贵州高岭土的理化性能及开发利用前景分析

杨鼎忠，余文波，曾 鹂，孙红娟，张曦月

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心贵州总队，贵州 贵阳 550000；2.西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010；3.西南科技大学矿物材料及应用研究所，四川 绵阳 621010)

高岭土是国内外开发利用最早、应用最广的非金属矿物之一，主要由片状和管状的高岭石族矿物(高岭石、地开石和埃洛石等)组成[1]。高岭土因其较为优异的理化性能，被广泛应用于陶瓷工业、造纸工业、耐火材料及水泥工业、橡胶工业、石油化工、医药纺织等领域[2-5]，工业价值较好。随着工业技术的发展和科技水平的提高，对于高岭土的需求不断增加，亟需开发利用优质高岭土矿床。众多学者对不同产地的高岭土进行了研究。其中，广西合浦高岭土矿物成分较为复杂，除高岭石外，还含有伊利石、石英、正长石及斜长石等矿物[6]。江西星子和云南临沧高岭土矿物成分分别为高岭石和多水高岭石，形貌分别呈片状和管状，福建龙岩高岭土由多水高岭石、高岭石和伊利石组成，形貌呈片状和管状混合结构[7-8]。贵州毕节市高岭土由高岭石和多水高岭石组成，其可塑性较好，流动性和触变性较小，干燥强度和干燥收缩较大[9]。

贵州高岭土主要产于二叠系梁山组及二叠系龙潭组不整合面上的煤层地层中，呈层状产出，矿石可分为硬质高岭土及软质高岭土，主要矿物成分为高岭石和多水高岭石，除高岭石族矿物外，还有石英、伊利石等矿物伴生。研究贵州高岭土理化性能，对提高贵州高岭土矿区的经济利用价值和扩大矿区的应用范围意义重大。本文根据高岭土在不同行业的指标要求，重点研究贵州丹寨县、麻江县和龙里县三个矿区高岭土的理化性能，进行系统的对比，并提出开发利用建议。

1 试验原料及样品表征

本文所用试样分别来自贵州省丹寨县、麻江县和龙里县的高岭土矿区，分别标记为DZ、MJ和LL，矿石手标本照片见图1。

图1 贵州省高岭土矿区矿石手标本照片

对矿石镜下特征、矿物成分、化学成分、显微形貌和热学性能等进行分析，并测试矿石硬度、白度和耐酸碱性能等理化性质。

2 结果与讨论

2.1 岩矿鉴定

丹寨县高岭土为含炭质粘土岩(图2a)，具泥质结构、毛毡状结构，微层理构造。粘土矿物含量较高，约95%，呈细小磷片状、针状、纤维状，表面浑浊，光性差。岩石表面发育多条不规则准同生裂纹，其内被铁泥炭质充填，系成岩期后收缩而成。

麻江县高岭土具有泥质结构、毛毡状结构，局部粉砂状结构(图2b)，微层理构造。粘土矿物含量在86%左右，与丹寨县高岭土中粘土矿物的结构相似，其内分布有细粒碎屑及粉尘状炭质、铁质成分。碎屑含量相对较高，在8%左右，主要为粉晶粒状石英及少量长石、岩屑，颗粒分选好，磨圆度差，大小约0.01～0.10mm，呈单体或团块状集合体沿层理方向分布在粘土矿集合体中。

龙里县高岭土为含铁炭质粘土岩(图2c)，具泥质结构、毛毡状结构，局部碎斑结构。粘土矿物含量在93%左右，具有与丹寨县高岭土中粘土矿物相似的结构，其内有较多炭质矿物细呈分散状分布，或与粉尘状铁质矿物一起呈细脉状、团块状分布在粘土矿物集合体边缘。

图2 贵州高岭土矿区试样显微照片

2.2 化学成分

丹寨县、麻江县和龙里县高岭土的Al2O3和SiO2含量均略低于高岭石理论化学组成(Al2O339.5%，SiO246.5%)[10](表1)。Al2O3为耐火粘土的有益成分，含量越高耐火度越高[11]。其他成分如CaO、K2O、MgO、ZrO2等含量较低，均在0.4%以下。

表1 贵州丹寨、麻江、龙里的高岭土试样化学成分分析 (单位：%)

2.3 矿物成分

丹寨县高岭土中主要矿物成分为高岭石，无明显杂质(图3a)；麻江县高岭土中除高岭石外，含有少量石英(图3b)；龙里县高岭土中主要矿物成分为10Å和7Å多水高岭石，7Å多水高岭石是10Å多水高岭石脱去层间水后的产物，保留了10Å多水高岭石的结构(图3c)[12]。丹寨和麻江两地高岭土的衍射峰强度较高，峰形尖锐，表明这两地矿物结晶度较高，而龙里县高岭土的衍射峰强度较低，且宽而钝，表明其结晶程度较差。毕节高岭土由高岭石和多水高岭石组成，且结晶度较差[9]。

图3 贵州高岭土矿区试样的X射线衍射图谱

2.4 热学性能

丹寨和麻江两地高岭土试样在室温至1 200℃的质量损失均在15%左右(图4)，龙里高岭土的质量损失较高，为22%左右，这是由于龙里高岭土的主要矿物组成为多水高岭石，因此在室温至400℃温度范围内脱去的吸附水和层间水较多，故在此范围内失重较少。三地高岭土试样均在510℃～540℃左右有一个明显的吸热峰，同时伴有12%左右的失重，这是由于高岭石脱羟基转化为偏高岭石造成的[13-14]，此吸热峰与矿物结晶度和粒度等条件有关，弱结晶高岭石排除结构水比结晶度高的高岭石要容易得多，促使结构发生变化的温度也相对较低。龙里和毕节的高岭石吸热峰值比前两地低10℃～20℃[9]，表明龙里和毕节高岭土的结晶度较差，与XRD分析结果一致。丹寨、麻江和龙里三地高岭土在1 010℃左右的放热峰是由于偏高岭石转化为莫来石造成的[15-16]。

图4 贵州高岭土矿区试样的TG-DSC图谱

2.5 显微结构

丹寨和麻江高岭土试样为片状结构的高岭石(图5)，片径0.2～2μm，呈不规则形状近于平行的紧密堆积成叠片状，结晶度较高。龙里高岭土试样以卷曲的管状多水高岭石为主，管长0.2～1.5μm，管径均匀，约70nm左右，与毕节高岭土形貌相似[9]。

图5 贵州高岭土矿区试样的SEM图

2.6 硬度和白度

丹寨和麻江高岭土质地较硬，龙里高岭土质地较软(表2)。高岭土硬度的不同主要是由于受风化程度不同造成的，风化程度越高的高岭土硬度也就越低。丹寨和麻江高岭土白度均较低，在31～38，龙里多水高岭石的成分相对较纯，白度较高，为48.8。三地高岭土经1 280℃煅烧后，白度提升效果比H2SO4酸浸效果好，可能是其中有机质含量较高。

表2 贵州丹寨、麻江、龙里高岭土试样的硬度和白度测试结果

2.7 耐酸碱性能

麻江高岭土试样的耐酸碱性能较好，均达93%以上；丹寨高岭土试样的耐酸性能较好，但是耐碱性能较差；龙里高岭土试样的耐碱性能达99.20%，表明其几乎不与碱性物质反应，但耐酸性能较差，仅为77.54%(表3)。

表3 贵州丹寨、麻江、龙里高岭土试样的耐酸碱性能测试结果

3 开发利用建议

将分析结果与国家标准GB/T 14563-2020(表4)中陶瓷、造纸和涂料领域用高岭土的理化性能要求做对比可知，丹寨和麻江高岭土Al2O3含量在36.5%左右，SiO2含量在45%左右，SO3含量低于0.20%，Fe2O3含量均为0.71%，达到了陶瓷、造纸和涂料工业用高岭土理化性能的要求，TiO2含量在2%左右，不合符陶瓷行业的要求，白度分别为37.3和31.4，均不符合造纸和涂料行业的要求。综上所述，丹寨和麻江高岭土需提纯去除TiO2，即可作为陶瓷工业用高岭土，用作光学玻璃坩埚、砂轮、电瓷及高档陶瓷釉料、胚料等，在进一步脱色增白后，可作为造纸和涂料工业用高岭土，用于加工纸涂料和涂料的填料。

表4 陶瓷、造纸和涂料领域用高岭土的理化性能要求

龙里高岭土的主要矿物成分为多水高岭石，具有较强的力学性能、阻燃性能和电学性能等，可作为阻燃剂、橡胶填料、电池材料等[17-19]；除此之外，其特殊的纳米管状结构、较高的比表面积和生物相容性[20-21]使得其在作为吸附剂、催化剂、药物负载等的载体材料方面具有良好的应用价值[22-24]。

4 结论

(1)丹寨高岭土的主要矿物成分为高岭石，无明显杂质；麻江高岭土的主要矿物成分为高岭石和石英；龙里高岭土的主要矿物成分为多水高岭石，矿物结晶度较差。

(2)丹寨和麻江高岭土的为片状结构，片径在0.2～2μm之间；龙里高岭土具有典型管状多水高岭石结构，管长在0.2～1.5μm之间，管径约70nm左右。

(3)丹寨和麻江高岭土的白度分别为37.3和31.4；龙里多水高岭石的成分相对较纯，白度相对较高，为48.8。1 280℃煅烧法最高可提升33.4的白度，H2SO4酸浸法对白度提高效果相对较差，最高白度提升量仅为15.8，表明贵州高岭土中有机质含量较高。

(4)丹寨和麻江高岭土需提纯去除TiO2，即可作为陶瓷工业用高岭土，在进一步脱色增白后，可作为造纸和涂料工业用高岭土。龙里高岭土可作为阻燃剂、橡胶填料和电池材料等，还可作为吸附剂、催化剂、药物负载等的载体材料。