شناخت کائولن ها ( 1 )

چکیده : کانی های گروه کائولن آلومینا سیکات هایی از خانواده رس ها هستند . که کاربرد فراوانی در صنایع مختلف دارند . تنوع مواد مصرف ، کائولین هایی با خصوصیات ویژه می طلبد که این خصوصیات باید با آرایش کائولین و نیز با شناخت و تمرکز انواع آن در محصول تامین گردد .

از جمله مهم ترین پیشرفته ها در تکنولوژی فرآوری کائولین می توان به این موارد اشاره کرد :

1-                       استفاده از سانتریفوژ پیوسته

2-                       نصب بلانجرهای بزرگ در ابتدای معدن ، جایگزینی فیلتر پرس های صفحه ای و قالبی با فیلتر پرس های خلاء

3-                       بکارگیری تکیس کننده های بسیار بزرگ برای تولید رنگدانه هایی با درخشندگی بالا

4-                       کاربرد متورق سازی و نصب جداکننده های مغناطیسی با شدت زیاد

کائولین در ایران با احداث کارخانه های فرآوری آن به پیشرفت هایی دست پیدا کرده است و در صنایع نه چندان مهندسی می توان از کائولین ایرانی استفاده کرد .

امید است با توسعه و تجهیز کارخانه های فرآوری کیفیت کائولین های ایرانی به سطح مطلوب برسد .

 

مقدمه :

کائولین واژه ای است که معانی مختلف دارد و این بسته به آن است که این واژه کجا و چگونه مورد استفاده قرار گیرد . از نظر کانی شناسی کائولن نام یک گروه از کانی های آلومینو سیکاته آبدار است که شامل کانی های کائولینیت ، ناکریت ، دیکیت و هالویزیت است .

اما وقتی واژه کائولین به صورت صفتی به کار برده می شود ، یک خاک مرکب از کائولینت خاص یا کانی های رسی وابسته می باشد که با خصوصیاتی نظیر سفیدی ، درخشندگی ، توزیع دانه بندی و سیالیت و ... برای کاربردهای مختلف مناسب تشخیص داده می شود .

کائولن یک کانی بی نظیر صنعتی است زیرا در دامنة گسترده PH خنثی دارد و از نظر شیمیایی مقاوم است ، سفید رنگ است ، خاصیت پوشش دهی خوبی دارد .

لذا به عنوان رنگدانه جهت پر کنندگی یا پوشش دهی به کار می رود . کائولن نرم بوده هدایت حرارتی و الکتریکی کمی دارد و قیمت آن نسبت به بیشتر موادی که با آن ها رقابت می کند کم تر است .

در حال حاظر صنعت سرامیک به سمتی می رود که نیاز روز افزونی به خاکهایی با مرغوبیت بالا دارد و این خاکها باید دارای ناخالصی های بسیار کمی باشند از همین رو صنعت مدرن سرامیک نیاز به کائولینی با میزان مرغوبیت بالا را دارد.

مشخصات کیفی کائولن مورد مصرف هر صنعت به تبعیت از صفات مورد نظر محصول نهایی متغیر است. این تفاوت حتی در صنایع مشابه بعلت تغیرات شدید کیفی کائولن استخراجی و یا فرآوری شده معادن کاملاً‌مشهود است، ویژگی صنعت، محدوده تغییرات مورد قبول را تعیین می‌نماید و فرمول سازی مواد مصرفی یکی از رایج‌ترین راه حل‌ها در اینگونه صنایع است.
مرغوبترین کائولن‌ها تا حدود 20 درصد ناخالصی را دارا می‌باشند که به منظور کاهش این ناخالصی‌ها بطرق مختلف فرآوری می‌گردد و در هر روش نوعی خاص از این ماده حاصل می‌شود و هر کدام مصرف ویژه خود را دارد که علاوه بر صفات خاص ژنتیکی، نوع فرآوری نیز محصول را از یکدیگر متمایز می‌نماید. کائولن کلسینه شده، کائولن شسته شده توسط آب، حرارت نخورده،‌پودر شده، دانه بندی شده و کائولن پر کننده و طبقه‌بندی‌های مختلف کائولن از نقطه نظر نوع فرآوری می‌باشند.
کائولن در صنایع مختلف به عنوان ماده اولیه اصلی و در برخی دیگر به عنوان ماده جنبی در کنار سایر مواد بکار می‌رود. قیمت مناسب و ویژگی‌های این ماده معدنی در هر صنعت جلوه‌های خاص خود را دارد.

دلیل کاربرد فراوان کائولن در صنعت، دارا بودن ویژگی های زیر است:
•پرکننده و پوشش دهنده مناسب
•از نظر شیمیایی در گستره وسیعی از تغییرات pH بدون تغییر باقی می ماند.
•به عنوان جذب کننده مناسب مرکب و رنگ ها.
•به عنوان سخت کننده در صنایع پتروشیمی.
•داشتن رنگ سفید که آن را به صورت ماده رنگی قابل استفاده می سازد.
•جلای خاص و قابلیت سفیدکنندگی.
•خواص کاتالیزوری.
•دارا بودن خاصیت پرکنندگی و پوششی بسیار خوب.
•نرم کننده سطح و غیرسایشی بودن آن.
•قابلیت اندک هدایت جریان الکتریسیته و گرما.
•ارزانی قیمت آن.

بیشترین مصارف کائولن در پر کننده، پوشش دهنده با جلای خاص و سفید کننده، منبسط کننده، ایجاد کننده مقاومت در مقابل سایش، رقیق کننده، سخت کننده در صنایع پتروشیمی، نرم کننده سطح و به عنوان کاتالیزور در صنایع مختلف،کاغذسازی، سرامیک، مرکب و رنگ سازی، دیرگداز، پلاستیک، لاستیک، دارویی، فایبرگلاس، صنایع نسوز، مصالح ساختمانی، حشره کش، جذب کننده، مواد پاک کننده، مواد غذایی، تهیه داروها، صنایع کشاورزی و تهیه کودهای شیمیایی است.
در ایران از این ماده معدنی در آجرهای شاموتی، پوشش داخلی کوره ها، دیگ های گرمایی و کاشی استفاده می شود.
حدود 50 درصد از کائولن در کاغذسازی به عنوان پرکننده و روکش (پوشش دهنده سطح)،20 درصد در صنایع سرامیک و دیرگداز، 10 درصد در لاستیک سازی به عنوان پرکننده و 20 درصد در رنگ سازی پلاستیک استفاده می شود.قدرت جذب مرکب و پوشش دهندگی خوب و پر کردن سطوح ناهموار کاغذ از خمیر سلولز و ایجاد شفافیت در کاغذاز مزایای استفاده از کائولن در صنعت کاغذسازی می‌باشد.
قیمت مناسب کائولن طی سال های اخیر سبب شده است تا صنایع مصرف کننده این محصول علاقه مند به استفاده از کائولن شوند. کائولن یا خاک چینی به رنگ سفید بیشترین کاربرد را در تولید چینی و سرامیک دارد.

فصل اول : شناخت کائولین

1-1 کلیات

واژه « کائولن » از kao – ling ( نام ناحیه ای در چین ) مشتق گرفته شده که برای اولین بار خاک چینی سفید رنگی در آنجا شناسایی و مورد استفاده قرار گرفته است .

کائولین از نظر ترکیب شیمیایی یک نوع سیلیکات آلومینیم آبدار است و از خانواده رس ها می باشد .

معمولا مقداری کوارتز ، فلدسپات ، کانی های زاید آهن دار و تیتانیم دار ، کلسیت ، زاج ، گچ و پیریت همراه با کانی های گروه کائولینیت در کائولین یافت می شود .

کائولینیت دارای فرمول شیمیایی زیر است که این فرمول به صورت زیر می باشد.

 

Al2O3  2SiO2 2H2O

 

 

اثر حرارت بر روی کانی کائولینیت:

                                                 

  Al2O3  2SiO2 + 2H2O↑              ـــــــــــــــــ       Al2O3  2SiO2  2H2O  

2Al2O3  3SiO2+ SiO2 ــــــــــــــــAl2o3  2SiO2

 

  3Al2O3  2SiO2 + SiO2ــــــــــــــ2Al2O3  3SiO2 

 

1-2 کانی شناسی کائولین

گروه کائولینیت شامل کانی های ناکریت ، دیکیت ، کائلینیت و هالویزیت می باشد . ساختار آن ها از یک نظر مشترک است و آن این است که متناوبا از اتصال صفحات تترا ئدری سیلیس به صفحات گیبسیت تشکیل یافته اند .

یک صفحه گیبسیت مستقیما روی یک صفحة تترا ئدر سیلیس قرار می گیرد بدین ترتیب که یکی از 3 گروه OH حذف شده و به وسیلة اکسیژن های رئوس 4 وجهی سیلیس که بار منفی اشباع نشده دارند جایگزین می گردند .

اکسیژن های مزبور نقش یک پل را بین 2 لایه بازی می کنند و یک لایه واحد کائولن تشکیل می گردد .

یک بلور واحد از کائولن فقط از یک لایه تشکیل نشده است بلکه از تعداد بسیار زیادی از این لایه ها ترکیب یافته است که به صورت کتابی که هر صفحة آن مانند یک لایه مجزا است به هم ملحق شده اند .

نکته جالب این است که پیوندهای یونی بین واحدهای مجاور وجود ندارد بلکه سراسر بلور توسط پیوندهای هیدروژنی که بین گروه های OH گیبسیت و اتم های اکسیژن های سیلیسی مجاور عمل می کنند نگاه داشته شده است .

لازم به ذکر است اختلاف 4 کانی گروه کائولینیت چگونگی تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین آنهاست .

1-3- نحوه تشکیل و طبقه بندی ذخایر کائولینیت :

ذخایر کائولینیت به 2 بخش قابل تقسیم هستند :

1-کائولین اولیه

2-کائولین ثانویه

1-3-1- کائولن های اولیه

طبقه بندی کائولن های اولیه طبق نظر بریستو ( 1977 ) با توجه به نوع منشا آنها به قرار زیر است :

-      هوا زده

-      گرمایی

-      سولفاترا

هوازدگی یک پدیده فراگیر است . اما در گرمای بسیار زیاد و آب و هوای مناطق حاره عمل می کند .

دگرسانی گرمایی به معنای دگرسانی سنگ ها توسط چرخه آب گرم می باشد . گرما ممکن است ناشی از سرد شدن یک توده نفوذی نظیر یک گرانیت یا مربوط به چرخه عمیق آب یا گرمای تولید شده به وسیله مقادیر غیر عادی عناصر رادیواکتیو باشد .

گرانیت ها متداول ترین سنگ های اولیه برای ذخایر کائولن اولیه می باشند و بخصوص گرانیت هایی که بیوتیت در آنها به مقدار کمی وجود دارد یا اصلا فاقد بیوتیت می باشند بخاطر کاهش تاثیر آهن ناشی از بیوتیت روی رنگ کائولن اثرگذار است .

1-3-2- کائولن ثانویه

دامنه وسیعی از انواع کائولین در سنگ های رسوبی یافت می شود این دسته را می توان به 3 گروه تقسیم کرد :

-      کائولن های رسوبی

-      ماسه های کائولینیتی

-      بالکی ها و رس های سیلیسی

دیاژنز در پیرایش کائولن های ثانویه و بعضی از آنهایی که کائولن ثانویه نامیده می شوند ، نظیر ماسه های کائولینیتی که ممکن است در یک سنگ شامل فلدسپات با چرخه آب زیرزمینی به وجود آمده باشند نقش مهمی را بازی می کند .

همچنین هوازدگی بیشتر ، مخصوصا در نزدیکی سطح می تواند تاثیر عمیقی در تبدیل عمیقی در تبدیل یک رس با کیفیت پایین به ذخیره ای از رس خوب داشته باشد .

بیشتر از 60 % تولید کائولین از ذخایر کائولین های رسوبی است . این کائولن ها به قدری سفید بوده و پس از پر عیار سازی در کاربردهایی نظیر کاغذ که در آن درخشندگی بدون حرارت دیدن اهمیت دارد استفاده می گردند .

بالکی ها معمولا همیشه در آب تازه دریاچه ها در مناطق هموار و مسیر رودخانه قرار گرفته اند .

خاک رس سیلیسی مواد ویژه ای هستند که اگرچه اساسا از کائولینیت تشکیل شده اند اما سنگ های غیر قابل شکستن ، سخت و با شکستگی های کنگره دار می باشند .

فصل دوم : آرایش کائولین

2-1- کلیات

هدف از آرایش کائولن جدا کردن ناخالصی های موجود در آن است . مبنای آرایش کائولین در بیشتر موارد طبقه بندی آن از نظر ابعاد است . زیرا با توجه به قابلیت خرد شدن بیشتر کائولن نسبت به ناخالصی های همراه آن مثل کوارتز ، میکا و ... و همچنین توجه به این نکته که کائولین دارای خاصیت جذب آب شدیدی می باشد.

ذکر این نکته ضروری ست که در بسیاری از موارد ساختار کانسار و وضعیت لایه ها و گر ها به نحوی است که امکان استخراج انتخابی کائولین برای رسیدن به کیفیت بهتر وجود دارد .

برای این منظور لازم است از کانسار به طور منظم نمونه برداری شود و مورد آزمایش قرار گیرد و بر مبنای نتایج حاصله روش استخراج مناسب حاصل شود .

2-2- آرایش کائولن

فرآوری سنگ معدن کائولین بسته به نوع مصرف دارد که از دو روش خشک و تر به دست می آید که با توجه به معارف از روش تر در معادن استفاده بیشتری می گردد .

2-3- خالص سازی کائولینیت

یکی از مباحث مهمی که امروزه در صنایع مختلف دارای اهمیت بسیار است خالص بودن کائولینیت است که درخواست کائولینیت مرغوب از طرف مصرف کنندگان معادن را به سمت ارائه خاک مناسب و نزدیک تر به فرمول تئوری سوق داد .

خالص سازی ها روش های گوناگونی دارد که در این قسمت به توضیح جدیدترین فناوری آن که جدا کننده های مغناطیسی با شدت زیاد هستند اشاره می کنیم .

جدا کننده های مغناطیسی با شدت زیاد :

ناخالصی های رنگی در کائولینیت نظیر آناتاز ، بوتایل ، هماتیت ، میکا و پیریت خاصیت مغناطیسی ضعیفی دارند لذا این ناخالصی ها را باید توسط جدا کننده های مغناطیسی با شدت زیاد حذف کرد .

جدا کننده ای که برای آرایش موادی با ابعاد در حد میکرون قابل استفاده است جدا کننده مغناطیسی با گرادیان زیاد است که فیلتر پرس مغناطیسی نام گرفته است .

در این جدا کننده ، در یک میدان مغناطیسی یکنواخت مقداری رشته های باریک فرو مغناطیسی که حدود 5 – 10 % فضا را اشغال می کنند قرار داده شده است . رشته های مورد نظر در محفظة تعبیه شده و در اطراف لبه های تیز این رشته های بسیار ظریف میدان مغناطیسی شدیدی را می توان به دست آورد . محفظة مذکور توسط 16 سیم پیچ هادی تو خالی که هر یک شامل یک تن مس می باشد احاطه شده است . بدین ترتیب میدان مغناطیسی بسیار شدیدی ایجاد می گردد . توان الکتریکی مصرفی آن 270 تا 500 کیلو وات می باشد . واحد بزرگ تر آن با 301 سانتی متر قابلیت فرآوری 130 تن بر ساعت کائولین را با 30 ثانیه زمان توقف وارد و 400 کیلو وات توان مصرفی آن است .

با عبور مواد اولیه از بین پالپ های دستگاه در 30 ثانیه عبور کرده و کائولین عاری از مواد آهن دارد و فلزات خواهد بود .

جدا کننده های مغناطیسی هر در دمای معمولی کار می کنند و نوع جدید آن که به جدا کننده های برودتی معروف هستند با کاهش درجه حرارت عمل می کنند .

مزیت آن این است که توان مصرفی کمتری را لازم ، دقت کار بالاتر رفته و در زمان نیز صرفه جویی می گردد .

مشاورین سی سی ال انگلستان و کارخانجات رس انگلیسی لاورینگ پاچین یک مغناطیس فوق هاوی سولنوئیدی را مورد آزمایش قرار دادند . طرح مزبور شبیه فیلتر پرس های مغناطیسی معمولی است اما عملکرد ویژه ای دارد که به مغناطیس فوق هادی امکان می دهد که انرژی بیشتری موقع قطع و وصل شدن مغناطیس حین عملیات دوره ای باقی بماند . این امر به وسیلة 2 محفظه صورت می گیرد که توسط محفظة متحرک دیگری مجزا شده اند . محفظة اخیر سوار بر ریلی است که از میان فضای خالی بین 2 دستگاه جدا کننده کشیده شده است .

روش های افزایش درخشندگی کائولین :

روش هایی برای افزایش کیفیت نوری کائولین خصوصا در دو دهه گذشته برای افزایش درخشندگی کائولین افزایش یافته است . بدون فرآوری و به طور طبیعی یک رس مرغوب می تواند تا 75 % درخشندگی از خود داشته باشد . مقادیر درخشندگی 90 و بالای آن با چند تکنیک پر عیار سازی صورت می گیرد .

که در زیر به آن اشاره می گردد :

1-رنگزدایی و شستشوی کانی های رنگزا

2-توسعه اولترافلوتاسیون جدا سازی کانی های فوق العاده ریز ناخالصی

3-متورق سازی « تبدیل ذرات بزرگ کائولین به ذرات ریز »

4-تکلیس

5-فیلتراسیون مغناطیسی

6-فرایندهای در حال مطالعه و آینده