Kaolien heeft bijzondere fysische en chemische eigenschappen en is daardoor een onmisbare niet-metallische minerale grondstof voor keramiek, papierproductie, rubber, kunststoffen, vuurvaste materialen, aardolieraffinage en andere geavanceerde technologieën in de industrie, landbouw en defensie. De witheid van kaolien is een belangrijke indicator voor de toepassingswaarde ervan.
Factoren die de witheid van kaolien beïnvloeden
Kaolien is een soort fijnkorrelige klei of kleisteen, hoofdzakelijk samengesteld uit kaolinietmineralen. De kristallijne chemische formule is 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Een kleine hoeveelheid niet-kleimineralen bestaat uit kwarts, veldspaat, ijzermineralen, titanium, aluminiumhydroxide en -oxiden, organisch materiaal, enz.
Kristallijne structuur van kaolien
Afhankelijk van de aard en de aanwezigheid van onzuiverheden in kaolien, kunnen de onzuiverheden die de witheid van kaolien verminderen, worden onderverdeeld in drie categorieën: organische koolstof; pigmentelementen, zoals Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn, enz.; en donkere mineralen, zoals biotiet, chloriet, enz. Over het algemeen is het gehalte aan V, Cr, Cu, Mn en andere elementen in kaolien laag, waardoor ze weinig invloed hebben op de witheid. De minerale samenstelling en het gehalte aan ijzer en titanium zijn de belangrijkste factoren die de witheid van kaolien beïnvloeden. Hun aanwezigheid beïnvloedt niet alleen de natuurlijke witheid van kaolien, maar ook de witheid na calcineren. Met name de aanwezigheid van ijzeroxide heeft een negatieve invloed op de kleur van de klei en vermindert de helderheid en vuurvastheid. Zelfs een hoeveelheid van slechts 0,4% ijzeroxide, -hydroxide en -gehydrateerd ijzeroxide is voldoende om het kleisediment een rode tot gele kleur te geven. Deze ijzeroxiden en -hydroxiden kunnen hematiet (rood), maghemiet (roodbruin), goethiet (bruingeel), limoniet (oranje), gehydrateerd ijzeroxide (bruinrood), enzovoort zijn. Het verwijderen van ijzerverontreinigingen in kaolien speelt een uiterst belangrijke rol bij een beter gebruik van kaolien.
Voorkomingstoestand van het element ijzer
De manier waarop ijzer in kaolien voorkomt, is de belangrijkste factor die de methode voor ijzerverwijdering bepaalt. Talrijke studies gaan ervan uit dat kristallijn ijzer in de vorm van fijne deeltjes in kaolien is gemengd, terwijl amorf ijzer zich op het oppervlak van deze fijne deeltjes bevindt. Momenteel wordt de manier waarop ijzer in kaolien voorkomt, zowel nationaal als internationaal, onderverdeeld in twee typen: het ene type is aanwezig in kaoliniet en accessoire mineralen (zoals mica, titaniumdioxide en illiet), wat structureel ijzer wordt genoemd; het andere type is aanwezig in de vorm van onafhankelijke ijzermineralen, wat vrij ijzer wordt genoemd (waaronder oppervlakte-ijzer, fijnkorrelig kristallijn ijzer en amorf ijzer).
Het ijzer dat vrijkomt bij het verwijderen en bleken van kaolien is vrij ijzer, voornamelijk bestaande uit magnetiet, hematiet, limoniet, sideriet, pyriet, ilmeniet, jarosiet en andere mineralen. Het meeste ijzer komt voor in de vorm van sterk verspreid colloïdaal limoniet, en een kleine hoeveelheid in de vorm van bolvormig, naaldvormig en onregelmatig goethiet en hematiet.
Methode voor ijzerverwijdering en het bleken van kaolien
Waterafscheiding
Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor het verwijderen van detritische mineralen zoals kwarts, veldspaat en mica, en grotere onzuiverheden zoals gesteentefragmenten, evenals sommige ijzer- en titaniummineralen. Onzuiverheden met een vergelijkbare dichtheid en oplosbaarheid als kaolien kunnen niet worden verwijderd en de verbetering van de witheid is relatief gering. De methode is geschikt voor de verwerking en het witten van relatief hoogwaardig kaolienerts.
Magnetische scheiding
IJzerhoudende mineraalverontreinigingen in kaolien zijn doorgaans zwak magnetisch. Momenteel wordt hiervoor voornamelijk de sterkmagnetische scheidingsmethode met hoge gradiënt gebruikt, of worden de zwakmagnetische mineralen na het roosteren omgezet in sterkmagnetisch ijzeroxide, dat vervolgens met een gewone magnetische scheidingsmethode wordt verwijderd.
Verticale ring magnetische scheider met hoge gradiënt
Magnetische scheider met hoge gradiënt voor elektromagnetische slurry
Supergeleidende magnetische scheider voor lage temperaturen
Flotatiemethode
De flotatiemethode wordt toegepast voor de verwerking van kaolien uit primaire en secundaire afzettingen. Tijdens het flotatieproces worden kaoliniet- en micadeeltjes gescheiden, en de gezuiverde producten zijn diverse geschikte grondstoffen van industriële kwaliteit. De selectieve flotatiescheiding van kaoliniet en veldspaat wordt doorgaans uitgevoerd in een slurry met een gecontroleerde pH-waarde.
Reductiemethode
De reductiemethode houdt in dat een reductiemiddel wordt gebruikt om de ijzerverontreinigingen (zoals hematiet en limoniet) in de driewaardige toestand van kaolien te reduceren tot oplosbare tweewaardige ijzerionen, die vervolgens door filtratie en wassen worden verwijderd. De verwijdering van Fe3+-verontreinigingen uit industriële kaolien wordt doorgaans bereikt door een combinatie van fysische technologie (magnetische scheiding, selectieve flocculatie) en chemische behandeling onder zure of reducerende omstandigheden.
Natriumhydrosulfiet (Na₂S₂O₄), ook bekend als natriumhydrosulfiet, is effectief in het reduceren en uitlogen van ijzer uit kaolien en wordt momenteel gebruikt in de kaolienindustrie. Deze methode moet echter worden uitgevoerd onder sterk zure omstandigheden (pH < 3), wat resulteert in hoge operationele kosten en een negatieve impact op het milieu. Bovendien zijn de chemische eigenschappen van natriumhydrosulfiet instabiel, waardoor speciale en kostbare opslag- en transportvoorzieningen nodig zijn.
Thioureumdioxide (NH₂)₂CSO₂ (TD) is een sterk reductiemiddel met als voordelen een sterk reducerend vermogen, milieuvriendelijkheid, een lage ontledingssnelheid, veiligheid en lage productiekosten. Onoplosbaar Fe³⁺ in kaolien kan door middel van TD worden gereduceerd tot oplosbaar Fe²⁺.
Vervolgens kan de witheid van kaolien worden verhoogd na filtratie en wassen. TD is zeer stabiel bij kamertemperatuur en neutrale omstandigheden. Het sterke reducerende vermogen van TD kan alleen worden verkregen onder sterk alkalische omstandigheden (pH > 10) of verhitting (T > 70 °C), wat resulteert in hoge operationele kosten en moeilijkheden.
Oxidatiemethode
Oxidatiebehandeling omvat het gebruik van ozon, waterstofperoxide, kaliumpermanganaat en natriumhypochloriet om de geadsorbeerde koolstoflaag te verwijderen en de witheid te verbeteren. De kaolien in de diepere lagen onder de dikkere bovengrond is grijs en het ijzer in de kaolien bevindt zich in een reducerende toestand. Sterke oxidatiemiddelen zoals ozon of natriumhypochloriet worden gebruikt om onoplosbaar FeS2 in pyriet te oxideren tot oplosbaar Fe2+, waarna het Fe2+ uit het systeem wordt verwijderd door te wassen.
Zuurloogmethode
De zure uitlogingsmethode zet de onoplosbare ijzerverontreinigingen in kaolien om in oplosbare stoffen in zure oplossingen (zoutzuur, zwavelzuur, oxaalzuur, enz.), waardoor ze van kaolien kunnen worden gescheiden. Vergeleken met andere organische zuren wordt oxaalzuur als het meest veelbelovend beschouwd vanwege zijn zuursterkte, goede complexeringseigenschappen en hoge reducerende vermogen. Met oxaalzuur kan het opgeloste ijzer uit de uitlogingsoplossing neerslaan in de vorm van ferro-oxalaat, dat vervolgens door calcineren verder kan worden verwerkt tot zuiver hematiet. Oxaalzuur kan goedkoop worden verkregen uit andere industriële processen en tijdens het bakproces van keramiek wordt eventueel resterend oxalaat in het behandelde materiaal afgebroken tot kooldioxide. Veel onderzoekers hebben de resultaten van het oplossen van ijzeroxide met oxaalzuur bestudeerd.
Calcinatiemethode bij hoge temperatuur
Calcinatie is het proces voor de productie van kaolienproducten van speciale kwaliteit. Afhankelijk van de behandelingstemperatuur worden twee verschillende kwaliteiten gecalcineerde kaolien geproduceerd. Calcinatie bij een temperatuur tussen 650 en 700 °C verwijdert de structurele hydroxylgroep, en de ontsnappende waterdamp verbetert de elasticiteit en opaciteit van de kaolien, wat een ideale eigenschap is voor toepassingen in papiercoatings. Bovendien kan door verhitting van kaolien bij 1000-1050 °C niet alleen de slijtvastheid worden verhoogd, maar ook een witheid van 92-95% worden bereikt.
Chlorering calcinatie
IJzer en titanium werden door chlorering uit kleimineralen, met name kaolien, verwijderd, met goede resultaten. Tijdens het chlorerings- en calcinatieproces ondergaat kaoliniet bij hoge temperaturen (700 ℃ - 1000 ℃) een dehydroxylering tot metakaoliniet, en bij nog hogere temperaturen worden spinel- en mullietfasen gevormd. Deze transformaties verhogen de hydrofobiciteit, hardheid en deeltjesgrootte door sintering. De op deze manier behandelde mineralen kunnen in diverse industrieën worden gebruikt, zoals de papier-, pvc-, rubber-, kunststof-, lijm-, poets- en tandpasta-industrie. De hogere hydrofobiciteit maakt deze mineralen beter compatibel met organische systemen.
Microbiologische methode
Microbiële zuiveringstechnologie voor mineralen is een relatief nieuw vakgebied binnen de mineralenverwerking, waaronder microbiële uitlogingstechnologie en microbiële flotatietechnologie. Microbiële uitlogingstechnologie is een extractietechnologie die gebruikmaakt van de diepe interactie tussen micro-organismen en mineralen om het kristalrooster van mineralen te vernietigen en de nuttige componenten op te lossen. Geoxideerd pyriet en andere sulfide-ertsen in kaolien kunnen worden gezuiverd met behulp van microbiële extractietechnologie. Veelgebruikte micro-organismen zijn onder andere Thiobacillus ferrooxidans en ijzerreducerende bacteriën. De microbiologische methode is goedkoop en milieuvriendelijk en heeft geen invloed op de fysische en chemische eigenschappen van kaolien. Het is een nieuwe zuiverings- en witmakingsmethode met veelbelovende ontwikkelingsperspectieven voor kaolien.
Samenvatting
De behandeling van kaolien voor ijzerverwijdering en witmaking vereist dat de beste methode wordt gekozen op basis van de verschillende kleuroorzaken en toepassingsdoelen. Dit moet de algehele witheid van kaolien verbeteren en de gebruikswaarde en economische waarde ervan verhogen. De toekomstige ontwikkelingstrend zou moeten zijn om de kenmerken van chemische, fysische en microbiologische methoden organisch te combineren, zodat hun voordelen optimaal benut worden en hun nadelen en tekortkomingen beperkt blijven, om zo een beter witmakend effect te bereiken. Tegelijkertijd is het ook noodzakelijk om nieuwe mechanismen voor de verwijdering van onzuiverheden verder te onderzoeken en de processen te verbeteren, zodat de ijzerverwijdering en witmaking van kaolien zich verder ontwikkelt in de richting van een groene, efficiënte en koolstofarme aanpak.
Geplaatst op: 02-03-2023