專利名稱：提取和提純天然沸石的方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)涉及Billy D.Fellers發(fā)明的2000年9月27日申請(qǐng)的題目為“提取和提純天然沸石的方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)，序號(hào)No.09/672,065。
天然沸石具有廣泛的應(yīng)用，包括例如離子交換、放射性廢物處理、工業(yè)廢物處理，作為動(dòng)物飼料添加劑、水分吸附劑，延時(shí)釋放物質(zhì)的載體例如殺蟲(chóng)劑或肥料，雜質(zhì)和臭味控制的液體和氣體過(guò)濾器，油吸附劑及工業(yè)涂料和填充劑。天然沸石也通常作為合成沸石生產(chǎn)中的原料。沸石也作為烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的催化劑。沸石的大表面積使其對(duì)于這樣的應(yīng)用成為優(yōu)異的選擇對(duì)象。
沸石結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)在于在特定沸石中的空穴都具有均一的形狀和和大小。因此，天然沸石可以作為人造分子篩的同系物。
一種天然沸石，斜發(fā)沸石，由于其具有大的表面積具有特別高的吸附容量。而且，斜發(fā)沸石可提供高的離子交換容量，使其適合于在多種工業(yè)應(yīng)用中使用。斜發(fā)沸石的孔徑，特別是由于其顯示了對(duì)目標(biāo)離子的選擇性，使得該沸石非常適合于污水過(guò)濾。最后，相對(duì)于穩(wěn)定性更差、不相容的選擇物例如聚合物型的離子交換樹(shù)脂而言，熱和物理穩(wěn)定性及與最后的廢物形式例如水泥或玻璃的相容性，使其成為一個(gè)令人感興趣的替代物。
天然沸石礦熟知包括多種雜質(zhì)，包括例如粘土、石英、云母、長(zhǎng)石、鐵和鈦的礦物和方解石。天然沸石迄今事實(shí)上被排除在需要極高亮度的特定應(yīng)用中使用，例如高級(jí)紙張工業(yè)中，其中較高成本的二氧化鈦、碳酸鈣或氧化硅優(yōu)選作為添加劑。而且天然沸石由于其沒(méi)有有效的提純方法不被考慮其作為分子篩或催化劑使用。
目前可獲得的提取、提純和分級(jí)天然沸石的現(xiàn)有技術(shù)非常有限，而且不常用。已經(jīng)應(yīng)用于沸石礦中的粘土礦物的選礦技術(shù)包括粉碎、干燥分級(jí)或濕法重力分離、磁分離、漂白和焙燒以驅(qū)趕孔中的水，已證明這些方法相對(duì)無(wú)效。對(duì)于沸石應(yīng)用，大量這樣的處理技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行了描述，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。例如，在US 4,510,254中，描述了一種間歇方法，其中通過(guò)粉碎、淤漿化、除去細(xì)粒、精細(xì)研磨、磁分離、漂白和干燥的步驟處理沸石礦。上述專利方法得到了干燥的精細(xì)研磨的粒徑為2μm以下的沸石，TAPPI亮度至少為90。由該方法得到的沸石也具有高質(zhì)量高嶺土顏料約一半或更小的體積密度。盡管該專利方法得到的沸石具有要求的性質(zhì)，天然沸石礦床仍很難進(jìn)行處理以達(dá)到足夠的純度、亮度、尺寸分級(jí)和密度。相對(duì)于本發(fā)明的大于40％的總得率，該專利方法得到的總得率小于20％。同樣，由該專利方法得到產(chǎn)品的沸石的含量略小于礦物源的含量，而本發(fā)明方法可提高大于20％的沸石含量。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，包括該專利，通常包括復(fù)雜的作為部分提純過(guò)程的化學(xué)方法引入了不希望的化學(xué)雜質(zhì)，而且產(chǎn)生了很多需要進(jìn)行困難并昂貴處理的廢物。引入化學(xué)雜質(zhì)進(jìn)一步使現(xiàn)有技術(shù)的方法復(fù)雜化，需要通過(guò)中間步驟改善這樣的化學(xué)雜質(zhì)的影響。一些現(xiàn)有技術(shù)中的分級(jí)技術(shù)，例如在美國(guó)專利中US 5,603,411中描述的技術(shù)，也加入不希望的化學(xué)雜質(zhì)例如絮凝劑和分散劑。結(jié)果，人工制造的沸石和聚合樹(shù)脂在高端應(yīng)用中例如離子交換中仍然是首選。類似地，在高級(jí)紙張的制造中高成本的礦物例如二氧化鈦和碳酸鈣優(yōu)于沸石。
在各種高端應(yīng)用中不使用天然沸石主要是出于對(duì)從沸石礦中提取和提純方法的有效和經(jīng)濟(jì)性考慮的。因此，仍然需求一種方法，該方法可經(jīng)濟(jì)而且技術(shù)上足夠充分地開(kāi)采天然沸石用于廣泛的應(yīng)用中。而且，需要這樣一種方法，該方法不引入化學(xué)雜質(zhì)例如絮凝劑或分散劑，而且該方法不產(chǎn)生有害的工藝流出物。
本發(fā)明的方法認(rèn)識(shí)到并利用各礦物相基本性質(zhì)的不同，包括水合程度對(duì)粒子有效體積的影響以促進(jìn)分層懸浮。軟化水使粒子之間的雙電層排斥最大化，使電解質(zhì)對(duì)雙電層的影響最小以防止絮凝。
本發(fā)明的方法首先水合和機(jī)械分散原料以分離出高水合的粘土，隨后通過(guò)使用一種或多種逆流分離塔從比希望的沸石具有更高質(zhì)量表面積比的雜質(zhì)中分離沸石，在所述的分離塔中分散介質(zhì)是軟化水。
得到的提純的產(chǎn)品顯示了增加的沸石含量、改進(jìn)的亮度和提高的離子交換容量。而且，用磁分離和精細(xì)研磨處理可提供高亮度和低體積密度的產(chǎn)品，適合于工業(yè)增白應(yīng)用中高級(jí)紙張的涂層和填充劑。通過(guò)除去粘土和高密度的礦物使其流變性得以增加。由于殘余的雜質(zhì)通常接近分析方法的檢測(cè)極限，效能和質(zhì)量平衡在工藝尾料中得到最好的證實(shí)，在所述的尾料中殘余物更加濃縮。現(xiàn)有的化學(xué)浸提技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)了沸石產(chǎn)品。但是，由本新穎方法得到的優(yōu)異性能不必要使用許多應(yīng)用中使用的該昂貴步驟，而將工藝得率提高到約59％。
本發(fā)明進(jìn)一步提供濕法分級(jí)提純沸石物流的新方法。本發(fā)明的濕法分級(jí)系統(tǒng)主要通過(guò)密度差，也利用軟化水的性質(zhì)和水合礦物相的雙電層以加大它們沉降速度的差，從而提供比現(xiàn)有技術(shù)細(xì)粒沸石分級(jí)方法明顯而且實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。本發(fā)明的濕法分級(jí)方法可以應(yīng)用到其它類型的細(xì)粒例如在高嶺土的處理中，精細(xì)研磨的礦石和合成制造的沸石。
總而言之，通過(guò)提供更高的產(chǎn)率、更低的資本成本和減少?gòu)U物的處理，本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單，基本上具有成本效益性。
圖2是水合和機(jī)械分散系統(tǒng)的平面示意圖。
圖3是初級(jí)和二級(jí)分離系統(tǒng)的平面示意圖。
圖4是濕法分級(jí)系統(tǒng)的平面示意圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述首先參考

圖1，示意了本發(fā)明方法的工藝流程示意圖，包括濕法分級(jí)方法。如圖1示意，在本發(fā)明方法的第一步，水合并機(jī)械分散預(yù)處理的原料。一旦在第一步中與軟化水混合，高度水合的原料粘土部分被選擇懸浮在水中。從水合和分散槽中提取或傾析穩(wěn)定的粘土懸浮體。最優(yōu)選以間歇操作方式進(jìn)行水合和機(jī)械分散，根據(jù)原料組合物的要求進(jìn)行一步或多步的水合、混合和提取/傾析步驟。一旦除去粘土懸浮體，剩余的包含沸石的原料部分與另外的軟化水混合以形成淤漿化的沸石工藝物流。淤漿化的沸石工藝物流被管送到初級(jí)分離塔中，其中使用逆流軟化水以從淤漿化的沸石工藝物流中的重雜質(zhì)中分離沸石。沸石在上清液流出物中離開(kāi)初級(jí)分離塔，利用軟化水的懸浮效應(yīng)，流出物然后送到二級(jí)分離塔。二級(jí)分離塔也使用逆流以進(jìn)一步提純上清液流出物。與初級(jí)分離塔相對(duì)，二級(jí)分離塔更小的增加速度可去除超細(xì)粒子，而使提純的沸石產(chǎn)品下降到二級(jí)分離塔的底部進(jìn)行收集。如圖1示意，提純的沸石產(chǎn)品可以進(jìn)一步通過(guò)任選的濕法分級(jí)方法或經(jīng)另外的磨碎進(jìn)行處理，所述的分級(jí)方法在下面進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
本發(fā)明方法的原料是平均粒徑為約10～40μm的沸石材料。由于開(kāi)采的沸石材料通常具有的粒徑大于40μm，該工藝原料要進(jìn)行預(yù)處理以得到希望的約10～40μm的平均粒徑。通過(guò)任何眾多的熟知技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這樣的預(yù)處理，包括壓碎、磨碎和研磨。在原料制備中，粘土相基本上從礦物中離析出來(lái)，大多數(shù)離析的粘土相減少到比精細(xì)研磨粒子的本體小約10～100倍的粒徑。作為分離中的第一步原料水合并機(jī)械分散，除去原料中的粘土部分。以間歇方法進(jìn)行起初的水合和機(jī)械分散，根據(jù)原料中初始的粘土含量可包含一個(gè)或多個(gè)分散和傾析步驟。
參考圖2，在優(yōu)選的該方法的實(shí)施方式中，預(yù)先確定原料的粘土含量，通過(guò)管線2和閥3以間歇方式加入足夠的軟化水以使原料中高度水合的粘土部分懸浮。在間歇槽15中混合原料和軟化水得到淤漿。使用的軟化水含有相對(duì)低的電解質(zhì)含量，通常小于約10～50ppm。應(yīng)理解具有較高電解質(zhì)含量的軟化水也可以使用，但要降低分離的效率。
與現(xiàn)有技術(shù)中的需要加入化學(xué)添加劑以得到離析細(xì)粒粘土部分足夠分散的方法相比，本發(fā)明的方法不使用化學(xué)分散劑。在該方法中沒(méi)有化學(xué)分散劑導(dǎo)致工藝物流增強(qiáng)的物理特征，包括避免非分散粘土的凝聚和不同礦物相的共凝聚。
通常，在間歇槽15中得到5％～40％的淤漿密度，優(yōu)選淤漿密度為10％～20％。在包括間歇槽15和任何再循環(huán)物流的間歇水合和分散系統(tǒng)的駐留時(shí)間為2～24小時(shí)，可以根據(jù)粘土和原料的重負(fù)荷調(diào)節(jié)該時(shí)間。通過(guò)使用現(xiàn)有技術(shù)中熟知的混合機(jī)/摻和器4或剪切泵6實(shí)現(xiàn)機(jī)械分散。應(yīng)理解可以半連續(xù)預(yù)處理本發(fā)明討論的水合體和分散體，制備高密度例如40％～60％的淤漿。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在間歇的水合和機(jī)械分散系統(tǒng)中進(jìn)行起始的水合，而沒(méi)有另外制備高密度的淤漿。但是使用這樣的制備步驟，沒(méi)有脫離本發(fā)明公開(kāi)的范圍。水合、機(jī)械分散和適當(dāng)?shù)某两惦A段之后，通過(guò)管線5用泵6傾析高水合和穩(wěn)定的粘土相，從而得到基本上較少粘土含量的工藝物流。在本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，由水合和機(jī)械分散步驟中得到傾析的沸石產(chǎn)品包含約5wt％粘土或更少。分離的沸石部分可以作為一些工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品或進(jìn)一步進(jìn)行處理適合于其它的應(yīng)用。除去水合粘土部分之后，剩余的沸石工藝物流在間歇槽15中用另外來(lái)自管線2和閥3的軟化水進(jìn)行淤漿化，得到淤漿化的沸石工藝物流用于進(jìn)一步處理。通過(guò)管線15和泵6從間歇槽15中除去的水合粘土相含有約為50wt％的粘土，是本發(fā)明新穎方法可能的另外的產(chǎn)品。
也可以在該方法起始的水合和分散系統(tǒng)中除去重雜質(zhì)和磁性材料。例如通過(guò)管線5、7a和7b用泵6和磁鐵7對(duì)水合原料的再循環(huán)物流施加磁分離，可通過(guò)任何許多現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備和技術(shù)完成該分離，例如在US 3,974,067；3,990,642；4,055,485；4,510,254；4,097,372及4,281,799中描述的那些。另外，磁分離也可以施加于從間歇槽15中通過(guò)管線9到泵10和磁鐵1 1提取的淤漿化沸石工藝物流，然后進(jìn)行本發(fā)明的隨后步驟。應(yīng)理解也可以在本發(fā)明方法的其它各個(gè)點(diǎn)使用磁分離以進(jìn)一步從工藝物流中提取磁性組分。例如可將磁分離施加于如下所述的來(lái)自初級(jí)分離塔的上清液流出物中。
通過(guò)管線5用泵6傾析水合粘土相，而且使用管線9和泵10傾析淤漿化的沸石物流，從而將本發(fā)明方法的水合和分散系統(tǒng)中的重組分除去，剩下含有重組分的尾料部分。另外，通過(guò)管線14a和14b在閥13處從間歇槽15的最底部通過(guò)底流或虹吸將重組分除去。應(yīng)理解機(jī)械分散以得到淤漿化沸石工藝物流、是否通過(guò)剪切泵或混合器/摻和器進(jìn)行、加入的水量、水合和分散步驟的再循環(huán)可以這樣設(shè)置以除去最多的重組分。
淤漿化的沸石工藝物流而后經(jīng)過(guò)任選的離心分離12以除去另外的重廢物料，例如石英。根據(jù)原料中的重負(fù)荷可以將該步驟設(shè)置為旁路或不用。而且，應(yīng)理解是否需要進(jìn)行另外的重組分去除取決于在水合和分散系統(tǒng)中進(jìn)行的重組分去除的功效。
參考圖3，淤漿化沸石工藝物流送到初級(jí)分離塔16。初級(jí)分離塔在特定的分離區(qū)域使用不同的流速以分離和除去含有有限表面積而且對(duì)軟化水的影響最小的高密度雜質(zhì)，使用逆流方式以懸浮，并在淤漿化的沸石工藝物流中保持更高表面積沸石的懸浮。
再參考圖3，將淤漿化沸石工藝物流通過(guò)管線22在大約塔的中點(diǎn)被送入初級(jí)分離塔16中。管線22終止于噴嘴22a，其可減少淤漿化沸石工藝物流向下進(jìn)入上升的軟化水物流中的線速度和湍流的影響。來(lái)自軟化水進(jìn)料的軟化水蒸汽通過(guò)管線25進(jìn)入初級(jí)分離塔16的下部。初級(jí)分離塔利用水合性能的不同、希望的沸石顆粒和粘土雜質(zhì)之間的質(zhì)量表面積比，以及另外的雙電層的影響以從粘土雜質(zhì)中分離沸石。即，在初級(jí)分離塔的分離不僅僅是水壓的影響。軟化水使雙電層未受影響，由于在顆粒表面的雙電層和軟化水之間的表面相互作用，存在附加的分離影響?，F(xiàn)有技術(shù)中的水力分離方法，例如在US4,554,066中討論的方法，通常依賴于較大顆粒高的質(zhì)量表面積比，其中與水力影響相比雙電層的影響可忽略。如果這樣的比例高，則由于與雙電層的表面相互作用而沒(méi)有分離益處。在本發(fā)明方法中，顆粒并不具有這樣高的質(zhì)量表面積比，因此雙電層的影響與水力影響相比很明顯。一旦分離，沸石顆粒將被懸浮并通過(guò)初級(jí)分離塔16的上段28直到它們通過(guò)初級(jí)分離塔16的溢流管29被除去。初級(jí)分離塔的上向流比淤漿化沸石工藝物流中需要懸浮重組分的上向流更少。加入的軟化水量和速度及水的向上流速取決于初始原料的組成、上游分離的效力、沸石和雜質(zhì)的平均粒徑和溢流提取速度而可以變化。如圖3中所見(jiàn)，塔中段23的直徑比塔16的上段28和下段24的直徑大。這樣的較大的直徑段通常稱為膨脹段。從淤漿化沸石工藝物流的重組分中分離沸石的主要部分在中段23中進(jìn)行。使用透明的下段24以從視覺(jué)上判斷在初級(jí)分離塔16中的分離效力。
通過(guò)手動(dòng)控制閥26控制和用流量計(jì)27監(jiān)測(cè)軟化水的流量。應(yīng)理解盡管圖3中示意了手動(dòng)操作，但用目前可獲得的工藝控制設(shè)備可自動(dòng)控制初級(jí)分離塔16的操作。類似地，可以利用目前獲得的分析設(shè)備和技術(shù)自動(dòng)確定初級(jí)分離塔16的分離效力。例如，分析從初級(jí)分離塔16通過(guò)溢流管29離開(kāi)的上清液流出物的粒徑、密度、和/或礦物含量。如果這樣的分析表明含量不可接受的重雜質(zhì)被帶入上清液流出物中時(shí)，可以改變軟化水添加的速度和上清液流出物的提取速度。
仍然參考圖3，可見(jiàn)初級(jí)分離塔16用罩33蓋在頂上，溢流管29位于緊接罩33的下面。得到的上清液流出物含有沸石產(chǎn)物，其通過(guò)閥54收集并脫水干燥用于工業(yè)應(yīng)用。另外，初級(jí)分離塔16的上清液流出物可經(jīng)另外的如下所述用于特定產(chǎn)品精制的濕法技術(shù)進(jìn)行處理。
仍然參考圖3，不希望的重雜質(zhì)大多數(shù)情況通常包括石英、貓眼石和鐵，可通過(guò)管線31和閥30除去?？梢栽谕ㄟ^(guò)管線32a和閥32的重雜質(zhì)物流中加入另外的水以降低重雜質(zhì)物流的粘度，從而有助于其去除。應(yīng)理解通過(guò)閥30除去的重雜質(zhì)物流通過(guò)管線25和閥26進(jìn)行處理或再循環(huán)返回，通過(guò)初級(jí)分離塔16以回收任何殘余的沸石含量。
如圖3可見(jiàn)，另外的來(lái)自初級(jí)分離塔16上清液流出物的濕法處理是這樣進(jìn)行的，將上清液流出物經(jīng)過(guò)管線40流入二級(jí)分離塔17，所述的管線終止于一個(gè)或多個(gè)位于二級(jí)分離塔17約中點(diǎn)的噴嘴41。其中，通過(guò)閥44逆流軟化水進(jìn)入位于二級(jí)分離塔17基底的流動(dòng)分配器43對(duì)沸石產(chǎn)品進(jìn)行最后的精細(xì)洗滌。通過(guò)流量計(jì)45監(jiān)測(cè)進(jìn)入閥44的軟化水的流量。殘余的粘土、云母或其它微細(xì)的雜質(zhì)向上并通過(guò)二級(jí)分離塔17的高架管線46通入塔頂物流。精制的沸石產(chǎn)品以間歇或連續(xù)轉(zhuǎn)移的方式作為底流流出物通過(guò)管線47和閥48收集。
來(lái)自二級(jí)分離塔17底流流出物可以進(jìn)行另外的濕法分級(jí)以進(jìn)一步根據(jù)粒徑分離沸石。圖4示意了本發(fā)明方法一個(gè)具體實(shí)施方式
的多步濕法分級(jí)器系統(tǒng)。
在一個(gè)操作模式中，來(lái)自二級(jí)分離塔17的底流流出物通過(guò)管線47a被輸送，任選地在75粒子磨碎，到懸浮容器49與通過(guò)管線50a和閥50注入的軟化水結(jié)合。同樣，用流量計(jì)51監(jiān)測(cè)通過(guò)閥50的軟化水的流量。通過(guò)管線52、54和閥55a使用循環(huán)進(jìn)料泵53在懸浮容器49中形成淤漿。進(jìn)入濕法分級(jí)系統(tǒng)的進(jìn)料向前通過(guò)管線55和調(diào)節(jié)閥64，以在第一濕法分級(jí)塔77約中點(diǎn)處引入的流量計(jì)65處提供希望的流量，所述管線55終止于位于第一分級(jí)塔77約中點(diǎn)的噴嘴56。
在第二操作模式中，來(lái)自初級(jí)分離塔16的上清液流出物經(jīng)旁路通過(guò)二級(jí)分離塔并被送入濕法分級(jí)系統(tǒng)。在這樣的二級(jí)操作模式中，來(lái)自初級(jí)分離塔16的上清液流出物通過(guò)管線55、閥64和流量計(jì)65被注入第一濕法分級(jí)塔77中。
第一濕法分級(jí)塔77在特定的分離區(qū)域使用不同的流量，根據(jù)顆粒密度、礦物相和/或尺寸分離沸石。如圖4示意，第一階段的塔77具有上段68a、中段63a和下段64a。仍參考圖4，中段63a的周長(zhǎng)比上段68a和下段64a的周長(zhǎng)更大。為加大顆粒沉降速度的差，將軟化水通過(guò)由閥66a控制、流量計(jì)67a測(cè)量的管線65a加入到塔77中，從而提供逆流以使塔77中沸石下降。塔77由罩72a蓋在頂上。來(lái)自塔77的上清液流出物通過(guò)溢流管69a提取進(jìn)入管線80。較重的和/或較大的沸石粒子和任何剩余重雜質(zhì)作為底流通過(guò)位于或靠近塔77最底部的管線71a和閥71b離開(kāi)第一分級(jí)塔77。
仍參考圖4，來(lái)自第一分級(jí)塔77的上清液流出物通過(guò)終止于噴嘴81的管線80進(jìn)入二級(jí)分級(jí)塔78的約中點(diǎn)處進(jìn)行進(jìn)一步的處理。第二分級(jí)塔78使用與特定分離區(qū)域相關(guān)的不同的流速以根據(jù)粒徑和/或礦物相進(jìn)一步分離沸石。通過(guò)在二級(jí)分級(jí)塔78下段64b內(nèi)的管線66將軟化水引入二級(jí)分級(jí)塔78中。二級(jí)分離塔78由罩72b蓋在頂上，并通過(guò)溢流管線69b上清液從塔78離開(kāi)。通過(guò)軟化水的逆流物流使來(lái)自第一分級(jí)塔77并注入第二分級(jí)塔78的上清液流出物中存在的較小的沸石粒子懸浮，并通過(guò)上段68b將其載帶到管線69b。在第一分級(jí)塔77上清液流出物中存在的較重或較大的沸石顆粒通過(guò)管線71和閥71b從第二分級(jí)塔78的底部抽出。
應(yīng)理解作為進(jìn)一步分級(jí)的選擇，可以收集來(lái)自第一分級(jí)塔77的全部或部分的上清液流出物干燥，以用于最終用途或進(jìn)一步用磨碎、磁分離或化學(xué)離析進(jìn)行處理。類似地，可以收集來(lái)自第二分級(jí)塔78的全部或部分的上清液流出物干燥，以用于最終用途或進(jìn)一步用另外的具有更精細(xì)分離性能例如更長(zhǎng)的膨脹區(qū)的分級(jí)塔分級(jí)或進(jìn)行其他處理。
盡管圖4顯示了兩塔濕法分級(jí)系統(tǒng)，應(yīng)理解濕法分級(jí)塔的數(shù)量、尺寸和構(gòu)造可根據(jù)所希望的粒徑和/或礦物相決定的分離程度和精確度進(jìn)行變化。即，如果希望得到的粒徑分級(jí)范圍越窄，那么所需要的分級(jí)塔的數(shù)量和/或尺寸就越大。對(duì)于初級(jí)分離塔16，軟化水的加入量和速度與隨后向上流速取決于上清液流出物的粒徑和/或希望得到的產(chǎn)率、進(jìn)入塔的工藝物流的粒徑范圍和上清液提取速度。進(jìn)一步應(yīng)理解在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中盡管制備淤漿化沸石工藝物流是間歇的過(guò)程，但是在本發(fā)明方法所有隨后的步驟中可以半連續(xù)的方式進(jìn)行。本發(fā)明公開(kāi)的濕法分級(jí)技術(shù)迄今為止還未應(yīng)用于粘土材料的加工處理，一般地說(shuō)，或應(yīng)用于天然沸石的加工處理，具體地說(shuō)，是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法重要的而且是實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，因?yàn)闆](méi)有其他的沸石分級(jí)技術(shù)可達(dá)到如此的沸石富集水平同時(shí)粒徑分級(jí)。對(duì)于初級(jí)分離塔，本發(fā)明的濕法分級(jí)方法依賴于完好的雙電層的分離效果。
初級(jí)分離塔16及第一和第二分級(jí)塔77和78各自的每一個(gè)分離區(qū)和容量不僅通過(guò)該塔的尺寸和構(gòu)造而且通過(guò)一個(gè)或多個(gè)下游的泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。組件設(shè)備即間歇槽、塔、管道、閥、計(jì)量表、在線探測(cè)器和泵可以由任意的各種材料制造，包括玻璃、塑料例如聚氯乙烯(PVC)，及金屬和合金。因?yàn)樵摴に嚊](méi)有使用高溫或腐蝕性的化學(xué)品，可以使用更便宜的建造材料例如PVC。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到該新穎方法的所有步驟可以用軟化水作為通常的懸浮流體進(jìn)行操作，而沒(méi)有化學(xué)添加劑，可以連續(xù)的方式進(jìn)行操作而不需如現(xiàn)有技術(shù)方法中需要的中和化學(xué)處理或清洗操作以除去化學(xué)背景(物)。
通過(guò)各種通常使用的方法可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法中使用的軟化水的制備。通過(guò)如下的實(shí)施例，使用過(guò)濾、反滲透和離子交換步驟的組合處理具有大于1500ppm總電解質(zhì)的水源。
意外地發(fā)現(xiàn)，一些工藝流出物的電解質(zhì)含量，特別是在起始粘土去除步驟之后，殘留量非常低，而且可通過(guò)過(guò)濾和離子交換最少的處理任選回收以基本上恢復(fù)起始的質(zhì)量。不存在化學(xué)添加劑(添加化學(xué)添加劑是現(xiàn)有技術(shù)方法共同的特點(diǎn))是可行和經(jīng)濟(jì)地處理本發(fā)明新穎工藝水流出物的一個(gè)主要的因素。其表明本發(fā)明方法的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不僅通過(guò)回收而且通過(guò)避免現(xiàn)有技術(shù)方法中通常的大量的污水得以增強(qiáng)。這樣降低了對(duì)水源的要求，特別是在有限給水的地區(qū)。因此，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式基本上使該新穎的方法不僅具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，同時(shí)使整個(gè)工藝性能具有優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)參考以下的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)一步進(jìn)行描述。
分析沸石材料其具有55％的斜發(fā)沸石、15％的絲光沸石、15％的長(zhǎng)石、5％的粘土、5％的云母和5％的石英。該材料的TAPPI亮度為72.0，離子交換容量為1.21meq/g，及FeO含量為0.66％。連續(xù)的初級(jí)分離塔步驟將沸石固體轉(zhuǎn)移到25加侖的槽中，與15.4加侖的軟化水混合形成10％的淤漿。通過(guò)潛入式池泵進(jìn)行循環(huán)而混合淤漿，所述的泵附于圖3描述的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)上。在分離塔的基底引入具有小于約10ppm電解質(zhì)的軟化水逆流以促使在塔下部提供4.3ml/min/cm2的上升流速。將原料從淤漿槽引入到塔中以在塔的注入?yún)^(qū)形成3.8ml/min/cm2的上升速度。將全部的淤漿量泵入塔中，然后提供原料，使逆流的軟化水平衡，從而使標(biāo)準(zhǔn)的上升速度保持另外12小時(shí)。
在塔的底部作為底流濃縮物收集約1磅的廢棄物料。分析該物料表明其由35％的石英、25％的長(zhǎng)石、15％的斜發(fā)沸石、10％的絲光沸石、5％的粘土、5％的云母和5％的赤鐵礦組成，其中FeO含量為1.66％。同時(shí)該材料顯示其離子交換容量為0.66meq/g，及TAPPI亮度為53.7。
在二級(jí)分離塔收集的最后精制的沸石產(chǎn)品總共為11.5磅，該步驟得到的產(chǎn)率為90％。該材料由55％的斜發(fā)沸石、15％的絲光沸石、15％的長(zhǎng)石、5％的粘土和5％的石英組成，其中FeO含量為0.55％。同時(shí)該材料顯示其離子交換容量為1.22meq/g，及TAPPI亮度為71.5。磁分離步驟精制的沸石產(chǎn)品與7.6加侖具有小于約10ppm電解質(zhì)的軟化水混合以形成20％的淤漿。該淤漿在靜態(tài)的浸泡體系中用稀土磁鐵(6kG)進(jìn)行人工處理。從沸石中提取出來(lái)一共1磅的磁鐵材料，剩余10.5磅精制的材料，該步驟得到91％的收率。該材料的TAPPI亮度為86.0，離子交換容量為1.33meq/g，F(xiàn)eO含量為0.31％。材料分析表明該材料由60％的斜發(fā)沸石、20％的絲光沸石、15％的長(zhǎng)石和5％的石英組成(粘土和云母含量小于可檢測(cè)的范圍)。顆粒粉碎步驟使用Fluid Energy Aljet的4型微噴射系統(tǒng)將6.9磅部分的磁分離沸石研磨干燥到平均粒徑約3微米的顆粒。研磨產(chǎn)品的TAPPI亮度為90.5，離子交換容量為1.26meq/g，F(xiàn)eO含量為0.31％。
處理的總結(jié)樣品 沸石％ CEC 亮度 FeO％meq/gTAPPI原料礦石 65 1.10 72.7 1.20傾析的沸石70 1.21 72.0 0.66粘土流體 25 0.78 61.3 2.97初級(jí)分離塔的底流 25 0.66 53.7 1.66二級(jí)分離塔的產(chǎn)品 70 1.22 71.5 0.55磁處理產(chǎn)品80 1.33 86.0 0.313微米的產(chǎn)品 80 1.26 90.5 0.31
分析粘土流體懸浮體表明其由50％的粘土、25％的斜發(fā)沸石、15％的長(zhǎng)石、5％的絲光沸石和5％石英組成，其中FeO含量為2.97％。
分析沸石材料其具有55％的斜發(fā)沸石、15％的絲光沸石、15％的長(zhǎng)石、5％的粘土和5％的石英。該材料的TAPPI亮度為72.0，離子交換容量為1.21 meq/g，及FeO含量為0.66％。連續(xù)的初級(jí)分離塔步驟前步得到的在槽中剩余的分離沸石產(chǎn)品與160加侖的具有小于約50ppm電解質(zhì)的軟化水混合形成10％的淤漿。通過(guò)Chemineer槽式混合器快速攪拌使淤漿混合10分鐘。移去混合器，再將潛入式池泵應(yīng)用于槽進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。少量的滑流通過(guò)縮小的稀土磁鐵僅表明在方法的該步驟有效去除磁性材料的可行性。
根據(jù)描述于圖3中的設(shè)計(jì)，將第二潛入式池泵置于槽中并與中試規(guī)模的分離塔連接。將具有小于約50ppm電解質(zhì)的軟化水送到分離塔基底以在塔下部提供4.3ml/min/cm2的上升速度。將沸石淤漿原料用池泵引到塔中以在塔的注入?yún)^(qū)形成3.8ml/min/cm2的上升速度。在二級(jí)分離塔的分配環(huán)中也形成軟化水流動(dòng)從而提供0.5ml/min/cm2的上升速度。將淤漿槽中的物料加入到初級(jí)塔中之后，在塔的基底和二級(jí)分離塔分配環(huán)中繼續(xù)(引入)軟化水，保持標(biāo)準(zhǔn)上升速度另外12小時(shí)。最后得到精制沸石產(chǎn)品總共為134磅，該步驟得到的產(chǎn)率為89％。分析表明該沸石產(chǎn)品含有65％的斜發(fā)沸石、15％的絲光沸石、10％的長(zhǎng)石、5％的云母和5％的石英(粘土的含量小于可檢測(cè)的范圍)。該材料也顯示其TAPPI亮度為67.0，離子交換容量為1.33meq/g，F(xiàn)eO含量為0.68％。
在塔的底部作為底流濃縮物收集約29磅的廢棄物料。分析該物料表明其由35％的石英、25％的長(zhǎng)石、15％的斜發(fā)沸石、10％的絲光沸石、5％的粘土、5％的云母和5％的赤鐵礦組成，其中FeO含量為1.66％。該材料也顯示其離子交換容量為0.66meq/g，及TAPPI亮度為53.7。磁分離步驟1來(lái)自塔系統(tǒng)精制的沸石產(chǎn)品樣品143磅用28加侖的軟化水淤漿化以得到38％固體的淤漿，并用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)鼓混合器進(jìn)行混合。將淤漿通過(guò)配有裝滿金屬網(wǎng)直徑為5英寸筒的Electric Motor Company(PEM)的高強(qiáng)度(20kG)濕法磁分離器以3加侖/分鐘(30秒延遲)進(jìn)行磁分離。在處理期間，全部淤漿兩次通過(guò)磁鐵。分析該材料TAPPI亮度為77.7，F(xiàn)eO含量為0.50％。顆粒粉碎步驟然后使用Chicago Boiler Red Head的配有一毫米玻璃球的對(duì)轉(zhuǎn)圓盤(pán)式破碎機(jī)以1加侖/分鐘的流速將磁分離得到的產(chǎn)品進(jìn)行顆粒粉碎。需要四次通過(guò)破碎機(jī)以得到小于2微米的粒徑。磨碎的產(chǎn)品然后用200目的篩子進(jìn)行篩分以除去雜散的研磨介質(zhì)及磨損的產(chǎn)物。分析該材料TAPPI亮度為84.0，F(xiàn)eO含量為0.35％。磁分離步驟2將破碎機(jī)破碎的產(chǎn)品通過(guò)配有裝滿不銹鋼絲直徑為5英寸筒的PEM高強(qiáng)度(2特斯拉)濕法磁分離器，以1加侖/分鐘(100秒延遲)的速度再一次進(jìn)行磁分離。在整個(gè)處理期間，全部淤漿兩次通過(guò)磁鐵。最后的產(chǎn)品以17％固體淤漿的形式估計(jì)有106磅。得到的沸石產(chǎn)品產(chǎn)率為74％。干燥材料的樣品顯示TAPPI的亮度為89.9，F(xiàn)eO含量為0.32，粒徑小于2微米。
處理的總結(jié)樣品 沸石％CEC 亮度FeO原料礦石 651.1366.71.27傾析的沸石 701.4366.40.71粘土流體懸浮體 400.8161.32.97初級(jí)分離塔的底流 400.6653.71.66二級(jí)分離塔的產(chǎn)品 801.4566.20.68第1次磁分離73.80.58第2次磁分離77.70.50破碎機(jī)破碎的產(chǎn)品 84.00.35第3次磁分離89.10.31
第4次磁分離 1.70 89.9 0.32
收集在每一個(gè)塔底部沉降出的作為底流的物料進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)總結(jié)于下表樣品 質(zhì)量 FeO(％) 表觀密度(g/ml)初級(jí)分離塔產(chǎn)品--0.660.89塔1的產(chǎn)品 590.860.86塔2的產(chǎn)品 220.670.82塔3的產(chǎn)品 111.040.79塔4的產(chǎn)品 7 1.070.75塔5的產(chǎn)品 1 2.560.73數(shù)據(jù)反映出表觀密度從約0.86g/ml線性減少到約0.73g/ml，對(duì)于每一個(gè)分級(jí)塔而言，由其可推知粒徑從約8.2μm線性減少到6.5μm或約0.5μm。特別是塔5，鐵含量的增加表明要進(jìn)一步分離痕量殘留的粘土或其它的含鐵材料。
收集在每一個(gè)塔底部沉降出的作為底流的物料進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)總結(jié)于下表樣品 質(zhì)量(％) FeO(％)CEC表觀密度原料產(chǎn)品 -- 0.25 1.35 -塔1的產(chǎn)品7 0.19 1.03 1.08塔2的產(chǎn)品11 0.16 1.310.92塔3的產(chǎn)品32 0.23 1.510.78塔4的產(chǎn)品26 0.22 1.53 0.72塔5的產(chǎn)品24 0.36 1.46 0.60數(shù)據(jù)反映出表觀密度從約1.08g/ml線性減少到約0.6g/ml，由其可推知線性和相對(duì)小的粒徑差。鐵分布反映出要進(jìn)一步從塔1～塔4中分離沸石，塔5產(chǎn)品中的增加表明要進(jìn)一步分離痕量殘留的粘土或其它的含鐵材料。離子交換容量顯示，在塔1中收集了小部分的貧沸石礦物，在塔3和4中有明顯的增加，而在塔5中有點(diǎn)兒減少。該分布清楚地表明與粒徑分級(jí)一起進(jìn)行的分離是有利的。塔3和4的復(fù)合物樣品與TAPPI亮度為90.5的原料產(chǎn)品相比，TAPPI亮度為91.2。
根據(jù)具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。但是應(yīng)理解本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明包含的公開(kāi)能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的多種變化。該變化在本發(fā)明公開(kāi)的范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明應(yīng)廣義地解釋，僅由本發(fā)明所附權(quán)利要求的精神和范圍所限定。
權(quán)利要求
1.從含有其它礦物相的沸石礦中提取和提純沸石的方法，包括如下步驟制備由軟化水和平均粒徑為約10～40μm的沸石礦組成的淤漿，所述的淤漿密度為約5％～40％，所述的淤漿具有足夠的軟化水與沸石礦質(zhì)量比以基本上懸?。粚⑺龅挠贊{經(jīng)機(jī)械分散，具有軟化水與沸石礦的質(zhì)量比要基本上使所述的沸石礦的任何粘土部分懸?。皇顾龅姆惺瘡乃龅挠贊{中沉降，得到上層含水的部分和沉降的沸石部分；分離所述的沉降的沸石部分與所述的上層含水部分；及將所述的沉降的沸石部分與軟化水混合以得到淤漿化的工藝物流。
2.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括如下步驟將所述的淤漿化工藝物流在所述初級(jí)分離塔的約中點(diǎn)處注入多段逆流初級(jí)分離塔中，所述的初級(jí)分離塔有上段、下段和中段；將軟化水注入到所述初級(jí)分離塔的所述的下段；從所述初級(jí)分離塔的所述的上段提取出懸浮沸石的上清液物流；及控制所述淤漿化工藝物流和所述的軟化水進(jìn)入所述初級(jí)分離塔的注入速度，及所述的懸浮沸石的提取速度，從而所述的軟化水以足夠的速度向上流動(dòng)以使所述的沸石懸浮，這樣具有凈沉降速度的所述的淤漿化工藝物流的密度較高的組分向下流動(dòng)到所述初級(jí)分離塔的所述的下段。
3.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括如下步驟將所述的懸浮沸石從所述的初級(jí)分離塔中注入到二級(jí)分離塔中，所述的二級(jí)分離塔具有上段和下段；將軟化水注入到所述的二級(jí)分離塔靠近所述的下段中；從所述的上段提取細(xì)粒上清液物流；控制所述的懸浮沸石和所述的軟化水進(jìn)入所述二級(jí)分離塔的注入速度，及所述的細(xì)粒上清液物流的提取速度，從而形成逆流流動(dòng)，希望尺寸范圍的沸石顆粒沒(méi)有被載帶到所述的逆流中；及從所述的二級(jí)分離塔的所述下段除去希望尺寸范圍的所述的沸石顆粒。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的沸石礦的沸石相基本上是斜發(fā)沸石。
5.如權(quán)利要求2的方法，其中所述的沸石礦的沸石相基本上是斜發(fā)沸石。
6.如權(quán)利要求3的方法，其中所述的沸石礦的沸石相基本上是斜發(fā)沸石。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的沸石礦的沸石相包括斜發(fā)沸石、絲光沸石或其它天然沸石礦物的一種或多種。
8.如權(quán)利要求2的方法，其中所述的沸石礦的沸石相包括斜發(fā)沸石、絲光沸石或其它天然沸石礦物的一種或多種。
9.如權(quán)利要求3的方法，其中所述的沸石礦的沸石相包括斜發(fā)沸石、絲光沸石或其它天然沸石礦物的一種或多種。
10.從天然礦物組合物中分離礦物相的方法，所述的礦物相具有固有的可變化的水合性質(zhì)，導(dǎo)致在含水淤漿或懸浮體中分層懸浮，包括如下步驟壓碎、研磨或磨碎所述的天然礦物到基本上離析出所述的礦物相；在軟化水中制備含水淤漿或懸浮體，其中低電解質(zhì)含量可保持最大化的雙電層，有助于根據(jù)水合程度分散和分離所述的礦物相；及通過(guò)結(jié)合分層懸浮效應(yīng)和物理分離原則分離所述的礦物相。
11.顆粒化合物的分級(jí)方法，所述的化合物包括當(dāng)在低電解質(zhì)介質(zhì)中水合時(shí)具有雙電層，而且具有一定粒徑范圍的顆粒，包括如下步驟制備所述顆?；衔锏暮贊{；將所述的淤漿引入逆流分級(jí)塔，所述的分級(jí)塔具有一個(gè)或多個(gè)段，原料注入口位于所述分級(jí)塔的約中點(diǎn)處，軟化水注入口低于所述的原料注入口，罩位于該塔的最高端，及溢流口低于所述的罩；利用所述雙電層的分離效應(yīng)分離所述的顆?；衔铮患巴ㄟ^(guò)所述溢流口提取上清液物流。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中所述的顆?；衔锸莵?lái)自所述二級(jí)分離塔的所述下段的希望粒徑范圍的所述的沸石粒子。
全文摘要
利用機(jī)械分散和分層懸浮以除去大部分的礦石的粘土含量，從而從其他礦物相存在的礦石中分離和提純天然沸石的方法。通過(guò)利用軟化水的性質(zhì)及結(jié)合逆流分離塔，該方法隨后去除比希望的沸石產(chǎn)品具有更高質(zhì)量面積比的雜質(zhì)。在該方法中不使用化學(xué)絮凝劑或浮選劑。
文檔編號(hào)B01D21/00GK1469780SQ01817213
公開(kāi)日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月27日
發(fā)明者比利·D·費(fèi)勒斯, 比利 D 費(fèi)勒斯 申請(qǐng)人:基礎(chǔ)資源有限公司