کائولن با خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه، یک منبع معدنی غیرفلزی ضروری در سرامیک، کاغذسازی، لاستیک، پلاستیک، نسوزها، پالایش نفت و سایر زمینه‌های فناوری پیشرفته صنعتی و کشاورزی و دفاع ملی است. سفیدی کائولن شاخص مهمی از ارزش کاربردی آن است.
عوامل مؤثر بر سفیدی کائولن
کائولن نوعی خاک رس ریزدانه یا سنگ رسی است که عمدتاً از کانی‌های کائولینیت تشکیل شده است. فرمول شیمیایی بلوری آن 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O است. مقدار کمی از کانی‌های غیر رسی آن عبارتند از کوارتز، فلدسپات، کانی‌های آهن، تیتانیوم، هیدروکسید و اکسیدهای آلومینیوم، مواد آلی و غیره.
ساختار بلوری کائولن
با توجه به وضعیت و ماهیت ناخالصی‌های موجود در کائولن، ناخالصی‌هایی که باعث کاهش سفیدی کائولن می‌شوند را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: کربن آلی؛ عناصر رنگدانه‌ای مانند Fe، Ti، V، Cr، Cu، Mn و غیره؛ کانی‌های تیره مانند بیوتیت، کلریت و غیره. به طور کلی، مقدار V، Cr، Cu، Mn و سایر عناصر در کائولن کم است که تأثیر کمی بر سفیدی دارد. ترکیب معدنی و مقدار آهن و تیتانیوم از عوامل اصلی مؤثر بر سفیدی کائولن هستند. وجود آنها نه تنها بر سفیدی طبیعی کائولن تأثیر می‌گذارد، بلکه بر سفیدی کلسینه شده آن نیز تأثیر می‌گذارد. به طور خاص، وجود اکسید آهن تأثیر منفی بر رنگ خاک رس دارد و درخشندگی و مقاومت آن در برابر آتش را کاهش می‌دهد. و حتی اگر مقدار اکسید، هیدروکسید و اکسید هیدراته اکسید آهن 0.4٪ باشد، برای ایجاد رنگ قرمز تا زرد در رسوب رس کافی است. این اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن می‌توانند هماتیت (قرمز)، ماگمیت (قرمز-قهوه‌ای)، گوتیت (زرد مایل به قهوه‌ای)، لیمونیت (نارنجی)، اکسید آهن هیدراته (قرمز مایل به قهوه‌ای) و غیره باشند. می‌توان گفت که حذف ناخالصی‌های آهن در کائولن نقش فوق‌العاده مهمی در استفاده بهتر از کائولن دارد.
وضعیت پیدایش عنصر آهن
میزان وجود آهن در کائولن عامل اصلی تعیین کننده روش حذف آهن است. تعداد زیادی از مطالعات معتقدند که آهن کریستالی به شکل ذرات ریز در کائولن مخلوط شده است، در حالی که آهن آمورف روی سطح ذرات ریز کائولن پوشش داده شده است. در حال حاضر، میزان وجود آهن در کائولن در داخل و خارج از کشور به دو نوع تقسیم می‌شود: یکی در کائولینیت و کانی‌های فرعی (مانند میکا، دی اکسید تیتانیوم و ایلیت) که آهن ساختاری نامیده می‌شود. دیگری به شکل کانی‌های آهن مستقل است که آهن آزاد نامیده می‌شود (شامل آهن سطحی، آهن کریستالی ریزدانه و آهن آمورف).
آهن حذف شده توسط حذف آهن و سفید کردن کائولن، آهن آزاد است که عمدتاً شامل مگنتیت، هماتیت، لیمونیت، سیدریت، پیریت، ایلمنیت، جاروسیت و سایر مواد معدنی است؛ بیشتر آهن به شکل لیمونیت کلوئیدی بسیار پراکنده و مقدار کمی به شکل گوتیت و هماتیت کروی، سوزنی و نامنظم وجود دارد.
روش حذف آهن و سفید کردن کائولن
جداسازی آب
این روش عمدتاً برای حذف کانی‌های آواری مانند کوارتز، فلدسپات و میکا و ناخالصی‌های درشت‌تر مانند خرده سنگ‌ها و همچنین برخی از کانی‌های آهن و تیتانیوم استفاده می‌شود. کانی‌های ناخالصی با چگالی و حلالیت مشابه کائولن قابل حذف نیستند و بهبود سفیدی نسبتاً مشهود نیست، که برای غنی‌سازی و سفید کردن سنگ معدن کائولن با کیفیت نسبتاً بالا مناسب است.
جداسازی مغناطیسی
ناخالصی‌های معدنی آهن در کائولن معمولاً مغناطیسی ضعیفی دارند. در حال حاضر، روش جداسازی مغناطیسی قوی با گرادیان بالا عمدتاً استفاده می‌شود، یا اینکه مواد معدنی مغناطیسی ضعیف پس از برشته شدن به اکسید آهن مغناطیسی قوی تبدیل می‌شوند و سپس با روش جداسازی مغناطیسی معمولی حذف می‌شوند.
جداکننده مغناطیسی با گرادیان بالا حلقه عمودی
جداکننده مغناطیسی با گرادیان بالا برای دوغاب الکترومغناطیسی
جداکننده مغناطیسی ابررسانا در دمای پایین
روش شناورسازی
روش فلوتاسیون برای تصفیه کائولن از رسوبات اولیه و ثانویه به کار گرفته شده است. در فرآیند فلوتاسیون، ذرات کائولینیت و میکا از هم جدا می‌شوند و محصولات خالص شده چندین ماده اولیه مناسب با درجه صنعتی هستند. جداسازی انتخابی فلوتاسیون کائولینیت و فلدسپار معمولاً در دوغاب با pH کنترل شده انجام می‌شود.
روش کاهش
روش کاهش، استفاده از یک عامل کاهش‌دهنده برای کاهش ناخالصی‌های آهن (مانند هماتیت و لیمونیت) در حالت سه ظرفیتی کائولن به یون‌های آهن دو ظرفیتی محلول است که با فیلتراسیون و شستشو حذف می‌شوند. حذف ناخالصی‌های Fe3+ از کائولن صنعتی معمولاً با ترکیب فناوری فیزیکی (جداسازی مغناطیسی، لخته‌سازی انتخابی) و تصفیه شیمیایی در شرایط اسیدی یا کاهشی انجام می‌شود.
هیدروسولفیت سدیم (Na2S2O4)، که با نام هیدروسولفیت سدیم نیز شناخته می‌شود، در کاهش و استخراج آهن از کائولن مؤثر است و در حال حاضر در صنعت کائولن مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این روش باید تحت شرایط اسیدی قوی (pH <3) انجام شود که منجر به هزینه‌های عملیاتی بالا و اثرات زیست‌محیطی می‌شود. علاوه بر این، خواص شیمیایی هیدروسولفیت سدیم ناپایدار است و نیاز به تمهیدات ذخیره‌سازی و حمل و نقل ویژه و گران‌قیمت دارد.
دی اکسید تیواوره: (NH2)2CSO2, TD) یک عامل کاهنده قوی است که مزایای آن عبارتند از: توانایی کاهندگی قوی، سازگاری با محیط زیست، سرعت تجزیه پایین، ایمنی و هزینه پایین تولید دسته‌ای. Fe3+ نامحلول در کائولن را می‌توان از طریق TD به Fe2+ محلول کاهش داد.
متعاقباً، سفیدی کائولن پس از فیلتراسیون و شستشو می‌تواند افزایش یابد. TD در دمای اتاق و شرایط خنثی بسیار پایدار است. قابلیت احیای قوی TD فقط در شرایط قلیاییت قوی (pH>10) یا گرمایش (T>70 درجه سانتیگراد) قابل دستیابی است که منجر به هزینه و دشواری بالای عملیات می‌شود.
روش اکسیداسیون
عملیات اکسیداسیون شامل استفاده از ازن، پراکسید هیدروژن، پرمنگنات پتاسیم و هیپوکلریت سدیم برای حذف لایه کربن جذب شده و بهبود سفیدی است. کائولن در قسمت عمیق‌تر زیر لایه ضخیم‌تر، خاکستری است و آهن موجود در کائولن در حالت احیا قرار دارد. از عوامل اکسیدکننده قوی مانند ازن یا هیپوکلریت سدیم برای اکسیداسیون FeS2 نامحلول در پیریت به Fe2+ محلول استفاده کنید و سپس برای حذف Fe2+ از سیستم، آن را بشویید.
روش لیچینگ اسیدی
روش لیچینگ اسیدی، تبدیل ناخالصی‌های آهن نامحلول در کائولن به مواد محلول در محلول‌های اسیدی (اسید هیدروکلریک، اسید سولفوریک، اسید اگزالیک و غیره) است و بدین ترتیب جداسازی از کائولن محقق می‌شود. در مقایسه با سایر اسیدهای آلی، اسید اگزالیک به دلیل قدرت اسیدی، خاصیت کمپلکس‌سازی خوب و قابلیت احیاکنندگی بالا، امیدوارکننده‌ترین روش در نظر گرفته می‌شود. با اسید اگزالیک، آهن محلول را می‌توان از محلول لیچینگ به شکل اگزالات آهن رسوب داد و می‌توان آن را بیشتر فرآوری کرد تا از طریق کلسیناسیون، هماتیت خالص تشکیل شود. اسید اگزالیک را می‌توان با قیمت ارزان از سایر فرآیندهای صنعتی به دست آورد و در مرحله پخت سرامیک، هرگونه اگزالات باقیمانده در ماده فرآوری شده به دی اکسید کربن تجزیه می‌شود. بسیاری از محققان نتایج حل کردن اکسید آهن با اسید اگزالیک را مطالعه کرده‌اند.
روش کلسیناسیون در دمای بالا
کلسیناسیون فرآیند تولید محصولات کائولن با درجه ویژه است. بر اساس دمای عملیات، دو درجه مختلف از کائولن کلسینه شده تولید می‌شود. کلسیناسیون در محدوده دمایی 650-700 درجه سانتیگراد، گروه هیدروکسیل ساختاری را حذف می‌کند و بخار آب خارج شده، خاصیت ارتجاعی و کدری کائولن را افزایش می‌دهد که یک ویژگی ایده‌آل برای کاربرد پوشش کاغذ است. علاوه بر این، با گرم کردن کائولن در دمای 1000-1050 درجه سانتیگراد، نه تنها می‌توان سایش‌پذیری را افزایش داد، بلکه می‌توان به سفیدی 92-95٪ نیز دست یافت.
کلسیناسیون کلرزنی
آهن و تیتانیوم از کانی‌های رسی، به ویژه کائولن، با کلرزنی حذف شدند و نتایج خوبی حاصل شد. در فرآیند کلرزنی و کلسیناسیون، در دمای بالا (700 تا 1000 درجه سانتیگراد)، کائولینیت دچار دهیدروکسیلاسیون شده و متاکائولینیت تشکیل می‌دهد و در دمای بالاتر، فازهای اسپینل و مولایت تشکیل می‌شوند. این تبدیلات از طریق تفجوشی، آبگریزی، سختی و اندازه ذرات را افزایش می‌دهند. کانی‌هایی که به این روش فرآوری می‌شوند، می‌توانند در بسیاری از صنایع مانند کاغذ، PVC، لاستیک، پلاستیک، چسب، پولیش و خمیر دندان استفاده شوند. آبگریزی بالاتر، این کانی‌ها را با سیستم‌های آلی سازگارتر می‌کند.
روش میکروبیولوژیکی
فناوری تصفیه میکروبی مواد معدنی، یک موضوع نسبتاً جدید در فرآوری مواد معدنی است که شامل فناوری لیچینگ میکروبی و فناوری شناورسازی میکروبی می‌شود. فناوری لیچینگ میکروبی مواد معدنی، یک فناوری استخراج است که از تعامل عمیق بین میکروارگانیسم‌ها و مواد معدنی برای از بین بردن شبکه کریستالی مواد معدنی و حل کردن اجزای مفید آنها استفاده می‌کند. پیریت اکسید شده و سایر سنگ‌های سولفیدی موجود در کائولن را می‌توان با فناوری استخراج میکروبی تصفیه کرد. میکروارگانیسم‌های رایج مورد استفاده شامل تیوباسیلوس فرواکسیدانس و باکتری‌های کاهنده آهن هستند. روش میکروبیولوژیکی هزینه کم و آلودگی زیست‌محیطی کمی دارد که بر خواص فیزیکی و شیمیایی کائولن تأثیر نمی‌گذارد. این یک روش تصفیه و سفیدسازی جدید با چشم‌انداز توسعه برای مواد معدنی کائولن است.
خلاصه
برای حذف آهن و سفید کردن کائولن، باید بهترین روش را با توجه به علل مختلف رنگ و اهداف کاربردی مختلف انتخاب کرد، عملکرد سفیدی جامع کانی‌های کائولن را بهبود بخشید و ارزش مصرفی و اقتصادی بالایی برای آن ایجاد کرد. روند توسعه آینده باید به گونه‌ای باشد که ویژگی‌های روش شیمیایی، روش فیزیکی و روش میکروبیولوژیکی به صورت ارگانیک ترکیب شوند تا مزایای آنها به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد و معایب و کاستی‌های آنها محدود شود تا اثر سفیدکنندگی بهتری حاصل شود. در عین حال، لازم است مکانیسم جدید روش‌های مختلف حذف ناخالصی بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد و فرآیند بهبود یابد تا حذف آهن و سفید کردن کائولن در جهت سبز، کارآمد و کم کربن توسعه یابد.
زمان ارسال: مارس-02-2023