קאולין, בעל תכונות פיזיקליות וכימיות מיוחדות, הוא משאב מינרלי לא מתכתי חיוני בקרמיקה, ייצור נייר, גומי, פלסטיק, חומרים חסיני אש, זיקוק נפט ותחומי טכנולוגיה מתקדמים אחרים בתעשייה, בחקלאות ובהגנה הלאומית. לובן הקאולין הוא מדד חשוב לערך היישום שלו.
גורמים המשפיעים על לובן הקאולין
קאולין הוא סוג של חרסית או סלע חרסית עדין-גרגירי המורכב בעיקר ממינרלי קאולין. הנוסחה הכימית הגבישית שלו היא 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. כמות קטנה של מינרלים שאינם חרסית הם קוורץ, פלדספר, מינרלי ברזל, טיטניום, אלומיניום הידרוקסיד ותחמוצות, חומר אורגני ועוד.
מבנה גבישי של קאולין
בהתאם למצב ולאופי הזיהומים בקאולין, ניתן לחלק את הזיהומים הגורמים לירידה בלובן הקאולין לשלוש קטגוריות: פחמן אורגני; יסודות פיגמנטיים, כגון Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn וכו'; מינרלים כהים, כגון ביוטיט, כלוריט וכו'. באופן כללי, תכולת V, Cr, Cu, Mn ויסודות אחרים בקאולין קטנה, ויש לה השפעה מועטה על הלובן. הרכב המינרלים ותכולת הברזל והטיטניום הם הגורמים העיקריים המשפיעים על לובן הקאולין. קיומם לא רק ישפיע על הלובן הטבעי של הקאולין, אלא גם על לובןו לאחר השריפה. בפרט, נוכחות תחמוצת ברזל משפיעה לרעה על צבע החימר ומפחיתה את בהירותו ועמידותו באש. וגם אם כמות התחמוצת, ההידרוקסיד והתחמוצת המימית של תחמוצת הברזל היא 0.4%, זה מספיק כדי לתת למשקע החימר צבע אדום עד צהוב. תחמוצות ברזל וההידרוקסידים הללו יכולים להיות המטיט (אדום), מגהמיט (אדום-חום), גתהיט (צהוב חום), לימוניט (כתום), תחמוצת ברזל מיובשת (אדום חום) וכו'. ניתן לומר כי הסרת זיהומי ברזל בקאולין ממלאת תפקיד חשוב ביותר בניצול טוב יותר של קאולין.
מצב התרחשות של יסוד ברזל
מצב ההימצאות של ברזל בקאולין הוא הגורם העיקרי הקובע את שיטת הסרת הברזל. מספר רב של מחקרים סבורים כי ברזל גבישי בצורת חלקיקים עדינים מעורבב בקאולין, בעוד שברזל אמורפי מצופה על פני השטח של חלקיקים עדינים של קאולין. כיום, מצב ההימצאות של ברזל בקאולין מחולק לשני סוגים בארץ ובחו"ל: האחד הוא בקאוליניט ובמינרלים נלווים (כגון נציץ, טיטניום דיאוקסיד ואיליט), הנקרא ברזל מבני; השני הוא בצורת מינרלי ברזל עצמאיים, הנקראים ברזל חופשי (כולל ברזל עילי, ברזל גבישי עדין וברזל אמורפי).
הברזל המוסר על ידי הסרת ברזל והלבנת קאולין הוא ברזל חופשי, הכולל בעיקר מגנטיט, המטיט, לימוניט, סידריט, פיריט, אילמניט, ג'ארוזיט ומינרלים אחרים; רוב הברזל קיים בצורת לימוניט קולואידי מפוזר מאוד, וכמות קטנה בצורת גתהיט והמטיט כדוריים, חדים ולא סדירים.
שיטת הסרת ברזל והלבנת קאולין
הפרדת מים
שיטה זו משמשת בעיקר להסרת מינרלים דטריטליים כגון קוורץ, פלדספאר ונציץ, וזיהומים גסים יותר כגון פסולת סלע, כמו גם כמה מינרלים של ברזל וטיטניום. מינרלים של טומאה בעלי צפיפות ומסיסות דומים לקאולין אינם ניתנים להסרה, ושיפור הלובן אינו ברור באופן יחסי, דבר המתאים להטמעה והלבנה של עפרת קאולין באיכות גבוהה יחסית.
הפרדה מגנטית
זיהומי ברזל בקאולין הם בדרך כלל חלשים במגנטיות. כיום, משתמשים בעיקר בשיטת הפרדה מגנטית חזקה בגרדיאנט גבוה, או שהמינרלים המגנטיים החלשים מומרים לתחמוצת ברזל מגנטית חזקה לאחר קלייה, ולאחר מכן מוסרים בשיטת הפרדה מגנטית רגילה.
מפריד מגנטי טבעתי אנכי עם שיפוע גבוה
מפריד מגנטי גבוה בדרגת גרדיאנט עבור תרחיף אלקטרומגנטי
מפריד מגנטי מוליך-על בטמפרטורה נמוכה
שיטת ציפה
שיטת הציפה יושמה לטיפול בקאולין ממשקעים ראשוניים ומשניים. בתהליך הציפה, מופרדים חלקיקי קאוליניט ומיקה, והמוצרים המטוהרים הם מספר חומרי גלם מתאימים ברמה תעשייתית. הפרדת הציפה הסלקטיבית של קאוליניט ושדה פצלת מתבצעת בדרך כלל בתרחיף עם pH מבוקר.
שיטת הצמצום
שיטת החיזור היא שימוש בחומר מחזר כדי להפחית את זיהומי הברזל (כגון המטיט ולימוניט) במצב התלת-ערכי של קאולין ליוני ברזל דו-ערכיים מסיסים, אשר מוסרים על ידי סינון ושטיפה. הסרת זיהומי Fe3+ מקאולין תעשייתי מושגת בדרך כלל על ידי שילוב של טכנולוגיה פיזיקלית (הפרדה מגנטית, פלוקולציה סלקטיבית) וטיפול כימי בתנאים חומציים או מחזרים.
נתרן הידרוסולפיט (Na2S2O4), הידוע גם בשם נתרן הידרוסולפיט, יעיל בהפחתת וחילוץ ברזל מקאולין, והוא משמש 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.
תיאוראה דיאוקסיד: (NH2) 2CSO2, TD) הוא חומר מחזר חזק, בעל יתרונות של יכולת מחזרת חזקה, ידידותיות לסביבה, קצב פירוק נמוך, בטיחות ועלות ייצור נמוכה בכמות אצווה. ניתן להפחית Fe3+ בלתי מסיס בקאולין ל-Fe2+ מסיס באמצעות TD.
לאחר מכן, ניתן להגביר את לובן הקאולין לאחר סינון ושטיפה. TD יציב מאוד בטמפרטורת החדר ובתנאים ניטרליים. יכולת החיזור החזקה של TD ניתנת להשגה רק בתנאים של בסיסיות חזקה (pH> 10) או חימום (T> 70°C), מה שמביא לעלות תפעול גבוהה וקושי.
שיטת חמצון
טיפול חמצון כולל שימוש באוזון, מי חמצן, אשלגן פרמנגנט ונתרן תת-כלורי כדי להסיר את שכבת הפחמן הספוחה ולשפר את הלובן. הקאולין באזור העמוק יותר מתחת לשכבת השכבה העבה יותר הוא אפור, והברזל בקאולין נמצא במצב מחזר. השתמש בחומרי חמצון חזקים כמו אוזון או נתרן תת-כלורי כדי לחמצן את FeS2 הבלתי מסיס בפיריט ל-Fe2+ מסיס, ולאחר מכן לשטוף כדי להסיר את Fe2+ מהמערכת.
שיטת שטיפה חומצית
שיטת השטיפה החומצית היא להפוך את זיהומי הברזל הבלתי מסיסים בקאולין לחומרים מסיסים בתמיסות חומציות (חומצה הידרוכלורית, חומצה גופרתית, חומצה אוקסלית וכו'), ובכך להשיג את ההפרדה מקאולין. בהשוואה לחומצות אורגניות אחרות, חומצה אוקסלית נחשבת למבטיחה ביותר בשל חוזקה החומצי, תכונת הקומפלקסציה הטובה שלה ויכולת החיזור הגבוהה שלה. בעזרת חומצה אוקסלית, ניתן לזרז את הברזל המומס מתמיסת השטיפה בצורת ברזל אוקסלט, וניתן לעבד אותו עוד יותר ליצירת המטיט טהור באמצעות קלצינציה. ניתן להשיג חומצה אוקסלית בזול מתהליכים תעשייתיים אחרים, ובשלב השריפה של ייצור הקרמיקה, כל אוקסלט שיורי בחומר המטופל יתפרק לפחמן דו-חמצני. חוקרים רבים חקרו את תוצאות המסת תחמוצת ברזל עם חומצה אוקסלית.
שיטת הקלצינציה בטמפרטורה גבוהה
קלצינציה היא תהליך לייצור מוצרי קאולין בדרגה מיוחדת. בהתאם לטמפרטורת הטיפול, מיוצרים שני סוגים שונים של קאולין קלצינציה. קלצינציה בטווח טמפרטורות של 650-700 מעלות צלזיוס מסירה את קבוצת ההידרוקסיל המבנית, ואדי המים הבורחים משפרים את האלסטיות והאטימות של הקאולין, שהיא תכונה אידיאלית ליישום ציפוי נייר. בנוסף, על ידי חימום קאולין בטמפרטורה של 1000-1050 מעלות צלזיוס, ניתן לא רק להגביר את יכולת השחיקה, אלא גם להשיג לובן של 92-95%.
כלורינציה קלצינציה
ברזל וטיטניום הוסרו ממינרלי חרס, ובמיוחד קאולין, באמצעות כלור, והושגו תוצאות טובות. בתהליך הכלור והקלצינציה, בטמפרטורה גבוהה (700 ℃ - 1000 ℃), קאוליניט עבר דה-הידרוקסילציה ליצירת מטא-קאוליניט, ובטמפרטורה גבוהה יותר נוצרות פאזות ספינל ומוליט. טרנספורמציות אלו מגבירות את ההידרופוביות, הקשיות וגודל החלקיקים באמצעות סינטור. המינרלים המטופלים בדרך זו יכולים לשמש בתעשיות רבות, כגון נייר, PVC, גומי, פלסטיק, דבקים, ליטוש ומשחת שיניים. ההידרופוביות הגבוהה יותר הופכת מינרלים אלה לתואמים יותר למערכות אורגניות.
שיטה מיקרוביולוגית
טכנולוגיית טיהור מיקרוביאלי של מינרלים היא נושא חדש יחסית לעיבוד מינרלים, הכולל טכנולוגיית שטיפה מיקרוביאלית וטכנולוגיית ציפה מיקרוביאלית. טכנולוגיית השטיפה המיקרוביאלית של מינרלים היא טכנולוגיית מיצוי המשתמשת באינטראקציה עמוקה בין מיקרואורגניזמים ומינרלים כדי להרוס את סריג הגביש של המינרלים ולהמיס את הרכיבים השימושיים. ניתן לטהר פיריט מחומצן ועפרות גופרית אחרות הכלולות בקאולין באמצעות טכנולוגיית מיצוי מיקרוביאלי. מיקרואורגניזמים נפוצים כוללים את Thiobacillus ferrooxidans וחיידקים מפחיתי Fe. לשיטה המיקרוביולוגית עלות נמוכה וזיהום סביבתי נמוך, שאינו משפיע על התכונות הפיזיקליות והכימיות של הקאולין. זוהי שיטת טיהור והלבנה חדשה עם סיכויי פיתוח עבור מינרלי קאולין.
תַקצִיר
טיפול להסרת ברזל והלבנת קאולין צריך לבחור את השיטה הטובה ביותר בהתאם לגורמים שונים לצבע ולמטרות יישום שונות, לשפר את ביצועי הלובן המקיפים של מינרלי קאולין, ולהפוך אותו לבעל ערך שימושי וערך כלכלי גבוהים. מגמת הפיתוח העתידית צריכה להיות שילוב אורגני של המאפיינים של השיטה הכימית, השיטה הפיזיקלית והשיטה המיקרוביולוגית, על מנת למקסם את יתרונותיהן ולצמצם את חסרונותיהן וחסרונותיהן, על מנת להשיג אפקט הלבנה טוב יותר. במקביל, יש צורך גם לחקור עוד את המנגנון החדש של שיטות הסרת זיהומים שונות ולשפר את התהליך כדי שהסרת ברזל והלבנת קאולין יתפתחו לכיוון ירוק, יעיל ודל פחמן.
זמן פרסום: 2 במרץ 2023