الكاولين نوع من المعادن غير الفلزية، يتكون أساسًا من معادن طينية من نوع الكاولينيت، وصيغته الكيميائية Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. يُصنف الكاولين، بحسب أصله الجيولوجي، إلى كاولين أولي وكاولين ثانوي. أما من حيث التطبيقات الصناعية، فيُصنف إلى كاولين صلب وكاولين لين. يُعد كاولين سلسلة الفحم مثالًا نموذجيًا للكاولين الصلب، ويُستخدم بشكل رئيسي كمادة خام لإنتاج الكاولين المُكلس. أما الكاولين اللين، فيُشير أساسًا إلى الكاولين الثانوي الرسوبي، ويُستخدم بشكل رئيسي في صناعات السيراميك والورق والطلاء. ويُستخدم الكاولين الرملي، الذي يحتوي على كمية كبيرة من رمل الكوارتز، في مجالات مختلفة تبعًا لدرجة نقائه بعد إزالة الرمل.
وفقًا لطرق المعالجة، يمكن تقسيم الكاولين إلى كاولين مغسول، وكاولين مكلس، وكاولين معدل.
بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة، يستخدم الكاولين على نطاق واسع في مجالات مختلفة، بما في ذلك السيراميك والورق والطلاء والمطاط والبلاستيك والمواد المقاومة للحرارة والمواد الكيميائية اليومية والمدخلات الزراعية والألياف الزجاجية والمحفزات والمستحضرات الصيدلانية.
مخلفات الفحم هي نفايات صلبة تنتج أثناء استخراج الفحم وغسله. وهي معادن مصاحبة لطبقات الصخور الرسوبية الحاملة للفحم، وتتكون أساسًا من الكاولينيت والكوارتز. عادةً، يبلغ محتوى الكاولينيت حوالي 70%، مما يجعلها من أنواع الكاولين المرتبطة بالفحم. يمكن استخدام مخلفات الفحم لإنتاج منتجات الكاولين، وخاصة منتجات الكاولين المكلس عالية الجودة.
لطالما تم تخزين مخلفات الفحم بكميات كبيرة كنفايات صناعية، مما أدى إلى استنزاف الأراضي وتلويث البيئة. إن تحويل مخلفات الفحم إلى منتجات الكاولين عالية الجودة لا يساهم فقط في حل المشكلات البيئية الناجمة عنها، بل يلبي أيضاً الطلب المتزايد على الكاولين في السوق، مما يحقق فوائد بيئية واقتصادية على حد سواء.
التقنيات الحالية لإنتاج الكاولين من مخلفات الفحم
تزخر الصين بموارد وفيرة من مخلفات الفحم، إلا أن وجود شوائب الحديد والتيتانيوم والكربون العضوي قد حدّ من تطور إنتاج الكاولين فيها. وفي السنوات الأخيرة، أُحرز تقدم ملحوظ في إنتاج الكاولين من مخلفات الفحم. وتشمل عمليات الإنتاج الرئيسية إثراء الخام، والتنقية، والتقشير، والطحن فائق النعومة، والتكليس، وتعديل السطح.
1. إثراء الخام وتنقيته
تتضمن عمليات إثراء وتنقية الخام إزالة الشوائب والمعادن الحاملة للحديد (مثل البيريت) من مخلفات الفحم يدوياً أو آلياً. وتُستخدم تقنيات مثل الفصل بالوسائط الثقيلة والفرز الكهروضوئي بشكل شائع. بعد ذلك، تُطبق عمليات تكسير وطحن وفصل مغناطيسي قوي لإزالة شوائب الحديد والتيتانيوم والكوارتز، مما يزيد من نقاء المادة الخام.
2. انفصال الطبقات
تستغل عملية الفصل الطبقي البنية الطبقية لبلورات الكاولينيت في مخلفات الفحم وقوى التجاذب الضعيفة بينها. تُستخدم طرق فيزيائية أو كيميائية لفصل الكاولينيت إلى رقائق رقيقة للغاية. تشمل الطرق المتقدمة حاليًا الطحن والفصل الطبقي، وطرق النفث عالي السرعة، والفصل الطبقي الكيميائي. يسمح إضافة المواد الكيميائية أثناء الطحن للقوى الكيميائية والميكانيكية مجتمعة بالتغلب على قوى التجاذب بين الطبقات وإزالة الشوائب الملونة. تعمل عمليات الترسيب أو الطرد المركزي أو الفصل المغناطيسي أو التبييض اللاحقة على تحسين بياض الكاولين ونعومته.
3. طحن متناهية الصغر
يُعدّ الطحن فائق النعومة للكاولين خطوةً أساسيةً في عمليات المعالجة المتقدمة وتعزيز القيمة المضافة. يهدف هذا الطحن إلى تغيير شكل جزيئات الكاولين وتوزيع أحجامها، مما يُحسّن خصائصه الفيزيائية والكيميائية بشكلٍ ملحوظ أو يُكسبه خصائص جديدة. وهذا يُتيح للكاولين تلبية متطلبات التطبيقات المتطورة. تُستخدم عادةً معداتٌ مثل مطاحن الكرات، ومطاحن ريموند، والمطاحن الأوروبية، والمطاحن النفاثة، وتُقترن عادةً بأنظمة التشتيت، وفك التكتلات، والتصنيف لضمان نعومة المسحوق.
4. التكليس
تتضمن عملية التكليس معالجة مسحوق مخلفات الفحم حراريًا، بعد عمليات التخصيب والتقشير والطحن، عند درجات حرارة محددة. وتهدف هذه العملية إلى إزالة الكربون العضوي والمعادن الأخرى لتحسين بياض الكاولين، وإزالة الماء ومجموعات الهيدروكسيل من الكاولينيت لزيادة حجم المسام والنشاط الكيميائي، وتحسين الخصائص الفيزيائية. ويمكن استخدام الكاولين المُكلس الناتج مباشرةً في مجالات متنوعة، أو معالجته لاحقًا من خلال تعديل السطح وتقنيات التركيب.
5. تعديل السطح
تتضمن عملية تعديل سطح الكاولين معالجة سطح المسحوق بطرق فيزيائية أو ميكانيكية أو كيميائية، وذلك حسب متطلبات التطبيق. والهدف من ذلك هو تغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لتلبية احتياجات المواد والتقنيات الجديدة. ومن العوامل الشائعة الاستخدام عوامل اقتران السيلان والتيتانات. ويُستخدم الكاولين المُعدَّل في صناعات البلاستيك والمطاط والطلاءات.
يواجه إنتاج الكاولين القائم على مخلفات الفحم حالياً القيود التالية:
- تتطلب مخلفات الفحم تركيباً كيميائياً عالياً، مما يستلزم استخدام مخلفات الفحم منخفضة الحديد والتيتانيوم كمادة خام.
- يمكن أن يؤدي الترشيح الحمضي القوي إلى تحسين إزالة الشوائب ولكنه يولد كميات كبيرة من مياه الصرف الحمضية، مما يشكل أعباء بيئية ثقيلة.
- متطلبات التحكم العالية في العملية؛ يمكن أن تؤدي درجة حرارة التكليس غير المناسبة أو مدتها إلى منتجات مكلسة بشكل زائد أو ناقص، مما يؤثر على البياض والنشاط.
عمليات جديدة لإنتاج الكاولين من مخلفات الفحم
لمعالجة قيود إنتاج الكاولين التقليدي من مخلفات الفحم في الصين، طوّر الباحثون عملية جديدة تهدف إلى إنتاج كاولين صديق للبيئة ومنخفض الاستهلاك، يتميز ببياض يزيد عن 90%، وحجم جسيمات أقل من 2 ميكرومتر، ومعدل تمرير يزيد عن 90%، ويُعرف باسم "الكاولين المكلس عالي الجودة ذو درجة الحرارة 90 المزدوجة". تعتمد هذه العملية على الطحن فائق النعومة والتجفيف بالرش والتكليس في فرن دوار، وتُنتج معها رمل البناء وكلوريد الحديديك متعدد الألومنيوم. وفيما يلي تفاصيل العملية:
- تُرسل مخلفات الفحم المسحوقة مبدئياً إلى قسم الفرز. وتُدمج عمليات الفرز اليدوي والفصل باستخدام وسائط ثقيلة والفصل الكهروضوئي لإزالة المخلفات والبيريت. ثم تُعالج المخلفات المفصولة لتُصبح رمل بناء.
- تُرسل مخلفات الفحم، بعد إزالة الشوائب والبيريت منها، إلى المطحنة. بعد التكسير والطحن وتحضير الملاط، تُصنف المادة إلى ملاط ناعم وملاط خشن. يُعاد الملاط الخشن للطحن فائق النعومة، بينما يخضع الملاط الناعم لمزيد من الطحن فائق النعومة.
- يُرسل معجون مخلفات الفحم المطحون ناعماً جداً إلى وحدة إزالة الحديد. وتُستخدم الأحماض غير العضوية لإزالة آثار الحديد والتيتانيوم، مع ذوبان كمية صغيرة من الألومنيوم أيضاً.
- يُصفّى المعلق المُزال منه الحديد، ثم يُعجن ويُشتت. تُضاف عوامل التبييض، ويُجفف بالرش للحصول على مسحوق مخلفات الفحم. بعد ذلك، يُكلس المسحوق باستخدام فرن دوار أو بالتكليس المعلق لإنتاج الكاولين "دبل 90" الذي يفي بالبياض والنعومة المطلوبين.
- يحتوي الراشح الناتج عن إزالة الحديد على أملاح الألومنيوم وكمية ضئيلة من أملاح الحديد، ويُعاد تدويره كمادة خام للطحن الدقيق. وعندما يصل تركيز الألومنيوم والحديد إلى المستوى المطلوب، يخضع الراشح لعملية الترسيب والترشيح، ثم يُعالَج ليُصبح هيدروكسيدًا مختلطًا من الألومنيوم والحديد. بعد ذلك، يُعالَج الهيدروكسيد المختلط بالترشيح الحمضي، ثم يُبلمر، ثم يُجفَّف لإنتاج كلوريد الحديديك متعدد الألومنيوم الصلب.
لا ينتج عن هذه العملية أي مخلفات أو مياه صرف صحي.
خاتمة
يُعدّ إنتاج الكاولين من مخلفات الفحم طريقةً ناضجةً وفعّالةً لاستغلال مواردها. ولا يقتصر استخدام هذه المخلفات كمادة خام لإنتاج الكاولين على توسيع نطاق استخدام الموارد فحسب، بل يفتح آفاقًا جديدةً للتحوّل الصناعي في المناطق المنتجة للفحم، كما يُلبي الطلب على موارد الكاولين في التنمية الاقتصادية الوطنية.
على وجه الخصوص، توفر عملية إنتاج الكاولين الجديدة القائمة على مخلفات الفحم، والتي لا تُصدر أي انبعاثات، فوائد بيئية واقتصادية واجتماعية ممتازة. وسيساهم الترويج لها وتطبيقها في فتح آفاق أوسع لتطوير صناعة استغلال موارد مخلفات الفحم في الصين.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين