高岭土碳酸钙煅烧的化学式温度会影响化学含量吗?

高岭土煅烧用多段炉中物料停留时间的研究(译稿之一)
摘要:高岭土因其粒度微细、明亮度及化学惰性等独特性能而被用于许多工业领域,如油漆涂料、塑料制品和橡胶工业等。高岭土的某些性能可通过煅烧作用,使其经受高温处理以引发物理化学性质转变而得以改良。若煅烧时间过长,高岭土会由于莫来石型(mullite)晶相结构的形成而变得坚硬、粗糙,这对产品质量有害,且可能引起加工过程中出现工艺问题和机械装置的损坏。若煅烧时间过短,高岭土的煅烧不充分,产品具有高反应活性,这对制药工业会引发问题。可通过控制高岭土在高温区的处理时间来削减这些不利影响。多段炉煅烧装置是高岭土加工业常用的设备型式,但由于设备的运行条件要求及结构特点,要想准确地判断高岭土在高温区的停留时间并不是件容易的事情。为了提高产品质量的一致性,对一台高岭土煅烧用工业炉进行了炉内物料停留时间分配特点方面的检测试验。将滑石粉Mg3Si4O10(OH)2
用作高岭土Al2Si2O5(OH)4的掺杂剂示踪物质,采用X射线荧光仪对矿物性示踪剂浓度进行检测。试验结果表明当采用标准操作工艺、当原料含水率为0、生产量为5.3吨/小时时,停留时间平均值为42分钟。
关键词:煅烧;停留时间,多段炉(Multiple-Hearth furnace);滑石粉示踪剂(Talc
高岭土常被称为制瓷粘土,主要以矿物高岭石做原料来制取,其化学结构式为Al2Si2O5(OH)4。煅烧处理是将某种物质加热到低于其熔点或熔化点温度的一种加工工艺过程,通过煅烧脱除水分是提高高岭土性能和商业价值的最重要的途径之一。煅烧后的高岭土呈白色,且化学惰性更强,使得它适用于许多产品的制造过程,如造纸、橡胶、油漆涂料及耐火材料制造等。
高岭石在煅烧过程中会经历一系列物理转变和化学反应(Ross and Kerr, 1941; Grim,
1968)。在物理化学转化的初始阶段,所有被吸附的水分在1003温度区被完全去除;在4003温度区高岭土经历脱羟基反应、脱除化学键合水反应过程,获得偏高岭土(metakaolin)产物,它也是一种已获得工业应用的产品品种(Drzal
et al., 1983; Gamiz et al.,
2005)。脱羟基反应导致铝的配合数从六倍数转化为四倍数,铝氧四面体因此产生延展并覆盖在未发生转变的硅氧网状结构的表面(Drzal
et al., 1983)。
高岭土经过980℃左右煅烧时,由于发生放热性重结晶反应而导致偏高岭土转变成尖晶石晶相结构(Schneider et al.,
1994)。关于反应发生的准确性细节目前尚处于争论状态,尽管对于晶型、化学结构式以及形成机理尚有争议,但根据已被普遍接受的理论观点,尖晶石型物相是与某些自由硅一起形成的(Drzal
1983)。尖晶石是对具有X2+Y23+O4型普遍性结构式(其中的符号X和Y可代表所有适用的化学元素)的系列氧化物的总称。但由于在偏高岭土结构中铝元素的数量不足,这种铝元素缺位会传递到尖晶石整体结构,因此引入了“缺位性尖晶石”这一术语(Schneider
et al., 1994)。在缺位性尖晶石相结构中铝元素具有重新复原到其八面体型协调态结构的倾向(Drzal et al.,
1983)。若煅烧温度高于980℃,即开始形成莫来石型高岭土结构,这种结构非常坚硬、粗糙(磨蚀性强),如果未被检测出来,就会引起加工设备的损害。
可将众多的高岭土煅烧工艺方法归类为三种不同的类型。彻底煅烧处理法属于传统型工艺,使高岭土长时间地(通常达24小时)经受高温处理,使其完全转变成坚硬、耐磨且主要呈莫来石晶相组成的煅烧产物(Schneider
et. Al, 1994)。这种结构的煅烧高岭土通常用于耐火材料行业,如工业窑炉设备或熔模铸造用途等。
第二种煅烧加工技术类型是在形成明显的莫来石晶相结构之前即中止煅烧反应过程,这一处理工艺被称为“温和煅烧法”,制品的抗磨损性能最低,但制品的白度和明亮度都比含水的高岭土制品要好,且亦呈化学惰性。这种产品可通过多种技术方法来制备,但在工业实践中大多选用三种煅烧装置来制造,分别是回转型煅烧炉、流化床型煅烧炉或多段炉煅烧装置。不论采用哪种生产装置,与前述的彻底煅烧工艺相比,高岭土物料在炉中的停留时间都要短得多,且都设置有物料搅拌系统来改善装置的传热均一性从而获得质量稳定的产品。
瞬时煅烧工艺是最近开发的技术,它可非常快速地将高岭土进行加热升温,通常达到900&#℃的温度仅需几分之一秒的时间,升温速率高达每秒钟10万到50万℃。在高岭土结构转化反应过程中产生的气体根本来不及从颗粒内部逸出,从而形成封闭式气泡。这些封闭式气泡可改进颜料和塑料制品的光散射效应,并显著降低煅烧高岭土产品的密度。这可以减少达到同样的矿物质填充效果时所需的高岭土重量,从而为用户明显地节约了资金成本(Agra-Gutierrez
and Whiteman, 2006; Stewart, 2008)。
2、试验过程
粉饼的X射线荧光检测技术
从煅烧炉中取回试样,采用粉饼X射线荧光检测技术来分析其组成的变化情况。这是一种对各种高岭土产品进行化学分析的方法,检测结果表示为不同氧化物的百分比含量。试样中水分的损失率可通过烧失率(loss
ignition,简写为LOI)参数反映出来。试样进入分析之前先将4克试样与1克聚乙烯醇(PVA)粉末混合,装入专用容器并在混合磨样机中振摇处理5分钟,充分混合分散后的粉末样品移入电动实验室压粒机的模孔中,压制成直径为32mm的圆饼。
每次检测之前,先使用一系列标准粉饼样对X射线荧光光谱仪进行校准。将圆形试样置入光谱仪样品室,记录每种元素的荧光强度。将记录的荧光强度数据与已知的标准试样化学组成数据输入计算机,通过专用计算软件获得每种元素的校准参数计算结果。
示踪剂鉴别法
选择滑石(Mg3Si4O10(OH)2)做为矿物性示踪剂,用来对产自英国西南部地区的高岭土中金属元素镁丰度偏离正常水平的数量进行检测分析;采用X射线荧光分析法(XRF)检测含少量滑石试样中元素镁丰度偏离正常水平的数量;并据此来确定煅烧加工所需的停留时间分配工艺参数。表1给出了本研究使用的滑石和高岭土的XRF组成分析数据。
表1& 煅烧高岭土和滑石的XRF分析结果(表述为元素氧化物的重量百分比)
高岭土(wt.%)
滑石(wt.%)
高岭土(wt.%)
滑石(wt.%)
由表可知,高岭土中检出的低含量MgO成分可能是由于试验方法本身造成的,故有必要进行校准性试验以确定粉饼中滑石的含量水平值。制备了不同滑石/高岭土比率试样,并于实验室条件下进行受控煅烧处理,然后对煅烧产物进行XRF检测,以确保添加的矿物性示踪剂的含量不会对颗粒团聚物粉饼、煅烧高岭土产物的分析结果产生不利影响,但又能在经历了高温处理之后仍可被检测出来。表2给出了校准性试验的结果。
表2& 各种混合比率的滑石/高岭土混合物中MgO含量的XRF检测结果
滑石/高岭土混合比例
MgO含量,wt.%
滑石/高岭土混合比例
MgO含量,wt.%
上述试验中所使用的滑石其颗粒尺寸具有相同的分布特征,在进入煅烧器之前,滑石粉的粒度分布检测值为:粒径大于300目(53
μm)的颗粒不超过0.02wt.%;粒径大于2μm的颗粒达83wt.%。试验所用的滑石粉、高岭土及煅烧高岭土的流动性也非常接近;可采用其相对密度进行粉体流动性评价,这三种粉末物质的相对密度分别为2.7、2.6和2.65。我们还采用一台Freeman粉末流变计对上述三种粉末物料的流动性能进行了检测,同样地,检测结果显示它们的流动性的确相当。
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高岭土的煅烧的研究
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煅烧高岭土的温度与化学含量质量有无关系煅烧高岭土的温度与化学含量质量有无关系煅烧高岭土的主要原料是高岭土,具有较好的耐酸碱性,耐高温,不溶于水,吸附性强,其品质好,物理机能不乱,化学机能好,白度高,颗粒平均等上风。在煅烧过程中,本产品当中含有一定量的结晶水粉,在烧成过程中其结晶水在650摄氏度温度下水分会慢慢开始消失,约在1000摄氏度的情况下水分会完全消失,在烧成之后其成分应减去其烧失量的成分进行重新计算。例举高纯高岭土,其理论结晶水分是1395%,SO2为465%,AlO3为395%,经由高温煅烧的过程其结晶水分即消失了,其AlO3含量为4595%,SiO2则为5404%。
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煅烧高岭土质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。有报道称,日本还有将高岭土用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。特别是最近几年,现代科学技术飞速发展,使得高岭土的应用领域更加广泛,一些高新技术领域开始大量运用高岭土作为新材料,甚至原子反应堆、航天飞机和宇宙飞船的耐高温瓷器部件,也用高岭土制成。目前,全球高岭土总产量约为4000万吨该数据属于简单的国与国产量的相加,其中没有统计原矿的贸易量,包含较多的重复计算,其中精制土约为2350万吨。造纸工业是精制高岭土最大的消费部门,约占高岭土总消费量的60%。据加拿大Temanex咨询公司提供的数据,2000年全球纸和纸板总产量约为31900next:不同煅烧制度对煅烧高岭土活性的影响_百度文库
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