中國粉體網訊 在我國產業轉型升級的背景下，高嶺土消費量迅猛增長，需求結構快速向中高端演化。煤系高嶺土是煤炭生產和加工過程中產出的工業固體廢棄物，因其煅燒土質地純凈、耐磨性好、白度高等優點，可用于新型陶瓷、高端造紙、高級涂料等領域。隨著優質高嶺土產品短缺問題日益凸顯，如何推進煤系高嶺土綠色高效除鐵技術迫在眉睫。
來源：龍高股份
鐵含量是衡量高嶺土品質的重要指標
由于鐵雜質對高嶺土的白度、耐火度、摩擦系數、硬度及化學穩定性等有顯著影響，因此鐵含量成為衡量高嶺土品質的重要指標。目前市場一般要求高嶺土產品的白度維持在90%以上。
高嶺土的主要用途及其對鐵雜質含量的要求
煤系高嶺土中含有大量的鐵礦物，例如黃鐵礦(FeS2)、菱鐵礦(FeCO3)、褐鐵礦(Fe2O3·3H2O)等，在高溫焙燒時，他們就會變成氧化鐵（Fe2O3），容易使原料變黃或磚紅色，影響煅燒產品的品質，不利于后續的資源化利用過程。因此，為滿足市場需求，煤系高嶺土需要在煅燒前進行脫鐵處理。
鐵雜質的賦存形態
目前，煤系高嶺土中的鐵元素分布狀況主要有兩類：一類是高嶺石和附礦物（如云母、鈦白礦、伊利石），它們被稱作結構鐵；另一種是單獨的鐵礦物存在，叫做自由鐵（包括表面鐵、細粒晶鐵、非晶鐵）。煤系高嶺土在脫鐵過程中脫除的主要成分是自由鐵。
煤系高嶺土的除鐵技術
目前煤系高嶺土除鐵技術所涉及的主要工藝有浮選法、磁選法、重選、化學漂白等。
浮選法
浮選法是一種能夠根據礦物表面親疏水的差別快速進行精細分選的高效工藝。在浮選過程中，煤與各種礦物之間進行交互作用，從而使煤中的疏水性煤更易吸附在氣泡表面，親水性煤和其他雜質遠離氣泡表面。根據煤系高嶺土與鐵、鈦礦物的表面特性不同，可采用浮選法從高嶺土中去除鐵和鈦。而煤系高嶺土中的鐵、鈦礦物往往是非常細小的，傳統的單次浮選很難獲得理想的結果。為此，在浮選技術的基礎上，發展出載體浮選、選擇性凝聚、雙液浮選等技術。
浮選法處理含大量微細粒高嶺土的礦漿體系時，需克服藥劑耗量大和氣泡傳質效率低的問題。未來，可在現有工藝礦物學、溶液化學分析基礎上結合分子動力學模擬和量子化學計算，設計和開發廉價高效的新型捕收劑或載體吸附劑，并聯合微泡介質提升分離效率。
磁選法
煤系高嶺土中大部分含鐵礦物為弱磁性顆粒，傳統的磁選方法對其除鐵效果不理想，所以目前國內外對煤系高嶺土多采用特殊磁選法進行除鐵，如高梯度強磁選法（其磁場強度通常為1.5~2T），可有效滿足煤系高嶺土的除鐵需求。
煤系高嶺土中鐵的組成比較復雜，針對不同的煤系高嶺土，可采用不同的高梯度磁選法進行除鐵。目前，高梯度磁選法可分為：脈動高梯度磁選法、干式高梯度磁分離法、振動高梯度磁選法、選擇性絮凝和高梯度磁選聯合除鐵法、磁團聚法。
總體來看，磁選法具有操作簡單、設備成熟、處理量大等優點，在工業上應用廣泛，對脫除高嶺土中的強磁性或弱磁性的獨立鐵礦物適用性較好。但由于高嶺土中雜質鐵賦存形態復雜、且細粒鐵礦物不易解離，同時先進磁選設備的制造和運行成本較高，這些因素制約了磁選除鐵技術的應用與發展。
未來，隨著超導技術不斷突破，特別是低成本超導材料的發現，對微細粒鐵雜質具有精準選擇性的超導磁選技術有望成為深度除鐵的有力手段。
化學法
化學漂白法是應用較廣的煤系高嶺土除鐵技術之一，主要包括保險粉還原法、酸浸氫氣還原法以及加氯高溫焙燒法。
保險粉還原法
高嶺土中的赤鐵礦、褐鐵礦等天然鐵(III)礦物晶體發育完善，在酸中溶解性較差，特別是六方最密堆積的α-Fe2O3，結構致密、化學穩定性強，常需要經過還原轉化才能充分脫除。常用的還原方法主要有保險粉還原和二氧化硫脲法。
采用保險粉還原工藝是目前應用最廣泛的一種化學方法，但工藝要求嚴格，溫度、酸度、藥劑用量、反應時間等都要嚴格控制。
酸浸氫氣還原法
酸浸氫還原法的主要方法是酸浸法和還原法，其基本原理是在鹽酸、硫酸、草酸等介質中添加鋅粉或鋁粉，使得煤系高嶺土中的含鐵組分在酸性溶液中不停地進行置換，從而將其轉變成可溶性Fe2+。并在過濾過程中被去除。
加氯高溫煅燒法
通常以固態氯鹽或氯氣為氯化劑，在碳還原劑協助下對高嶺土進行焙燒，使其中的鐵、鈦雜質分別轉化為高溫易揮發的FeCl2、FeCl3、TiCl4等，以此實現鐵、鈦雜質的氣化脫除，使高嶺土具有較好的增白率。氯化焙燒法對設備材質和操作控制要求非常嚴苛，適合生產極端環境專用的高嶺土產品。
此外，化學法常受制于產物層阻滯、包裹體阻隔等傳質問題，且需要處置大量廢水、廢氣。
未來，在化學法除鐵方面，可基于鐵離子配位溶解原理開發綠色高效的絡合浸出劑，并聯合超聲、微波等外場作用破壞高嶺土原生包裹體和反應產物阻滯層，實現雜質鐵的深度脫除。
重選法
半硬、半軟、軟質煤系高嶺土經粉碎或不經粉碎都可以在水中分散。采用搗漿分級工藝可以有效地去除煤系高嶺土中的石英、黃鐵礦等雜質，這是煤系高嶺土加工廠廣泛采用的方法之一，但這種方法對鐵、鈦的脫除效果并不理想。通常，為了實現最終的目標，需采用其他的處理方法，如浸出、煅燒、化學漂白、高梯度磁選等方法，才能獲得低鐵、鈦，高白度的煤系高嶺土精礦。
生物除鐵
微生物（細菌、真菌等）能夠將鐵從氧化鐵（褐鐵礦、針鐵礦等）中溶解出來，利用微生物溶鐵法脫除煤系高嶺土中的雜質鐵。其中，氧化亞鐵硫桿菌是煤系高嶺土除鐵最常用的一種微生物。
微生物法利用細菌代謝活動直接或間接地浸出除鐵，具有環境友好、成本低的優勢，但生物方法僅適用于特定的存在狀態下的鐵，而且需要較高的微生物培養周期，難以實現工業化。
電解除鐵
利用電化學的方法，對于含鐵纖維或膠質雜質鐵的高嶺土進行除鐵，具有操作簡單、不需要加熱處理、污染小等優點。在電解除鐵過程中，先將煤系高嶺土顆粒分散，進而在電化學反應條件下，促使其中的雜質鐵在電極上沉積，最終通過清洗和去除法消除雜質鐵。電解除鐵法適用范圍過于狹窄，難以規模化應用。
小結
我國是高嶺土產出大國，煤系高嶺土儲量位居世界第一，如何開展高效利用便成為亟需重視和解決的問題。煤系高嶺土中各種雜質種類、數量及賦存狀態因其成因及種類的不同而存在差異，因此，煤系高嶺土的除鐵必須與實踐相結合，確定較優的方案和工藝參數。
參考資料：
曾紅久等.煤系高嶺土除鐵技術研究現狀
黃艷芳等.我國高嶺土礦中鐵雜質特征及除鐵技術研究進展
馮雪茹等.我國高嶺土開發現狀及綜合利用進展
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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