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獨具特色的煤系高嶺土
高嶺土是一種以高嶺石為主的粘土材料,因最早產自于江西景德鎮的高嶺村而得名。高嶺土按其成因可分為原生高嶺土、次生高嶺土,前者指鋁硅酸鹽礦物組成的中酸性巖石經長期化學風化后未經自然力搬運而與母巖殘留在一起的高嶺土,中國南方地區所產高嶺土多屬這種類型;后者是指經自然力搬運而沉積下來,同時在搬運和沉積過程中又混入各種雜質的高嶺土,主要產在石炭-二疊系的煤層中,以煤層中頂底板、夾矸或單獨形成礦層獨立存在,當煤矸石中高嶺巖含量超過80%就稱為煤系高嶺土礦,屬于硬質高嶺土,具有較高的利用價值,是中國獨具特色、具有廣闊利用前景的重要非金屬礦產。
煤系高嶺土材料產業追求高質量發展
我國煤系高嶺土儲量主要分布在山西、內蒙古等地。近年來,煤系高嶺土成產業“熱土”。內蒙、山西等地區的各大礦區已經引起了對煤系高嶺土資源開發利用的高度重視。
2021年11月,內蒙古自治區工信廳發布《關于印發自治區新材料產業高質量發展方案(2021-2025)》的通知。表示未來5年將重點發展建材及非金屬礦物材料等新材料產業,規劃到2025年,建成高端煤系高嶺土160萬噸以上產能規模。并在呼和浩特、鄂爾多斯兩市布局煤系高嶺土材料產業建設。加快顏料級、造紙涂布級、涂料級高嶺土新型煅燒工藝、關鍵設備開發與產業化。
2022年3月,山西省政府辦公廳印發了《關于支持煤系高嶺土材料產業高質量發展的意見》,提出要實施一批重大工程和項目、打造大規模產業化基地,推進煤系高嶺土由“低效、低值、分散利用”向“高效、高值、規模利用”轉變,全面推動高質量發展,并提出力爭二O二五年形成晉北煤系高嶺土材料產業基地。
作為一種粘土礦物材料,煤系高嶺土自身具備一定的比表面積和吸附性能等優點,但其自身結構、物理化學性質的局限性,并不能完全滿足現代工業生產的需求,煤系高嶺土材料產業若要高值化發展,離不開改性。
煤系高嶺土的改性及應用
煤系高嶺土改性方法根據用途的不同多種多樣,常用的改性方法有煅燒,插層/剝離,包覆改性,酸堿改性等方法。
煅燒改性
為了從外觀呈現黑色或褐色的煤系高嶺土中得到高白度、高質量的高嶺土產品,煅燒是極其關鍵的步驟之一。煅燒后的煤系高嶺土白度較高,可以用于涂料或是白色顏料。另外,煅燒煤系高嶺土具有散射力強、塑性好、活性高、絕緣性能和熱穩定性能好、孔隙率和遮蓋率高、容量小等優點,所以在橡膠填料、塑料、日用化妝品、農藥和醫藥產品中被大量應用,在紡織、石油、國防、化工等領域也有應用。
來源:山西金宇科林科技有限公司
目前,作為超細煅燒高嶺土行業的重點企業,山西金宇科林科技有限公司已具備年生產功能性煤系煅燒高嶺土50萬噸,消化煤矸石固廢60萬噸的能力,產品主要應用于熱敏紙、裝飾紙、水性涂料、汽車電泳漆、橡膠塑料和化工等行業。同時在石油催化、印刷油墨、聚酯化纖等行業也具有廣闊的應用前景。
插層/剝離改性
插層/剝離是指通過機械物理作用、化學反應或者兩者的結合作用,破壞高嶺土的層間氫鍵,擴大其層間間距,最終達到層與層間的分離而獲得剝離出結構單層,以達到增加高嶺土活性與比表面積的方法。插層的方法多種多樣,但無論利用哪種方法對高嶺土進行插層都離不開插層劑的使用,同時需要結合外部機械力、微波、超聲波、煅燒等條件的變化而實現。
程宏飛等以醋酸鉀為插層劑,將高嶺土與質量百分比濃度分別為 5%、15%和30%的醋酸鉀溶液以1∶4的比例共混攪拌2h,然后將攪拌后的漿料放入磨剝桶內磨剝2h,經過濾分離、水洗,除去多余醋酸鉀,最后烘干、打散,制備出插層剝片高嶺土。將其填充至丁苯橡膠復合材料中,有助于提高丁苯橡膠復合材料的力學性能,尤其對拉伸強度有很大的改善作用。
包覆改性
包覆改性分為金屬氧化物與有機物包覆兩種方式。此方法簡便易操作,同時可以大幅提升高嶺土的附加價值,擴展了高嶺土的應用領域。如經過表面改性包覆二氧化鈦后,煤系煅燒高嶺土具有與鈦白粉相近的功能,由于具備更高的著色力、遮蓋力,尤其適于使用在高速刮刀涂布機上。
酸堿改性
酸堿改性可以有效的溶解高嶺土中的Al2O3及其他金屬氧化物成分,而Al2O3及其他成分浸出后會使得高嶺土比表面積增加。由于這種特性的存在,高嶺土又被視為提取鋁源的重要礦物資源,成為了鋁土礦的替代品。
王玉飛分別用鹽酸、氫氧化鈉對煅燒煤系高嶺土進行改性,得出了吸油值最佳時所對應的處理條件,由于高嶺土煅燒處理后形成了具有酸反應活性的四面體Al,鹽酸改性后高嶺土中的Al元素浸出,極大地豐富了高嶺土的孔道結構;氫氧化鈉改性能浸出煅燒高嶺土中的Si元素,使小孔結構增加,這是因為煅燒處理后高嶺土中的一部分SiO2轉化為游離的SiO2,易于與堿性物質發生反應。酸改性中高嶺土中的金屬氧化物雜質浸出,也能使高嶺土孔道豐富,進一步提升其孔徑、粒度分布、比表面積等重要性能參數。隨堿處理時間的增加,煅燒煤系高嶺土孔徑分布變寬,比表面積減小、孔體積增加,裂化活性和裂化選擇性提高。
小結
隨著優質高嶺土資源的不斷利用與開發,優質高嶺土資源占有量逐年減少,煤系高嶺土的進一步開發利用迫在眉睫。通過煅燒、有機/無機/酸堿改性等手段對其進行改性,能夠使煤系高嶺土廣泛應用于建筑、造紙、陶瓷、橡膠、化工等多個產業領域。
參考資料:
周麗等.煤系高嶺土在耐火材料中的應用
牛三鑫.改性煤系高嶺土的制備及其對剛果紅吸附性能研究
史帥.硅烷改性煤系高嶺土及對廢水中Cr(Ⅵ)的吸附研究
朱睿等.高嶺石的特性及其復合催化材料研究進展
內蒙古工信廳、山西省政府辦公廳等
(中國粉體網編輯整理/黑金)
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