煤系高嶺土資源的分布及賦存概況
一、煤系高嶺土資源的分布及賦存概況
我國各聚煤期的含煤地層中幾乎都含有工業(yè)價值的高嶺土礦產(chǎn)資源。其中山西大同、山西新汶、河北易縣、陜西蒲白、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾等地區(qū)屬于優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)高嶺土賦存區(qū)；河北唐山、山西介休等地區(qū)屬于木節(jié)土賦存區(qū)；河南、山東、安徽兩淮和江西萍鄉(xiāng)等地區(qū)屬于焦寶石型高嶺巖賦存區(qū)；山西陽泉和河南焦作等地區(qū)為軟質(zhì)土賦存區(qū)；廣東茂名、內(nèi)蒙古東勝、青海大通等地區(qū)屬于砂質(zhì)高嶺巖賦存區(qū)。
與煤系共伴生的高嶺土礦床規(guī)模大、品味高。規(guī)模大都為數(shù)千萬噸至數(shù)十億噸以上的超大型礦床，且高嶺石含量較高，如內(nèi)蒙古的準(zhǔn)格爾煤田，高嶺土礦石儲量達(dá)57億噸之多；安徽淮北煤田的朔里煤礦，高嶺土礦石儲量在3000萬噸以上。就品味質(zhì)量而言，我國華北石炭二疊紀(jì)煤系中高嶺土含量大多在90%以上，有些礦區(qū)如山西大同、陜西蒲白等，其高嶺石含量近100%。我國煤系高嶺土多屬沉積形成，礦物成分單一，含有一定量的炭，顏色較深，為淺灰灰黑色優(yōu)質(zhì)高嶺土，其中還有相當(dāng)數(shù)量的優(yōu)級土。煤系共伴生高嶺土不僅資源可靠，同時還具有較大的經(jīng)濟(jì)價值優(yōu)勢。
二、煤系高嶺土資源的深加工利用
高嶺土在許多領(lǐng)域都有廣泛的用途。煤系高嶺土經(jīng)過初選后可作為建筑材料，鑄造型砂；經(jīng)改性處理后可作為橡膠、塑料的填充料等；此外，煤系高嶺土還可用來提煉金屬鋁、合成4A沸石，生成聚合氯化鋁，白炭黑及其銅板紙涂料等。
1.合成4A沸石
目前，國內(nèi)洗衣粉普遍使用三聚磷酸鈉為助劑，由于該助劑對水的污染嚴(yán)重，并對人體有害，所以許多國家禁止使用。煤系燃燒高嶺土生產(chǎn)的4A沸石可以替代三聚磷酸鈉，燃燒后的高嶺土有良好的活性，可溶于堿性介質(zhì)，其反應(yīng)如下：
2（Al2O3.2SiO2）+4NaOH+7H2O→2(Na2O.Al2O3.4.5H2O)（4A沸石）
4A沸石生產(chǎn)工藝流程為：
煤系高嶺土→選礦、化學(xué)處理→煅燒、磨礦→合成分子篩4A沸石→過濾→洗滌→干燥→4A沸石成晶。
在成膠階段中n（SiO2）：n（Al2O3）以及n（Na2O）:n（SiO2）的值對產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響，在原礦選擇及其藥品配比時應(yīng)加以控制。成膠過程的溫度、時間以及攪拌情況對4A沸石的轉(zhuǎn)化率影響較大，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定。
2.生產(chǎn)聚合氯化鋁和白炭黑
聚合氯化鋁主要用作絮凝劑，在生活用水凈化及工業(yè)廢水處理中用量較大。白炭黑在橡膠、塑料工業(yè)中用作補(bǔ)強(qiáng)充填劑、涂料防沉劑、油墨增稠劑等。利用煤系高嶺土生產(chǎn)聚合氯化鋁的化學(xué)反應(yīng)過程如下：
（1）高嶺土或煅燒高嶺土熟料與鹽酸生成結(jié)晶氯化鋁：
Al2O3.2SiO2.2H2O+HCl→2AlCl3.6H2O+2SiO2
（2）結(jié)晶氯化鋁分解析出一定量的氯化氫氣體和水，變成粉末狀堿或氯化鋁，作為生產(chǎn)聚合鋁的單體物質(zhì)：
2AlCl3.6H2O → Al2(OH)nCl(6-n) + nHCl
（3）堿式氯化鋁加水聚合形成聚合氯化鋁：
mAl2(OH)nCl(6-n)+ mx H2O → ［Al2(OH)n Cl(6-n).xH2O］m
將第一步反應(yīng)過程中得到的殘?jiān)^續(xù)反應(yīng)，同時加入一些助劑，促使反應(yīng)完全，即得到副產(chǎn)品（膠體二氧化硅）。生產(chǎn)聚合氯化鋁和白炭黑的工藝流程為：將焙燒土與工業(yè)鹽酸按一定的比例（約為1:2.5）在配料池中配成漿料，然后把漿料輸入反應(yīng)釜，在80到100攝氏度下反應(yīng)6到8個小時，再送入存儲罐。將存儲罐中反應(yīng)的漿料導(dǎo)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離。分離后的液體進(jìn)入第一存儲池，固體中加入一定量酸和反應(yīng)助劑后，再返回反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)。之后由板框壓濾機(jī)進(jìn)行第二次固液分離，液體進(jìn)入第二存儲池，固體經(jīng)過洗滌、脫水、干燥、粉磨后即得白炭黑。將洗滌液在熱解爐中熱解，一定時間內(nèi)便得到堿式氯化鋁。將其加入到含有一定水的聚合釜中，均勻攪拌，至粘稠時放入池中固化，便得到聚合氯化鋁。
3.高嶺土制備特種陶瓷材料
氯化硅和塞隆是一種新型的高溫強(qiáng)結(jié)構(gòu)陶瓷材料，因具有許多優(yōu)良的物理性能，在一些尖端部門得到廣泛的應(yīng)用。但該材料采用工業(yè)硅作為原材料，成本較高，因而需要尋找廉價的原材料來源。由于對原材料要求不是過分苛刻，煤系高嶺土即成為制備這類特種陶瓷的有發(fā)展前途的原材料之一。其生產(chǎn)過程：首先將洗滌、煅燒后的高嶺土粉碎到100網(wǎng)目以下，有過量正己烷存在的條件下，分別與炭黑混合，放在N2氣氛中高溫（1500度）燒結(jié)，高嶺土起初被轉(zhuǎn)化為方石英莫來石，然后被還原成Si3N4、β-Sialon和AlN。此外在反應(yīng)中還可以形成SiC和α-Al2O3。
我國各聚煤期的含煤地層中幾乎都含有工業(yè)價值的高嶺土礦產(chǎn)資源。其中山西大同、山西新汶、河北易縣、陜西蒲白、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾等地區(qū)屬于優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)高嶺土賦存區(qū)；河北唐山、山西介休等地區(qū)屬于木節(jié)土賦存區(qū)；河南、山東、安徽兩淮和江西萍鄉(xiāng)等地區(qū)屬于焦寶石型高嶺巖賦存區(qū)；山西陽泉和河南焦作等地區(qū)為軟質(zhì)土賦存區(qū)；廣東茂名、內(nèi)蒙古東勝、青海大通等地區(qū)屬于砂質(zhì)高嶺巖賦存區(qū)。
與煤系共伴生的高嶺土礦床規(guī)模大、品味高。規(guī)模大都為數(shù)千萬噸至數(shù)十億噸以上的超大型礦床，且高嶺石含量較高，如內(nèi)蒙古的準(zhǔn)格爾煤田，高嶺土礦石儲量達(dá)57億噸之多；安徽淮北煤田的朔里煤礦，高嶺土礦石儲量在3000萬噸以上。就品味質(zhì)量而言，我國華北石炭二疊紀(jì)煤系中高嶺土含量大多在90%以上，有些礦區(qū)如山西大同、陜西蒲白等，其高嶺石含量近100%。我國煤系高嶺土多屬沉積形成，礦物成分單一，含有一定量的炭，顏色較深，為淺灰灰黑色優(yōu)質(zhì)高嶺土，其中還有相當(dāng)數(shù)量的優(yōu)級土。煤系共伴生高嶺土不僅資源可靠，同時還具有較大的經(jīng)濟(jì)價值優(yōu)勢。
二、煤系高嶺土資源的深加工利用
高嶺土在許多領(lǐng)域都有廣泛的用途。煤系高嶺土經(jīng)過初選后可作為建筑材料，鑄造型砂；經(jīng)改性處理后可作為橡膠、塑料的填充料等；此外，煤系高嶺土還可用來提煉金屬鋁、合成4A沸石，生成聚合氯化鋁，白炭黑及其銅板紙涂料等。
1.合成4A沸石
目前，國內(nèi)洗衣粉普遍使用三聚磷酸鈉為助劑，由于該助劑對水的污染嚴(yán)重，并對人體有害，所以許多國家禁止使用。煤系燃燒高嶺土生產(chǎn)的4A沸石可以替代三聚磷酸鈉，燃燒后的高嶺土有良好的活性，可溶于堿性介質(zhì)，其反應(yīng)如下：
2（Al2O3.2SiO2）+4NaOH+7H2O→2(Na2O.Al2O3.4.5H2O)（4A沸石）
4A沸石生產(chǎn)工藝流程為：
煤系高嶺土→選礦、化學(xué)處理→煅燒、磨礦→合成分子篩4A沸石→過濾→洗滌→干燥→4A沸石成晶。
在成膠階段中n（SiO2）：n（Al2O3）以及n（Na2O）:n（SiO2）的值對產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響，在原礦選擇及其藥品配比時應(yīng)加以控制。成膠過程的溫度、時間以及攪拌情況對4A沸石的轉(zhuǎn)化率影響較大，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定。
2.生產(chǎn)聚合氯化鋁和白炭黑
聚合氯化鋁主要用作絮凝劑，在生活用水凈化及工業(yè)廢水處理中用量較大。白炭黑在橡膠、塑料工業(yè)中用作補(bǔ)強(qiáng)充填劑、涂料防沉劑、油墨增稠劑等。利用煤系高嶺土生產(chǎn)聚合氯化鋁的化學(xué)反應(yīng)過程如下：
（1）高嶺土或煅燒高嶺土熟料與鹽酸生成結(jié)晶氯化鋁：
Al2O3.2SiO2.2H2O+HCl→2AlCl3.6H2O+2SiO2
（2）結(jié)晶氯化鋁分解析出一定量的氯化氫氣體和水，變成粉末狀堿或氯化鋁，作為生產(chǎn)聚合鋁的單體物質(zhì)：
2AlCl3.6H2O → Al2(OH)nCl(6-n) + nHCl
（3）堿式氯化鋁加水聚合形成聚合氯化鋁：
mAl2(OH)nCl(6-n)+ mx H2O → ［Al2(OH)n Cl(6-n).xH2O］m
將第一步反應(yīng)過程中得到的殘?jiān)^續(xù)反應(yīng)，同時加入一些助劑，促使反應(yīng)完全，即得到副產(chǎn)品（膠體二氧化硅）。生產(chǎn)聚合氯化鋁和白炭黑的工藝流程為：將焙燒土與工業(yè)鹽酸按一定的比例（約為1:2.5）在配料池中配成漿料，然后把漿料輸入反應(yīng)釜，在80到100攝氏度下反應(yīng)6到8個小時，再送入存儲罐。將存儲罐中反應(yīng)的漿料導(dǎo)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離。分離后的液體進(jìn)入第一存儲池，固體中加入一定量酸和反應(yīng)助劑后，再返回反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)。之后由板框壓濾機(jī)進(jìn)行第二次固液分離，液體進(jìn)入第二存儲池，固體經(jīng)過洗滌、脫水、干燥、粉磨后即得白炭黑。將洗滌液在熱解爐中熱解，一定時間內(nèi)便得到堿式氯化鋁。將其加入到含有一定水的聚合釜中，均勻攪拌，至粘稠時放入池中固化，便得到聚合氯化鋁。
3.高嶺土制備特種陶瓷材料
氯化硅和塞隆是一種新型的高溫強(qiáng)結(jié)構(gòu)陶瓷材料，因具有許多優(yōu)良的物理性能，在一些尖端部門得到廣泛的應(yīng)用。但該材料采用工業(yè)硅作為原材料，成本較高，因而需要尋找廉價的原材料來源。由于對原材料要求不是過分苛刻，煤系高嶺土即成為制備這類特種陶瓷的有發(fā)展前途的原材料之一。其生產(chǎn)過程：首先將洗滌、煅燒后的高嶺土粉碎到100網(wǎng)目以下，有過量正己烷存在的條件下，分別與炭黑混合，放在N2氣氛中高溫（1500度）燒結(jié)，高嶺土起初被轉(zhuǎn)化為方石英莫來石，然后被還原成Si3N4、β-Sialon和AlN。此外在反應(yīng)中還可以形成SiC和α-Al2O3。
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