Oma eriliste füüsikaliste ja keemiliste omadustega on kaoliin asendamatu mittemetalliline mineraalressurss keraamikas, paberitootmises, kummi, plasti, tulekindlate materjalide, nafta rafineerimise ja muudes tööstus-, põllumajandus- ja riigikaitse tipptehnoloogia valdkondades. Kaoliini valgesus on oluline näitaja selle rakendusväärtusest.
Kaoliini valgesust mõjutavad tegurid
Kaoliin on peeneteraline savi või savikivim, mis koosneb peamiselt kaoliniidist. Selle kristalliline keemiline valem on 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Väike kogus mitte-savi mineraale on kvarts, päevakivi, rauamaagid, titaan, alumiiniumhüdroksiid ja -oksiidid, orgaaniline aine jne.
Kaoliini kristalne struktuur
Kaoliinis sisalduvate lisandite oleku ja olemuse järgi saab kaoliini valgesust vähendavad lisandid jagada kolme kategooriasse: orgaaniline süsinik; pigmendielemendid, näiteks Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn jne; tumedad mineraalid, näiteks biotiit, kloriit jne. Üldiselt on kaoliinis V, Cr, Cu, Mn ja teiste elementide sisaldus väike, mis mõjutab valgesust vähe. Raua ja titaani mineraalne koostis ning sisaldus on peamised tegurid, mis mõjutavad kaoliini valgesust. Nende olemasolu mõjutab mitte ainult kaoliini loomulikku valgesust, vaid ka selle kaltsineeritud valgesust. Eelkõige mõjutab raudoksiidi olemasolu savi värvust negatiivselt ning vähendab selle heledust ja tulekindlust. Isegi kui raudoksiidi oksiidi, hüdroksiidi ja hüdreeritud oksiidi kogus on 0,4%, piisab sellest, et anda savisette punaseks kuni kollaseks värvuseks. Need raudoksiidid ja hüdroksiidid võivad olla hematiit (punane), maghemiit (punakaspruun), goetiit (pruunikaskollane), limoniit (oranž), hüdreeritud raudoksiid (pruunikaspunane) jne. Võib öelda, et raua lisandite eemaldamine kaoliinist mängib äärmiselt olulist rolli kaoliini paremas kasutamises.
Raua elemendi esinemisolek
Raua esinemisseisund kaoliinis on peamine tegur, mis määrab raua eemaldamise meetodi. Suur hulk uuringuid usub, et kaoliinis on peenete osakeste kujul kristalliline raud, samas kui amorfne raud on kaetud kaoliini peenosakeste pinnaga. Praegu jaguneb kaoliinis sisalduva raua esinemisseisund nii kodu- kui ka välismaal kahte tüüpi: üks on kaoliniidi ja abimineraalide (näiteks vilgukivi, titaandioksiidi ja illiiti) kujul, mida nimetatakse struktuurraudaks; teine on iseseisvate rauamineraalide kujul, mida nimetatakse vabaks rauaks (sealhulgas pinnaraud, peeneteraline kristalliline raud ja amorfne raud).
Kaoliinist raua eemaldamise ja valgendamise teel eemaldatav raud on vaba raud, mis sisaldab peamiselt magnetiiti, hematiiti, limoniiti, sideriiti, püriiti, ilmeniiti, jarosiiti ja muid mineraale; suurem osa rauast esineb väga hajutatud kolloidse limoniidi kujul ja väike kogus sfäärilise, nõelja ja ebakorrapärase götiidi ja hematiidi kujul.
Kaoliini raua eemaldamise ja valgendamise meetod
Vee eraldamine
Seda meetodit kasutatakse peamiselt detriitsete mineraalide, näiteks kvartsi, päevakivi ja vilgukivi, ning jämedamate lisandite, näiteks kivimijäätmete, samuti mõnede raua- ja titaanimineraalide eemaldamiseks. Kaoliiniga sarnase tiheduse ja lahustuvusega lisandite mineraale ei ole võimalik eemaldada ning valgesuse paranemine pole suhteliselt ilmne, mis sobib suhteliselt kvaliteetse kaoliinimaagi rikastamiseks ja valgendamiseks.
Magnetiline eraldamine
Kaoliinis sisalduvad raua mineraalsed lisandid on tavaliselt nõrga magnetväljaga. Praegu kasutatakse peamiselt kõrge gradiendiga tugeva magnetilise eraldusmeetodit või nõrga magnetvälja mineraalid muudetakse pärast röstimist tugevaks magnetiliseks raudoksiidiks ja seejärel eemaldatakse tavalise magnetilise eraldusmeetodi abil.
Vertikaalse rõngaga kõrge gradiendiga magnetiline separaator
Elektromagnetilise suspensiooni kõrge gradiendiga magnetseparaator
Madala temperatuuriga ülijuhtiv magnetiline separaator
Flotatsioonimeetod
Flotatsioonimeetodit on rakendatud kaoliini töötlemiseks primaarsetest ja sekundaarsetest ladestustest. Flotatsiooniprotsessi käigus eraldatakse kaoliniidi ja vilguosakesed ning puhastatud produktid on mitmed sobivad tööstusliku kvaliteediga toorained. Kaoliniidi ja päevakivi selektiivne flotatsiooniga eraldamine viiakse tavaliselt läbi kontrollitud pH-ga suspensioonis.
Redutseerimismeetod
Redutseerimismeetod seisneb kaoliini kolmevalentses olekus olevate raua lisandite (näiteks hematiidi ja limoniidi) redutseerimises redutseerija abil lahustuvateks kahevalentseteks rauaioonideks, mis eemaldatakse filtreerimise ja pesemise teel. Fe3+ lisandite eemaldamine tööstuslikust kaoliinist saavutatakse tavaliselt füüsikalise tehnoloogia (magnetiline eraldamine, selektiivne flokulatsioon) ja keemilise töötlemise kombineerimise teel happelistes või redutseerivates tingimustes.
Naatriumhüdrosulfit (Na2S2O4), tuntud ka kui naatriumhüdrosulfit, on efektiivne raua redutseerimisel ja leostamisel kaoliinist ning seda kasutatakse praegu kaoliinitööstuses. See meetod tuleb aga läbi viia tugevalt happelises keskkonnas (pH < 3), mis toob kaasa suured tegevuskulud ja keskkonnamõju. Lisaks on naatriumhüdrosulfiidi keemilised omadused ebastabiilsed, mis nõuab spetsiaalseid ja kulukaid ladustamis- ja transpordikorraldusi.
Tiouurea dioksiid: (NH2)2CSO2, TD) on tugev redutseerija, mille eelised on tugev redutseerimisvõime, keskkonnasõbralikkus, madal lagunemiskiirus, ohutus ja partiitootmise madal hind. Kaoliinis lahustumatut Fe3+ saab TD kaudu redutseerida lahustuvaks Fe2+-ks.
Seejärel saab kaoliini valgesust pärast filtreerimist ja pesemist suurendada. TD on toatemperatuuril ja neutraalsetes tingimustes väga stabiilne. TD tugev redutseerimisvõime saavutatakse ainult tugeva leeliselisuse (pH>10) või kuumutamise (T>70 °C) tingimustes, mille tulemuseks on suured töökulud ja raskused.
Oksüdeerimismeetod
Oksüdeerimistöötlus hõlmab osooni, vesinikperoksiidi, kaaliumpermanganaadi ja naatriumhüpokloriti kasutamist adsorbeerunud süsinikukihi eemaldamiseks ja valgesuse parandamiseks. Paksema kattekihi all sügavamal asuv kaoliin on hall ja kaoliinis olev raud on redutseerivas olekus. Püriidis lahustumatu FeS2 oksüdeerimiseks lahustuvaks Fe2+-ks kasutatakse tugevaid oksüdeerijaid, näiteks osooni või naatriumhüpokloriti, ning seejärel pestakse Fe2+ eemaldamiseks süsteemist.
Happe leostamise meetod
Happelise leostamise meetod seisneb kaoliinis sisalduvate lahustumatute raualisandite muundamises happelistes lahustes (vesinikkloriidhape, väävelhape, oksaalhape jne) lahustuvateks aineteks, realiseerides seeläbi eraldamise kaoliinist. Võrreldes teiste orgaaniliste hapetega peetakse oksaalhapet kõige lootustandvamaks oma happelise tugevuse, hea kompleksimoodustuse ja kõrge redutseerimisvõime tõttu. Oksaalhappe abil saab lahustunud raua leostuslahusest sadestada raudoksalaadi kujul ja seda saab edasi töödelda puhta hematiidi saamiseks kaltsineerimise teel. Oksaalhapet saab odavalt saada teistest tööstusprotsessidest ning keraamika tootmise põletamise etapis laguneb töödeldud materjalis olev jääkoksalaat süsinikdioksiidiks. Paljud teadlased on uurinud raudoksiidi lahustamise tulemusi oksaalhappega.
Kõrgtemperatuuril kaltsineerimise meetod
Kaltsineerimine on spetsiaalse kvaliteediga kaoliinitoodete valmistamise protsess. Sõltuvalt töötlemistemperatuurist saadakse kahte erinevat tüüpi kaltsineeritud kaoliini. Kaltsineerimisel temperatuurivahemikus 650–700 ℃ eemaldatakse struktuurne hüdroksüülrühm ja eralduv veeaur suurendab kaoliini elastsust ja läbipaistmatust, mis on ideaalne omadus paberi katmiseks. Lisaks saab kaoliini kuumutamisel temperatuuril 1000–1050 ℃ suurendada mitte ainult kulumiskindlust, vaid saavutada ka 92–95% valgesuse.
Kloorimise kaltsineerimine
Savimineraalidest, eriti kaoliinist, eemaldati kloorimise teel raud ja titaan ning saadi häid tulemusi. Kloorimise ja kaltsineerimise käigus kõrgel temperatuuril (700 ℃ - 1000 ℃) on kaoliniit dehüdroksüleerunud, moodustades metakaoliniidi, ning kõrgemal temperatuuril moodustuvad spinelli ja mulliidi faasid. Need muundumised suurendavad paagutamise teel osakeste hüdrofoobsust, kõvadust ja suurust. Sel viisil töödeldud mineraale saab kasutada paljudes tööstusharudes, näiteks paberi, PVC, kummi, plasti, liimide, poleerimise ja hambapasta tootmisel. Suurem hüdrofoobsus muudab need mineraalid orgaaniliste süsteemidega paremini ühilduvaks.
Mikrobioloogiline meetod
Mineraalide mikroobne puhastustehnoloogia on suhteliselt uus mineraalide töötlemise valdkond, mis hõlmab mikroobset leostustehnoloogiat ja mikroobset flotatsioonitehnoloogiat. Mineraalide mikroobne leostustehnoloogia on ekstraheerimistehnoloogia, mis kasutab mikroorganismide ja mineraalide vahelist sügavat interaktsiooni mineraalide kristallvõre hävitamiseks ja kasulike komponentide lahustamiseks. Kaoliinis sisalduvaid oksüdeeritud püriiti ja teisi sulfiidimaake saab puhastada mikroobse ekstraheerimistehnoloogia abil. Tavaliselt kasutatavate mikroorganismide hulka kuuluvad Thiobacillus ferrooxidans ja Fe-redutseerivad bakterid. Mikrobioloogilisel meetodil on madal hind ja väike keskkonnareostus, mis ei mõjuta kaoliini füüsikalisi ja keemilisi omadusi. See on uus puhastus- ja valgendusmeetod, millel on kaoliini mineraalide arendamiseks potentsiaali.
Kokkuvõte
Kaoliini raua eemaldamise ja valgendamise töötlemisel tuleb valida parim meetod vastavalt erinevatele värvipõhjustele ja erinevatele rakenduseesmärkidele, parandada kaoliini mineraalide terviklikku valgendusvõimet ning muuta see kõrge kasutusväärtuse ja majandusliku väärtusega. Tuleviku arengusuund peaks olema keemilise meetodi, füüsikalise meetodi ja mikrobioloogilise meetodi omaduste orgaaniline kombineerimine, et anda täielik eeliste väljaselgitamine ja piirata nende puudusi ja puudujääke, et saavutada parem valgendav efekt. Samal ajal on vaja edasi uurida ka erinevate lisandite eemaldamise meetodite uusi mehhanisme ja täiustada protsessi, et muuta kaoliini raua eemaldamine ja valgendamine roheliseks, tõhusaks ja madala süsinikusisaldusega protsessiks.
Postituse aeg: 02.03.2023