Với những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, cao lanh là nguồn tài nguyên khoáng sản phi kim loại không thể thiếu trong gốm sứ, sản xuất giấy, cao su, nhựa, vật liệu chịu lửa, lọc dầu và các lĩnh vực công nghệ tiên tiến công nghiệp, nông nghiệp và quốc phòng khác. Độ trắng của cao lanh là một chỉ số quan trọng về giá trị ứng dụng của nó.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ trắng của cao lanh
Cao lanh là một loại đất sét hạt mịn hoặc đá sét có thành phần chủ yếu là khoáng chất kaolinit. Công thức hóa học tinh thể của nó là 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Một lượng nhỏ khoáng chất không phải đất sét là thạch anh, fenspat, khoáng sắt, titan, nhôm hydroxit và oxit, chất hữu cơ, v.v..
Cấu trúc tinh thể của cao lanh
Theo trạng thái và tính chất của tạp chất trong cao lanh, các tạp chất làm giảm độ trắng của cao lanh có thể chia thành 3 loại: cacbon hữu cơ; Các nguyên tố sắc tố như Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn, v.v; Các khoáng chất tối như biotit, clorit, v.v. Nhìn chung, hàm lượng V, Cr, Cu, Mn và các nguyên tố khác trong cao lanh nhỏ, ít ảnh hưởng đến độ trắng. Thành phần khoáng chất và hàm lượng sắt, titan là những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ trắng của cao lanh. Sự tồn tại của chúng không chỉ ảnh hưởng đến độ trắng tự nhiên của cao lanh mà còn ảnh hưởng đến độ trắng nung của nó. Đặc biệt, sự hiện diện của oxit sắt có tác động tiêu cực đến màu sắc của đất sét và làm giảm độ sáng cũng như khả năng chống cháy của nó. Và ngay cả khi lượng oxit, hydroxit và oxit ngậm nước của oxit sắt là 0,4% cũng đủ để làm cho trầm tích đất sét có màu từ đỏ đến vàng. Các oxit và hydroxit sắt này có thể là hematit (đỏ), maghemite (nâu đỏ), goethite (vàng nâu), limonit (cam), oxit sắt ngậm nước (đỏ nâu), v.v. Có thể nói là loại bỏ tạp chất sắt trong cao lanh đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc sử dụng cao lanh tốt hơn.
Trạng thái xuất hiện của nguyên tố sắt
Trạng thái xuất hiện của sắt trong cao lanh là yếu tố chính quyết định phương pháp loại bỏ sắt. Nhiều nghiên cứu cho rằng sắt kết tinh ở dạng hạt mịn được trộn trong cao lanh, trong khi sắt vô định hình được phủ lên bề mặt các hạt cao lanh mịn. Hiện nay, trạng thái xuất hiện của sắt trong cao lanh được chia thành hai loại trong và ngoài nước: một là ở kaolinit và các khoáng chất phụ kiện (như mica, titan dioxide và illit), gọi là sắt cấu trúc; Loại còn lại ở dạng khoáng chất sắt độc lập, gọi là sắt tự do (bao gồm sắt bề mặt, sắt tinh thể hạt mịn và sắt vô định hình).
Sắt được loại bỏ bằng cách loại bỏ sắt và làm trắng cao lanh là sắt tự do, chủ yếu bao gồm magnetit, hematit, limonit, siderit, pyrit, ilmenit, jarosit và các khoáng chất khác; Hầu hết sắt tồn tại ở dạng limonit keo có độ phân tán cao và một lượng nhỏ ở dạng goethite và hematit hình cầu, hình kim và không đều.
Phương pháp loại bỏ sắt và làm trắng cao lanh
Tách nước
Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các khoáng chất có hại như thạch anh, fenspat và mica, và các tạp chất thô hơn như mảnh vụn đá, cũng như một số khoáng chất sắt và titan. Không thể loại bỏ các khoáng chất tạp chất có mật độ và độ hòa tan tương tự như cao lanh, và sự cải thiện độ trắng tương đối không rõ ràng, phù hợp cho việc làm giàu và làm trắng quặng cao lanh chất lượng tương đối cao.
Tách từ
Tạp chất khoáng sắt trong cao lanh thường có từ tính yếu. Hiện nay, phương pháp tách từ tính mạnh có độ dốc cao chủ yếu được sử dụng hoặc các khoáng chất có từ tính yếu được chuyển thành oxit sắt từ tính mạnh sau khi rang, sau đó được loại bỏ bằng phương pháp tách từ tính thông thường.
Dải phân cách từ tính độ dốc cao vòng dọc
Máy tách từ tính có độ dốc cao cho bùn điện từ
Máy tách từ tính siêu dẫn nhiệt độ thấp
Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi đã được áp dụng để xử lý cao lanh từ trầm tích sơ cấp và thứ cấp. Trong quá trình tuyển nổi, các hạt kaolinite và mica được tách ra và các sản phẩm tinh khiết là một số nguyên liệu thô cấp công nghiệp phù hợp. Việc tách tuyển nổi chọn lọc kaolinit và fenspat thường được thực hiện trong bùn với độ pH được kiểm soát.
Phương pháp giảm
Phương pháp khử là sử dụng chất khử để khử các tạp chất sắt (như hematit và limonit) ở trạng thái hóa trị ba của cao lanh thành các ion sắt hóa trị hai hòa tan, được loại bỏ bằng cách lọc và rửa. Việc loại bỏ tạp chất Fe3+ khỏi cao lanh công nghiệp thường đạt được bằng cách kết hợp công nghệ vật lý (tách từ, keo tụ chọn lọc) và xử lý hóa học trong điều kiện axit hoặc khử.
Natri hydrosulfite (Na2S2O4), còn được gọi là natri hydrosulfite, có tác dụng khử và lọc sắt từ cao lanh, hiện được sử dụng trong công nghiệp cao lanh. Tuy nhiên, phương pháp này phải thực hiện trong điều kiện axit mạnh (pH<3) dẫn đến chi phí vận hành cao và ảnh hưởng đến môi trường. Ngoài ra, tính chất hóa học của natri hydrosulfite không ổn định, đòi hỏi phải bố trí vận chuyển và lưu trữ đặc biệt và tốn kém.
Thiourea dioxide: (NH2) 2CSO2, TD) là chất khử mạnh, có ưu điểm là khả năng khử mạnh, thân thiện với môi trường, tốc độ phân hủy thấp, an toàn và chi phí sản xuất hàng loạt thấp. Fe3+ không hòa tan trong cao lanh có thể bị khử thành Fe2+ hòa tan thông qua TD.
Sau đó, độ trắng của cao lanh có thể tăng lên sau khi lọc và rửa. TD rất ổn định ở nhiệt độ phòng và điều kiện trung tính. Khả năng khử mạnh của TD chỉ có thể đạt được trong điều kiện độ kiềm mạnh (pH>10) hoặc gia nhiệt (T>70 ° C), dẫn đến chi phí vận hành cao và khó khăn.
Phương pháp oxy hóa
Xử lý oxy hóa bao gồm việc sử dụng ozone, hydro peroxide, kali permanganat và natri hypochlorite để loại bỏ lớp carbon hấp phụ nhằm cải thiện độ trắng. Cao lanh ở nơi sâu hơn dưới lớp phủ dày hơn có màu xám, sắt trong cao lanh ở trạng thái khử. Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như ozon hoặc natri hypoclorit để oxy hóa FeS2 không hòa tan trong pyrit thành Fe2+ hòa tan, sau đó rửa để loại bỏ Fe2+ khỏi hệ thống.
Phương pháp lọc axit
Phương pháp lọc axit là chuyển các tạp chất sắt không hòa tan trong cao lanh thành các chất hòa tan trong dung dịch axit (axit clohydric, axit sulfuric, axit oxalic, v.v.), từ đó thực hiện việc tách khỏi cao lanh. So với các axit hữu cơ khác, axit oxalic được coi là có triển vọng nhất vì độ bền axit, tính chất tạo phức tốt và khả năng khử cao. Với axit oxalic, sắt hòa tan có thể được kết tủa từ dung dịch lọc dưới dạng sắt oxalat và có thể được xử lý thêm để tạo thành hematit tinh khiết thông qua quá trình nung. Axit oxalic có thể thu được với giá rẻ từ các quy trình công nghiệp khác và trong giai đoạn nung sản xuất gốm sứ, bất kỳ oxalate còn sót lại nào trong vật liệu đã qua xử lý sẽ bị phân hủy thành carbon dioxide. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu kết quả hòa tan oxit sắt bằng axit oxalic.
Phương pháp nung ở nhiệt độ cao
Nung là quá trình sản xuất các sản phẩm cao lanh loại đặc biệt. Theo nhiệt độ xử lý, hai loại cao lanh nung khác nhau được tạo ra. Quá trình nung ở nhiệt độ 650-700oC sẽ loại bỏ nhóm hydroxyl cấu trúc và hơi nước thoát ra giúp tăng cường độ đàn hồi và độ mờ của cao lanh, đây là một thuộc tính lý tưởng của ứng dụng phủ giấy. Ngoài ra, bằng cách nung cao lanh ở nhiệt độ 1000-1050oC, nó không chỉ có thể tăng khả năng mài mòn mà còn đạt được độ trắng 92-95%.
Nung clo hóa
Sắt và titan đã được loại bỏ khỏi các khoáng sét, đặc biệt là cao lanh bằng clo hóa và thu được kết quả tốt. Trong quá trình clo hóa và nung, ở nhiệt độ cao (700oC - 1000oC), kaolinit trải qua quá trình khử hydroxyl tạo thành metakaolinit, ở nhiệt độ cao hơn hình thành các pha Spinel và mullite. Những biến đổi này làm tăng tính kỵ nước, độ cứng và kích thước của các hạt thông qua quá trình thiêu kết. Các khoáng chất được xử lý theo cách này có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, PVC, cao su, nhựa, chất kết dính, đánh bóng và kem đánh răng. Tính kỵ nước cao hơn làm cho các khoáng chất này tương thích hơn với các hệ thống hữu cơ.
Phương pháp vi sinh
Công nghệ tinh chế vi sinh vật trong khoáng sản là một chủ đề chế biến khoáng sản tương đối mới, bao gồm công nghệ lọc vi sinh vật và công nghệ tuyển nổi vi sinh vật. Công nghệ chiết khoáng vi sinh là công nghệ chiết sử dụng sự tương tác sâu giữa vi sinh vật và khoáng chất để phá hủy mạng tinh thể của khoáng chất và hòa tan các thành phần có ích. Pyrite oxy hóa và các loại quặng sunfua khác có trong cao lanh có thể được tinh chế bằng công nghệ chiết xuất vi sinh vật. Các vi sinh vật thường được sử dụng bao gồm Thiobacillus ferrooxidans và vi khuẩn khử Fe. Phương pháp vi sinh có chi phí thấp và ô nhiễm môi trường thấp, không ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của cao lanh. Đây là một phương pháp tinh chế và làm trắng mới có triển vọng phát triển khoáng chất cao lanh.
Bản tóm tắt
Việc loại bỏ sắt và xử lý làm trắng cao lanh cần chọn phương pháp tốt nhất tùy theo nguyên nhân màu sắc khác nhau và mục tiêu ứng dụng khác nhau, nâng cao hiệu suất làm trắng toàn diện của khoáng chất cao lanh và làm cho nó có giá trị sử dụng và giá trị kinh tế cao. Xu hướng phát triển trong tương lai là kết hợp các đặc tính của phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp vi sinh một cách hữu cơ để phát huy hết ưu điểm và hạn chế nhược điểm, khuyết điểm để đạt được hiệu quả làm trắng tốt hơn. Đồng thời, cũng cần nghiên cứu thêm cơ chế mới của các phương pháp loại bỏ tạp chất khác nhau và cải tiến quy trình để quá trình loại bỏ sắt và làm trắng cao lanh phát triển theo hướng xanh, hiệu quả và ít carbon.
Thời gian đăng: Mar-02-2023