Eisenoxid in Kaolinton hat einen nachteiligen Einfluss auf dessen Farbe, verringert seine Helligkeit und Feuerbeständigkeit, was seinen Handelspreis deutlich senkt. Schon eine kleine Menge Eisenoxid, -hydroxid und -hydrat, wie z. B. 0,4%, reicht aus, um das Tonsediment rötlich bis gelblich zu färben. Diese Eisenoxide und -hydroxide können unter anderem Hämatit (rot), Magnetit (rötlich-braun), Goethit (bräunlich-gelb), Limonit (orange) und hydratisiertes Eisenoxid (rötlich-braun) sein. Daher besteht der erste Aufbereitungsschritt, um diesen Rohstoffen kommerziellen Wert zu verleihen, darin, Eisenoxid effektiv aus Kaolinton zu entfernen.
Wasserwaschmethode
Das Wasserwaschverfahren zur Herstellung von Kaolinbeschichtungen und -füllstoffen umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird der Rohlehm zu einer Suspension verarbeitet. Um Kaolin von mineralischen Verunreinigungen wie Quarz und Glimmer zu trennen und in drei Korngrößen (fein, mittel und grob) zu klassifizieren, muss die Suspension aus einzelnen, in Wasser suspendierten Mineralpartikeln bestehen. Die Kaolinpartikel tragen im Mischer entgegengesetzte Ladungen an ihren Kanten und Oberflächen, wodurch sie sich gegenseitig anziehen und Flocken bilden. Dispergiermittel wie Natriumpolyphosphat werden zugesetzt, um die Partikel in den Flocken zu trennen. Die Tonsuspension wird aus dem Mischer in Absetzbecken und Siebe gepumpt, um Sand und Kies mit einer Korngröße über 44 Mikrometer zu entfernen. Nach der Sandentfernung erhält man das gewünschte Kaolin.
Magnetische Trennung
Der magnetische Trennprozess nutzt die unterschiedliche magnetische Suszeptibilität verschiedener Mineralarten, um diese zu trennen. Farbige Verunreinigungen in Kaolin wie Rutil, Hämatit, Magnetit, Glimmer und Pyrit sind von Natur aus magnetisch. Die hochintensive magnetische Trennung hat bei der Gewinnung von Industriemineralien große Erfolge erzielt.
Flotation
Das Flotationsverfahren wird zur Verarbeitung von Kaolin aus primären und sekundären Lagerstätten eingesetzt. Während des Flotationsprozesses werden Kaolinit- und Glimmerpartikel getrennt, wodurch gereinigte Materialien entstehen, die für die industrielle Verwendung geeignet sind. Die selektive Flotationstrennung von Kaolinit und Feldspat wird normalerweise in einer Wasseraufschlämmung mit kontrolliertem Säure- oder Alkaligehalt durchgeführt.
Reduktionsmethode
Dreiwertiges Eisen ist nur in saurem Milieu mit einem pH-Wert von 3 oder niedriger löslich. Zweiwertiges Eisen ist in einem breiteren Säurebereich löslich, jedoch ist Fe²⁺ unter neutralen oder sauren Bedingungen nur unter reduzierenden Bedingungen stabil. In Gegenwart von Sauerstoff wird Fe²⁺ rasch zu dreiwertigem Eisen oxidiert, wobei feste Niederschläge mit Fe³⁺ entstehen. Die Entfernung von Fe³⁺-Verunreinigungen aus industriellem Kaolin erfolgt typischerweise durch physikalische Verfahren (Magnetscheidung, selektive Flockung) und chemische Behandlung unter sauren oder reduzierenden Bedingungen.
Natriumbisulfit, auch bekannt als Natriummetabisulfit oder Natriumpyrosulfit, reduziert und löst Eisen effektiv aus Kaolinton und wird derzeit in der Kaolinindustrie eingesetzt. Dieses Verfahren muss jedoch unter stark sauren Bedingungen (pH < 3) durchgeführt werden, was hohe Betriebskosten und Umweltauswirkungen mit sich bringt. Darüber hinaus sind die chemischen Eigenschaften von Natriumbisulfit instabil, was spezielle und teure Lagerungs- und Transportvorkehrungen erfordert.
Schwefeldioxidharnstoff ist ein starkes Reduktionsmittel, das häufig in der Lederverarbeitung, beim Textildruck und -färben, bei der Papierherstellung und beim Bleichen verwendet wird. Im Vergleich zu anderen Reduktionsmitteln wie Borhydrid und Versicherungspulver hat Schwefeldioxidharnstoff eine starke Reduktionsfähigkeit, ist umweltfreundlich, zersetzt sich nur wenig, ist sicher und hat niedrige Produktionskosten in großen Mengen. Unlösliches Fe3+ in Kaolin kann durch Schwefeldioxidharnstoff zu löslichem Fe2+ reduziert werden. Anschließend kann durch den Filtrations- und Waschprozess die Weiße des Kaolins erhöht werden. Schwefeldioxidharnstoff ist bei Raumtemperatur und neutralen Bedingungen sehr stabil und seine starke Reduktionsfähigkeit kann nur unter stark alkalischen Bedingungen (pH>10) oder Erhitzung (T>70°C) erreicht werden, was zu höheren Betriebskosten und Betriebsschwierigkeiten führt.
Oxidationsmethode
Bei der Oxidationsbehandlung werden Ozon, Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat und Natriumhypochlorit eingesetzt, um adsorbierte Kohlenstoffschichten zu entfernen und den Weißgrad zu verbessern. In Bereichen unter dickeren Deckschichten erscheint der Kaolinton grau und der Eisengehalt des Tons ist reduziert.
Durch die Verwendung starker Oxidationsmittel wie Ozon oder Natriumhypochlorit wird unlösliches FeS2 in Pyrit zu löslichem Fe2+ oxidiert, das anschließend durch Wasserwäsche aus dem System entfernt wird.
Säurelaugung
Sidhu et al. verwendeten Salzsäure- und Perchlorsäurelaugung zur Behandlung von Eisenoxiden und -hydroxiden. Die industrielle Entfernung von Eisenoxid aus hochreinem Ton oder Sandminen mithilfe von Schwefelsäure und anderen anorganischen Säuren ist jedoch mit erheblichen Einschränkungen verbunden, da die nach der Behandlung verbleibende Säure die bei der Keramikproduktion verwendeten Rohstoffe verunreinigen kann.
Im Vergleich zu anderen organischen Säuren ist Oxalsäure aufgrund ihrer Säure, guten Chelateigenschaften und hohen Reduktionskraft die vielversprechendste. Mithilfe von Oxalsäure kann gelöstes Eisen aus der Lauge als Oxalateisen ausgefällt werden, das durch Kalzinierung weiterverarbeitet werden kann, um reines Hämatit zu bilden. Oxalsäure kann kostengünstig aus anderen industriellen Prozessen gewonnen werden, und alle verbleibenden Oxalatsalze im behandelten Material zersetzen sich während des Brennvorgangs bei der Keramikherstellung zu Kohlendioxid.
Hochtemperatur-Kalzinierungsverfahren
Kaolin verändert seine Struktur und Phase während der Kalzinierung bei hohen Temperaturen, was in zwei Prozesse unterteilt werden kann: Entfernung von Strukturwasser und Phasenumwandlung. Die Kalzinierung ist der Prozess, der zur Herstellung hochwertiger Kaolinprodukte verwendet wird. Je nach Verarbeitungstemperatur werden zwei verschiedene Qualitäten von kalziniertem Kaolin hergestellt. Die Kalzinierung bei Temperaturen zwischen 650 und 700 °C entfernt strukturelle Hydroxylgruppen und verdampft Wasserdampf, was zu einer erhöhten Elastizität und Opazität des Kaolins führt, was ideale Eigenschaften für Papierbeschichtungsanwendungen sind. Darüber hinaus kann das Erhitzen von Kaolin auf 1000 bis 1050 °C seine Mahlleistung verbessern und einen Weißgrad von 92 bis 95% erreichen.
Chlorierungskalzinierungsmethode
Jackson untersuchte die Chlorierung von Kaolinmineralien zur Entfernung von Verunreinigungen, hauptsächlich Eisen und Titan, um eine Bleichung zu erreichen. Bei der Chlorierung werden Eisen und Titan aus Tonmineralien, insbesondere Kaolin, entfernt. Der Prozess findet bei hohen Temperaturen (700–1000 °C) statt, bei denen Kaolinit dehydroxyliert wird und sich in Metakaolinit umwandelt. Bei noch höheren Temperaturen bilden sich Spinell- und Mullitphasen. Diese Umwandlungen erhöhen durch Sintern die Hydrophobie, Härte und Partikelgröße der Kaolinpartikel. Die behandelten Mineralien können in verschiedenen Industrien eingesetzt werden, beispielsweise in der Papier-, PVC-, Gummi-, Kunststoff-, Klebstoff-, Polier- und Zahnpastaindustrie. Die höhere Hydrophobie dieser Mineralien verbessert ihre Kompatibilität mit organischen Systemen.