Box-Behnken模型优化煤系高岭土增白实验研究及表征.pdf

第4 6卷 第5期2 0 2 3年9月煤炭转化C OA L C ONV E R S I ONV o l.4 6 N o.5S e p.2 0 2 3 *辽宁省教育厅重点攻关项目(L J 2 0 1 9 Z L 0 0 4)和辽宁工程技术大学创新团队项目(L N TU 2 0 T D-3 4).第一作者:王兴峰,硕士生,E-m a i l:c n w x f f 1 2 6.c o m收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 1;修回日期:2 0 2 3-0 2-2 5王兴峰,刘 豹,李彩霞,等.B o x-B e h n k e n模型优化煤系高岭土增白实验研究及表征J.煤炭转化,2 0 2 3,4 6(5):9 9-1 1 0.D O I:1 0.1 9 7 2 6/j.c n k i.e b c c.2 0 2 3 0 5 0 1 1.WAN G X i n g f e n g,L I U B a o,L I C a i x i a,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o a l-s e r i e s k a o l i n w h i t e n i n g o p t i m i z e d b y B o x-B e-h n k e n m o d e lJ.C o a l C o n v e r s i o n,2 0 2 3,4 6(5):9 9-1 1 0.D O I:1 0.1 9 7 2 6/j.c n k i.e b c c.2 0 2 3 0 5 0 1 1.B o x-B e h n k e n模型优化煤系高岭土增白实验研究及表征*王兴峰1 刘 豹2 李彩霞1 洪 琰1 孙得智1 宁 琴1(1.辽宁工程技术大学矿业学院,1 2 3 0 0 0 辽宁阜新;2.阜新市海州区人民政府,1 2 3 0 0 0 辽宁阜新)摘 要 以山西塔山煤系高岭土为原料,采用“先煅烧后漂白”工艺对其进行增白实验研究。通过单因素实验探究煅烧、化学漂白阶段的工艺参数,并对化学漂白阶段进行B o x-B e h n k e n响应面实验,优化制备工艺参数。采用X R D、S EM和F T-I R等手段对原料及实验各阶段产物进行表征,分析其理化性质以探究增白机理。实验结果表明:在煅烧温度为9 5 0、恒温时间为3.0 h和N a C l质量分数为2%的煅烧条件下可获得白度为8 3.5 1%的样品(c a l c i n e d k a o l i n e,C K);响应面回归模型的相关系数R2=0.9 9 7 9,优化模型可信度较高;化学漂白实验对白度的影响有显著性关系的四因素为草酸用量、N a2S2O4用量、矿浆p H值及反应温度;在矿浆p H值为3.6、N a2S2O4质量分数为3.4%、草酸质量分数为3.9%和反应温度为3 8 的响应面优化方案下对样品C K进行化学漂白,最终产品的F e2O3质量分数由原先的1.9 3%降至0.2 8%,白度由5.7 2%升至9 0.0 9%,满足G B/T 1 4 5 6 3-2 0 2 0优质高岭土白度要求。T G-D S C、X R D、S EM和F T-I R分析结果表明:原料的主要成分为高岭石,经9 5 0 煅烧3.0 h后其晶体结构发生变化,形成无定形且活性更高的偏高岭石,而未形成莫来石;化学还原漂白过程对偏高岭石内部结构影响甚微,即不会破坏偏高岭石的晶体结构。关键词 煤系高岭土,B o x-B e h n k e n模型,煅烧,化学漂白,工艺优化中图分类号 T D 9 7,T D 9 2 7D O I:1 0.1 9 7 2 6/j.c n k i.e b c c.2 0 2 3 0 5 0 1 10 引 言煤系高岭土属于煤的伴生矿物,主要矿物成分为高岭石、地开石、珍珠石等高岭石族矿物1-2。煤系高岭土的致色成分主要是碳质和铁、钛等金属氧化物,致色成分是导致煤系高岭土自然白度较低和限制煤系高岭土应用范围的主要原因3-4。白度作为评价高岭土产品质量的重要指标之一,现代工业对其要求极为严格,但目前我国的优质高岭土资源较少,往往需要高成本高能耗的工艺满足高岭土产品质量,多采用对煤系高岭土进行提纯加工再利用。我国煤系高岭土资源储量虽居世界前列,但其自然白度较低,加之自身结构及理化性质的局限性,限制了其经济价值和应用范围5-6。为此相关领域学者对煤系高岭土进行了一系列研究。张鑫等7对内蒙古鄂尔多斯煤系高岭土进行性质分析,确定其为高碳、高铁、高钛类硬质高岭土,其中铁杂质主要是黄铁矿,针对其杂质赋存状态制定了反浮选脱碳和浮选-磁选联合除铁、钛杂质的提纯增白方案,获得了F e2O3质量分数为0.5 4%、T i O2质量分数为0.5 0%、白度为8 4.2 4%的高岭土产品。管俊芳等8对淮北新蔡煤系高岭土增白进行了研究,分析后发现原料中铁杂质以菱铁矿为主,确定了“湿法搅拌磨-磁选-煅烧”的最佳提纯增白工艺,在此工艺下使得高岭土产品全F e质量分数下降0.4 2%,白度超过9 0%,达到煅烧优级高岭土白度标准。赵雪淞等9以唐山矿煤系高岭土为原料,分别通过X R D、X R F对其进行物相分析和化学成分分析,通过结合煅烧和化学漂白等方法对增白工艺进行对比研究,最终获得的高岭土产品白度可达9 0.8 8%。煤系高岭土增白工艺需根据原料自身性质和杂质赋存状态来合理地确定1 0-1 1。工艺参数优化是提高产品生产量及规模化产出效率的有效举措,同时研究作用机理有利于工艺方法进一步得到改进。但目前研究中多以单因素实验探究煤系高岭土增白的实验条件,而对于增白工艺参数优化以及对漂白煅烧煤系高岭土的机理研究鲜有报道。B o x-B e h n k e n实验设计法是响应面法中的一种,简称“B B D”,可用于评价指标和因素间的非线性关系,探究实验各因素之间交互作用,优化实验条件和工艺参数1 2-1 3。该方法不需要进行多次连续实验,相同因素条件下实验组合数少,因而更加经济。与常用的正交设计相比,具有直观、精度高、预测性强等优点1 4。本研究以山西塔山地区的煤系高岭土为研究对象,采用“先煅烧后化学漂白”工艺对其进行增白实验研究,通过单因素实验探究煅烧、化学漂白阶段的工艺参数,并对化学漂白阶段进行响应面实验,优化制备工艺参数,采用T G-D S C、X R D、S EM和F T-I R等表征探究高岭土增白机理,为煤系高岭土提纯增白工艺提供了思路,对实现煤系高岭土应用产业的高质、高值发展具有一定参考意义。1 实验部分1.1 原料原料为山西塔山地区的煤系高岭土,其自然白度较低,仅为5.7 2%。原料化学成分如表1所示。由表1可以看出,原料中S i O2和A l2O3的质量分数分别为4 6.1 2%和3 8.0 5%,S i O2与A l2O3的物质的量比为2.0 6,接近于高岭石的理论物质的量比表1 煤系高岭土原料化学成分T a b l e 1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f c o a l-s e r i e s k a o l i n r a w m a t e r i a lS a m p l ew/%S i O2A l2O3F e2O3T i O2C a OM g O P2O5K2O L O IR a w m a t e r i a l 4 6.1 2 3 8.0 5 1.9 3 0.4 7 1.4 9 0.1 5 0.6 5 0.6 6 8.9 2(S i O2质量分数为4 6.5 4%,A l2O3质量分数为3 9.5 0%,S i O2与A l2O3的物质的量比为2)1 5。对煤系高岭土原料进行X射线衍射分析,结果如图1所示。由图1可以看出,此煤系高岭土的主要成分是高岭石,且结晶度良好1 6,原料中同时存在赤铁矿、石英等杂质。KKaoliniteDDickiteHHematiteQQuartzKKKKKKKKKKKKKKQQQQDDHHH6?0005?0004?0003?0002?0001?0000Intensity10020304050607080902/?（）图1 煤系高岭土原料X R D谱F i g.1 X R D s p e c t r a o f c o a l-s e r i e s k a o l i n r a w m a t e r i a l1.2 实验过程与方法1.2.1 煅烧实验以徐州泰瑞仪器公司生产的C TM 5 0 0马弗炉为煅烧设备,N a C l为煅烧助剂,设定马弗炉升温速率为1 0/m i n,考察煅烧温度、恒温时间和N a C l用量对煤系高岭土煅烧白度的影响,开展煅烧单因素实验。将煤系高岭土与N a C l助剂混合均匀,待马弗炉温度升至1 0 5 时,将其置于炉内进行煅烧。实验完成后将煅烧产物放入干燥皿中,冷却至室温后采用北京泰光仪器公司生产的WS D-型白度仪测其煅烧白度。根据煅烧白度值来调整因素水平,确定本实验最优煅烧条件,最优煅烧条件下制得的煅烧产物记作样品C K(c a l c i n e d k a o l i n e)。1.2.2 化学漂白实验以连二亚硫酸钠(N a2S2O4)为漂白剂,草酸为络合剂,浓度为0.1 m o l/L的HC l溶液为矿浆p H调节剂,反应时间为3 0 m i n,对样品C K进行化学还原漂白实验研究,考察p H值、N a2S2O4用量、草酸用量和反应温度对产品白度的影响。将样品C K和蒸馏水混合制成液固质量比为51的浆体,搅拌均匀后加入N a2S2O4和草酸,置于河南予华仪器公司生产的HH-Z K S Y水浴锅中,待反应完成后进行抽滤、洗涤和烘干,测定产品白度和F e2O3质量分数。001煤 炭 转 化 2 0 2 3年1.3 测试与表征方法采用德国B r u k e r公司生产的D 8-A D VAN C E型X射线衍射仪分析煤系高岭土及各阶段产物的物相组成,扫描范围为5 9 0,扫描速度为5/m i n,C u靶K 射线;采用德国Z E I S S公司生产的G e m i-n i 3 0 0型扫描电子显微镜对增白前后煤系高岭土进行微观形貌测试;采用德国N e t z s c h公司生产 的S T A 4 0 9 P C型热重-差热同步分析仪对煤系高岭土进行热分析,温度范围为室温1 1 0 0,氮气氛围,升温速率为1 0/m i n;采用日本岛津公司生产的I R P r e s t i g e-2 1型红外光谱仪分析样品的红外光谱,扫描波数范围为4 0 0 c m-14 0 0 0 c m-1;采用日本理学公司生产的Z S X P r i m u s 型X射线荧光光谱仪分析样品的化学成分;WS D-型白度仪测试煤系高岭土原料及增白过程中产物的白度。2 结果与讨论2.1 煅烧实验结果分析2.1.1 煅烧温度对煅烧白度的影响控制煅烧恒温时间为3.0 h,N a C l助剂质量分数为1.5%,探究不同煅烧温度对煤系高岭土煅烧白度的影响,结果如图2所示。由图2可以看出,煤系高岭土的煅烧白度随煅烧温度升高而逐渐上升,温度升至9 5 0 时煅烧白度为8 1.4 3%。这是由于随着温度的升高,煅烧时的热传导效应更容易向高岭土颗粒内部推进,会促进煤系高岭土中的残留碳及有机质分解,煅烧白度随之增加1 7;另外,随着煅烧温度逐渐升高,高岭石内部羟基逐渐脱除,高岭石结构会发生变化1 8-2 0。对不同煅烧温度下的产品进838281807978777675Calcined?whiteness?/?%750Calcination?temperature?/?8008509009501?0001?050图2 不同煅烧温度对煅烧白度的影响F i g.2 E f f e c t o f d i f f e r e n t c a l c i n a t i o