活性白土的制备参数优化与活化机理研究

活性白土的制备参数优化与活化机理研究

岳增川;张朝辉;张璇

【摘要】朝阳建平地区有着丰富的膨润土资源.为促进该地区膨润土精深加工产业的发展,加快其产业结构转型升级,以取自该地区的某膨润土为原料,以活性度和脱色率为参考指标,进行了湿法活化实验.通过控制变量法对制备过程中的固液比、活化温度、硫酸浓度和活化时间等参数进行了优化,确定了最优的制备参数为:固液比1∶3,活化温度90℃,硫酸浓度15％,活化时间4h.并利用ICP-OES、XRD、FTIR、TG-DTA等检测手段对膨润土原土和活性白土的化学组成、晶体结构、官能团、热性能进行了对比分析,得出了膨润土的活化机理为:非硅酸盐矿物的脱除,H+对层间阳离子的置换,结构单元层的部分溶蚀及层内阳离子的部分溶出.研究成果可为建平地区膨润土深加工产业提供相应的技术支持和理论基础.

【期刊名称】《辽宁师专学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2018(020)002

【总页数】6页(P95-100)

【关键词】非金属矿;膨润土;深加工;酸活化;活化实质

【作者】岳增川;张朝辉;张璇

【作者单位】朝阳师范高等专科学校生化工程系,辽宁朝阳122000;朝阳师范高等专科学校生化工程系,辽宁朝阳122000;朝阳师范高等专科学校政治经济系,辽宁朝阳122000

【正文语种】中文

【中图分类】TD985

0 引言

膨润土是一种重要的非金属矿产资源，有“万能黏土”的称誉，其主要成分为蒙

脱石，（晶体结构式：（Na，Ca，K，Li）0.2～0.6｛（Al2－xMgx）2［（Si，Al）4O10］（OH）2｝），除此之外还有少量伊利石、高岭石、沸石、长石等矿物［1、2］.膨润土经酸活化处理后称为活性白土或漂白土，是一种具有微孔网络

结构的白色、灰白色粉体，具有蒙脱石含量高、比表面积大、离子交换能力和吸附性较强的特点，广泛应用于食品、环保、石油化工、医药化妆品等领域，是一种高附加值的膨润土深加工产品［3、4］.本文以建平某膨润土为原料，采用湿法活化

工艺，探究了固液比、酸浓度、活化时间和温度等参数对产品性质的影响规律，并分析了膨润土的活化机理.

1 膨润土性质分析

实验原料取自建平某膨润土矿，颜色呈淡黄色，土状光泽.用陶制颚式破碎机和球

磨机将其破、磨至－200目，其化学成分和物化性质分析结果见表1和表2.

表1 膨润土化学成分单位：%组成 SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O Fe2O3 TiO2其他含量65.94 15.89 1.40 1.78 3.16 0.64 3.32 0.49 7.38

原土E（Na＋＋K＋）／E（Ca2＋＋Mg2＋）＞1，可判断其为典型的钠基膨润土，性质优良，具有良好的离子交换能力和吸附、膨胀特性，蒙脱石含量较高.

表2 膨润土主要物化性质单位：%性质 CEC（mmol／100g）吸蓝量（g／100g）膨胀容（mL／g）胶质价（mL／15g）含量95.34 35.43 40.5 363.4

2 活性白土的制备

实验仪器：岛津IFAffinity－1s型红外光谱仪、利曼Prodigy7型电感耦合等离子体发射光谱仪、岛津TG－60AH型差热－热重仪、岛津7000XRD分析仪、HHS

－6S型恒温水浴锅、2XZ型真空泵、HJ－5型多功能搅拌器、PHS－3C型酸度计等.

药剂：硫酸、乙酸钠、焦磷酸钠、亚甲基蓝、氢氧化钠等，均为分析纯.

制备过程：首先取－200目膨润土50g放入锥形瓶中，加入去离子水和适量硫酸，配成一定固液比的矿浆，放于恒温水浴锅中加热，并用搅拌器搅拌，反应一段时间后取出，抽滤脱水并水洗至pH≥5.5，烘干、研磨即得活性白土产品.

实验过程中以活性度和脱色率为参考指标，以固液比、活化温度、活化时间、硫酸浓度为变量，对活性白土制备工艺参数进行优化.

最后对最佳条件下制得的活性白土产品进行相关质量指标测定.活性白土活性度和

脱色率的测定严格按照HG／T 2569－2007所示方法进行.

2.1 固液比和活化温度

固定硫酸浓度为10%，活化时间6h，活化温度90℃，选取固液比为1∶2、1∶3、1∶4、1∶5进行实验.增加固液比可增加膨润土的活化面积，但过大固液比也会导致活化过度，膨润土结构过度溶蚀［5］.由图1可以看出，随着液体比例增加，脱色率与活性度均呈现出先增后减的趋势，但变化幅度不同，当固液比为1∶3时，两项指标均较佳，因此确定固液比为1∶3.

固定硫酸浓度为10%，固液比1∶3，活化时间为6h，依次选取活化温度为50℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100℃，探究温度对活化效果的影响.结果由图2可知，随着温度增加，脱色率和活性度均增加，直至到达90℃后，出现减弱趋势，

因此确定最佳活化温度为90℃.

2.2 硫酸浓度和活化时间

由于活化时间、硫酸浓度二者之间联系密切且对活化结果影响较为显著，因此实验过程中固定固液比为1∶3，活化温度90℃，同时改变活化时间与酸浓度，以寻求这两项指标的最佳组合.实验结果见图3、图4（见p97）.

由产品的脱色率来看，当硫酸浓度为5%或10%时，酸度较低，活化速度较慢，

活化耗时需达到6～8h，才可使产品具有较高的脱色率，且随着时间延长脱色率

增长速度逐渐放缓趋于零；当硫酸浓度为15%时，活化反应较为迅速，反应4h

脱色率即可达到99%以上，而后随着时间延长，脱色率增加不再明显；当硫酸浓

度为20%时，反应时间为2h的产物与硫酸浓度15%的产物相比有一定优势，但

随着时间的延长，优势逐渐减小，直至产生活化过度、脱色率降低的现象；脱色率最高值为99.5%，出现在硫酸浓度为20%、活化时间4h的组合.

由产品活性度来看，较低的酸度会导致活化不完全，过长的时间则会造成活化过度，均会降低产物活性度；且随着酸度增加，造成活化过度所需的时间越来越短.活性

度最高值为231.5mmol／100g出现在硫酸浓度为20%、活化时间2h的组合中，但该组合产物的脱色率仅为95.4%.

综合而言，当硫酸浓度为15%、活化时间4h时，产物脱色率为99.3%，活性度221.9mmol／100g，两项指标均较佳，因此确定该组合为最佳的酸度、活化时间组合.

2.3 活性白土产品质量指标

按照所探索的最佳工艺参数，固液比1∶3，活化温度90℃，硫酸浓度15%，活

化时间4h，生产1kg活性白土产品，测得其活性度为222.8mmol／100g，脱色率99.3%，游离酸0.125%，堆密度0.823g／cm3，比表面积为189.87m2／g，各项指标均达到了国标中活性白土的质量要求.

3 活化机理分析

对原土和活性白土分别进行化学成分、XRD、FTIR、TG－DTA分析，通过对比二者之间的性质差异，探究膨润土的活化机理.