Kaolin je s posebnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi nepogrešljiv nemetalni mineralni vir v keramiki, proizvodnji papirja, gumi, plastiki, ognjevzdržnih materialih, rafiniranju nafte in drugih industrijskih, kmetijskih in obrambnih najsodobnejših tehnoloških področjih. Belina kaolina je pomemben pokazatelj njegove uporabne vrednosti.
Dejavniki, ki vplivajo na belino kaolina
Kaolin je vrsta drobnozrnate gline ali glinene kamnine, sestavljene predvsem iz mineralov kaolinita. Njegova kristalno-kemijska formula je 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Majhna količina neglinastih mineralov so kremen, glinenec, železovi minerali, titan, aluminijev hidroksid in oksidi, organske snovi itd.
Kristalna struktura kaolina
Glede na stanje in naravo nečistoč v kaolinu lahko nečistoče, ki povzročajo zmanjšanje beline kaolina, razdelimo v tri kategorije: organski ogljik; pigmentni elementi, kot so Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn itd.; temni minerali, kot so biotit, klorit itd. Na splošno je vsebnost V, Cr, Cu, Mn in drugih elementov v kaolinu majhna, kar le malo vpliva na belino. Mineralna sestava ter vsebnost železa in titana sta glavna dejavnika, ki vplivata na belino kaolina. Njihova prisotnost ne vpliva le na naravno belino kaolina, temveč tudi na njegovo kalcinirano belino. Zlasti prisotnost železovega oksida negativno vpliva na barvo gline in zmanjšuje njen lesk ter ognjevarnost. Tudi če je količina oksida, hidroksida in hidriranega železovega oksida 0,4 %, je dovolj, da se glinena usedlina obarva rdeče do rumeno. Ti železovi oksidi in hidroksidi so lahko hematit (rdeč), maghemit (rdečerjav), goetit (rjavkasto rumen), limonit (oranžen), hidriran železov oksid (rjavkasto rdeč) itd. Lahko rečemo, da ima odstranitev železovih nečistoč v kaolinu izjemno pomembno vlogo pri boljši uporabi kaolina.
Pojavno stanje železovega elementa
Stanje železa v kaolinu je glavni dejavnik, ki določa metodo odstranjevanja železa. Številne študije menijo, da je kristalno železo v obliki drobnih delcev pomešano s kaolinom, medtem ko je amorfno železo prevlečeno na površini drobnih delcev kaolina. Trenutno se stanje železa v kaolinu doma in v tujini deli na dve vrsti: eno je v kaolinitu in pomožnih mineralih (kot so sljuda, titanov dioksid in ilit), ki se imenuje strukturno železo; drugo pa je v obliki neodvisnih železovih mineralov, imenovanih prosto železo (vključno s površinskim železom, drobnozrnatim kristalnim železom in amorfnim železom).
Železo, ki se odstrani z odstranjevanjem železa in beljenjem kaolina, je prosto železo, ki vključuje predvsem magnetit, hematit, limonit, siderit, pirit, ilmenit, jarozit in druge minerale; večina železa obstaja v obliki visoko dispergiranega koloidnega limonita, majhna količina pa v obliki sferičnega, igličastega in nepravilnega goetita in hematita.
Metoda odstranjevanja železa in beljenja kaolina
Ločevanje vode
Ta metoda se uporablja predvsem za odstranjevanje detritičnih mineralov, kot so kremen, glinenec in sljuda, ter grobejših nečistoč, kot so kamninski ostanki, pa tudi nekaterih železovih in titanovih mineralov. Nečistočnih mineralov s podobno gostoto in topnostjo kot kaolin ni mogoče odstraniti, izboljšanje beline pa ni opazno, kar je primerno za bogatenje in beljenje relativno visokokakovostne kaolinske rude.
Magnetna ločitev
Nečistoče železovih mineralov v kaolinu so običajno šibko magnetne. Trenutno se v glavnem uporablja metoda ločevanja z visokim gradientom močnega magneta ali pa se šibko magnetni minerali po praženju pretvorijo v močan magnetni železov oksid, ki se nato odstrani z običajno metodo magnetnega ločevanja.
Vertikalni obročni visokogradientni magnetni separator
Visokogradientni magnetni separator za elektromagnetno gnojevko
Nizkotemperaturni superprevodni magnetni separator
Flotacijska metoda
Metoda flotacije se uporablja za obdelavo kaolina iz primarnih in sekundarnih nahajališč. Pri flotacijskem postopku se ločijo delci kaolinita in sljude, prečiščeni produkti pa so več primernih industrijskih surovin. Selektivno flotacijsko ločevanje kaolinita in glinenca se običajno izvaja v suspenziji z nadzorovanim pH.
Metoda redukcije
Redukcijska metoda je uporaba redukcijskega sredstva za redukcijo železovih nečistoč (kot sta hematit in limonit) v trivalentnem stanju kaolina v topne dvovalentne železove ione, ki se odstranijo s filtracijo in pranjem. Odstranjevanje nečistoč Fe3+ iz industrijskega kaolina se običajno doseže s kombinacijo fizikalne tehnologije (magnetna ločitev, selektivna flokulacija) in kemične obdelave v kislih ali redukcijskih pogojih.
Natrijev hidrosulfit (Na2S2O4), znan tudi kot natrijev hidrosulfit, je učinkovit pri redukciji in izluževanju železa iz kaolina in se trenutno uporablja v industriji kaolina. Vendar pa je treba to metodo izvajati v močno kislih pogojih (pH < 3), kar ima za posledico visoke obratovalne stroške in vpliv na okolje. Poleg tega so kemijske lastnosti natrijevega hidrosulfita nestabilne, kar zahteva posebne in drage ureditve skladiščenja in transporta.
Tiourea dioksid: (NH2) 2CSO2, TD) je močno redukcijsko sredstvo, katerega prednosti so močna redukcijska sposobnost, okolju prijaznost, nizka stopnja razgradnje, varnost in nizki stroški serijske proizvodnje. Netopni Fe3+ v kaolinu se lahko reducira v topni Fe2+ s pomočjo TD.
Po filtraciji in pranju se lahko belina kaolina poveča. TD je zelo stabilen pri sobni temperaturi in v nevtralnih pogojih. Močno redukcijsko sposobnost TD je mogoče doseči le v pogojih močne alkalnosti (pH > 10) ali segrevanja (T > 70 °C), kar ima za posledico visoke stroške in težave pri delovanju.
Oksidacijska metoda
Oksidacijska obdelava vključuje uporabo ozona, vodikovega peroksida, kalijevega permanganata in natrijevega hipoklorita za odstranitev adsorbirane ogljikove plasti in izboljšanje beline. Kaolin v globljem delu pod debelejšo plastjo nadložnega sloja je siv, železo v kaolinu pa je v redukcijskem stanju. Za oksidacijo netopnega FeS2 v piritu v topni Fe2+ uporabite močna oksidacijska sredstva, kot sta ozon ali natrijev hipoklorit, in nato sperite, da odstranite Fe2+ iz sistema.
Metoda izpiranja s kislino
Metoda kislinskega luženja je pretvorba netopnih železovih nečistoč v kaolinu v topne snovi v kislih raztopinah (klorovodikova kislina, žveplova kislina, oksalna kislina itd.), s čimer se doseže ločitev od kaolina. V primerjavi z drugimi organskimi kislinami velja oksalna kislina za najbolj obetavno zaradi svoje kislinske moči, dobrih kompleksnih lastnosti in visoke redukcijske sposobnosti. Z oksalno kislino se lahko raztopljeno železo obori iz lužilne raztopine v obliki železovega oksalata in se ga lahko nadalje predela v čisti hematit s kalcinacijo. Oksalno kislino je mogoče poceni dobiti iz drugih industrijskih procesov, v fazi žganja pri izdelavi keramike pa se morebitni preostali oksalat v obdelanem materialu razgradi v ogljikov dioksid. Številni raziskovalci so preučevali rezultate raztapljanja železovega oksida z oksalno kislino.
Metoda kalcinacije pri visoki temperaturi
Kalcinacija je postopek proizvodnje kaolina posebne kakovosti. Glede na temperaturo obdelave se proizvajata dve različni vrsti kalciniranega kaolina. Kalcinacija v temperaturnem območju 650–700 ℃ odstrani strukturno hidroksilno skupino, uhajajoča vodna para pa poveča elastičnost in motnost kaolina, kar je idealna lastnost za nanašanje premaza za papir. Poleg tega se s segrevanjem kaolina na 1000–1050 ℃ ne le poveča abrazivnost, temveč doseže tudi 92–95 % belino.
Kloriranje s kalcinacijo
Železo in titan sta bila s kloriranjem odstranjena iz glinenih mineralov, zlasti kaolina, in doseženi so bili dobri rezultati. Med kloriranjem in kalcinacijo je kaolinit pri visoki temperaturi (700 ℃ - 1000 ℃) dehidroksiliran v metakaolinit, pri višji temperaturi pa nastajata spinelna in mulitna faza. Te transformacije s sintranjem povečajo hidrofobnost, trdoto in velikost delcev. Tako obdelani minerali se lahko uporabljajo v številnih industrijah, kot so papir, PVC, guma, plastika, lepila, poliranje in zobna pasta. Zaradi večje hidrofobnosti so ti minerali bolj združljivi z organskimi sistemi.
Mikrobiološka metoda
Mikrobna tehnologija čiščenja mineralov je relativno nova tema predelave mineralov, vključno s tehnologijo mikrobnega izluževanja in tehnologijo mikrobne flotacije. Mikrobna tehnologija izluževanja mineralov je tehnologija ekstrakcije, ki uporablja globoko interakcijo med mikroorganizmi in minerali za uničenje kristalne mreže mineralov in raztapljanje uporabnih sestavin. Oksidirani pirit in druge sulfidne rude, ki jih vsebuje kaolin, se lahko očistijo z mikrobno tehnologijo ekstrakcije. Pogosto uporabljeni mikroorganizmi vključujejo Thiobacillus ferrooxidans in Fe-reducirajoče bakterije. Mikrobiološka metoda ima nizke stroške in nizko onesnaževanje okolja, kar ne vpliva na fizikalne in kemijske lastnosti kaolina. Gre za novo metodo čiščenja in beljenja z razvojnimi možnostmi za minerale kaolina.
Povzetek
Za odstranjevanje železa in beljenje kaolina je treba izbrati najboljšo metodo glede na različne vzroke barve in različne namene uporabe, izboljšati celovito belino kaolinskih mineralov ter zagotoviti visoko uporabno in ekonomsko vrednost. Trend prihodnjega razvoja bi moral biti organsko združevanje značilnosti kemičnih, fizikalnih in mikrobioloških metod, da bi v celoti izkoristili njihove prednosti in omejili njihove slabosti ter dosegli boljši učinek beljenja. Hkrati je treba nadalje preučiti nove mehanizme različnih metod odstranjevanja nečistoč in izboljšati postopek, da bi se odstranjevanje železa in beljenje kaolina razvijalo v smeri zelenega, učinkovitega in nizkoogljičnega odstranjevanja železa.
Čas objave: 2. marec 2023