CN104229813A - 一种改性膨润土的制备方法及其应用 - Google Patents

一种改性膨润土的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性膨润土的制备方法及其应用，制备方法是将天然钙基膨润土研磨粉碎后，加入到含腐植酸钠的氢氧化钠溶液中加热反应，反应完成后，过滤分离，所得滤饼干燥、研磨粉碎，得到改性膨润土，该制备方法流程短，操作简单、成本低，制得的改性膨润土在铁矿球团工艺的造球过程中作为粘结剂添加在铁精矿中，可有效提高生球的品质和成品球的全铁品位。

Description

一种改性膨润土的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种改性膨润土的制备方法及其应用，特别涉及一种腐植酸钠改性膨润土的制备方法及其应用，属于冶金工程材料领域。
背景技术
膨润土的主要矿物成分为蒙脱石。蒙脱石的晶体结构属于单斜晶系，是由两层硅氧四面体片中间夹一层铝(镁)氧八面体片构成的2:1型层状硅酸盐。硅氧四面体片是由硅氧四面体共角顶连接形成位于同一平面的近似六方网状的硅氧片。铝氧八面体是由两层相对的硅氧四面体片提供4个氧原子和两个处于同一平面的羟基提供的氧原子构成的八面体共棱连接形成了八面体片，而金属阳离子铝(镁)则位于八面体中心，从而形成了铝氧八面体片。
在蒙脱石晶体结构层中，具有同晶置换现象，即硅氧四面体中的Si4+被Al3+代替，铝氧八面体一部分Al3+被Mg2+、Fe2+等替代，这种吸附在硅氧四面体或铝氧八面体中的阳离子是固定的。这种结构未变而发生不等价阳离子的同晶置换，使得蒙脱石结构带负电。为使得电荷达到平衡，蒙脱石表面将吸附周围带正电的离子，通常为Na+和Ca2+。当蒙脱石结合了水后，Na+和Ca2+的水合作用导致膨润土晶层间距变大，蒙脱石发生膨胀，并且这些吸附上去的离子变成水化物，成为可交换的阳离子。相对Na+，Ca2+带有更多的正电，离子更小，更加紧密将蒙脱石晶层连接起来，导致蒙脱石晶层间距相对较小，水化作用减弱，膨胀性能降低，导致钙基膨润土的粘结性能相对较差。因此，目前在球团厂制备铁矿球团时，通常先将钙基膨润土进行钠化改性为钠基膨润土，常见的钙基膨润土的钠化改性方法有3种：陈化法、挤压法和悬浮液法。陈化法是在原矿或加工后的干粉中，加入钠盐配成溶液后搅拌混匀、堆放7～10天，并需经常翻动搅拌，或者碾压。此方法时间长，并且钠化效果较差。而挤压法则是在加入改性剂的同时，施加一定的压力使得蒙脱石颗粒分开，加速Na+和Ca2+的交换。此方法钠化效果较好，也较为常用。但是可以看到由于钠化过程中需要施加一定的压力，必然会产生机械损耗。悬浮液法是在配浆的同时向水中加入钙基膨润土和纯碱，经浸泡打浆后脱水、干燥，磨粉制得钠基膨润土。
当向球团中添加膨润土时，不可避免地向球团中带入了Si、Al等杂质元素，降低了球团矿的铁品位，与高炉入炉料的精料方针相违背。对于钙基膨润土，通常先向钙基膨润土中加入钠盐进行钠化改性得到钠基膨润土，然后再采用有机物合成得到有机膨润土。常见的有机膨润土的合成方法有干法、湿法和预凝胶法。干法是将含水的已经钠化的膨润土与有机季铵盐直接混合，用专门的加热混合器混合均匀，再加以挤压，制成含一定量水分的有机膨润土。可以看出，此方法由于需要对膨润土进行挤压，必然存在机械损耗。湿法改性是将钠基膨润土进行湿法分散、改性，用长碳链有机阳离子取代蒙脱石层间的金属离子，在搅拌或者振荡条件下充分反应，形成疏水的有机膨润土，再经过脱水、干燥研磨成粉状产品。预凝胶是讲膨润土分离改性提纯后，在有机覆盖过程中加入疏水有机溶剂，把疏水膨润土复合物萃取进入有机油，分离出水相，再经蒸发出去残留水分直接制成有机土预凝胶。后面两种方法所制备的有机改性膨润土常用于涂料、钻井等工业中。从现有技术中可以看出如果要在满足生球强度条件下，又提高球团矿的铁品位，对于钙基膨润土，传统的改性方法需要先进行钠化改性，再对改性后的钠基膨润土进行有机合成，并且存在时间周期长、机械损耗严重、操作冗长、成本较高。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种流程短、操作简单、低成本制备改性膨润土的方法。
本发明的另一个目的是在于提供所述制备方法制得的改性膨润土的应用，在铁矿球团工艺的造球过程中将所述改性膨润土作为粘结剂添加到铁精矿中，可有效提高铁精矿生球的品质和焙烧后成品球的全铁品位。
本发明提供了一种改性膨润土的制备方法，该制备方法是先将天然钙基膨润土研磨粉碎至粒度在-1.0mm的颗粒含量不低于95％后，加入到含腐植酸钠的氢氧化钠溶液中并置于60～80℃的水浴中搅拌反应，反应完成后，过滤分离，所得滤饼干燥、研磨粉碎，得到改性膨润土；其中，天然钙基膨润土干基质量与腐植酸钠干基质量之比为1:3～1:1。
本发明的改性膨润土的制备方法还包括以下优选方案：
优选的方案中氢氧化钠溶液浓度为0.1～0.5mol/L。
优选的方案中搅拌反应时间为30～60min。
优选的方案中滤饼干燥的温度不高于80℃。
优选的方案中滤饼经干燥后，研磨粉碎至粒度在-200目的颗粒含量不低于98％。
所述的腐植酸钠为市售腐植酸钠。
本发明还提供了一种所述制备方法制得的改性膨润土的应用，该应用方法是在铁矿球团工艺的造球过程中，将所述改性膨润土作为粘结剂添加到铁精矿中应用于提高铁精矿生球的品质和成品球的全铁品位。
优选的应用方法中改性膨润土在铁精矿中的添加量为铁精矿质量的0.5％～1％。
优选的应用方法中铁精矿粒度在-0.074mm的颗粒含量不低于80％。
本发明的技术创新点：经过发明人大量的实验研究发现，将腐植酸钠与钙基膨润土在氢氧化钠溶液中于适当的温度条件下反应，溶液中较高浓度的游离Na+可进入蒙脱石晶层中并取代其中的Ca2+、Mg2+，使得蒙脱石晶层间距增大，同时，腐植酸钠经过碱性部分水解获得小分子有机盐；蒙脱石晶层间距的增大更有利于小分子有机盐和腐植酸钠中部分小分子基团插入蒙脱石晶层中，进一步使得蒙脱石晶层间距增大，蒙脱石晶层间距增大反过来又促进Na+取代Ca2+、Mg2+；经过发明人大量实验研究表明：腐植酸钠在碱性溶液中对钙基膨润土的改性具有双效协同作用，有利于钙基膨润土的钠化改性和有机合成。
本发明的有益效果：本发明对钙基膨润土的改性方法相对现有技术中传统的钙基膨润土改性方法，具有流程短、操作简单、成本低的优点；特别是腐植酸钠改性后的改性膨润土添加到铁精矿中造球，用少量的腐植酸钠改性膨润土就能很好地提高铁精矿生球品质和成品球的全铁品位，得到生球落下强度可提高4～7次/0.5m，爆裂温度大于580℃，预热球强度可达420N/个以上，焙烧球强度可达2500N/个以上，焙烧后的成品球球团全铁品位TFe可以提高1％以上。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明的保护范围。
在各例中，预热焙烧条件为：预热温度为950℃，预热时间为10min，焙烧温度为1250℃，焙烧时间为10min。
对比实施例1
将天然钙基膨润土按照3wt％的比例加入到-200目为85％的磁铁精矿中混匀，进行润磨预处理后造球，所得生球的落下强度为1.1次/0.5m，抗压强度为9.7N/个，爆裂温度为524℃，预热球抗压强度为455N/个，焙烧球抗压强度为2610N/个，成品球全铁品位TFe为61.86％。
对比实施例2
将天然钙基膨润土按照3wt％的比例加入到-200目为87.5％的赤铁精矿中混匀，进行润磨预处理后造球，所得生球落下强度为1.5次/0.5m，抗压强度为11.2N/个，爆裂温度为518℃，预热球抗压强度为406N/个，焙烧球抗压强度为2241N/个，成品球全铁品位TFe为61.31％。
对比实施例3
将天然钙基膨润土按照4wt％的比例加入到-200目为89％的磁、赤混合铁精矿混匀，进行润磨预处理后造球，所得生球落下强度为1.9次/0.5m，抗压强度为10.2N/个，爆裂温度为534℃，预热球抗压强度为450N/个，焙烧球抗压强度为2522N/个，成品球全铁品位TFe为60.85％。
对比实施例4
天然钙基膨润土进行改性时，首先将200g市售腐植酸钠用1.2L 0.1mol/L的NaOH溶解，再向其中加入100g钙基膨润土，在45℃下水浴加热搅拌50min后，将混合液过滤。将所得滤饼在75℃下烘干。再将干燥的滤饼破碎并研磨至-200目占98％以上即得到改性膨润土。
采用改性后的膨润土进行造球时，向粒度为-200目为87.5％的赤铁精矿中添加1.0wt％的改性膨润土，混匀后进行造球。所得生球落下强度3.0次/0.5m，生球爆裂温度557℃。预热球强度为385N/个，焙烧球强度为2027N/个。成品球铁品位62.58％。
对比实施例5
天然钙基膨润土进行改性时，首先将300g市售腐植酸钠用1.2L 0.1mol/L的NaOH溶解，再向其中加入100g钙基膨润土，在95℃下水浴加热搅拌45min后，将混合液过滤。将所得滤饼在65℃下烘干。再将干燥的滤饼破碎并研磨至-200目占98％以上即得到改性膨润土。
采用改性后的膨润土进行造球时，向粒度为-200目为89％的磁、赤混合铁精矿中添加1.0wt％的改性膨润土，混匀后进行造球。所得生球落下强度为3.5次/0.5m，生球爆裂温度508℃。预热球强度为406N/个，焙烧球强度为2218N/个。成品球铁品位62.67％。
实施例1
天然钙基膨润土改性时，首先将200g市售腐植酸钠用1.2L 0.1mol/L的NaOH溶解，再向其中加入200g钙基膨润土，在80℃下水浴加热搅拌60min后，将混合液过滤。将所得滤饼在80℃下烘干。再将干燥的滤饼破碎并研磨至-200目占98％以上即得到改性膨润土。
采用改性后的膨润土进行造球时，向粒度为-200目为85％的磁铁精矿中添加1wt％的改性膨润土，混匀后进行造球。所得生球落下强度为5.2次/0.5m，生球爆裂温度595℃。预热球强度为431N/个，焙烧球强度为2519N/个。成品球铁品位为62.96％。
实施例2
天然钙基膨润土进行改性时，首先将200g市售腐植酸钠用1.2L 0.1mol/L的NaOH溶解，再向其中加入100g钙基膨润土，在75℃下水浴加热搅拌50min后，将混合液过滤。将所得滤饼在75℃下烘干。再将干燥的滤饼破碎并研磨至-200目占98％以上即得到改性膨润土。
采用改性后的膨润土进行造球时，向粒度为-200目为80～90％的赤铁精矿中添加0.75wt％的改性膨润土，混匀后进行造球。所得生球落下强度7.2次/0.5m，生球爆裂温度581℃。预热球强度为437N/个，焙烧球强度为2519N/个。成品球铁品位62.73％。
实施例3
天然钙基膨润土进行改性时，首先将300g市售腐植酸钠用1.2L 0.1mol/L的NaOH溶解，再向其中加入100g钙基膨润土，在65℃下水浴加热搅拌45min后，将混合液过滤。将所得滤饼在65℃下烘干。再将干燥的滤饼破碎并研磨至-200目占98％以上即得到改性膨润土。
采用改性后的膨润土进行造球时，向粒度为-200目为80～90％的磁、赤混合铁精矿中添加0.5wt％的改性膨润土，混匀后进行造球。所得生球落下强度为10.5次/0.5m，生球爆裂温度588℃。预热球强度为436N/个，焙烧球强度为2522N/个。成品球铁品位62.98％。

Claims (8)

1.一种改性膨润土的制备方法，其特征在于，先将天然钙基膨润土研磨粉碎至粒度在-1.0mm的颗粒含量不低于95％后，加入到含腐植酸钠的氢氧化钠溶液中并置于60～80℃的水浴中搅拌反应，反应完成后，过滤分离，所得滤饼干燥、研磨粉碎，得到改性膨润土；其中，天然钙基膨润土干基质量与腐植酸钠干基质量之比为1:3～1:1。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的氢氧化钠溶液浓度为0.1～0.5mol/L。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的搅拌反应时间为30～60min。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，滤饼干燥的温度不高于80℃。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的滤饼经干燥后，研磨粉碎至粒度在-200目的颗粒含量不低于98％。
6.一种如权利要求1～5任一项所述制备方法制得的改性膨润土的应用，其特征在于，在铁矿球团工艺的造球过程中，将所述改性膨润土作为粘结剂添加到铁精矿中应用于提高生球的品质和成品球的全铁品位。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的改性膨润土在铁精矿中的添加量为铁精矿质量的0.5％～1％。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的铁精矿粒度在-0.074mm的颗粒含量不低于80％。
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