辽宁葫芦岛膨润土特性_印航.pdf

辽宁葫芦岛膨润土特性印航 1,2，高惠民 2,3，任子杰 2,3，管俊芳 2（1.中能建绿色建材有限公司，湖北武汉430015；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；3.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北武汉430070）摘要：葫芦岛市位于锦西-哈尔套膨润土成矿带的最南端，为探究葫芦岛膨润土的特性，对葫芦岛的 6 个膨润土矿进行了研究，通过测定试样的膨胀容、亚甲基蓝吸收量、阳离子交换容量和 X 射线衍射分析，对葫芦岛膨润土的表观特性、矿物组成、膨胀性能和阳离子交换性等性能进行了评价和表征。研究表明：葫芦岛膨润土矿均为钙基膨润土矿，总体质量较好，大部分膨润土的粒度均匀、自然白度较高，蒙脱石平均含量接近或高于 70%。葫芦岛膨润土矿的石英、长石、方解石是主要脉石矿物，矿物组成比较简单，阳离子交换性能较好，在辽西地区膨润土矿中处于中上等地位，具有较强的代表性。然而，辽西膨润土普遍含有方石英，限制了产品的应用范围。关键词：膨润土；方石英；矿物组成doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2023.02.031中图分类号:TD985;TD97 文献标志码:A 文章编号:1000-6532（2023）02020508 中国已探明的膨润土资源储量为 29.96 亿 t1，储量仅次于美国，位列全球第二2。按矿床分布特点可将中国境内的膨润土矿床划分为五个主要矿带3，其中第一矿带由黑龙江宾县经吉林省九台、双阳，辽宁黑山、建平、凌源到河北、山西、陕西至四川省；辽西地区的膨润土矿就分布于其上4。辽西膨润土集中分布在凌源-建平成矿带和锦西-哈尔套成矿带两个区域5，辽西两处膨润土成矿带大地构造单元属于中朝准地台(I)，燕山台褶带(褶带，辽西台陷(西台，中生代火山岩系，受辽西坳陷内断陷盆地控制6，成因均为沉积火山碎屑岩-再造型7，且均赋存于白垩系义县组地层中8、辽西中生界侏罗-白垩系火山岩及火山碎屑-沉积岩内，含矿岩系基底为太古界、元古界、古生界等地层及印支期以前的侵入岩9。辽西膨润土矿床与其他中国东部沿海地区陆相火山沉积岩系非金属矿床的成矿时代(侏罗白垩纪为主)、成因类型(火山沉积)、成矿物质来源(成岩物质)、控矿条件(盆地构造)基本相同，成矿机理和成矿模式基本相似，即大量炽热的火山碎屑空落入火山湖盆水体内或火山灰流入湖盆水体中经水介脱玻及蚀变作用(含长石晶屑的蚀变)而成或熔岩通过空落或溢流入湖盆地经水介脱玻和蚀变交代矿化作用而成10-11。葫芦岛膨润土矿位于辽西区域的锦西-哈尔套成矿带的最南端，主要分布在建昌县和南票区，保有储量1929.966 万t，占全省保有储量的16.16%12。葫芦岛的膨润土矿与周边地区的膨润土矿成矿条件和成矿年代均相同8，在辽西地区的膨润土矿中具有较强的代表性。目前针对葫芦岛膨润土的特性研究较少，难以为合理开发葫芦岛膨润土资源提供科学指导；另一方面，辽西膨润土矿均分布于凌源-建平成矿带和锦西-哈尔套成矿带，分布比较集中且成矿条件相同，矿石的类型和品质也有很多相似之处，但目前对辽西地区膨润土矿的特性研究却是独立 收稿日期:2021-03-05作者简介:印航（1985-），男，博士，工程师，主要从事非金属矿选矿及矿物材料研究。第 2 期矿产综合利用2023 年 4 月Multipurpose Utilization of Mineral Resources 205 分析与鉴定且分散，缺乏对辽西膨润土特性的总结归纳。为此，本文对葫芦岛膨润土进行了研究，并与辽西地区其他膨润土进行了比较分析，以期达到以下研究目标：（1）全面了解葫芦岛膨润土的特性，为合理开发葫芦岛膨润土资源提供科学依据；（2）分析总结辽西地区膨润土的特征，使对辽西膨润土的特性研究更成体系。1实验原料与实验方法 1.1样品来源与样品制备共采集了 80 个样品，每个样品 50 kg，按矿体规模分别取自葫芦岛市的六个膨润土矿，其中，1 号矿 12 个，2 号矿 9 个，3 号矿 11 个，4 号矿 29 个，5 号矿 12 个，6 号矿 7 个，试样制备流程见图 1。膨润土风干破碎缩分试样图 1 试样制备流程Fig.1 Sample preparation flow chart 1.2测试方法亚甲基蓝吸收量（吸蓝量，Methylene BlueIndex,MBI）、阳离子交换容量（Cation ExchangeCapacity,CEC）的测试方法参照标准膨润土GB/T 20973-200713。pH 值、膨胀容（Swell volume,SV）的测试方法参照标准出口颗粒膨润土中白度、酸度及膨胀容的检验方法SNT 0990-200114。X 射线衍射（XRD）X 射线来源采用铜靶所产生的 Cu K 辐射线，扫描范围 370，扫描速度 0.02/s。XRD 物相半定量分析依据公式（1）计算15：wj=Ij/Kjnj=1(Ij/Kj)(1)式中：wj物相的半定量计算含量（%）；Ij第j 相的衍射强度；Kj第 j 相的参比强度。2结果与分析 2.1葫芦岛膨润土的特性（1）表观特性通过观察膨润土的颜色、质地、触感等表观特性能够较为粗略直观的对膨润土的品质及性质做出判断。一般来说，蒙脱石含量较高、杂质含量少的膨润土矿，以白色、灰白色和淡黄绿色为主，自然白度较高，由较多的细颗粒和松软的土块构成，块团质地不坚硬，易破碎或塑形较好，尤以有较强蜡质触感为佳。反正，若颜色较深、质地坚硬、块团不易破碎或不具备塑形，则品质较差。图 2 为 6 个膨润土矿具有代表性的原矿外观形貌照片。a:1 号矿b:2 号矿c:3 号矿d:4 号矿e:5 号矿f:6 号矿图 2 各个膨润土矿具有代表性的原矿外观形貌照片Fig.2 Photos of representative samples 206 矿产综合利用2023 年由图 2，试样的表观特征差异较大。其中，1 号矿呈灰白色、自然白度较高，以细粒为主，粒度较均匀，质地松散，有明显沙砾质感，有少量坚硬的土块。2 号矿呈灰褐色、自然白度较低，以细粒为主，粒度较均匀，质地松散，有明显沙砾质感。3 号矿呈灰褐色、灰白色、土黄色，白度差距大，以细粒为主，粒度较均匀，质地松散，有明显沙砾质感。4 号矿呈灰白色，自然白度较高，以细粒为主，粒度较均匀，质地松散，有明显沙砾质感，有少量坚硬的土块。5 号矿呈土黄色或灰绿色，白度较低，块样含量多，粒度不均匀，有明显蜡质感，砂感不明显。6 号矿呈褐色，白度低，块样含量多，质地坚硬，粒度不均匀，破碎难度较大，岩石质感明显。各膨润土样品的表观特性总结见表 1，通过对比样品的表观特性可知，在六个矿区中 6 号矿膨润土的品质稍差。表 1 葫芦岛膨润土的形貌特征Table 1 Apparent characteristics of Huludao bentonite编号颜色表观白度粒度均匀质感块矿占比其他1灰白高砂质多2灰白、浅褐色中砂质无3灰白、褐色低砂质少4灰白高砂质少5土黄色、灰绿色中蜡质多柔软、有塑形6深褐色低岩石质少坚硬、难破碎（2）物相组成与理化性质对试样进行了理化性质检测和表征，包括：MBI 反映蒙脱石含量，CEC 反映阳离子交换性能，SV 反映膨胀性能，XRD 图谱和半定量分析反映相特征和矿物组成。图 3 为 XRD 表征结果，图中膨润土的 d001峰值均在 15.00-16.00 之间，表明所有的膨润土样品都属于钙基膨润土。1 号矿、2 号矿和 3 号矿的试样（图 3.a,b,c）主要的脉石矿物为长石、石英、方解石和方石英；4 号矿（图 3.d,e）、5 号矿（图 3.f）的主要脉石矿物是石英，长石和方石英；6 号矿物相构成最为复杂（图 3.g），主要脉石矿物是方石英，石英，长石和方解石，部分样品含有白云石。根据 XRD 分析结果对试样的物相进行半定量分析并进行统计分析，结果见图 4。5 号矿（图 4.a）的蒙脱石平均含量较高（73.74%），标准差（SD 为 2.51）和变异系数（CV 为 0.03）较低，表明该矿蒙脱石含量较高且矿体内蒙脱石含量波动很小，矿石质量很稳定。1 号矿（66.71%），2 号矿（68.86%），3 号矿（70.14%）和 4 号矿（65.82%）的蒙脱石平均含量略低于 5 号矿，标准差值接近（4.77，5.92，5.23、4.74）和变异系数也都较低（0.07、0.09、0.07、0.07），说明这四个矿的蒙脱石含量波动也都很小，矿石质量稳 10d=15.5471MMFMMCFQQFCaMMFMMCFQQQFCaMMd=15.60042030402/()5060a:1 号矿b:2 号矿102030402/()5060 第 2 期2023 年 4 月印 航等：辽宁葫芦岛膨润土特性 207 定，但品质略低于 5 号矿。6 号矿蒙脱石平均含量较低（55.32%），而且波动很大，是六个膨润土矿中膨润土品位最低、质量最不稳定的一个；但该矿蒙脱土的平均含量仍超过 55%，说明葫芦岛膨润土的整体质量良好。长石在葫芦岛膨润土中最主要的脉石矿物 MMMMMFMMCFQQFCaMMM-MontmorilloniteF-FeldsparC-CristobaliteCa-CalciteQ-QuartzD-DolomiteMMCQQQQQQFCaCMCMMMCQQQQQFMCMMMCQQQQQQFCaCMCMMFFMCQQQCaQQFCaDDDCMMd=15.5471d=15.4830d=15.6565d=15.7177d=15.7685102030402/()c:3 号矿d:4 号矿(1-15)e:4 号矿(16-29)f:5 号矿g:6 号矿5060102030402/()5060102030402/()5060102030402/()5060102030402/()5060图 3 XRD 衍射分析Fig.3 XRD diffraction patterns 208 矿产综合利用2023 年（图 4.b）；13 号矿的主要脉石矿物都是长石（28.94%，27.19%，26.30%），标准差值（6.39、5.38、5.93）和变异系数（0.22、0.20、0.23）接近，其他石矿物的含量很低，说明这三个矿的矿物组成相近。4 号矿的主要脉石矿物为晶体二氧化硅（石英为 16.18%，方石英为 8.9%），其次是长石（6.84%）和少量方解石（2.26%）。5 号矿的主要脉石矿物也是晶体二氧化硅，但它的方石英含量（12%）高于石英含量（8.73%）。6 号矿的脉石矿物组成较复杂，含量最高的是长石（22.44%），其次为石英（7.55%），方石英（6.10%），方解石（4.85%）和白云石（3.31%）。由表 2 可知，通过吸蓝量换算来的蒙脱石品位比 XRD 半定量分析所得的蒙脱石品位略高，这可能是由膨润土中的杂质微量吸附亚甲基蓝引起的。吸蓝量平均值仍然是 5 号矿较高，6 号矿较低，其他四个矿的吸蓝量平均值比较接近，测试结果与 XRD 半定量分析结果相吻合。试样的 CEC 平均值都很高，说明葫芦岛膨润土的阳离子交换性能较好；膨胀容普遍较低、pH 值均呈现弱碱性，符合钙基膨润土的特征。表 2 吸蓝量、CEC、膨胀容和 pH 值测试结果Table 2 Test results of MBI,CEC,SV and pH valueNo.1号2号3号4号5号6号吸蓝量换算的蒙脱石含量/%min60.861.364.358.872.345.7max76.378.583.378.081.069.7mean70.270.972.367.975.457.3CEC/mmol(100 g)-1min64.4771.3370.7565.3380.5452.63max86.5395.5396.8788.8792.0576.52mean7881.1682.0276.7185.3964.51膨胀容/(mLg-1)min6910888max131413151412mean91112111210pH