يُحسّن تعديل كربونات الكالسيوم الخفيف خصائصها لتناسب استخدامات صناعية محددة. ويمكن إجراء هذا التعديل باستخدام تقنيات متنوعة، تشمل معالجة السطح وإضافة مواد وظيفية. تُحسّن هذه التقنيات خصائص مثل قابلية التشتت والاستقرار والتوافق مع المواد الأخرى.
يُستخدم الحجر الجيري في صناعة كربونات الكالسيوم الخفيفة. يُسخّن الحجر لإنتاج الجير (أكسيد الكالسيوم) وثاني أكسيد الكربون. ثم يُضاف الماء لإنتاج حليب الجير (هيدروكسيد الكالسيوم). بعد ذلك، يُضاف ثاني أكسيد الكربون لإنتاج كربونات الكالسيوم. ثم يُجفف الحجر ويُسحق.
تكنولوجيا ومعدات إنتاج كربونات الكالسيوم الخفيفة
في الصناعة، يُنتج كربونات الكالسيوم الخفيف عادةً عن طريق التفحيم. يُعد نظام تفاعل التفحيم جزءًا من طريقة التفحيم، وهو نظام ثلاثي الأطوار (غاز، سائل، صلب). ويتضمن بشكل أساسي المراحل التالية:
يتم خلط الجير والفحم بنسبة معينة. ثم يتم تسخينهما في فرن خلط لإنتاج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
عملية الهضم: يتم إزالة الخبث من الجير المكلس. ثم يدخل إلى خزان الهضم ليتفاعل مع الماء لإنتاج حليب الجير.
تحدث عملية التفحيم بعد تكرير حليب الجير. يتفاعل مع غاز الفرن عند درجة حرارة وتركيز معينين، ثم يخضع لعملية التفحيم.
التجفيف والتصنيف: التجفيف والتكسير والتصنيف والتعبئة باستخدام مكبس الترشيح.
التكليس
يُعدّ تكليس الحجر الجيري أساسيًا في إنتاج كربونات الكالسيوم الخفيفة عالية الجودة، كما أنه يُوفّر الطاقة ويُقلّل من استهلاكها. ولا يقتصر الأمر على استهلاك الطاقة في إنتاج الجير الحي فحسب، بل يؤثر أيضًا على استهلاك الطاقة في العملية برمتها. تستخدم معظم الشركات المحلية أفرانًا رأسية متعددة المواد لتكليس الحجر الجيري. أما الشركات الأكثر تطورًا فتستخدم أفرانًا رأسية ذات غلاف فولاذي، تتميز بمستوى عالٍ من الميكنة وهيكل متكامل. ولا تزال بعض الشركات تستخدم أفرانًا رأسية ذات هياكل من الطوب والخرسانة. كما تستخدم بعض الشركات أفرانًا رأسية متطورة تعمل بالغاز، بالإضافة إلى أفران أحادية الأنبوب وثنائية الأنبوب، مزودة بنظام تخزين حراري ذي تدفق متوازٍ، وهي مستوردة.
فرن عمودي جديد:
يُفضّل تكليس الحجر الجيري باستخدام الغاز أو الوقود السائل بدلاً من الفحم والكوك. يُنصح بتغيير نوع الأفران من النوع المختلط إلى النوع ذي الاحتراق المباشر. كما يُنصح باستخدام أفران التدفق المتوازي وأفران التخزين الحراري. بالإضافة إلى ذلك، يُنصح باستخدام أفران الأسطوانات المغناطيسية وغيرها من الأفران الرأسية للتكليس. لقد أثبتت صناعة الجير فوائد استخدام الغاز والوقود السائل في الأفران الرأسية، سواء محلياً أو عالمياً، وتشمل هذه الفوائد: التوفير الاقتصادي، وتحسين التكنولوجيا، ورفع جودة المنتج، وتعزيز سلامة العمال، وتخفيف عبء العمل.
فرن دوار:
يُكلس الحجر الجيري في فرن دوار باستخدام الغاز أو السائل كوقود. يتراوح حجم جزيئات الحجر الجيري بين 5 و10 ملم. تُخفض درجة حرارة التكليس إلى ما بين 800 و1100 درجة مئوية. يتميز الجير الناتج بالعديد من المزايا، فهو عالي النشاط، وغير ملوث، وسهل الهضم. كما أنه لا يتطلب سوى كمية قليلة من الخبث لإزالته. وقد استُخدم بنجاح في إنتاج كربونات الكالسيوم الخفيفة في الخارج.
فرن التكليس المعلق:
يتميز هذا الجهاز بالخصائص التالية: يحدث الاحتراق ونقل الحرارة والتحلل في نفس الحيز. كما يحدث الاحتراق بدون لهب ونقل الحرارة الفوري بشكل فوري. تصل المرحلة الغازية الصلبة إلى درجة حرارة ثابتة على الفور. النظام مغلق ويعمل تحت ضغط سلبي، مما يجعله آمنًا وصحيًا. يمكن التحكم به بواسطة حاسوب صغير، ويتميز بمستوى عالٍ من التحكم الآلي. ينتج منتجات مستقرة وغير ملوثة. يتمتع هذا الجهاز بتقنية ومعدات متطورة في صناعة الأسمنت.
فرن تكليس ديناميكي ذو إعصار:
يقوم هذا الجهاز بخلط المادة المكلسة مع الغاز الساخن، ويُجري عملية الخلط فورًا أثناء التدفق. يتميز بدرجة حرارة قابلة للتعديل ويعمل بشكل مستمر، مما يحافظ على درجة حرارة متساوية بين الغاز والمادة الصلبة داخل الفرن، وينقل الحرارة بسرعة. كما يتميز بفرق طفيف في درجة حرارة المادة، ويستهلك طاقة قليلة، ويعمل بنظام مغلق، فلا يُلوث المادة ولا البيئة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز بسهولة الضبط التلقائي. يُروج لهذا الجهاز في الصين، وله تجربة ناجحة في تكليس الكاولين.
هذا فرن تكليس بالجير النشط. يستخدم الفحم الحجري كوقود، ويسخن الحجر الجيري بطريقة غير مباشرة. يفي الحجر الجيري بمتطلبات الجودة الخاصة في معيار ZDB6001-85. تصل فعالية الجير إلى 330-360 درجة مئوية. ينتج الفرن الجير النشط بتسخين الحجر الجيري. لا يتلوث الجير بالكبريت أو العناصر الضارة الأخرى، أو الغبار، أو غيرها من الشوائب الموجودة في غازات الاحتراق الناتجة عن احتراق الفحم. كما أنه نشط للغاية ولا يُضيف الكربون. يُنتج غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التكليس، وهو غاز نقي لا يختلط بغازات الاحتراق، ويمكن إعادة تدويره.
عملية التفحيم
يُعد تفاعل الكربنة خطوةً أساسيةً في عملية إنتاج كربونات الكالسيوم. وتختلف هياكل الأبراج، مما يؤدي إلى اختلاف الأحجام ومعدلات التدفق ومساحات التلامس وسرعات التلامس. وتؤثر هذه العوامل على المواد المتفاعلة: غاز ثاني أكسيد الكربون ومستحلب هيدروكسيد الكالسيوم. وتؤثر هذه المتغيرات بشكل مباشر على جودة بلورات كربونات الكالسيوم.
تشمل أبراج الكربنة الأكثر استخدامًا حاليًا أبراج الفقاعات والرش. كما توجد أبراج التقليب المتقطع وأجهزة الجاذبية الفائقة. يتغير شكل وحجم الجزيئات خلال عملية الكربنة، ويعود هذا التغير إلى جهاز التحكم في الشكل والظروف المحيطة، والتي تشمل درجة الحرارة، وتركيز هيدروكسيد الكالسيوم، وسرعة التقليب، وتهوية ثاني أكسيد الكربون.
جاف
يُعدّ التجفيف من أهمّ عوامل استهلاك الطاقة في صناعة كربونات الكالسيوم الخفيفة، كما أنه يؤثر على جودة المنتج من خلال التحكم في الشوائب كالبقع السوداء، ودرجة الحموضة، والرواسب. لذا، من الضروري اختيار معدات تجفيف ذات استهلاك منخفض للطاقة، وقدرة عالية، وتقنيات صديقة للبيئة.
تستخدم شركات كربونات الكالسيوم الخفيفة عادةً مجففات أسطوانية. كما تستخدم أيضاً مجففات أنبوبية دوارة، ومجففات حزام شبكي، ومجففات قرصية، ومجففات مجدافية، ومجففات فلاش دوارة للتجفيف.
بالطبع، تستخدم بعض الشركات أيضًا نظامًا مزدوجًا لتجفيف كربونات الكالسيوم الخفيفة. على سبيل المثال، تستخدم إحدى الشركات في سيتشوان التجفيف السريع الدوراني، بالإضافة إلى عملية التجفيف بالمجداف المجوف. في البداية، تستفيد الشركة من سرعة التجفيف والتكسير التي يوفرها التجفيف السريع الدوراني، حيث تُجفف كعكة ترشيح كربونات الكالسيوم من 35% إلى حوالي 8%. ثم تُنقل إلى مجفف المجداف المجوف لتصل نسبة الرطوبة فيها إلى أقل من 0.2%.
تقنية ومعدات تعديل سطح كربونات الكالسيوم الخفيفة
تؤثر طريقة تشتت كربونات الكالسيوم وتعديلها بشكل مباشر على استخدامها، كما تؤثر على أماكن تطبيقها. تُعدّ هذه التقنية أساسية في صناعة كربونات الكالسيوم، بل إنّ تقنية نشر كربونات الكالسيوم الخفيفة وتغييرها أكثر أهمية من عملية تصنيعها نفسها. يتم تعديل سطح كربونات الكالسيوم الخفيفة بطريقتين: رطبة وجافة.
التنشيط الرطب هو إضافة مُنشِّط إلى مُذيب، كالماء مثلاً، ثم تقليب كربونات الكالسيوم فيه لتغطية سطحه، وأخيراً تجفيفه. تُجرى هذه العملية عادةً في الشركات المُصنِّعة لكربونات الكالسيوم الخفيفة أو النانوية. تشمل مُعدِّلات السطح الشائعة حمض الستياريك (ملحه)، والفوسفات، وحمض الفوسفوريك المُكثَّف، بالإضافة إلى مُستحلبات أملاح الأمونيوم الرباعية. تُعدّ الطريقة الرطبة طريقة تقليدية لمعالجة سطح كربونات الكالسيوم، وتعتمد على مُستحلبات قابلة للذوبان في الماء. من مزايا هذه الطريقة التغطية المُتجانسة وجودة الإنتاج العالية. مع ذلك، يتطلب التجفيف ضبط درجات حرارة وظروف مُحدَّدة. بعض مُستحلبات السطح غير قابلة للذوبان في الماء أو تتحلل بسهولة فيه. استخدام الكواشف العضوية الأخرى يُثير مخاوف تتعلق بالتكلفة والسلامة.
إحدى طرق التعديل الجاف هي وضع مسحوق كربونات الكالسيوم في المادة المعدلة، ثم إضافة المادة المعدلة للسطح. استخدم الخلاط وسخّن المزيج حتى يلتصق بكربونات الكالسيوم، مما يؤدي إلى تعديل الجزيئات.
تتشابه معدات تعديل الأسطح الجافة لكل من كربونات الكالسيوم الخفيفة والثقيلة. وهي تشمل بشكل أساسي مُعدِّل سطح المسحوق المستمر ثلاثي البكرات CRM. كما أنها تحتوي على مطحنة الدبابيس, مطحنة الخلايا, ، وإيدي مطحنة توربينية المُعدِّلات.
عدة معدات تعديل جافة
حظي تعديل كربونات الكالسيوم الخفيفة باهتمام متزايد في صناعات البلاستيك والمطاط والدهانات مؤخرًا. فمن خلال تعديل كربونات الكالسيوم الخفيفة، يستطيع المصنّعون تحسين منتجاتهم، مما يؤدي إلى زيادة المتانة، وخفض التكاليف، ورفع الجودة.