Với các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt, cao lanh là một nguồn khoáng sản phi kim loại không thể thiếu trong sản xuất gốm sứ, giấy, cao su, nhựa, vật liệu chịu lửa, lọc dầu và các lĩnh vực công nghệ tiên tiến khác trong công nghiệp, nông nghiệp và quốc phòng. 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 mịn hoặc đá sét chủ yếu bao gồm khoáng chất kaolinit. Công thức hóa học tinh thể của nó là 2SiO2 · Al2O3 · 2H2O. Một lượng nhỏ các khoáng chất phi sét bao gồm thạch anh, fenspat, khoáng chất sắt, titan, nhôm hydroxit và oxit, chất hữu cơ, v.v.
Cấu trúc tinh thể của cao lanh
Theo trạng thái và bản chất của các tạp chất trong cao lanh, các tạp chất gây giảm độ trắng của cao lanh có thể được chia thành ba loại: cacbon hữu cơ; các nguyên tố sắc tố, như Fe, Ti, V, Cr, Cu, Mn, v.v.; các khoáng chất sẫm màu, như biotit, clorit, v.v. Nhìn chung, hàm lượng V, Cr, Cu, Mn và các nguyên tố khác trong cao lanh thường nhỏ, ít ảnh hưởng đến độ trắng. Thành phần khoáng chất và hàm lượng sắt và titan là những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ trắng của cao lanh. Sự hiện diện của chúng không chỉ ảnh hưởng đến độ trắng tự nhiên của cao lanh mà còn ảnh hưởng đến độ trắng sau khi nung. 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 chịu lửa của nó. Và ngay cả khi lượng oxit, hydroxit và oxit ngậm nước của oxit sắt chỉ là 0,4%, cũng đủ để làm cho cặn đất sét có màu đỏ đến vàng. Các oxit và hydroxit sắt này có thể là hematit (màu đỏ), maghemit (màu nâu đỏ), goethit (màu vàng nâu), limonit (màu cam), oxit sắt ngậm nước (màu đỏ nâu), v.v. Có thể nói rằng việc loại bỏ tạp chất sắt trong cao lanh đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc sử dụng cao lanh hiệu quả hơn.
Trạng thái tồn tại của nguyên tố sắt
Trạng thái tồn tại của sắt trong cao lanh là yếu tố chính quyết định phương pháp loại bỏ sắt. Nhiều nghiên cứu cho rằng sắt tinh thể ở dạng các hạt mịn lẫn trong cao lanh, trong khi sắt vô định hình được bao phủ trên bề mặt các hạt mịn của cao lanh. Hiện nay, trạng thái tồn tại của sắt trong cao lanh được chia thành hai loại ở trong và ngoài nước: một là trong kaolinit và các khoáng chất phụ trợ (như mica, titan dioxit và illit), được gọi là sắt cấu trúc; loại còn lại là ở dạng các khoáng chất sắt độc lập, được 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 phương pháp 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; phần lớn sắt tồn tại ở dạng limonit keo phân tán cao, và một lượng nhỏ ở dạng goethit và hematit hình cầu, hình kim và hình dạng bất thường.
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 vụn như thạch anh, fenspat và mica, cũng như các tạp chất thô hơn như mảnh vụn đá và một số khoáng chất sắt và titan. Các khoáng chất tạp chất có mật độ và độ hòa tan tương tự như cao lanh không thể loại bỏ được, và sự cải thiện độ trắng tương đối không rõ rệt, do đó phương pháp này phù hợp cho việc tuyển khoáng và làm trắng quặng cao lanh chất lượng tương đối cao.
Tách từ tính
Tạp chất khoáng sắt trong cao lanh thường có từ tính yếu. Hiện nay, phương pháp tách từ mạnh với độ dốc cao chủ yếu được sử dụng, hoặc các khoáng chất có từ tính yếu được chuyển hóa thành oxit sắt có từ tính mạnh sau khi nung, rồi được loại bỏ bằng phương pháp tách từ thông thường.
bộ tách từ trường có độ dốc cao dạng vòng thẳng đứng
Máy tách từ có độ dốc cao dùng cho bùn điện từ.
Bộ tách từ siêu dẫn nhiệt độ thấp
Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi đã được áp dụng để xử lý cao lanh từ các mỏ sơ cấp và thứ cấp. Trong quá trình tuyển nổi, các hạt kaolinit và mica được tách ra, và sản phẩm tinh chế là một số nguyên liệu thô đạt tiêu chuẩn công nghiệp. Quá trình tuyển nổi chọn lọc tách kaolinit và feldspar thường được thực hiện trong hỗn hợp bùn có độ pH được kiểm soát.
Phương pháp giảm thiểu
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, sau đó được loại bỏ bằng phương pháp lọc và rửa. Việc loại bỏ tạp chất Fe3+ khỏi cao lanh công nghiệp thường được thực hiện 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 hydrosunfit (Na2S2O4), còn được gọi là natri hydrosunfit, có hiệu quả trong việc khử và tách sắt khỏi cao lanh, và hiện đang được sử dụng trong ngành công nghiệp cao lanh. Tuy nhiên, phương pháp này phải được thực hiện trong điều kiện axit mạnh (pH<3), dẫn đến chi phí vận hành cao và tác động đến môi trường. Ngoài ra, tính chất hóa học của natri hydrosunfit không ổn định, đòi hỏi các biện pháp lưu trữ và vận chuyển đặc biệt và tốn kém.
Thiourea dioxide ((NH2)2CSO2, TD) là một chất khử mạnh, có ưu điểm là khả năng khử mạnh, thân thiện với môi trường, tỷ lệ phân hủy thấp, an toàn và chi phí sản xuất hàng loạt thấp. Ion Fe3+ không tan trong cao lanh có thể được khử thành ion Fe2+ tan được nhờ TD.
Sau đó, độ trắng của cao lanh có thể được 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 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 sử dụng ozone, hydro peroxide, kali permanganat và natri hypoclorit để loại bỏ lớp carbon hấp phụ nhằm cải thiện độ trắng. Cao lanh ở vị trí sâu hơn dưới lớp đất phủ dày hơn có màu xám, và sắt trong cao lanh ở trạng thái khử. Sử dụng các chất oxy hóa mạnh như ozone hoặc natri hypoclorit để oxy hóa FeS2 không tan trong pyrit thành Fe2+ hòa tan, sau đó rửa để loại bỏ Fe2+ khỏi hệ thống.
Phương pháp chiết xuất bằng axit
Phương pháp trích ly bằng axit là phương pháp chuyển hóa các tạp chất sắt không tan trong cao lanh thành các chất tan trong dung dịch axit (axit clohydric, axit sulfuric, axit oxalic, v.v.), từ đó tách chúng ra khỏi cao lanh. So với các axit hữu cơ khác, axit oxalic được coi là triển vọng nhất vì độ mạnh của axit, khả năng tạo phức tốt và khả năng khử cao. Với axit oxalic, sắt hòa tan có thể được kết tủa từ dung dịch trích ly dưới dạng sắt(II) oxalat, và có thể được xử lý tiếp để tạo thành hematit tinh khiết thông qua quá trình nung. Axit oxalic có thể được thu được với giá rẻ từ các quy trình công nghiệp khác, và trong giai đoạn nung của sản xuất gốm sứ, bất kỳ lượng oxalat còn lại nào trong vật liệu đã xử lý sẽ bị phân hủy thành carbon dioxide. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu kết quả của việc 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 chất lượng đặc biệt. Tùy thuộc vào nhiệt độ xử lý, người ta sản xuất ra hai loại cao lanh nung khác nhau. Quá trình nung ở nhiệt độ 650-700 ℃ loại bỏ nhóm hydroxyl trong cấu trúc, và hơi nước thoát ra làm tăng độ đàn hồi và độ mờ đục của cao lanh, đây là đặc tính lý tưởng cho ứng dụng phủ giấy. Ngoài ra, bằng cách nung cao lanh ở nhiệt độ 1000-1050 ℃, không chỉ tăng khả năng chống mài mòn mà còn đạt được độ trắng 92-95%.
nung clo hóa
Sắt và titan được loại bỏ khỏi các khoáng sét, đặc biệt là cao lanh bằng phương pháp clo hóa, và thu được kết quả tốt. Trong quá trình clo hóa và nung ở nhiệt độ cao (700 ℃ - 1000 ℃), kaolinit trải qua quá trình khử hydroxyl để tạo thành metakaolinit, và ở nhiệt độ cao hơn, các pha spinel và mullit được hình thành. Những biến đổi này làm tăng tính kỵ nước, độ cứng và kích thước 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, chẳng hạn 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 khoáng sản bằng vi sinh vật là một lĩnh vực chế biến khoáng sản tương đối mới, bao gồm công nghệ trích ly vi sinh vật và công nghệ tuyển nổi vi sinh vật. Công nghệ trích ly vi sinh vật là một công nghệ chiết xuất sử dụng sự tương tác sâu giữa vi sinh vật và khoáng chất để phá vỡ cấu trúc tinh thể của khoáng chất và hòa tan các thành phần hữu ích. Pyrit bị oxy hóa và các 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 sắt. Phương pháp vi sinh vật có chi phí thấp và ít gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến các 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 đối với khoáng sản cao lanh.
Bản tóm tắt
Việc loại bỏ sắt và làm trắng cao lanh cần lựa chọn phương pháp tối ưu nhất tùy thuộc vào nguyên nhân gây màu và mục tiêu ứng dụng khác nhau, nhằm nâng cao hiệu quả làm trắng tổng thể của khoáng chất cao lanh, đồng thời đảm bảo giá trị sử dụng và giá trị kinh tế cao. Xu hướng phát triển trong tương lai nên là kết hợp hữu cơ các đặc điểm của phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp vi sinh, để phát huy tối đa ưu điểm và hạn chế nhược điểm của chúng, nhằm đạt được hiệu quả làm trắng tốt hơn. Đồng thời, cần nghiên cứu sâu hơn cơ chế mới của các phương pháp loại bỏ tạp chất khác nhau và cải tiến quy trình để việc loại bỏ sắt và làm trắng cao lanh phát triển theo hướng xanh, hiệu quả và ít carbon.
Thời gian đăng bài: 02/03/2023