עם תכונות פיזיקליות וכימיות מיוחדות, קאולין הוא משאב מינרלים בלתי מתכתי הכרחי בקרמיקה, ייצור נייר, גומי, פלסטיק, חסיני אש, זיקוק נפט ושאר תחומי טכנולוגיה חדישים בתעשייה ובחקלאות ובהגנה הלאומית. הלובן של קאולין הוא אינדיקטור חשוב לערך היישום שלו.
גורמים המשפיעים על הלובן של קאולין
קאולין הוא סוג של חימר עדין או סלע חרסית המורכב בעיקר ממינרלים של קאוליניט. הנוסחה הכימית הגבישית שלו היא 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. כמות קטנה של מינרלים שאינם חרסית הם קוורץ, פלדספאר, מינרלי ברזל, טיטניום, אלומיניום הידרוקסיד ותחמוצות, חומרים אורגניים וכו'.
מבנה גבישי של קאולין
לפי המצב והטבע של זיהומים בקאולין, ניתן לחלק את הזיהומים הגורמים לירידת הלובן של הקאולין לשלוש קטגוריות: פחמן אורגני; אלמנטים של פיגמנט, כגון Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn וכו'; מינרלים כהים, כגון ביוטיט, כלוריט וכו'. בדרך כלל, תכולת ה-V, Cr, Cu, Mn ושאר היסודות בקאולין היא קטנה, מה שיש לו השפעה מועטה על הלובן. הרכב המינרלים והתכולה של ברזל וטיטניום הם הגורמים העיקריים המשפיעים על הלובן של קאולין. קיומם לא רק ישפיע על הלובן הטבעי של הקאולין, אלא גם ישפיע על הלובן המסולסל שלו. בפרט, לנוכחות של תחמוצת ברזל יש השפעה שלילית על צבע החימר ומפחיתה את בהירותו ועמידות האש. וגם אם כמות התחמוצת, הידרוקסיד והתחמוצת הידרדרת של תחמוצת ברזל היא 0.4%, זה מספיק כדי לתת למשקע החימר צבע אדום עד צהוב. תחמוצות ברזל והידרוקסידים אלו יכולים להיות המטיט (אדום), מגהמיט (אדום-חום), גתיט (צהוב חום), לימוניט (כתום), תחמוצת ברזל hydrated (אדום חום) ועוד. ניתן לומר שהסרת זיהומי ברזל בקאולין תפקיד חשוב ביותר בשימוש טוב יותר בקאולין.
מצב התרחשות של יסוד ברזל
מצב ההתרחשות של ברזל בקאולין הוא הגורם העיקרי הקובע את שיטת הסרת הברזל. מספר רב של מחקרים מאמינים כי ברזל גבישי בצורה של חלקיקים עדינים מעורב בקאולין, בעוד ברזל אמורפי מצופה על פני השטח של חלקיקים עדינים של קאולין. כיום, מצב ההתרחשות של ברזל בקאולין מתחלק לשני סוגים בבית ומחוץ: האחד הוא בקאוליניט ובמינרלים נלווים (כגון נציץ, טיטניום דו-חמצני ואילייט), הנקרא ברזל מבני; השני הוא בצורת מינרלים עצמאיים של ברזל, הנקראים ברזל חופשי (כולל ברזל עילי, ברזל גבישי עדין וברזל אמורפי).
הברזל שהוסר על ידי הסרת ברזל והלבנת קאולין הוא ברזל חופשי, הכולל בעיקר מגנטיט, המטיט, לימוניט, סידריט, פיריט, אילמניט, ירוסיט ומינרלים נוספים; רוב הברזל קיים בצורה של לימוניט קולואידי מפוזר מאוד, וכמות קטנה בצורה של גתיט והמטיט כדוריים, עגולים ולא סדירים.
שיטת הסרת ברזל והלבנה של קאולין
הפרדת מים
שיטה זו משמשת בעיקר להסרת מינרלים דטריטליים כמו קוורץ, פלדספאר ונציץ, וזיהומים גסים יותר כמו פסולת סלעים, וכן כמה מינרלים של ברזל וטיטניום. לא ניתן להסיר מינרלים של טומאה בעלי צפיפות ומסיסות דומים לקאולין, ושיפור הלובן יחסית אינו ברור, דבר המתאים להטבה והלבנה של עפרות קאולין איכותיות יחסית.
הפרדה מגנטית
זיהומים מינרלים של ברזל בקאולין הם בדרך כלל מגנטיים חלשים. כיום משתמשים בעיקר בשיטת ההפרדה המגנטית החזקה בשיפוע גבוה, או שהמינרלים המגנטיים החלשים מומרים לתחמוצת ברזל מגנטית חזקה לאחר הקלייה, ולאחר מכן מוסרים בשיטת הפרדה מגנטית רגילה.
טבעת אנכית מפריד מגנטי בשיפוע גבוה
מפריד מגנטי בעל שיפוע גבוה עבור רצפה אלקטרומגנטית
מפריד מגנטי מוליך בטמפרטורה נמוכה
שיטת ציפה
שיטת הציפה יושמה לטיפול בקאולין ממרבצים ראשוניים ומשניים. בתהליך הציפה, חלקיקי קאוליניט ונציץ מופרדים, והמוצרים המטוהרים הם מספר חומרי גלם מתאימים בדרגה תעשייתית. הפרדת הציפה הסלקטיבית של קאוליניט ופלדספאר מתבצעת בדרך כלל בתרחיץ עם pH מבוקר.
שיטת הפחתה
שיטת ההפחתה היא שימוש בחומר מפחית להפחתת זיהומי הברזל (כגון המטיט ולימוניט) במצב התלת ערכי של קאולין ליוני ברזל דו ערכיים מסיסים, אשר מוסרים על ידי סינון ושטיפה. הסרת זיהומי Fe3+ מהקאולין התעשייתי מושגת בדרך כלל על ידי שילוב של טכנולוגיה פיזיקלית (הפרדה מגנטית, קצף סלקטיבי) וטיפול כימי בתנאים חומציים או מפחיתים.
נתרן הידרוסולפיט (Na2S2O4), הידוע גם בשם סודיום הידרוסולפיט, יעיל בהפחתת ברזל ובשטיפה מהקאולין, ומשמש כיום בתעשיית הקאולין. עם זאת, שיטה זו חייבת להתבצע בתנאים חומציים חזקים (pH<3), וכתוצאה מכך עלויות תפעול גבוהות והשפעה סביבתית. בנוסף, התכונות הכימיות של נתרן הידרוסולפיט אינן יציבות, ומחייבות סידורי אחסון והובלה מיוחדים ויקרים.
תיאוריאה דו-חמצנית: (NH2) 2CSO2, TD) הוא חומר מפחית חזק, בעל היתרונות של יכולת הפחתה חזקה, ידידותיות לסביבה, קצב פירוק נמוך, בטיחות ועלות נמוכה של ייצור אצווה. ניתן להפחית Fe3+בקאולין לא מסיס ל-Fe2+באמצעות TD.
לאחר מכן, ניתן להגדיל את הלובן של קאולין לאחר סינון ושטיפה. TD יציב מאוד בטמפרטורת החדר ובתנאים ניטרליים. יכולת ההפחתה החזקה של TD יכולה להתקבל רק בתנאים של בסיסיות חזקה (pH>10) או חימום (T>70 מעלות צלזיוס), וכתוצאה מכך עלות פעולה וקושי גבוהים.
שיטת חמצון
טיפול בחמצון כולל שימוש באוזון, מי חמצן, אשלגן פרמנגנט ונתרן היפוכלוריט להסרת שכבת הפחמן הנספג לשיפור הלובן. הקאולין במקום העמוק יותר מתחת למטען העבה יותר הוא אפור, והברזל שבקאולין נמצא במצב מפחית. השתמש בחומרי חמצון חזקים כגון אוזון או נתרן היפוכלוריט כדי לחמצן את FeS2 הבלתי מסיס בפיריט ל-Fe2+ מסיס, ולאחר מכן לשטוף כדי להסיר את Fe2+ מהמערכת.
שיטת שטיפת חומצה
שיטת שטיפת החומצה היא להפוך את זיהומי הברזל הבלתי מסיסים בקאולין לחומרים מסיסים בתמיסות חומציות (חומצה הידרוכלורית, חומצה גופרתית, חומצה אוקסלית וכו'), ובכך לממש את ההפרדה מהקאולין. בהשוואה לחומצות אורגניות אחרות, חומצה אוקסלית נחשבת למבטיחה ביותר בגלל חוזק החומצה שלה, תכונת קומפלקס טובה ויכולת צמצום גבוהה. עם חומצה אוקסלית, ניתן לזרז את הברזל המומס מתמיסת השטיפה בצורה של ברזל אוקסלט, וניתן לעבד אותו ליצירת המטיט טהור באמצעות סידוד. חומצה אוקסלית ניתן להשיג בזול מתהליכים תעשייתיים אחרים, ובשלב השריפה של ייצור הקרמיקה, כל שאריות אוקסלט בחומר המטופל יתפרק לפחמן דו חמצני. חוקרים רבים חקרו את התוצאות של המסת תחמוצת ברזל עם חומצה אוקסלית.
שיטת חידוד בטמפרטורה גבוהה
חידוד הוא תהליך של ייצור מוצרי קאולין בדרגה מיוחדת. על פי טמפרטורת הטיפול, מיוצרות שתי דרגות שונות של קאולין מבושל. סידן בטווח הטמפרטורות של 650-700 ℃ מסיר את קבוצת ההידרוקסיל המבנית, ואדי המים הבורחים מגבירים את הגמישות והאטימות של הקאולין, שהיא תכונה אידיאלית של יישום ציפוי נייר. בנוסף, על ידי חימום קאולין ב-1000-1050 ℃, הוא יכול לא רק להגביר את יכולת השחיקה, אלא גם להשיג לובן של 92-95%.
קלצינת כלור
ברזל וטיטניום הוסרו ממינרלי חימר, בעיקר קאולין על ידי הכלרה, והתקבלו תוצאות טובות. בתהליך ההכלה וההסתיידות, בטמפרטורה גבוהה (700 ℃ - 1000 ℃), הקאוליניט עבר דה-הידרוקסילציה ליצירת מטאקולניט, ובטמפרטורה גבוהה יותר נוצרים שלבי ספינל ומוליט. טרנספורמציות אלו מגדילות את ההידרופוביות, הקשיות והגודל של חלקיקים באמצעות סינטר. המינרלים המטופלים בדרך זו יכולים לשמש בתעשיות רבות, כגון נייר, PVC, גומי, פלסטיק, דבקים, ליטוש ומשחת שיניים. הידרופוביות גבוהה יותר הופכת את המינרלים הללו למתאימים יותר למערכות אורגניות.
שיטה מיקרוביולוגית
טכנולוגיית טיהור מיקרוביאלית של מינרלים היא נושא חדש יחסית לעיבוד מינרלים, כולל טכנולוגיית שטיפה מיקרוביאלית וטכנולוגיית ציפה מיקרוביאלית. טכנולוגיית השטיפה המיקרוביאלית של מינרלים היא טכנולוגיית מיצוי המשתמשת באינטראקציה העמוקה בין מיקרואורגניזמים ומינרלים כדי להרוס את רשת הגבישים של המינרלים ולהמיס את הרכיבים השימושיים. פיריט מחומצן ועפרות גופרית אחרות הכלולים בקאולין ניתנים לטהר באמצעות טכנולוגיית מיצוי מיקרוביאלית. מיקרואורגניזמים נפוצים כוללים את Thiobacillus ferrooxidans וחיידקים מפחיתי Fe. לשיטה המיקרוביולוגית עלות נמוכה וזיהום סביבתי נמוך, אשר לא ישפיע על התכונות הפיזיקליות והכימיות של הקאולין. זוהי שיטת טיהור והלבנה חדשה עם סיכויי פיתוח למינרלים של קאולין.
תַקצִיר
טיפול הסרת הברזל וההלבנה של קאולין צריך לבחור את השיטה הטובה ביותר על פי סיבות צבע שונות ויעדי יישום שונים, לשפר את ביצועי הלובן המקיפים של מינרלים קאולין, ולהפוך אותו לבעל ערך שימוש גבוה וערך כלכלי. מגמת הפיתוח העתידית צריכה להיות שילוב המאפיינים של השיטה הכימית, השיטה הפיזיקלית והשיטה המיקרוביולוגית בצורה אורגנית, כדי לתת משחק מלא ליתרונותיהם ולרסן את החסרונות והחסרונות שלהם, כדי להשיג אפקט הלבנה טוב יותר. יחד עם זאת, יש צורך גם להמשיך ולחקור את המנגנון החדש של שיטות שונות להסרת זיהומים ולשפר את התהליך כדי לגרום לפינוי הברזל והלבנת הקאולין להתפתח לכיוון של ירוק, יעיל ודל פחמן.
זמן פרסום: מרץ-02-2023