CN1028016C - 粘土矿的处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了处理粘土矿的工艺，当在给定温度和悬浮液中完全散凝的粘土矿固体颗粒的百分比给定的情况下，增加悬浮液的流动性时，由此可以改变悬浮液的流变性质，该方法包括下列步骤：将塑性态粘土矿与少量的具有多元碱性基，其平均分子量不超过1000的水溶性有机化合物相混合，以及其后或同时，在混合物中每公斤干燥粘土矿消耗能量25-1000千焦耳的条件下把混合物进行机械加工。

Description

本发明涉及到粘土矿的处理，更详细地说，但不是唯一的说法，是涉及到提供适用于纸张涂层化合物中的颜料或者乳化油漆中作为补充剂的粘土矿的处理工艺。更一般地说，本发明涉及到粘土矿的处理工艺，其目的是改变粘土矿悬浮液的流变性质，这样的以致在给定温度和悬浮液中经处理的粘土颗粒完全散凝的重量百分比给定的情况下，其悬浮液的流动性（定义为粘度倒数）与类似的未经处理的粘土颗粒悬浮液相比较时，有所增加。该增值通过测定特定粘度和给定温度下，例如粘度为500mpa·s（毫帕·秒），温为22℃时，悬浮液中经处理的粘土颗粒完全散凝的重量百分比，并且将所得的值与按本发明未经处理的粘土矿悬浮液得到的值进行比较，可以简便地测得。

英国专利GB-1481307描述了一种工艺，其中将粘土矿悬浮液在固体颗粒含量为5至30%（重量），而pH值为2.8-7.5时，与少量（重量）的具有多元碱性基，而其平均分子量不超过1000的水溶性有机化合物相混合。由此在给定温度和在悬浮液中完全散凝的粘土矿颗粒的重量百分比给定的情况下，可以增加悬浮液的流动性。把粘土矿按上述方法处理之后，进行机械加工，如用螺旋式搅泥机，Z-浆式混合器，碾盘式碾碎机或者加工塑性原料用的类似机器，并且最好在经处理的粘土矿对每公斤干燥粘土消耗25-1000千焦耳能量的条件下得到悬浮液时，进一步增加粘土矿的流动性。

已经发现，英国专利GB-1481307描述的工艺，在改变粘土矿悬浮液的流动性方面是显著的，也发现通过该工艺处理的粘土矿悬浮液的过滤性有了改变。将经处理的粘土矿悬浮液经过滤形成的滤饼与未处理的粘土矿的比较，发现渗透性增加了，这样在给定压差下，过滤进行得更快，但也增加了滤饼的含水量，其结果由后来的热干燥步骤中必须除掉大量水分，因而提高了工艺的平均成本。另一个问题是水溶性有机化合物在粘土矿中具有絮凝作用，因此使粘土矿悬浮液变得更滞，难以抽筛。

根据本发明第一方面，提供一种粘土矿的处理工艺，该工艺包括将塑性状态的粘土矿与少量重量比的具有多元碱性基，并其平均分子量不超过1000的水溶性有机化合物相混合的步骤，然后在混合物中对每公斤干燥粘土矿消耗25-1000千焦耳能量的条件下，其后或者同时把混合物进行机械加工。

机械加工后，可以加热干燥该处理的粘土矿。

根据本发明第二方面，提供按本发明第一方面的工艺处理的粘土矿悬浮液。最好在悬浮液中干燥粘土矿的含量至少为55%（重量）。

本发明的工艺可以使用于如高岭石组族的粘土矿，例如高岭石，地开石，珍珠陶土和多水高岭石，或蒙脱石组的粘土矿，例如蒙脱石，贝得石和皂石，或者云母类粘土矿，如伊利石。塑性状态的粘土矿通常含22%至50%（重量）的水。已经发现，当塑性状态的粘土矿含有23%至28%（重量）水时，所得的结果为最好。将有机化合物可以加入到粘土矿中，以形成基本上纯的，未稀释的溶液，但某些情况下，加入有机化合物可以更便于形成有机化合物的水溶液并便于喷射粘土矿溶液。

在本发明工艺中使用的水溶性有机化合物，可以为多元有机碱，而最好只是碳，氢和氮的化合物，和游离的其他官能团，如羟基或羧酸基，这些 有机化合物便增加它们在水中的溶解度，因此可以增加悬浮液中有机化合物从粘土矿悬浮液中解吸的可能。有机化合物最好为其平均分子量为200至1000的聚乙烯亚胺（PEI），但用其它多胺，例如，乙烯二胺，二亚乙基三胺，四亚乙基五胺，六亚甲基四胺，和1∶12十二烷二胺，以及聚丙烯酰胺阳离子也可以得到有用的结果。可使用的水溶性有机化合物的另一个例子为聚乙烯二胺，该聚乙烯二胺可以是乙烯二胺和乙烯二卤化物或甲醛的聚合物。如果需要的话，可同时使用二个或多个水溶性有机化合物。已经发现，所使用的水溶性有机化合物的量，以干燥粘土的重量为基，最好为0.01%至0.25%（重量）范围，如果有机化合物的用量超过0.25%（重量），结果通常在粘土矿悬浮液中固体颗粒含量给定时，增加了（而不是减少）该粘度。

塑性状态粘土矿和有机化合物的混合物，最好用螺旋式搅泥机进行机械加工，但也可以使用能对塑性原料施加剪切效应的其它机器，如Z-浆式混合器或者滚盘混合器。

本发明工艺与GB-1481307所描述的工艺相比，具有如下优点：

第一，所需设备简单，成本低，为了将具有多元碱性基，并其平均分子量不超过1000的水溶性有机化合物，如PEI，渗入高岭粘土中，仅仅需要配备一个就如把50%（重量）PEI溶液滴入搅泥机供料漏斗中的简单计量泵。

第二，已经懂得，以成本一效果方法开动压滤机，必须使粘土悬浮液稠化到其比重大约为1.150（固体颗粒含量大约为21%重量）。按GB-1481307描述的方法，稠化到这样一个稠度之后，粘土悬浮液，特别是用PEI已经处理的粘土悬浮液，变得非常稠，并且难以从固定容器中抽出而进入压滤机。因此，现有技术带来了以PEI处理过的粘稠粘土悬浮液的装运，抽筛问题，而本发明工艺克服了这些问题。

第三，本发明工艺中，通过加热蒸发以干燥水份含量相对高的压滤机滤饼不是主要的，这些都是通过湿法来完成的。因此，在压滤机中，压差为120磅/平方英寸（Psi）（1.03兆帕（MPa））时，由脱水高岭土悬浮液形成的滤饼的标准含水量为33%（重量）。然而，如果高岭土悬浮液首先经过了PEI处理，例如，该滤饼的含水量应为36%（重量）。为了便于运输和出售，通常将高岭土干燥到含水量约为10%（重量）。在33%（重量）的水时，对100克干燥粘土加入49.25克水;36%（重量）水时，对100克干燥粘土中加入56.25克水;而10%（重量）水时，对100克干燥粘土中加入11.11克水。由此，可以看出，如果滤饼的原始含水量为36%，比原始含水量为33%的需要多蒸发18%的水。这就意味着，干燥粘土喷干设备的生产量降低18%，而燃料消耗增加18%。本发明工艺由于在指定温度和在悬浮液中完全散凝的粘土矿固体颗粒的百分比给定时，增加悬浮液的流动性，而对需要加热干燥的高岭土/水混合物的含水量没有明显影响，因此克服了这些缺点。根据GB-1481307所述的工艺，用不同量PEI处理的高岭土悬浮液，通过压滤机，于1.03兆帕（MPa）压差下，脱水形成的滤饼含水量如下：

以干燥高岭土重量为基的干燥

的PEI百分含量（重量）    滤饼的含水量（重量%）

0    37.1

0.025    39.1

0.05    40.0

0.1    40.6

GB-1481307描述的工艺，在增加高岭土/水悬浮液中高的固体颗粒流动性方面是显著的，其缺点是，增加了制备粘土产品过程中必须要蒸发的水含量。本发明的工艺，由于在塑性状态粘土矿（即，压滤后的粘土矿）中加入了水溶性有机化合物，弥补了这个不足。

因此，已要基本上考虑到，直接向粘土悬浮液中加入平均分子量不超过1000的具有多元碱性基的水溶性有机化合物，然后将悬浮液在机械加工前脱水，如用压滤机脱水。意外地发现，水溶性有机化合物能与塑性状态粘土矿混合，并且想不到的是，在塑性状态进行机械混合，足以使粘土矿中有机化合物基本上分布均匀，从而在给定温度和在悬浮液中完全散凝的粘土矿固体颗粒重量百分比给定时，有效地增加了悬浮液的流动性。

将参照实施例的方式，以更好地理解本发明，附图中：

图1为GB-1481307工艺的工艺流程示意图。

图2为本发明工艺的工艺流程示意图。

在图1和图2中，将固体颗粒含量为5-30%（重量）的纸张涂层分级高岭粘土悬浮液，通过导管1输入，然后用压滤器4脱水，形成含水量大约为22%至35%（重量）的塑性稠度的滤饼。将该滤饼输送到螺旋式搅泥机6中，挤压塑性原料，以形成蠕虫状的片，然后在干燥器7中加热干燥。

在图1中，附加的混合池3必须位于压滤器的上游，通过输入导管2，供给有机化合物的水溶液，与粘土矿的悬浮液进行混合。还必须提供一个设备（没有示出），用于连续测量由导管1输入混合池3的悬浮液的固体颗粒百分比（重量），以便精确计量进入混合池3的有机化合物溶液，从而定出精确的最适宜的有机化合物量。

在图2中，有机化合物的水溶液直接通过导管5输入到螺旋式搅泥机6。由压滤机4生产滤饼的速率和滤饼的含水量，基本上保持一个恒值，不需要很复杂的计量设备就可确保维持有机化合物的最佳用量。

通过以下实施例说明本发明：

实施例1

具有粒径分布为其75%（重量）由当量球体直径小于2微米的颗粒组成的一种纸张涂层分级高岭粘土，是由未加工的高岭土制备的，该制备工艺包括以水形成高岭土悬浮液的阶段，将悬浮液中的高岭土进行粒径分类，然后将细颗粒高岭土悬浮液以压滤机脱水形成含水量为34%（重量）的滤饼，再将经加热干燥到10%（重量）水份的同级比的高岭土与滤饼混合，该混合物的含水量约为25%（重量）。

然后将混合物样品经过实验室规模的螺旋式搅泥机，在不同条件下压制，每公斤干燥高岭土混合物消耗不同的能量。

将二个样品在搅泥机中进行机械加工，分别消耗了能量。对第一个样品加入平均分子量为400的未中和的聚乙烯亚胺（PEI）的50%（重量）的悬浮液0.18%（重量）（以干燥粘土重量为基），而第二个样品中没有加入聚乙烯亚胺。

对于以上述方法处理的每个试样，确定粘度为500mpa·s（毫帕·秒）散凝悬浮液试样固体颗粒的含量，如用布氏粘度计，在22℃时，使用100转/分的第三号主轴测得。

取出含100克干燥高岭土的试样。将65克干燥高岭土加入到含有六偏磷酸钠和氢氧化钠（其量经过试验测定的）溶液的混合容器中，提供使粘度为最小的散凝高岭土悬浮液和以足够的水形成具有固体颗粒含量的悬浮液，该含量以固体颗粒的重量百分比测定，该固体颗粒含量要比从玻璃棒末端流出的相同的高岭土悬浮液试样的固体颗粒重量百分比高3个单位。用实验室混合器，以1420转/分速度，总转数为25000转搅拌该混合物。在搅拌过程中再加入100克干燥高岭土试样中剩余的35克。完成混合操作后，将混合器中的液体，冷却到22℃，测定粘度。然后进一步加水，降低固体颗粒重量百分比大约2个单位，再用搅拌棒将悬浮液搅拌均匀，如果需要的话，将温度调至22℃，再一次测定粘度。最后用悬浮液中的小部分试样，在蒸发前后以称重法测定悬浮液的固体颗粒含量。固体颗粒的百分含量与粘度（mpa·s）的平方根的倒数之间，成直线关系。绘制固体颗粒百分含量对粘度平方根倒数的直线，示出由二个实验点连接的直线，交于500mpa·s的固体颗粒含量，得到的结果列于表1：（表1见文后）

实施例2

将四个纸张涂层分级高岭粘土A，B，C，D，含水量大约为25%时，用工业规模的螺旋式搅泥机进行处理。粘土A具有的粒径分布为其80%（重量）由当量球体直径小于2微米的颗粒组成，而粘土B，C，D的粒径分布为，其75%（重量）由当量球体直径小于2微米的颗粒组成。对于每一种粘土，进行成对转动，以塑性粘土在每对每次转动中，所消耗的能量是相同的，但在其中一个转动是，对高岭土中加入了0.09%（重量）的实施例1中使用的相同的聚乙烯亚胺（以干燥高岭土重量为基），而另一个的转动是在聚乙烯亚胺没有的情况下完成的。

如以实施例1所述的方法，对每种高岭土试样，在22℃时，测定粘度为500毫帕·秒（mpa·s）的悬浮液中固体颗粒的百分比，将其结果列于表Ⅱ：（表Ⅱ见文后）

实施例3

具有粒径分布为其重量的70%，由当量球体直径小于2微米的颗粒组成的纸张涂层分级高岭粘土，是由未加工的高岭土制备的，该制备工艺包括 形成未加工的高岭土悬浮液的步骤，把悬浮液中的高岭土进行粒径分类，以压滤机脱去细颗粒高岭土悬浮液中的水，形成含水量大约为25%（重量）的滤饼，然后用工业螺旋型搅泥机处理滤饼。

将有机化合物加入到通过搅泥机的滤饼批料中，该有机化合物或者是（a）聚乙烯亚胺（PEI），或者（b）聚乙烯二胺（PEA）它是乙烯二胺与二氯乙烯的聚合物，其平均分子量约为200，每个有机化合物分别以两个不同用量比例加入。

经处理的塑性高岭土每个试样，在22℃，粘度为500mpa·s的悬浮液中，如以实施例1的方法测定干燥固体颗粒的百分含量。用相同方法测定未处理的压滤机滤饼的流变性质，以作为比较。（表Ⅲ见文后）

实施例4

具有一个粒径分布为其75%（重量），由球的当量直径小于2微米的颗粒组成的纸张涂层分级高岭粘土，是由未加工的高岭土制备的，该制备工艺包括形成未加工的高岭土悬浮液的步骤，将悬浮液中的高岭土进行粒径分类，以压滤机脱去悬浮液中的水份，将由此形成的滤饼与同级的高岭粘土混合，经热处理干燥得到含水量为25%（重量）的混合物。在螺旋式搅泥机中，对这些混合物加入0.09%（重量）的（以干燥高岭土的重量为基），平均分子量为400的未中和的聚乙烯亚胺。在混合物中，每公斤干燥高岭土大约消耗108千焦耳能量。将机械加工的混合物输送到打泥机中，再加入0.05%（重量），平均分子量为1650的聚丙烯酸钠分散剂和0.25%（重量）焦磷酸四钠，两者都以干燥高岭粘土重量为基，并以足够的氢氧化钠使pH值上升到8.5。由于添加了散凝化合物的结果，改变了打泥机中的混合物，并且搅拌成液体悬浮液。取出该悬浮液试样，并把每个试样用实施例1中所述的实验室混合器搅拌总转数为25000转。用实施例1中描述的方法，在22℃时，测定粘度为500mpa·s的悬浮液的干燥高岭土的重量百分比。对所有试样计算的结果得出值为71.3%（重量）。

除了没有使用聚乙烯亚胺外，按上述方法重复进行实验。得到产物的计算值为70.6%（重量）。

表1

塑性高岭土消耗的    粘度为50mpa·s，    22℃时固体颗粒%（重量）

能量KJ·Kg^-1有PEI 没有PEI

0    69.0    67.7

54    70.0    69.4

72    70.3    69.7

108    70.7    70.2

144    71.0    70.5

180    71.2    70.8

234    71.5    71.0

表Ⅱ

粘度500mpa·s，    22℃时固体颗粒%（重量）

粘土    有PEI    没有PEI

A    70.0    68.0

B    71.5    70.5

C    71.4    70.7

D    72.0    70.8

所得的结果列于下表Ⅲ：

有机化合物    干燥固体颗粒重量为基的    粘度为50mpa·s，22℃时

有机化合物%（重量）    固体颗粒的%（重量）

未处理的压滤    66.0

机滤饼

没有化学处理，仅仅

进行搅泥过程    70.3

的滤饼

PEI    0.04    71.3

PEI    0.08    71.4

PEA    0.08    71.2

PEA    0.15    72.4

Claims (4)

1、处理粘土矿的一种工艺，包括下列步骤：

(a)将粘土矿与少量(重量)的具有多元碱性基，平均分子量不超过1000的水溶性有机化合物混合；

(b)在混合物中每公斤干燥粘土矿消耗25至1000千焦耳能量的条件下，将塑性状态的粘土矿进行机械加工；

(c)机械加工后，用加热方法干燥已处理的粘土；

该方法的特征在于：(i)水溶性有机化合物与含有22%至50%(重量)的水的塑性状态的粘土矿混合，和(ii)所说机械加工是在水溶性有机化合物与粘土矿混合之后或混合时同时进行的。

2、根据权利要求1的工艺，其中粘土矿为高岭石，地开石，珍珠陶土，多水高岭石，蒙脱石，贝得石，皂石，或者伊利石。

3、根据权利要求1的工艺，其中塑性状态的粘土矿含有23%至28%（重量）的水。

4、根据权利要求1的工艺，其中水溶性有机化合物为平均分子量为200至1000的聚乙烯亚胺。

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