的原料。经过煤矸石加工利用工作者几十年的探索和实践,得出:赋存于我国北方石炭-二叠纪系煤系地层主要煤层中的夹矸型高岭岩,是生产高白度造纸涂料级煅烧高岭土的优质原料。但与英美煅烧产品相比,我国煅烧高岭土产品很难同时满足白度>90%、吸油值>90g/100g的两个评判指标。

  下文对美国巴斯夫高岭土(KA)和朔州晋坤煅烧煤系高岭(KC)土进行对比研究,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)观察两种煅烧高岭土的微观形貌并对其进行物相鉴定。通过TG热重分析计算烧失量,并测定粒度吸油值白度等性能参数,分析二者的不同,以此得出一些启示,便于煤系高岭土的改性。

  01丨高岭土原矿特征分析

  【美国巴斯夫煅烧高岭土】

  来源:美国佐治亚州矿带,该矿带是美国最大的高岭土矿床和产区。

  矿床类型:次生沉积矿床。该高岭土矿的特点是自身均一性好,在自然沉积作用过程中,高岭土按粒径大小进行了天然分级。其中<2μm的颗粒占60%以上,含矿率>90%,主要矿物成分为高岭石。该高岭土为软质高岭土

  主要特点:矿体含砂量较高,自然白度高,但其有害组分铁含量稍高,煅烧后白度偏低,通常需要进行水洗、漂白、除砂等加工。

  【晋坤高岭土】

  来源:山西省朔州市平鲁区

  矿床类型:山西省朔州市平鲁区高岭岩矿床是产于石炭系地层中的沉积型矿床。矿石为硬质黏土岩,区内高岭岩矿石矿物简单,以片状高岭石为主,平均达90%以上,片径多为0.2~1.0μm,杂质矿物主要是石英、硅质岩屑,含量为3%~10%,其次是有机质,含量为1%左右,其他黏土矿物如伊利石、水云母、蒙脱石等仅占0.5%~1%,金属矿物微量,以褐铁矿、黄铁矿为主。该高岭土是硬质煤系高岭土。

  主要特点:质地纯,高岭石含量达90%以上,有害组分含量低,Al2O3平均含量为36.26%、Fe2O3平均含量为0.65%,大多含有1%左右的有机质和碳质,矿石本身多呈灰黑色,自然白度低,通常需要进行研磨、煅烧脱碳等加工,烧后白度高(白度达95%),矿石质量较好。


  02丨不同产地煅烧高岭土化学成分分析

  两种煅烧高岭土的化学成分测试结果见表1。

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  从表1可以看出,二者的化学组成差别不大。测试结果显示,两种样品中CaO、MgO、K2O和Na2O的含量均<0.5%,而Fe、Ti含量较高,计算得到美国煅烧高岭土中Fe2O3含量为1.74%,而TiO2含量达到1.39%,朔州煅烧煤系高岭土中含量稍低,Fe2O3含量为0.82%,TiO2含量为0.95%。

  03丨吸油值及白度测试

  吸油值和白度是涂布造纸用高岭土最重要的性能指标。我国煅烧煤系高岭土与国外煅烧高岭土相比,吸油值方面仍有很大差距。按照GB/T3780.2—2007《炭黑第2部分:吸油值的测定》规定的方法测试样品吸油值,二者白度和吸油值数据见表2。美国煅烧高岭土吸油值比朔州煅烧煤系高岭土高30g/100g,在白度方面,后者稍优于前者。

  04丨X射线衍射分析

  样品的X射线衍射图谱如图1所示,图中K代表高岭石,M代表莫来石。由图1可看出,煤系高岭土生料呈现出典型的高岭石特征图谱,而经过煅烧后的样品基本上已经变成无定形态的偏高岭土,有少量的莫来石生成,可推测二者煅烧温度均在1000℃左右。

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  05丨样品的微观形貌分析

  美国煅烧高岭土和朔州煅烧煤系高岭土在扫描电镜下的微观照片如图2所示。(b)图显示为美国煅烧高岭土,其片层状结构明显,均呈现出近六边形的结构,而(a)图为朔州煅烧煤系高岭土,其颗粒粘结性增多,片层堆积比较明显。可能是由于煅烧温度较高,煤系高岭土脱羟基更彻底,从而导致烧结现象更加明显,结构坍塌增多,进而块状结构增多。这也成为了中国煅烧煤系高岭土吸油值低的一个原因。


  06丨样品的粒度分布

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  三种不同样品的粒度区间分布如图3所示。从图3可看出,美国煅烧高岭土与未煅烧煤系高岭土在大粒径范围的变化趋势基本相似,而<0.5μm的小颗粒存在一个微小的突起;煅烧后的煤系高岭土粒度相对较小,但美国煅烧高岭土粒度分布较窄。按照颗粒堆积理论,粒径分布宽,小颗粒填充到大颗粒堆积的空隙内,进而使得堆积密度变大,致使能够储存油的空隙变小,故吸油值降低。

  通过对两种产地的煅烧高岭土进行对比可以发现:

  吸油值较高的美国煅烧高岭土在化学成分上基本与朔州煅烧煤系高岭土一致,但其Al2O3含量较高,TiO2和Fe2O3含量也略高于朔州煅烧煤系土。其为软质高岭土,自然白度较高,煅烧后白度降低,微观上堆叠层片状结构明显,有少量莫来石相生成,预估煅烧温度在1000℃左右,粒径分布较窄。而朔州煤系高岭土为硬质高岭土,质地纯、有害组分含量低,大多含有1%左右的有机质、碳质,矿石本身多呈灰黑色,自然白度低,通常需要进行研磨、煅烧脱碳等加工,烧后白度高(白度95%),矿石质量较好。

  通过对比发现,晋坤公司利用平鲁区楼子沟煤系高岭岩加工生产的超细煅烧高岭土在白度、粒度、涂料耐洗刷性、筛余物及分散性等主要技术指标均达到(部分超过)美国煅烧土的质量标准,但吸油值仍有一定差距。

  为了提升煅烧煤系高岭土的吸油值,后期可以通过减小粒径、将粒径分布变窄、避免烧结等途径来实现,也可通过造孔进而增大比表面积来实现。

  来源:李亚军等,《朔州煤系高岭土和美国巴斯夫高岭土的特征对比》


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