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第43卷第7期
化工技术与开发
Vol43 No.7
2014年7月
Technology Development of Chemical Industry
Jul.2014
煤系高岭土及其应用研究进展
孔德顺
(六盘水师范学院化学与化工系,贵州六盘水553004
摘要:介绍了煤系高岭土的分布、结构、性能,以及煤系高岭土的应用研究进展,并对煤系高岭土的应用前
景进行了展望。
关键词:煤系高岭士;合成;应用
中图分类号:TD985
文献标识码:A
文章编号:1671-99052014)07-0039-03
煤系高岭土是煤炭开采和洗选过程中产生的固中,其高岭石的含量可达95%以上。天然高岭土
体废弃物,主要由高岭石及碳质等组成,为煤矸石的中常含有少量二氧化钛、氧化铁和碱金属氧化物等
主要成分,其数量占原煤产量的10%~20%。随着采杂质。高岭土的外观为白色粉末,质地松软,密度
煤数量的增加,所产生的煤系高岭土(煤矸石)越来为2.58-2.63g?cm3,粒径0.5-35um"。煤系高岭
越多,我国煤矿现有矸石山1500余座,堆积量约30土和其他来源的高岭土不同,成分相对单一。其原
亿t,占地约5800公顷,严重污染环境,已列入当今矿化学组分均优于国内外其他高岭土矿,通常以很
世界十大主要工业固体废物之一。煤系高岭土一般高纯度的高岭石晶体存在于自然界中,其高岭石的
呈灰色或黑色,块状结构,壳状断口,隐晶质结构,蠕含量可在97%以上,化学式为A2Si0.(OH2,其氧
虫状晶体,结晶有序度高,这种高岭土与煤层具有一化物形式为Al2O3·2SiO2·2H20,理论化学组成为
定的成因关系,一般厚度可达0.3-0.5m,这已成为我46.54%的SiO2,39.5%的Al203,其分子结构为二八
国一种独特的高岭土资源,并在高岭土工业中占有面体,硅氧四面体以共用顶角方式沿着平面二维方
后来居上、举足轻重的地位。
向结成六方排列的网格层,各个硅氧四面体未共用
1煤系高岭土的分布
的尖顶氧皆朝向一边;铝氧八面体以共用边棱的方
式沿平面二维方向连结,组成了1:1型的高岭石单
目前全世界已有60多个国家生产高岭士,美元层。其结构示意图如图1所示
国、中国、英国、俄罗斯及巴西是世界高岭土资源和
Tetrahedral shect
O Inner oil
生产大国,占世界高岭土探明储量的68%、生产总
量的65%。我国是世界高岭土资源大国,高岭土储
量十分丰富,探明储量为31亿t,其中煤系高岭土
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uムにに
北,山西大同和平朔,山东兖州、淄博,河北唐山,江
苏徐州,安徽的淮北和准南,甘肃酒泉,河南焦作和
图1高岭石的结构模型
平顶山等地。
高岭石单元层,一面为OH层,另一面为0层,
2煤系高岭土的结构及其性能
OH键具有强的极性,层间以氢键结合,氢键加强了
高岭土是由高岭石类矿物组成的一种重要的结构层之间的连接,而且这两层之间存在非对称效
粘土矿物,通常以高纯度的高岭石存在于自然界应,进一步加强了层与层之间的结合力,这就决定了
基金项目:贵州省教育厅重点科研项目(黔教高发2011-278);六盘水市煤系固体废弃物资源化利用创新团队资助(52020-2012-04-
01-02)
作者简介:孔德顺(1974-),男,山东临沂人,教授,主要从事矿产资源的深加工与利用研究,E-mail:kongdeshun518@163.com
收稿日期:2014-05-05
化工技术与开发
第43卷
高岭石的结构特别稳定,一般的酸或碱溶液很难破化铝的方法;在制备聚合氯化铝的同时,还可以获得
坏其晶格结构,这表明其化学活性很低,所以不能直二氧化硅,由于其颗粒细小,为微米级或纳米级,具有
接用来进行化学合成,必须破坏其稳定的晶格结构很高的比表面积,某些性质与炭黑相似,可以在一些
为无定形态,提高其化学反应的活性,才能成为合成应用领域代替炭黑,所以被称“白炭黑”。
新物质的原料。
3.3制备复合材料
煤系高岭土应用现状
煤系高岭土作为一种价格低廉的新型补强材
由于煤系高岭土的化学成分和特定的结构,决
料,可满足在工程塑料中的改性要求,可较大幅度地
提高塑料的拉伸和弯曲性能,在降低材料成本的同
定了有关的研究是采用煅烧、偶联改性、合成等手段
时,还能提高聚合物的刚性和耐热性。由于高岭石
对其进行深加工,主要用来制取各种髙档填料、聚合
氯化铝、白炭黑、复合材料、沸石分子筛及FCC催化是1:1型层状粘土矿物,一些强极性的有机小分子,
剂等,具体如下。
如二基甲亚砜、甲酰胺,N-基甲酰胺、肼、脲、联氨
醋酸钾等,可以直接插入到高岭石层间生成高岭石
3.1高档填料
插层复合材料,作为新兴矿物材料,既有粘土矿物特
填料高岭土是一种重要的高岭土深加工产品
有的吸附性、分散性、流变性、多孔性和表面酸性,又
其代表产品“双90”型高岭土,具有散射力强,油墨具有有机化合物的多变官能团和反应活性。
吸附快,活性高,白度好,空隙率高,热稳定性能好,
3.4制备沸石分子筛和FC催化剂
电绝缘性能好等优点,因此是一种高档的非金属矿
产品,作为一种功能填料,在造纸、油漆、塑料、橡胶
煤系高岭土的主要成分是硅铝酸盐,沸石分
子筛的主要成分也是硅铝酸盐,其氧化物形式为
以及黏合剂等各种材料中有着广泛应用。广东茂名、
湛江、江苏苏州、河北沙河等地每年能生产高纯度超
Na2O·xA2O,ySiO2·zH20,因此,通过补加一定数
量的硅元素和氢氧化钠,就能以煤系高岭土为原料
细涂布级高岭土4~5万t,但这远不能满足需求,仍
需从美国、英国等进口优质涂料级高岭土4~5万t
来合成分子筛。自从20世纪60年代 Howel等
成功利用高岭土矿物合成4A分子筛以来,国内外
随着我国造纸工业的不断扩大,许多大型造纸厂相
学者对以高蛉土为原料合成分子筛进行了广泛的研
继投产,今后优质涂布级高岭土的需求量会越来越
大?。
究
由高岭石的结构可知,高岭土的化学性质很稳
在橡胶制品中煅烧高岭土的加入,能提高橡胶定,如果采用高岭土为原料来合成分子筛,必须提高
中各种配合剂的分散效果,起到补强的效果,从而改
高岭土的化学反应活性,常用的方法是在一定温度
善生产工艺和产品的力学性能。中国科学院过程工
程研究所利用煤系髙岭土开发出具有自主知识产权煅烧,此时发生如下反应:
AlS1O(OH)→Al2O3·2SiO(偏髙岭石)+2H1O
的直接加热快速流态化煅烧技术制备出高档填料,
具有成本低,能耗低,产品品质好等优势。
在高温下,矿物晶格内部的羟基脱出,形成无定
由于我国的煤系高岭土资源十分丰富,而且质
形的Al202和SiO2,它们的硅氧四面体和铝氧八面体
量优良,所以煤系髙岭土在高档填料的应用研究有
因扭曲而相互贯穿,具有很高的化学反应活性"。
着巨大的优势和开发利用价值。
用煅烧后所得的偏高岭土在一定温度下和氢氧化钠
反应,偏高岭土中的氧化硅、氧化铝溶解,作为分子
3.2制备聚合三氯化铝和白炭黑
筛合成的部分或全部硅源和铝源,体系进行结构重<