يؤثر أكسيد الحديد الموجود في طين الكاولين سلبًا على لونه، مما يقلل من لمعانه ومقاومته للحريق، وبالتالي يخفض سعره التجاري بشكل ملحوظ. حتى كمية ضئيلة من أكسيد الحديد وهيدروكسيده وأكسيد الحديد المائي، مثل 0.4%، كافية لتلوين رواسب الطين باللون الأحمر إلى الأصفر. تشمل هذه الأكاسيد والهيدروكسيدات الحديدية الهيماتيت (أحمر)، والماغنيتيت (بني محمر)، والجوثيت (أصفر مائل للبني)، والليمونيت (برتقالي)، وأكسيد الحديد المائي (بني محمر)، وغيرها. لذا، فإن الخطوة الأولى لتحسين هذه المواد الخام وإضفاء قيمة تجارية عليها هي إزالة أكسيد الحديد من طين الكاولين بكفاءة.
طريقة الغسل بالماء
تتضمن عملية غسل الكاولين بالماء لإنتاج الطلاء والحشو عدة خطوات. أولًا، يُحوّل الطين الخام إلى معلق. لفصل الكاولين عن الشوائب المعدنية مثل الكوارتز والميكا وتصنيفه إلى ثلاث درجات (ناعم، متوسط، وخشن)، يجب أن يتكون المعلق من جزيئات معدنية منفصلة ومعلقة في الماء. تحمل جزيئات الكاولين شحنات متضادة على حوافها وأسطحها في الخلاط، مما يجعلها تتجاذب وتُشكّل كتلًا. تُضاف مواد مُشتِّتة مثل بولي فوسفات الصوديوم لفصل الجزيئات في هذه الكتل. يُضخ معلق الطين من الخلاط إلى خزانات الترسيب والمناخل لإزالة الرمل والحصى الأكبر من 44 ميكرومترًا. بعد إزالة جزيئات الرمل، يُحصل على الكاولين المطلوب.
الفصل المغناطيسي
تعتمد عملية الفصل المغناطيسي على اختلاف القابلية المغناطيسية بين أنواع المعادن المختلفة لفصلها. فالشوائب الملونة في الكاولين، مثل الروتيل والهيماتيت والماغنيتيت والميكا والبيريت، مغناطيسية بطبيعتها. وقد حقق الفصل المغناطيسي عالي الكثافة نجاحًا ملحوظًا في تحسين المعادن الصناعية.
التعويم
استُخدمت طريقة التعويم لمعالجة الكاولين من رواسبه الأولية والثانوية. خلال عملية التعويم، يتم فصل جزيئات الكاولينيت والميكا، مما ينتج عنه مواد نقية مناسبة للاستخدام الصناعي. عادةً ما يتم إجراء الفصل الانتقائي للكاولينيت والفلسبار بالتعويم في معلق مائي ذي حموضة أو قلوية مضبوطة.
طريقة الاختزال
لا يذوب الحديد الثلاثي إلا في الوسط الحمضي عند درجة حموضة 3 أو أقل. أما الحديد الثنائي، فيذوب ضمن نطاق أوسع من الحموضة، ولكنه في الوسط المتعادل أو ذي درجة الحموضة الأعلى، لا يكون Fe2+ مستقرًا إلا في الوسط المختزل. في وجود الأكسجين، يتأكسد Fe2+ بسرعة إلى شكله الثلاثي، مُنتجًا رواسب صلبة تحتوي على Fe3+. عادةً ما تتم إزالة شوائب Fe3+ من طين الكاولين الصناعي باستخدام تقنيات فيزيائية (الفصل المغناطيسي، والتلبيد الانتقائي) ومعالجة كيميائية في الوسط الحمضي أو المختزل.
يُستخدم بيسلفيت الصوديوم، المعروف أيضاً باسم ميتابيسلفيت الصوديوم أو بيروسلفيت الصوديوم، بكفاءة عالية في اختزال الحديد من طين الكاولين، ويُستخدم حالياً في صناعة الكاولين. مع ذلك، تتطلب هذه الطريقة ظروفاً حمضية قوية (درجة حموضة أقل من 3)، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل وآثار بيئية سلبية. علاوة على ذلك، فإن الخصائص الكيميائية لبيسلفيت الصوديوم غير مستقرة، مما يستلزم ترتيبات تخزين ونقل خاصة ومكلفة.
يُعدّ ثاني أكسيد اليوريا عامل اختزال قوي يُستخدم على نطاق واسع في دباغة الجلود، وطباعة وصباغة المنسوجات، وصناعة الورق، والتبييض. وبالمقارنة مع عوامل الاختزال الأخرى مثل بوروهيدريد الصوديوم ومسحوق التأمين، يتميز ثاني أكسيد اليوريا بقدرة اختزال عالية، وملاءمة للبيئة، وانخفاض معدل تحلله، وأمانه، وانخفاض تكلفة إنتاجه بكميات كبيرة. ويمكن اختزال أيونات الحديد الثلاثي غير الذائبة في الكاولين إلى أيونات الحديد الثنائي الذائبة باستخدام ثاني أكسيد اليوريا. وبعد ذلك، ومن خلال عملية الترشيح والغسل، يمكن زيادة بياض الكاولين. يتميز ثاني أكسيد اليوريا بثباته العالي في درجة حرارة الغرفة وفي الظروف المتعادلة، ولا يمكن الحصول على قدرته الاختزالية القوية إلا في ظل ظروف قلوية قوية (الأس الهيدروجيني > 10) أو التسخين (درجة الحرارة > 70 درجة مئوية)، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل وصعوبات في التنفيذ.
طريقة الأكسدة
تتضمن معالجة الأكسدة استخدام الأوزون، وبيروكسيد الهيدروجين، وبرمنجنات البوتاسيوم، وهيبوكلوريت الصوديوم لإزالة طبقات الكربون الممتصة وتحسين البياض. في المناطق الواقعة أسفل طبقات الغطاء السميكة، يظهر طين الكاولين باللون الرمادي، ويقل محتوى الحديد فيه.
باستخدام عوامل مؤكسدة قوية مثل الأوزون أو هيبوكلوريت الصوديوم، يتم أكسدة FeS2 غير القابل للذوبان في البيريت إلى Fe2+ القابل للذوبان، والذي يتم إزالته بعد ذلك من النظام من خلال غسله بالماء.
الترشيح الحمضي
استخدم سيدو وزملاؤه الترشيح بحمض الهيدروكلوريك وحمض البيركلوريك لمعالجة أكاسيد وهيدروكسيدات الحديد. مع ذلك، فإن الإزالة الصناعية لأكسيد الحديد من مناجم الطين أو الرمل عالية النقاوة باستخدام حمض الكبريتيك وأحماض غير عضوية أخرى لها قيود كبيرة، إذ قد يُلوِّث الحمض المتبقي بعد المعالجة المواد الخام المستخدمة في إنتاج السيراميك.
بالمقارنة مع الأحماض العضوية الأخرى، يُعد حمض الأكساليك الأكثر فعالية نظرًا لحموضته وخصائصه التخليبية الجيدة وقدرته العالية على الاختزال. باستخدام حمض الأكساليك، يمكن ترسيب الحديد المذاب من محلول الترشيح على شكل أكسالات الحديد، والتي يمكن معالجتها لاحقًا بالتكليس لتكوين الهيماتيت النقي. يمكن الحصول على حمض الأكساليك بتكلفة منخفضة من عمليات صناعية أخرى، وستتحلل أي أملاح أكسالات متبقية في المادة المعالجة إلى ثاني أكسيد الكربون خلال مرحلة الحرق في صناعة السيراميك.
طريقة التكليس بدرجة حرارة عالية
يتغير تركيب الكاولين وطوره أثناء التكليس عند درجات حرارة عالية، ويمكن تقسيم هذه العملية إلى مرحلتين: إزالة الماء البنيوي وتحويل الطور. يُستخدم التكليس لإنتاج منتجات الكاولين عالية الجودة. ويتم إنتاج نوعين مختلفين من الكاولين المُكلس بناءً على درجة حرارة المعالجة. يؤدي التكليس عند درجات حرارة تتراوح بين 650 و700 درجة مئوية إلى إزالة مجموعات الهيدروكسيل البنيوية وتبخير بخار الماء، مما ينتج عنه زيادة في مرونة الكاولين وشفافيته، وهما خاصيتان مثاليتان لتطبيقات طلاء الورق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتسخين الكاولين عند درجات حرارة تتراوح بين 1000 و1050 درجة مئوية أن يزيد من كفاءة طحنه ويحقق درجة بياض تتراوح بين 92 و951 درجة مئوية.
طريقة التكليس بالكلور
درس جاكسون عملية الكلورة لمعادن الكاولين لإزالة الشوائب، وخاصة الحديد والتيتانيوم، بهدف تبييض المعادن. تزيل طريقة الكلورة الحديد والتيتانيوم من المعادن الطينية، وخاصة الكاولين. تتضمن هذه العملية درجات حرارة عالية (700-1000 درجة مئوية)، حيث يخضع الكاولينيت لعملية نزع الهيدروكسيل ويتحول إلى ميتاكاولينيت. عند درجات حرارة أعلى، تتشكل أطوار الإسبينيل والموليت. تزيد هذه التحولات من كراهية الماء وصلابة وحجم جزيئات الكاولين من خلال التلبيد. يمكن استخدام المعادن المعالجة في العديد من الصناعات، مثل صناعة الورق، والبولي فينيل كلوريد (PVC)، والمطاط، والبلاستيك، والمواد اللاصقة، ومواد التلميع، ومعجون الأسنان. كما أن ارتفاع كراهية الماء لهذه المعادن يجعلها أكثر توافقًا مع الأنظمة العضوية.