高嶺土是以高嶺石為主要成分的黏土類礦物，俗稱為“瓷土”，包括高嶺石、珍珠石、地開石和埃洛石等礦物，其脈石礦物主要有石英、長石、云母、鐵礦物和鈦的氧化礦物等。
高嶺石的晶體化學式為Al4［Si4O10］（OH）8，是1:1型層狀硅酸鹽礦物，由一個硅氧四面體層和一個鋁氧八面體層構成，層間由氫氧鍵連接。
▼高嶺石晶體結構
根據其質地、可塑性和砂質可分為硬質高嶺土、軟質高嶺土和砂質高嶺土。根據其成因可分為煤系高嶺土和非煤系高嶺土。
煤系高嶺土是煤炭生產過程中產生的固體廢棄物，包括硬質高嶺土、半軟質高嶺土和軟質高嶺土，其儲量占我國高嶺土總儲量的50%以上。
我國高嶺土儲量豐富，已查明資源量21.00億噸，占世界查明資源量的9.46%，僅次于美國及印度，居世界第三位，主要分布在廣東、陜西、福建、江西和廣西等地。
1、高嶺土為什么要提純？
目前，高嶺土廣泛應用于陶瓷、造紙和橡膠等領域，其應用過程中一個非常重要的工藝性能參數就是白度。
造紙、搪瓷、橡膠和陶瓷用優質高嶺土的白度要求分別為≥87.0%、≥80.0%、≥78.0%和≥90.0%。有機質和含鐵、鈦、錳等元素的礦物以及過渡金屬氧化物等有害雜質都會不同程度的降低高嶺土的白度。
研究發現，晶格內的鐵離子不會影響高嶺土的白度，但獨立存在的赤鐵礦、黃鐵礦和褐鐵礦則會降低高嶺土的白度。改性高嶺土和納米高嶺土的興起使高嶺土在環保、國防和醫藥等領域獲得更優良的應用性能，但同時也對高嶺土的品質有更加嚴格的要求。國內生產的高嶺土產品白度普遍不高，因此多用于陶瓷用二、三級高嶺土，難以滿足造紙和陶瓷用優質高嶺土的白度要求。
此外，不同領域用高嶺土對其Al2O3、SiO2和Fe2O3等含量均有要求，優質高嶺土依賴進口。因此，對高嶺土進行提純，繼而提高其品質及附加值已成為高嶺土生產及應用所面臨的主要問題之一。
對高嶺土進行提純的目的是去除鐵礦物、鈦礦物和有機質等有害的染色雜質，以提高產品的白度，或去除石英、長石等砂質礦物，以提升高嶺土產品的品質，進而拓展其應用的廣度及深度，獲取更好的經濟效益，以及充分利用高嶺土資源。
目前，高嶺土提純采用的工藝主要包括重選、磁選、浮選、浸出、化學漂白和焙燒等。
▼高嶺土主要提純方法
2、高嶺土重選提純工藝
重選提純工藝主要是利用高嶺土和脈石之間的密度和粒度差異，去除輕質的有機質和Fe2O3等含鐵、鈦和錳等元素的高密度雜質，以達到提純高嶺土的目的，減少或去除雜質對其白度的負面影響。
同樣，利用高嶺土和脈石顆粒的密度差異，采用離心工藝也可以去除石英等脈石顆粒，達到提純高嶺土的目的。
實踐表明：重選提純高嶺土是行之有效的，以小錐角旋流器組或離心機替代高嶺土提純流程中的洗滌和篩分作業，既能實現洗滌和分級的目的，還可以去除部分雜質，具有較好的應用價值。但同時也要考慮僅通過重選工藝很難得到符合要求的最終高嶺土產品，重選提純后仍要通過煅燒、磁選和浸出等方法以得到最終合格產品。
最新研究進展：
任瑞晨以六偏磷酸鈉為分散劑，采用直徑為150、75、50、10mm的小錐角旋流器四級串聯流程對高嶺土進行提純，不僅顯著降低了Fe2O3的含量，而且有效去除了粗顆粒石英。隨著旋流器直徑的減小，溢流產品鋁硅比不斷提高，表明通過旋流器組對高嶺土進行提純時選用小錐角旋流器是合理的。
J.M.R.deFigueiredo等對平均粒徑為11.8、14.95μm的兩種高嶺土礦樣進行提純研究，將質量分數為40%的高嶺土礦漿加入碳酸鈉攪拌24h后給入旋流器進行提純，結果表明旋流器去除石英等脈石礦物是有效的。旋流器組可替代高嶺土提純流程中的洗滌和篩分作業，既簡化了洗滌及篩分流程，又可以去除部分雜質，是高嶺土生產工藝改進的一條途徑。
易龍生等對高嶺土進行離心脫硅試驗，在最優條件下，可除去大部分石英及部分長石，使高嶺土產品中的SiO2含量減少5.2%，Al2O3含量增加1.5%。
3、高嶺土磁選提純工藝
磁選工藝用于去除高嶺土中的赤鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦和金紅石等弱磁性染色雜質。磁選不需要使用化學藥劑，對環境無污染，因而在非金屬礦的提純過程中使用較為廣泛。去除高嶺土中的弱磁性雜質顆粒需要較高的磁場強度和磁場梯度，而磁選技術的發展及設備的升級，使高嶺土等非金屬礦的磁選提純得以有效實現。
立環高梯度磁選機作為一種高性能的強磁選設備，在高嶺土提純的生產中已經得到使用。我國目前已經研制出適合非金屬除雜的具有高磁場磁感應強度的立環高梯度磁選機，隨著磁選技術的發展和設備的更新，高嶺土的磁選提純工藝將取得更好的效果。超導磁選機作為一種新興的磁分離技術，具有高場強、節能、生產能力大等優點，也被用于高嶺土的提純。
磁選提純工藝解決了因含鐵量高而不具備商業開采價值的低品質高嶺土資源的開發利用問題，超導磁選機更是可以直接處理含雜質較多的高嶺土。但單一的磁選作業也難以獲得高品質的高嶺土產品，目前還需要配合化學漂白等其他工藝來進一步降低高嶺土產品的含鐵量。
最新研究進展：
熊大和采用立環高梯度磁選機對淮北煤系高嶺土原礦進行處理，產品中Fe2O3的含量＜0.5%，可將煅燒產品白度提高到93%，實現了較好的提純效果。
王浩等采用高梯度磁選機提純高嶺土試驗結果表明，該磁選機不僅可以有效去除Fe2O3，也能明顯降低K2O和TiO2的含量，進一步提高產品白度。除了對磁場磁感應強度要求較高外，礦漿流速、磁介質種類等因素對高嶺土的磁選提純也起到一定影響。同時還發現，在相同磁場磁感應強度下，通過優化礦漿流速和選擇合適的磁介質可以使高嶺土產品的自然白度提高1%。
李亦然等采用超導磁分離技術對高嶺土進行提純試驗，結果表明磁介質越細，場強越高，除鐵效果越好，同時發現礦漿流速對提純效果影響明顯，礦漿最佳流速為1cm/s。在最優條件下將高嶺土中的Fe2O3含量由2.5%降至0.93%。因其磁場磁感應強度較高，超導磁選機可用于直接提純雜質含量高的高嶺土。
4、高嶺土浮選提純工藝
浮選提純工藝可以有效去除高嶺土中的含鐵、鈦和碳雜質，實現回收再利用煤系高嶺土等低品級高嶺土資源。高嶺土顆粒較細，比脈石礦物更難上浮，因此高嶺土浮選提純工藝多采用反浮選以達到較好的去除雜質的效果，如反浮選除碳、脫硫和除鐵。
水玻璃被用于高嶺土反浮選除雜過程中抑制石英及硅酸鹽礦物，同時對高嶺土起到較好的分散效果。反浮選工藝除碳藥劑使用量少，具有較好的經濟環保效益。
反浮選除雜流程中對不同雜質可選用不同的捕收劑。相關研究表明：羥肟酸螯合捕收劑可以與高嶺土中的雜質金屬離子形成螯合環，進而實現有效捕收。采用螯合捕收劑可以簡化浮選流程，減少生產費用，同時因為不需要添加活化劑，從而減少了藥劑用量和對后續選別作業的影響。
浮選提純工藝多用來處理雜質較多和白度較低的高嶺土原礦，以實現對低品級高嶺土資源的綜合利用。浮選可使高嶺土的白度明顯提升，其不足之處在于需要添加化學藥劑，造成生產成本增高，且易對環境造成污染。螯合捕收劑等新型藥劑的研發是浮選提純研究的主要方向之一。
最新研究進展：
洪微等對高嶺土進行反浮選脫碳試驗，在高嶺土磨礦細度為-0.045mm含量占83.57%時，以煤油為捕收劑，松醇油為起泡劑，水玻璃作為抑制劑，通過條件試驗確定了最佳浮選條件：煤油、松醇油和水玻璃的最佳用量分別為600、150、2500g/t，在該條件下游離碳基本被除去，減少了碳質對后續提純的影響。
曹學鵬開展了對高嶺土反浮選脫硫研究。高嶺土的硫元素主要賦存于黃鐵礦中，所處理的高嶺土92.68%的硫賦存于黃鐵礦中。試驗發現，隨著磨礦細度增加，對硫的浮選回收效果越好，但-0.074mm含量超過90%時產生的細泥會對浮選產生影響，最終在-0.043mm含量占95%的磨礦細度下實現硫的回收率87.30%，獲得硫品位48.77%的硫精礦，達到良好的脫硫效果，既對高嶺土進行了提純，又實現了資源的綜合利用。
余力等研究發現，自制的含有磷酸-2-乙基己基脂的捕收劑對氧化鐵雜質的去除效果顯著優于氧化石蠟皂和油酸鈉等傳統捕收劑。
5、高嶺土浸出提純工藝
浸出是通過適當浸出藥劑來選擇性地溶解并去除高嶺土中的某些雜質組分的方法，如使用鹽酸或硫酸的酸法浸出和微生物浸出法。浸出工藝流程簡單、節能、可降低生產成本，具有較好的發展潛力。
煤系高嶺土中含有黃鐵礦、褐鐵礦和赤鐵礦等雜質，在煅燒過程中黃鐵礦會被氧化成黑褐色的鐵氧化物，使高嶺土的白度有所降低。氧化亞鐵硫桿菌可以通過催化氧化作用分解黃鐵礦，因此可以用于去除高嶺土中的黃鐵礦。
與目前常用的提純工藝相比，浸出提純工藝流程簡單，可以顯著降低生產成本，使低品位高嶺土得到有效的開發利用，具有更高的發展潛力。當然，在采用微生物浸出時，必須進行更加嚴格的環境評估及經濟效益評估。
最新研究進展：
陳武生等對主要含鐵雜質為黃鐵礦和赤褐鐵礦的高嶺土進行提純研究，浮選和強磁選提純效果較差。采用濃度25%的硫酸對含鐵較高的硬質高嶺土進行酸浸處理5h，其除鐵率可達37.67%。因原礦中鐵多以黃鐵礦的形式存在，為到達更好的除鐵效果，以H2O2為氧化劑進行氧化酸浸，結果表明H2O2濃度為2mol/L時，采用0.5mol/L的鹽酸浸出，除鐵率可達到45.83%。
雷邵民等對富黃鐵礦煤系高嶺土采用微生物浸出法進行研究。從酸性礦坑水中獲取氧化亞鐵硫桿菌對黃鐵礦進行氧化，其氧化速度比自熱氧化提高3倍，脫硫率超過83.82%，除鐵率超過72.32%，使產品白度提升12.1%～13.9%，有效地實現了除鐵脫硫的目的。
A.Zegeye等用希瓦氏菌浸出高嶺土中的鐵雜質，三價鐵僅在pH＜3的酸性條件下可溶，而二價鐵能在更大的pH值范圍內溶解，希瓦氏菌具有較強的鐵還原能力，因此被用于浸出高嶺土中的鐵雜質。試驗結果表明，在30℃下希瓦氏細菌浸出5d即可使高嶺土的白度從54%提升至66%，ISO亮度從74%提升到79%，較好地提高了高嶺土的白度和ISO亮度指標。
6、高嶺土化學漂白提純工藝
三價鐵離子及其氧化物是降低高嶺土白度的主要染色雜質，通過化學試劑去除這些有害雜質的方法稱為化學漂白法。高嶺土的化學漂白法分為氧化法、還原法和氧化-還原聯合法等。
氧化漂白法的原理是將還原態的有害著色雜質氧化成可溶性的物質，進而將其去除，例如將黃鐵礦氧化成可溶性的硫酸亞鐵，然后將有機質氧化后通過水洗去除。常用的強氧化劑有次氯酸鈉、高錳酸鉀和過氧化氫等。該方法在使用過程中需要嚴格控制體系的pH值，如果pH值過高將使Fe2＋轉化為難溶的Fe3＋；此外溫度、藥劑用量、礦漿濃度和漂白時間等對漂白效果均有影響，需經條件試驗確定最佳方案。
還原漂白法的原理是將難溶的三價鐵氧化物還原為可溶的二價鐵鹽，使有害元素鐵轉化為可溶相以溶解，繼而通過洗滌流程去除。常用的還原漂白藥劑有連二亞硫酸鈉（Na2S2O4）和二氧化硫脲（HO2SC（NH）NH2）等。
該方法同樣需要嚴格控制體系的pH值。當pH值較低時，連二亞硫酸鈉容易分解；當pH值較高時，可以增強連二亞硫酸鈉的還原能力，但是被還原的二價鐵離子在高pH值條件下易發生氧化，又被氧化成難溶的三價鐵。同樣，如果反應時間過長，剛還原的二價鐵離子也會被氧化成三價鐵離子，導致高嶺土白度的降低，在工業生產中將這一現象稱為“返黃”現象。
另外，還可以采用還原-絡合法來解決Fe2＋的氧化問題。以草酸等為絡合劑與Fe2＋發生反應，可以生成可溶的［Fe（C2O4）2·H2O］2-，進而溶于水達到去除目的，同時也避免了Fe2＋的氧化，達到較好的漂白效果。
化學漂白法可以大幅提升高嶺土產品的白度，但其生產成本較高，多用于對經過除雜的高嶺土精礦進行進一步提純。連二亞硫酸鈉等藥劑的使用會產生酸性廢氣和廢水，對環境污染影響較大，因此采用此方法時需要考慮環保問題和經濟合理性，今后的發展趨勢應采用更加廉價且無污染的漂白劑。
最新研究進展：
于瑞敏等采用還原法將高嶺土白度提高了21.7%，可見化學漂白法可以較大幅度地提高高嶺土的白度。同時發現漂白使Fe含量降低的同時，未明顯降低Al的含量。
聶鑫采用還原-絡合法從離子型稀土尾礦中提純高嶺土，在溫度50℃、pH值為3、保險粉和草酸添加量分別為3%和2.5%、漂白60min的條件下得到最佳的漂白效果，使高嶺土白度提高14.8%。
7、高嶺土焙燒提純工藝
焙燒也是提高高嶺土白度的一種重要提純工藝。高嶺土可通過焙燒工藝去除其中的含碳雜質，如通過磁化焙燒加磁選去除磁性雜質，通過氯化焙燒去除某些金屬雜質。
磁化焙燒將高嶺土中含鐵雜質轉化為較強磁性或強磁性的含鐵礦物，進而通過磁選進行雜質的去除。
氯化焙燒是在高嶺土焙燒過程中添加氯化劑，使某些金屬氧化物和硫化物雜質轉化為可揮發的氯化物以達到去除該金屬元素的目的。
焙燒提純工藝可以使高嶺土白度大幅提升而獲得高品質的高嶺土產品，實現對低品級高嶺土資源的利用，可獲得較高品質的高嶺土產品。但該方法能耗大，生產過程中會對環境造成污染。因此，今后的發展思路是通過優化焙燒流程和設備，不斷降低生產成本及污染，其對促進焙燒提純高嶺土及資源綜合利用具有重要意義。
最新研究進展：
姬夢姣等研究了低溫焙燒工藝從某低品級煤系高嶺土去除含碳雜質，其中以化學需氧量（COD）來量化除碳效果。經該工藝處理，在粒徑為0.043～0.074mm、升溫時間為3h、溫度在450℃下保溫1.5H時，COD值從27641.1μg/g降至1049.7μg/g，降低了96.20%。研究表明，采用該低溫焙燒可脫除表面和層間羥基，而不會破壞高嶺石結構，同時使含碳有機質有效分解，使該低品級煤系高嶺土達到玻璃纖維原料要求，有效實現對低品級煤系高嶺土資源的利用。
夏光華等對某鐵染高嶺土進行提純研究，發現化學漂白法和磁選除鐵效果均不理想，而通過磁化焙燒顯著降低了高嶺土中的含鐵雜質，磁化焙燒后的非磁性產品產率達84.4%，高嶺土白度由64.8%提升到87.4%，磁化焙燒對該高嶺土的提純效果優于傳統化學漂白法。
易龍生等采用氯化焙燒將煅燒白度為86.3%的高嶺土中的Fe2O3含量由1.26%降到0.35%，TiO2含量由1.03%降到0.46%，Al2O3含量增加1.00%，煅燒白度增加至93.6%，得到了質量較高的高嶺土產品。
8、高嶺土多種提純工藝聯合流程
單一的提純工藝難以獲得高品質的高嶺土產品，特別是處理我國儲量較大的低品級煤系高嶺土以及礦石組成復雜的高嶺土。因此，在實際生產中常采用多種提純工藝相結合的聯合流程。
▼常見高嶺土提純工藝流程
來源：高嶺土提純工藝及其應用研究進展，作者：李國棟等
編輯整理：粉體技術網
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