Dzięki specjalnym właściwościom fizycznym i chemicznym kaolin jest niezbędnym niemetalicznym zasobem mineralnym w ceramice, papiernictwie, gumie, tworzywach sztucznych, materiałach ogniotrwałych, rafinacji ropy naftowej i innych najnowocześniejszych dziedzinach technologii przemysłowych, rolniczych i obronnych. Białość kaolinu jest ważnym wskaźnikiem jego wartości aplikacyjnej.
Czynniki wpływające na białość kaolinu
Kaolin to rodzaj drobnoziarnistej gliny lub skały ilastej składającej się głównie z minerałów kaolinitu. Jego krystaliczny wzór chemiczny to 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Niewielką ilością minerałów nieilastych są kwarc, skaleń, minerały żelaza, tytan, wodorotlenek i tlenki glinu, materia organiczna itp.
Struktura krystaliczna kaolinu
W zależności od stanu i charakteru zanieczyszczeń w kaolinie, zanieczyszczenia powodujące zmniejszenie białości kaolinu można podzielić na trzy kategorie: węgiel organiczny; Pierwiastki pigmentowe, takie jak Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn itp.; Minerały ciemne, takie jak biotyt, chloryt itp. Generalnie zawartość V, Cr, Cu, Mn i innych pierwiastków w kaolinie jest niewielka, co ma niewielki wpływ na białość. Skład mineralny oraz zawartość żelaza i tytanu to główne czynniki wpływające na białość kaolinu. Ich istnienie będzie miało wpływ nie tylko na naturalną biel kaolinu, ale także na jego kalcynowaną biel. W szczególności obecność tlenku żelaza niekorzystnie wpływa na barwę gliny oraz zmniejsza jej jasność i odporność ogniową. I nawet jeśli ilość tlenku, wodorotlenku i uwodnionego tlenku żelaza wynosi 0,4%, wystarczy nadać osadowi ilastemu kolor od czerwonego do żółtego. Tymi tlenkami i wodorotlenkami żelaza mogą być hematyt (czerwony), maghemit (czerwono-brązowy), getyt (brązowawo-żółty), limonit (pomarańczowy), uwodniony tlenek żelaza (brązowawo-czerwony) itp. Można powiedzieć, że usuwanie zanieczyszczeń żelaznych w kaolinie odgrywa niezwykle ważną rolę w lepszym wykorzystaniu kaolinu.
Stan występowania pierwiastka żelaza
Głównym czynnikiem determinującym sposób usuwania żelaza jest stan występowania żelaza w kaolinie. W dużej liczbie badań uważa się, że żelazo krystaliczne w postaci drobnych cząstek jest mieszane z kaolinem, natomiast żelazo amorficzne pokrywa powierzchnię drobnych cząstek kaolinu. Obecnie stan występowania żelaza w kaolinie dzieli się na dwa rodzaje w kraju i za granicą: jeden występuje w kaolinicie i minerałach towarzyszących (takich jak mika, dwutlenek tytanu i illit), co nazywa się żelazem strukturalnym; Drugi występuje w postaci niezależnych minerałów żelaza, zwanych wolnym żelazem (w tym żelazo powierzchniowe, drobnoziarniste żelazo krystaliczne i żelazo amorficzne).
Żelazo usuwane przez usuwanie żelaza i wybielanie kaolinu to wolne żelazo, obejmujące głównie magnetyt, hematyt, limonit, syderyt, piryt, ilmenit, jarozyt i inne minerały; Większość żelaza występuje w postaci silnie zdyspergowanego limonitu koloidalnego, a niewielka ilość w postaci kulistego, igiełkowego i nieregularnego getytu i hematytu.
Metoda odżelaziania i wybielania kaolinu
Separacja wody
Metodę tę stosuje się głównie do usuwania minerałów detrytycznych, takich jak kwarc, skaleń i mika, oraz grubszych zanieczyszczeń, takich jak gruz skalny, a także niektórych minerałów żelaza i tytanu. Nie można usunąć minerałów zanieczyszczających o podobnej gęstości i rozpuszczalności do kaolinu, a poprawa białości jest stosunkowo nieoczywista, co jest odpowiednie do wzbogacania i wybielania rudy kaolinu o stosunkowo wysokiej jakości.
Separacja magnetyczna
Zanieczyszczenia mineralne żelaza w kaolinie są zwykle słabo magnetyczne. Obecnie stosuje się głównie metodę separacji magnetycznej o wysokim gradiencie lub słabe minerały magnetyczne są przekształcane po prażeniu w silny magnetyczny tlenek żelaza, a następnie usuwane zwykłą metodą separacji magnetycznej.
Separator magnetyczny o wysokim gradiencie z pierścieniem pionowym
Separator magnetyczny o wysokim gradiencie do szlamu elektromagnetycznego
Niskotemperaturowy nadprzewodzący separator magnetyczny
Metoda flotacyjna
Do oczyszczania kaolinu ze złóż pierwotnych i wtórnych zastosowano metodę flotacji. W procesie flotacji cząstki kaolinitu i miki oddziela się, a oczyszczone produkty stanowią kilka odpowiednich surowców klasy przemysłowej. Selektywna separacja flotacyjna kaolinitu i skalenia jest zwykle prowadzona w zawiesinie o kontrolowanym pH.
Metoda redukcji
Metoda redukcji polega na zastosowaniu środka redukującego w celu redukcji zanieczyszczeń żelazem (takich jak hematyt i limonit) w trójwartościowej postaci kaolinu do rozpuszczalnych jonów żelaza dwuwartościowego, które są usuwane przez filtrację i przemywanie. Usuwanie zanieczyszczeń Fe3+ z kaolinu przemysłowego zwykle osiąga się poprzez połączenie technologii fizycznej (separacja magnetyczna, selektywna flokulacja) i obróbki chemicznej w warunkach kwasowych lub redukujących.
Wodorosiarczyn sodu (Na2S2O4), znany również jako wodorosiarczyn sodu, skutecznie redukuje i wypłukuje żelazo z kaolinu i jest obecnie stosowany w przemyśle kaolinu. Jednakże metodę tę należy prowadzić w warunkach silnie kwasowych (pH<3), co wiąże się z wysokimi kosztami operacyjnymi i wpływem na środowisko. Ponadto właściwości chemiczne wodorosiarczynu sodu są niestabilne, co wymaga specjalnych i kosztownych rozwiązań w zakresie przechowywania i transportu.
Dwutlenek tiomocznika: (NH2) 2CSO2, TD) jest silnym środkiem redukującym, którego zalety to silna zdolność redukująca, przyjazność dla środowiska, niska szybkość rozkładu, bezpieczeństwo i niski koszt produkcji seryjnej. Nierozpuszczalny Fe3+ w kaolinie można zredukować do rozpuszczalnego Fe2+ poprzez TD.
Następnie biel kaolinu można zwiększyć po filtracji i przemyciu. TD jest bardzo stabilny w temperaturze pokojowej i warunkach neutralnych. Silną zdolność redukcyjną TD można uzyskać jedynie w warunkach silnej zasadowości (pH>10) lub ogrzewania (T>70°C), co skutkuje wysokimi kosztami eksploatacji i trudnością.
Metoda utleniania
Utlenianie obejmuje zastosowanie ozonu, nadtlenku wodoru, nadmanganianu potasu i podchlorynu sodu w celu usunięcia zaadsorbowanej warstwy węgla w celu poprawy białości. Kaolin w głębszym miejscu pod grubszym nadkładem jest szary, a żelazo w kaolinie jest w stanie redukującym. Użyj silnych środków utleniających, takich jak ozon lub podchloryn sodu, aby utlenić nierozpuszczalny FeS2 w pirycie do rozpuszczalnego Fe2+, a następnie przemyj, aby usunąć Fe2+ z układu.
Metoda ługowania kwasowego
Metoda ługowania kwasowego polega na przekształceniu nierozpuszczalnych zanieczyszczeń żelazem w kaolinie w substancje rozpuszczalne w roztworach kwaśnych (kwas solny, kwas siarkowy, kwas szczawiowy itp.), realizując w ten sposób oddzielenie od kaolinu. W porównaniu z innymi kwasami organicznymi, kwas szczawiowy jest uważany za najbardziej obiecujący ze względu na jego siłę kwasu, dobre właściwości kompleksujące i wysoką zdolność redukującą. Za pomocą kwasu szczawiowego rozpuszczone żelazo można wytrącić z roztworu ługującego w postaci szczawianu żelazawego i można je dalej przetwarzać w celu wytworzenia czystego hematytu poprzez kalcynację. Kwas szczawiowy można tanio otrzymać w innych procesach przemysłowych, a na etapie wypalania w produkcji ceramiki wszelkie pozostałości szczawianu w obrabianym materiale zostaną rozłożone na dwutlenek węgla. Wielu badaczy badało wyniki rozpuszczania tlenku żelaza kwasem szczawiowym.
Metoda kalcynacji w wysokiej temperaturze
Kalcynacja to proces wytwarzania produktów kaolinowych o specjalnej jakości. W zależności od temperatury obróbki produkowane są dwa różne gatunki kalcynowanego kaolinu. Kalcynacja w zakresie temperatur 650-700℃ usuwa strukturalną grupę hydroksylową, a wydobywająca się para wodna zwiększa elastyczność i nieprzezroczystość kaolinu, co jest idealną cechą aplikacji powlekania papieru. Dodatkowo podgrzewając kaolin do temperatury 1000-1050℃, można nie tylko zwiększyć ścieralność, ale także uzyskać biel na poziomie 92-95%.
Kalcynacja chlorowana
Żelazo i tytan usunięto z minerałów ilastych, zwłaszcza kaolinu, metodą chlorowania, uzyskując dobre wyniki. W procesie chlorowania i kalcynacji, w wysokiej temperaturze (700℃ - 1000℃), kaolinit ulega dehydroksylacji tworząc metakaolinit, a w wyższej temperaturze tworzą się fazy spinelu i mulitu. Przekształcenia te zwiększają hydrofobowość, twardość i wielkość cząstek poprzez spiekanie. Minerały poddane takiej obróbce mogą być stosowane w wielu gałęziach przemysłu, np. w przemyśle papierniczym, PCV, gumowym, tworzyw sztucznych, klejach, pastach do polerowania i pastach do zębów. Wyższa hydrofobowość sprawia, że minerały te są bardziej kompatybilne z układami organicznymi.
Metoda mikrobiologiczna
Technologia mikrobiologicznego oczyszczania minerałów jest stosunkowo nowym tematem przetwarzania minerałów, obejmującym technologię ługowania mikrobiologicznego i technologię flotacji mikrobiologicznej. Technologia ługowania mikrobiologicznego minerałów to technologia ekstrakcji, która wykorzystuje głęboką interakcję między mikroorganizmami i minerałami w celu zniszczenia sieci krystalicznej minerałów i rozpuszczenia użytecznych składników. Utleniony piryt i inne rudy siarczkowe zawarte w kaolinie można oczyścić za pomocą technologii ekstrakcji mikrobiologicznej. Powszechnie stosowane mikroorganizmy obejmują Thiobacillus ferrooksydans i bakterie redukujące Fe. Metoda mikrobiologiczna charakteryzuje się niskim kosztem i niskim zanieczyszczeniem środowiska, co nie wpływa na właściwości fizyczne i chemiczne kaolinu. Jest to nowa metoda oczyszczania i wybielania z perspektywami rozwoju minerałów kaolinu.
Streszczenie
Usuwanie żelaza i wybielanie kaolinu wymaga wybrania najlepszej metody w zależności od różnych przyczyn zabarwienia i różnych celów zastosowania, poprawy kompleksowego działania białości minerałów kaolinu oraz nadania mu wysokiej wartości użytkowej i ekonomicznej. Przyszły trend rozwojowy powinien polegać na organicznym połączeniu cech metody chemicznej, metody fizycznej i metody mikrobiologicznej, aby w pełni wykorzystać ich zalety i ograniczyć ich wady i niedociągnięcia, aby osiągnąć lepszy efekt wybielania. Jednocześnie konieczne jest również dalsze badanie nowego mechanizmu różnych metod usuwania zanieczyszczeń i udoskonalanie procesu, aby usuwanie żelaza i wybielanie kaolinu rozwijało się w kierunku ekologicznym, wydajnym i niskoemisyjnym.
Czas publikacji: 02 marca 2023 r