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| 不同產地高嶺土的組成和結構研究 |
| 來源：中國粉體技術網 更新時間：2016-01-18 10:14:51 瀏覽次數： |
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高嶺土是一種天然礦產，在我國有豐富的儲藏，現已探明地質儲量約30億t，主要分布在粵、桂、贛、閩、蘇等地。高嶺土除了廣泛應用于造紙、陶瓷、塑料、橡膠、化工、電子、涂料、耐火材料等領域外，還可以作為石油催化劑的載體以及制備FCC催化劑的原料。由于地質形成原因不同，不同產地的高嶺土其組成、結構也有所差異。茂名、蘇州、北京房山這三個產地高嶺土產量大，雖然研究高嶺土的文章不少，但多是對高嶺土的開發、應用及某一方面結構和性能的研究報道，對這三個產地高嶺土的組成和結構進行系統研究(尤其是北京高嶺土)的報道還沒發現，所以本文選取茂名、蘇州、北京房山三個產地的高嶺土作為研究對象進行研究對比，對指導高嶺土的使用具有一定意義。
1.實驗部分
1.1 實驗設備及分析儀器
ZSX-100X-射線熒光光譜儀，英國LEO公司435VP環境掃描電鏡，Quanta chrome公司AS-3自動吸附儀，SIMENSD5005X-射線衍射儀，Nicolet公司560傅立葉變換紅外光譜儀,Universal V2.6D TA Instruments熱分析儀。
1.2 實驗原料
本實驗采用蘇州、茂名、北京房山三個產地的高嶺土作為原料進行其組成和結構分析。
2.實驗結果及討論
2.1 化學成分分析
高嶺土的化學組成是影響其使用的重要因素之一，尤其是其中的雜質含量，對高嶺土的使用性能有比較大的影響。本文采用ZSX-100X-射線熒光光譜儀分析(XRF)這三種產地高嶺土的化學組成，結果如下表所示。
從上表可以看出：不同產地的高嶺土化學成分總的來說變化不大，尤其Al2O3、SiO2含量變化甚小，相比較而言，茂名高嶺土雜質含量稍高一些(尤其Fe含量，對催化劑的性能有比較大的影響)，蘇州高嶺土中的TiO2、Fe2O3含量比北京高嶺土高，而K2O、CaO含量低。從化學組成來看，這三種產地的高嶺土均滿足造紙、陶瓷、塑料、橡膠、化工、電子、涂料、耐火材料的要求，而對用作制備石油催化劑(Y型分子篩)的原料，茂名高嶺土中Fe含量稍高一些(一般要求≤0.9，超過此值，容易生成雜晶)。
2.2 SEM觀察
高嶺土的形貌研究是高嶺土結構研究的重要部分，本文采用英國LEO公司435VP環境掃描電鏡對不同產地高嶺土進行掃描電鏡觀察，結果見圖1。
2.3 BET分析
高嶺土常用作石油催化劑的載體，而作為載體，其比表面積對催化劑的性能有一定影響，所以本文采用Quanta chrome公司AS-3自動吸附儀測定了高嶺土的比表面積，所得BET(m2/kg)數據為：茂名17000；蘇州25000；北京23000。從BET數據可以看出：蘇州高嶺土比表面積最大，其次是北京高嶺土，這兩者差別不大，茂名高嶺土比表面積明顯比蘇州高嶺土和北京高嶺土小。從掃描電鏡照片來看，蘇州高嶺土和北京高嶺土分散得較好，茂名高嶺土全部是片狀晶體，顆粒之間堆積比較緊密，還有疊片現象，所以比表面積小。對用作石油催化劑的載體來說，蘇州和北京高嶺土優于茂名高嶺土，這兩種產地的高嶺土可以提供大的比表面積，同樣重量的高嶺土可以擔載更多的催化劑。
2.4 XRD衍射分析
X-射線衍射是分析物質結構的有力手段，本文采用SIMENS D5005X-射線衍射儀分析了三種產地高嶺土的結構，所得曲線見圖2。其中2θ在35°~40°之間的六指峰是典型的高嶺土衍射峰。經常用020(2θ=19.3)、110(2θ=20.4)、111(2θ=21.4)晶面衍射峰的強度和分裂程度來衡量高嶺土的有序度。從X-射線衍射曲線可以看出：這三種高嶺土的二個強衍射峰(晶面001，2θ=12.5，晶面002，2θ=25.1)的強度差別不大，蘇州高嶺土的020、110、111強度相對來說稍弱一些，這說明蘇州高嶺土有序性較差。此外茂名高嶺土和北京高嶺土中還含有少量石英，蘇州高嶺土中雜質含量較少。高嶺土的有序性和用它制備的FCC催化劑的性能之間有密切的關系，高嶺土的有序性越差，制備的分子篩結晶度越高，但磨損強度也越低；高嶺土的有序性越高，制備的分子篩結晶度越低，但磨損強度也越高，所以作為制備催化劑的原料時，應選用中等有序的高嶺土。
在高嶺土亞族礦物結構研究中，紅外光譜也是一種很重要的表征手段，高嶺土有自己的特征峰，而且其結構有序性越高，峰形越尖銳。圖3是不同產地高嶺土的IR光譜圖。其中3694、3621、1100、1032、1008、913、694、539、471cm-1處的峰都是高嶺土的特征峰。這三種高嶺土的IR曲線相似，只是北京高嶺土在1032cm-1的峰更尖銳，此峰是Si-O伸縮振動引起的，說明北京高嶺土中Si-O伸縮振動更強烈一些。
2.6 差熱分析
高嶺土在加熱過程中，發生一系列相變，300℃以前主要是吸附水緩慢脫去，550～600℃左右主要是高嶺土脫羥基轉變成偏高嶺土，950～1050℃放熱轉變成尖晶石。在DTA研究中(圖4)，高嶺土有序性好，則脫水和相變溫度高。茂名高嶺土脫羥基溫度范圍寬，從500℃開始脫羥基，峰尖溫度在601.55℃，在1005.26℃放熱轉變成尖晶石，蘇州高嶺土從490℃開始脫羥基，峰尖溫度在583.17℃，在1006.34℃放熱轉變成尖晶石，北京高嶺土脫羥基溫度范圍比較窄，從560℃開始脫羥基，峰尖溫度在601.55℃，在1005.36℃放熱轉變成尖晶石。蘇州高嶺土脫羥基峰尖溫度明顯比茂名高嶺土和北京高嶺土脫羥基峰尖溫度低，說明蘇州高嶺土有序性比茂名高嶺土和北京高嶺土有序性低，這一點也可以從X-射線衍射圖中看出。在一些應用領域，需要使用煅燒高嶺土，如制備沸石分子篩(A型、Y型等)、土聚水泥等，高嶺土的熱轉變溫度不同，需要的煅燒溫度和煅燒時間也不同，所以在使用時應根據其熱轉變溫度來選擇合適的煅燒溫度和煅燒時間。
3.結論
高嶺土晶體結構是由一層Si-O四面體和一層Al(O，OH)八面體組成，其中Si是4配位，Al是6配位，二者通過氧原子的共享交錯堆積而成，其理想化學組成為Al2O3·2SiO2·2H2O。從以上XRF、SEM、BET、XRD、IR、DTA分析可以得出結論：不同產地的高嶺土因其成因不同，它們的化學組成和結構都有所差異，所以我們在選用原料時一定要根據使用要求來選用合適產地的高嶺土。
作者：王雪靜，周繼紅，黃浪，方克明(1.北京科技大學冶金與生態工程學院理化系，北京100083；2.中國石化集團石油化工科學研究院，北京100083)
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