Kaolin je díky svým specifickým fyzikálním a chemickým vlastnostem nepostradatelným nekovovým minerálním zdrojem v keramice, výrobě papíru, pryži, plastech, žáruvzdorných materiálech, rafinaci ropy a dalších průmyslových, zemědělských a obranných technologiích. Bělost kaolinu je důležitým ukazatelem jeho aplikační hodnoty.
Faktory ovlivňující bělost kaolinu
Kaolin je druh jemnozrnného jílu nebo jílovité horniny složené převážně z kaolinitu. Jeho krystalový chemický vzorec je 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Malé množství nejílových minerálů zahrnuje křemen, živec, železné minerály, titan, hydroxid a oxidy hlinité, organické látky atd.
Krystalická struktura kaolinu
Podle stavu a povahy nečistot v kaolinu lze nečistoty, které způsobují snížení bělosti kaolinu, rozdělit do tří kategorií: organický uhlík; pigmentové prvky, jako je Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn atd.; tmavé minerály, jako je biotit, chloritan atd. Obsah V, Cr, Cu, Mn a dalších prvků v kaolinu je obecně malý, což má malý vliv na bělost. Minerální složení a obsah železa a titanu jsou hlavními faktory ovlivňujícími bělost kaolinu. Jejich přítomnost ovlivňuje nejen přirozenou bělost kaolinu, ale také jeho kalcinovanou bělost. Zejména přítomnost oxidu železa má negativní vliv na barvu jílu a snižuje jeho jas a odolnost proti ohni. A i když je množství oxidu, hydroxidu a hydratovaného oxidu železa 0,4 %, stačí k tomu, aby jílový sediment získal červené až žluté zbarvení. Tyto oxidy a hydroxidy železa mohou být hematit (červený), maghemit (červenohnědý), goethit (hnědožlutý), limonit (oranžový), hydratovaný oxid železa (hnědočervený) atd. Dá se říci, že odstranění železných nečistot v kaolinu hraje mimořádně důležitou roli pro lepší využití kaolinu.
Výskyt prvku železa
Výskyt železa v kaolinu je hlavním faktorem určujícím metodu odstraňování železa. Velké množství studií se domnívá, že krystalické železo ve formě jemných částic je v kaolinu smíseno, zatímco amorfní železo je potaženo na povrchu jemných částic kaolinu. V současné době se stav výskytu železa v kaolinu v tuzemsku i v zahraničí dělí na dva typy: jeden je v kaolinitu a pomocných minerálech (jako je slída, oxid titaničitý a illit), který se nazývá strukturní železo; druhý je ve formě nezávislých minerálů železa, nazývaných volné železo (včetně povrchového železa, jemnozrnného krystalického železa a amorfního železa).
Železo odstraněné odželezňováním a bělením kaolinu je volné železo, zejména magnetit, hematit, limonit, siderit, pyrit, ilmenit, jarosit a další minerály; většina železa existuje ve formě vysoce dispergovaného koloidního limonitu a malé množství ve formě kulovitého, jehličkovitého a nepravidelného goethitu a hematitu.
Metoda odstraňování železa a bělení kaolinu
Oddělování vody
Tato metoda se používá hlavně k odstranění detritických minerálů, jako je křemen, živec a slída, a hrubších nečistot, jako jsou horninové úlomky, a také některých minerálů železa a titanu. Nečistoty s podobnou hustotou a rozpustností jako kaolin nelze odstranit a zlepšení bělosti není relativně zřejmé, což je vhodné pro obohacování a bělení relativně kvalitní kaolinové rudy.
Magnetická separace
Nečistoty železa v kaolinu jsou obvykle slabé magnetické. V současné době se používá hlavně metoda silné magnetické separace s vysokým gradientem nebo se slabé magnetické minerály po pražení přeměňují na silný magnetický oxid železa a poté se odstraňují běžnou magnetickou separační metodou.
Vertikální prstencový magnetický separátor s vysokým gradientem
Vysoce gradientní magnetický separátor pro elektromagnetickou suspenzi
Nízkoteplotní supravodivý magnetický separátor
Flotační metoda
Flotační metoda se používá k úpravě kaolinu z primárních a sekundárních ložisek. Při flotačním procesu se oddělují částice kaolinitu a slídy a vyčištěné produkty představují několik vhodných průmyslových surovin. Selektivní flotační separace kaolinitu a živce se obvykle provádí v suspenzi s kontrolovaným pH.
Redukční metoda
Redukční metoda spočívá v použití redukčního činidla k redukci železných nečistot (jako je hematit a limonit) v trojmocném stavu kaolinu na rozpustné dvojmocné ionty železa, které se odstraňují filtrací a promytím. Odstranění nečistot Fe3+ z průmyslového kaolinu se obvykle dosahuje kombinací fyzikálních technologií (magnetická separace, selektivní flokulace) a chemického zpracování za kyselých nebo redukčních podmínek.
Hydrogensiřičitan sodný (Na2S2O4), také známý jako hydrogensiřičitan sodný, je účinný při redukci a vyluhování železa z kaolinu a v současné době se používá v kaolinovém průmyslu. Tato metoda se však musí provádět za silně kyselých podmínek (pH < 3), což má za následek vysoké provozní náklady a dopad na životní prostředí. Chemické vlastnosti hydrogensiřičitanu sodného jsou navíc nestabilní, což vyžaduje speciální a drahé skladovací a přepravní opatření.
Thiomočovinový oxid: (NH2)2CSO2, TD) je silné redukční činidlo, které má výhody vysoké redukční schopnosti, šetrnosti k životnímu prostředí, nízké rychlosti rozkladu, bezpečnosti a nízkých nákladů na dávkovou výrobu. Nerozpustné Fe3+ v kaolinu lze redukovat na rozpustné Fe2+ pomocí TD.
Následně lze po filtraci a promytí zvýšit bělost kaolinu. TD je velmi stabilní při pokojové teplotě a neutrálních podmínkách. Silné redukční schopnosti TD lze dosáhnout pouze za podmínek silné alkality (pH > 10) nebo zahřívání (T > 70 °C), což má za následek vysoké provozní náklady a obtíže.
Oxidační metoda
Oxidační úprava zahrnuje použití ozonu, peroxidu vodíku, manganistanu draselného a chlornanu sodného k odstranění adsorbované uhlíkové vrstvy a zlepšení bělosti. Kaolin v hlubších vrstvách pod silnější nadloží je šedý a železo v kaolinu je v redukčním stavu. K oxidaci nerozpustného FeS2 v pyritu na rozpustné Fe2+ se používají silná oxidační činidla, jako je ozon nebo chlornan sodný, a následné promytí k odstranění Fe2+ ze systému.
Metoda kyselého loužení
Metoda kyselého loužení spočívá v přeměně nerozpustných železných nečistot v kaolinu na rozpustné látky v kyselých roztocích (kyselina chlorovodíková, kyselina sírová, kyselina šťavelová atd.), čímž se dosáhne oddělení od kaolinu. Ve srovnání s jinými organickými kyselinami je kyselina šťavelová považována za nejslibnější díky své kyselé síle, dobrým komplexotvorným vlastnostem a vysoké redukční schopnosti. S kyselinou šťavelovou lze rozpuštěné železo vysrážet z loužicího roztoku ve formě oxalátu železnatého a dále jej zpracovat na čistý hematit kalcinací. Kyselinu šťavelovou lze levně získat z jiných průmyslových procesů a ve fázi vypalování při výrobě keramiky se veškerý zbytkový oxalát v upraveném materiálu rozloží na oxid uhličitý. Mnoho výzkumníků studovalo výsledky rozpouštění oxidu železa kyselinou šťavelovou.
Metoda kalcinace při vysoké teplotě
Kalcinace je proces výroby kaolinu speciální jakosti. Podle teploty zpracování se vyrábějí dva různé druhy kalcinovaného kaolinu. Kalcinace v teplotním rozmezí 650–700 °C odstraňuje strukturní hydroxylovou skupinu a unikající vodní pára zvyšuje elasticitu a neprůhlednost kaolinu, což je ideální vlastnost pro aplikaci na papír. Zahříváním kaolinu na 1000–1050 °C lze nejen zvýšit obrusnost, ale také dosáhnout 92–95% bělosti.
Chlorační kalcinace
Železo a titan byly z jílových minerálů, zejména kaolinu, odstraněny chlorací a byly dosaženy dobré výsledky. V procesu chlorace a kalcinace, při vysoké teplotě (700 °C - 1000 °C), kaolinit podléhá dehydroxylaci za vzniku metakaolinitu a při vyšší teplotě se tvoří fáze spinelu a mullitu. Tyto transformace zvyšují hydrofobicitu, tvrdost a velikost částic v důsledku slinování. Takto upravené minerály lze použít v mnoha průmyslových odvětvích, jako je papír, PVC, guma, plasty, lepidla, leštidla a zubní pasty. Vyšší hydrofobicita činí tyto minerály kompatibilnějšími s organickými systémy.
Mikrobiologická metoda
Mikrobiální technologie čištění minerálů je relativně novým tématem zpracování minerálů a zahrnuje mikrobiální loužení a mikrobiální flotaci. Mikrobiální loužení minerálů je extrakční technologie, která využívá hlubokou interakci mezi mikroorganismy a minerály k rozrušení krystalové mřížky minerálů a rozpuštění užitečných složek. Oxidovaný pyrit a další sulfidické rudy obsažené v kaolinu lze čistit mikrobiální extrakční technologií. Mezi běžně používané mikroorganismy patří Thiobacillus ferrooxidans a bakterie redukující železo. Mikrobiologická metoda má nízké náklady a nízké znečištění životního prostředí, což neovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti kaolinu. Jedná se o novou metodu čištění a bělení s perspektivou rozvoje kaolinových minerálů.
Shrnutí
Pro odstraňování železa a bělení kaolinu je třeba zvolit nejlepší metodu s ohledem na různé příčiny zbarvení a různé cíle použití, zlepšit komplexní bělost kaolinových minerálů a zajistit vysokou užitnou a ekonomickou hodnotu. Trendem budoucího vývoje by mělo být organické zkombinování vlastností chemických, fyzikálních a mikrobiologických metod, aby se plně využily jejich výhody a omezily jejich nevýhody a nedostatky, a dosáhlo se tak lepšího bělicího účinku. Zároveň je nutné dále studovat nové mechanismy různých metod odstraňování nečistot a zlepšit procesy, aby se odstraňování železa a bělení kaolinu rozvíjelo směrem k zelenému, efektivnímu a nízkouhlíkovému postupu.
Čas zveřejnění: 2. března 2023