内蒙古管状硅藻土中铁赋存状态研究

李明阳，李智武，任子杰,3，吴飞达，管俊芳,3，高惠民,3

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.内蒙古东盛硅藻土科技创新产业园有限公司，内蒙古 乌兰察布 013450；3.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

硅藻土作为一种重要的非金属矿，广泛应用于过滤、吸附、催化等领域。在世界已探明硅藻土储量排名中，中国居第二，仅次于美国，已在10 多个省（自治区）发现硅藻土矿70 余处[1]，其中优质硅藻土分布在吉林长白山地区（临江市和长白县）、内蒙古、广东徐闻、云南腾冲等地[2-3]。根据矿石中硅藻含量与SiO2含量的不同，硅藻土矿可分为硅藻土、含粘土硅藻土、粘土质硅藻土、硅藻粘土等几种矿石[4]。硅藻原土常与其他矿物伴生，例如石英、长石、高岭石、蒙脱石、水云母、绿泥石等黏土矿物和黄铁矿、锰矿、菱铁矿等自生矿物[5-6]。

硅藻土中可溶性铁的存在不利于后续工艺的进行，严重影响产品性能[7-8]，直接决定了硅藻土的价值，硅藻土助滤剂的白度和可溶性铁含量受原土中铁含量的影响[9]，催化剂载体工业要求将原土中铁含量控制在1%以下。当原土中铁含量大于限定标准时，应设法除去[10]，去除方法的选择与含铁矿物种类和赋存状态有关，目前关于硅藻土中铁赋存状态的研究只有针对临江盘状硅藻土[11]，商都管状硅藻土铁赋存状态的研究未见报道。因此，进行铁赋存状态研究是实现商都管状硅藻土高价值开发利用的关键[12-13]。

1 试样、主要仪器及设备

试样：原土来自内蒙古某公司，经颚破机、对辊破碎机将其破碎至-2 mm，采用堆锥法混匀、环割法缩分制得具有代表性试样。

主要仪器：X 射线衍射仪（RIGAKU 公司，日本，D/Max-IIIA 型），X 荧光光谱仪（PAN Alytical B.V.公司，荷兰，Axios advanced 型），电子探针显微分析仪（日本电子株式会社，JXA-8230/JXA-8230 型，加速电压：0～ 30 kV），扫描电镜仪（JEOL Ltd.公司，日本，JSM-5610LV 型）。

2 理化特性

2.1 原土的化学组成

取代表性试样进行X 射线荧光分析（XRF），分析结果见表1。

表1 X 射线荧光分析结果/%Table 1 Results of X-ray fluorescence analysis

Na2O 0.63%、MgO 1.56%、K2O 1.45%。原土化学组分中SiO2含量不高，根据化学成分判断，属于三级硅藻土。原土中Al2O3含量较高，说明黏土矿物含量较高，烧失量为11.86%，说明有机质含量高，原土质量较差。

2.2 原土的矿物组成

取代表性试样进行XRD 物相分析，分析结果见图1。

图1 原矿X 射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of the raw diatomite

由图1 可知，原土中主要有石英、高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、长石类（钠长石和钾长石）、非晶质的SiO2，还含有一些铁矿物（赤铁矿、褐铁矿）、钛矿物（金红石）。综合化学成分分析及XRD 物相分析，该硅藻土的矿物组成半定量结果：硅藻45%～ 48%左右、石英22%左右、伊利石8%左右、蒙脱石6%左右、高岭石5%左右、钾长石4%左右、钠长石4%左右、绿泥石4%左右、铁矿物1%左右。

高岭石、蒙脱石等黏土矿物具有很好的粘结性和可塑性，是陶瓷、耐火材料等的重要原料[14]。结合XRF 及XRD 分析可知，该硅藻土低硅，富铁铝，黏土矿物含量较高，用于建筑材料领域时，可使材料制品具有很好的粘结性、易成型，如制备轻质保温隔热材料、硅酸钙板等[15]。

2.3 原土的形貌特征及比表面积

取代表性试样进行扫描电子显微镜（SEM）测试，结果见图2。

图2 原土扫描电子显微镜Fig.2 Scanning electron microscope of the raw diatomite

由图2 可知，原土中的硅藻主要呈管状，管长约为10～ 30 μm，管直径约为5～ 20 μm，壳壁上规则排列边长约为0.5 μm 的方形小孔。管状藻粗细、长短不均，破损较为严重。壳壁、管内及孔洞均附着较多黏土。

经比表面积测试可知，试样的单点BET 比表面积为55.84 m2/g，Langmuir比表面积为77.64 m2/g，总孔体积为0.12 cm3/g，平均孔直径为8.58 nm。结合形貌特征及比表面积测试可知，该管状硅藻土呈中空结构，孔壁上微孔排列整齐，大小均匀，是一种极佳的天然多孔材料，且硅藻壳壁较厚实，有很好的承载能力，能成功地用于催化剂载体[16-17]。此外，该硅藻土孔隙度好，与长白、临江地区盘状硅藻土[18-19]（比表面积约20～ 30 m2/g）相比比表面积较大，是一种更好的吸附材料，在净化空气和处理污水等方面具有更好的应用潜能。

2.4 原土的铁赋存状态

为详细了解原土中铁的分布特征，对试样进行电子探针-能谱分析，其微区分析图谱及测试点见图3、图4。

图3 选区1 微区背散射电子像和选点能谱Fig.3 Backscatter electron image and select point energy spectrum in constituency 1

表2 选区1 微区分析化学成分结果/%Table 2 Results of analysis of chemical composition in constituency 1

图4 选区2 微区背散射电子像和选点能谱Fig.4 Backscatter electron image and select point energy spectrum in constituency 2

由以上结果可以看出：

（1）点1 处含S、Fe 较高，应为硫化铁矿（黄铁矿），Si、Al 含量相差较大，应是硫化铁矿和少量粘土（绿泥石）在硅藻壳体上粘附；

（2）点2 处主要为Si 和Al，含铁比点3 处低，而K、Mg 更多，同时有少量S 元素，应为黄铁矿、石英、蚀变的长石、绿泥石混相。

（3）点3 处主要是Si 和Al，含铁较高，出现少量K，应为石英、伊利石和绿泥石或蒙脱石的混合相。

表3 选区2 微区分析化学成分结果/%Table 3 Results of analysis of chemical composition in constituency 2

由以上结果可以看出：

（1）点1 处为Fe 富集处，应为粘附了少量粘土矿物的铁氧化物（赤铁矿、褐铁矿）颗粒。

（2）点2 为Ti 元素富集处，该点化学成分复杂，应为少部分硅藻壳体碎屑和粘土杂质（绿泥石或伊利石）及少量氧化铁粘附钛矿物颗粒上。

（3）点3 处富含三氧化二铝，应是制样加入的刚玉粉造成。

（4）点4 处于条带状的粘土矿物上，铝硅比约为1：3，应为高硅粘土矿物粘附有硅藻碎屑和氧化铁矿物，亦或为含铁粘土矿物（绿泥石或伊利石）。

（5）点5、点7 处均为铁富集处，含铁较多，另出现锰的富集，应为锰铁矿并伴有粘土和二氧化硅，点5 处有少量磷酸盐矿物。

（6）点6 处为硅富集处，应为粘附了含铁粘土的硅藻碎屑。

由电子探针-能谱分析结果可知，商都管状硅藻土中铁主要以铁氧化物（赤褐铁矿）、铁锰氧化物（锰铁矿）、硫铁矿（黄铁矿）金属矿物颗粒和氧化铁膜粘附粘土杂质形式存在，赤褐铁矿粒度约为4～ 8 μm，铁锰氧化物粒度约为4～ 13 μm，黄铁矿粒度约为2～ 6 μm，氧化铁膜粒度约为1～3 μm。由此可知，降低商都管状硅藻土铁含量的方法应以磁选为主，若需获得更低铁含量的精矿，需要进行酸溶去除氧化铁膜。

3 磁选实验

为进一步降低商都管状硅藻土铁含量，以实现其高价值开发利用，进行磁选实验。磁选条件为：分别采用一段、两段磁选，矿浆流速1.0 cm/s，脉动频率400 r/min，磁场强度1.3 T，磁选介质为细钢棒。将经过一段、两段之后的磁选精矿进行X射线荧光分析（XRF），分析结果见表4。

表4 一段磁选X 射线荧光分析结果/%Table 4 X-ray fluorescence analysis results of one-section magnetic separation

由表4 可知，经过一段磁选后硅藻土主要化学成分为SiO265.05%，Al2O312.65%，Fe2O35.83%，二段磁选后硅藻土主要化学成分为SiO265.67%，Al2O312.19%，Fe2O35.50%，经过磁选后Fe2O3含量均降低两个百分点，相比于一段磁选，二段磁选后Fe2O3含量更低，但各个成分含量变化幅度不大。实验结果表明，经过磁选可以有效地降低商都管状硅藻土铁含量。若需获得更低铁含量的精矿，需进一步开展酸溶实验。

4 结 论

（1）内蒙古商都硅藻土主要化学成分为SiO2 61.36%，Al2O312.78%，Fe2O37.88%，XRD 及微区成分分析可知该硅藻土中含有长石、石英、黏土类（绿泥石、蒙脱石、伊利石）和少量磷酸盐非金属矿物颗粒，铁主要以赤褐铁矿、铁锰氧化物、黄铁矿和微细氧化铁膜的形式存在，粘土矿物颗粒集聚体中铁较为富集。降低商都管状硅藻土铁含量的方法应以磁选为主，如需获得更低铁含量的精矿，需要进行酸溶去除氧化铁膜。

（2）商都硅藻土中硅藻主要为管状，管长约为10～ 30 μm，管直径约为5～ 20 μm，壳壁上规则排列边长约为0.5 μm 的方形小孔。中空结构，微孔排列整齐，大小均匀，孔隙率高，比表面积较盘状硅藻土更大，在建材吸附调湿、催化剂载体、废水吸附、助滤剂等领域均具有较高的应用前景。