Kaolin ist ein nichtmetallisches Mineral, das hauptsächlich aus Kaolinit-Tonmineralien besteht und die chemische Formel Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O besitzt. Geologisch wird Kaolin in primären und sekundären Kaolin unterteilt. Industriell betrachtet unterscheidet man zwischen Hartkaolin und Weichkaolin. Kohleflözkaolin ist ein typischer Hartkaolin und dient hauptsächlich als Rohstoff für die Herstellung von kalziniertem Kaolin. Weichkaolin ist vorwiegend sekundärer, sedimentärer Kaolin und findet hauptsächlich in der Keramik-, Papier- und Beschichtungsindustrie Verwendung. Sandiger Kaolin, der einen hohen Anteil an Quarzsand enthält, wird je nach Reinheitsgrad nach der Sandentfernung in verschiedenen Bereichen eingesetzt.
Je nach Verarbeitungsmethode kann Kaolin in gewaschenes Kaolin, kalziniertes Kaolin und modifiziertes Kaolin unterteilt werden.
Aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften findet Kaolin in verschiedenen Bereichen breite Anwendung, darunter Keramik, Papier, Beschichtungen, Gummi, Kunststoffe, feuerfeste Materialien, Alltagschemikalien, landwirtschaftliche Betriebsmittel, Glasfaser, Katalysatoren und Pharmazeutika.
Kohlenabraum ist ein fester Abfallstoff, der beim Kohleabbau und der Kohleaufbereitung anfällt. Er ist ein Begleitmineral kohleführender Sedimentgesteinsschichten und besteht hauptsächlich aus Kaolinit und Quarz. Typischerweise liegt der Kaolinitgehalt bei etwa 701 % und 3 % und zählt somit zu den Kaolinen der Kohleserie. Kohlenabraum kann zur Herstellung von Kaolinprodukten, insbesondere von hochwertigen kalzinierten Kaolinprodukten, verwendet werden.
Kohlenhalden wurden lange Zeit als industrielle Massenabfälle gelagert, was Land beanspruchte und die Umwelt belastete. Die Umwandlung von Kohlenhalden in hochwertige Kaolinprodukte löst nicht nur die durch Kohlenhalden verursachten Umweltprobleme, sondern deckt auch die Marktnachfrage nach Kaolin und generiert somit sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile.
Aktuelle Technologien zur Kaolingewinnung aus Kohlenabraum
China verfügt über reichhaltige Kohlenabraumvorkommen, doch der Gehalt an Eisen- und Titanverunreinigungen sowie organischem Kohlenstoff hat die Kaolingewinnung bisher eingeschränkt. In den letzten Jahren wurden jedoch bedeutende Fortschritte bei der Kaolinherstellung aus Kohlenabraum erzielt. Zu den wichtigsten Produktionsprozessen zählen die Erzaufbereitung, Reinigung, Delaminierung, Feinvermahlung, Kalzinierung und Oberflächenmodifizierung.
1. Erzaufbereitung und -reinigung
Die Erzaufbereitung und -reinigung umfasst die manuelle oder maschinelle Entfernung von Gangart und eisenhaltigen Mineralien (wie Pyrit) aus dem Kohlebergwerk. Gängige Verfahren sind die Schwerflüssigkeitstrennung und die photoelektrische Sortierung. Anschließend werden weitere Zerkleinerungs-, Mahl- und Magnetscheidungsverfahren angewendet, um Eisen-, Titan- und Quarzverunreinigungen zu entfernen und so die Reinheit des Rohmaterials zu erhöhen.
2. Delamination
Die Delaminierung nutzt die Schichtstruktur der Kaolinitkristalle im Kohlenabraum und deren schwache Zwischenschichtkräfte. Physikalische oder chemische Verfahren dienen der Trennung des Kaolinits in ultradünne, feine Flocken. Zu den etablierten Verfahren zählen derzeit die Mahldelaminierung, Hochgeschwindigkeitsstrahlverfahren und die chemische Delaminierung. Durch die Zugabe von Chemikalien während des Mahlvorgangs können die kombinierten chemischen und mechanischen Kräfte die Zwischenschichtkräfte überwinden und farbige Verunreinigungen entfernen. Anschließende Sedimentation, Zentrifugation, Magnetscheidung oder Bleichen verbessern den Weißgrad und die Feinheit des Kaolins.
3. Ultrafeine Vermahlung
Die Ultrafeinvermahlung von Kaolin ist ein entscheidender Schritt in der Weiterverarbeitung und Wertsteigerung. Ziel ist die physikalische Veränderung der Partikelform und -größenverteilung, wodurch die physikalischen und chemischen Eigenschaften signifikant verbessert oder neue Eigenschaften erzielt werden. Dies ermöglicht es Kaolin, die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen zu erfüllen. Üblicherweise werden Kugelmühlen, Raymond-Mühlen, Mühlen nach europäischem Vorbild und Strahlmühlen eingesetzt, typischerweise in Kombination mit Dispersions-, Deagglomerations- und Klassiersystemen, um die Pulverfeinheit zu gewährleisten.
4. Kalzinierung
Die Kalzinierung umfasst die Wärmebehandlung des Kohlenabraumpulvers nach Aufbereitung, Delaminierung und Mahlung bei spezifischen Temperaturen. Ziel ist es, organischen Kohlenstoff und andere Mineralien zu entfernen, um den Weißgrad des Kaolins zu verbessern, Wasser und Hydroxylgruppen aus dem Kaolinit zu entfernen, um das Porenvolumen und die chemische Aktivität zu erhöhen, und die physikalischen Eigenschaften zu optimieren. Das so erhaltene kalzinierte Kaolin kann direkt in verschiedenen Bereichen eingesetzt oder durch Oberflächenmodifizierung und Kompositverfahren weiterverarbeitet werden.
5. Oberflächenmodifizierung
Die Oberflächenmodifizierung von Kaolin umfasst die Behandlung der Pulveroberfläche mittels physikalischer, mechanischer oder chemischer Verfahren je nach Anwendungsanforderungen. Ziel ist die Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften, um den Bedürfnissen neuer Materialien und Technologien gerecht zu werden. Häufig verwendete Mittel sind Silan- und Titanat-Haftvermittler. Modifiziertes Kaolin findet Anwendung in Kunststoffen, Gummi und Beschichtungen.
Die Kaolinproduktion aus Kohleabraum ist derzeit mit folgenden Einschränkungen verbunden:
- Hohe Anforderungen an die chemische Zusammensetzung des Kohlenabraums, weshalb Kohlenabraum mit niedrigem Eisen- und Titangehalt als Rohmaterial benötigt wird.
- Die Auslaugung mit starker Säure kann die Entfernung von Verunreinigungen verbessern, erzeugt aber große Mengen an saurem Abwasser, was eine erhebliche Umweltbelastung darstellt.
- Hohe Anforderungen an die Prozesskontrolle; eine ungeeignete Kalzinierungstemperatur oder -dauer kann zu über- oder unterkalzinierten Produkten führen, was sich auf Weißgrad und Aktivität auswirkt.
Neue Verfahren zur Kaolingewinnung aus Kohlenabraum
Um die Einschränkungen der traditionellen Kaolinproduktion aus Kohlenabraum in China zu überwinden, haben Forscher ein neues Verfahren zur Herstellung von umweltfreundlichem, ressourcenschonendem Kaolin mit einem Weißgrad >90%, einer Partikelgröße <2 µm und einer Siebdurchgangsrate >90% entwickelt – dem sogenannten “Double-90”-Hochqualitätskaolin. Das Verfahren kombiniert Feinvermahlung, Sprühtrocknung und Kalzinierung im Drehrohrofen und erzeugt als Nebenprodukte Bausand und Polyaluminiumeisen(III)-chlorid. Der Prozessablauf ist wie folgt:
- Das vorläufig zerkleinerte Kohlenabraummaterial wird sortiert. Manuelle Sortierung, Schwerflüssigkeitsabscheidung und fotoelektrische Trennung werden kombiniert, um Abraum und Pyrit zu entfernen. Der abgetrennte Abraum wird anschließend zu Bausand weiterverarbeitet.
- Kohlenabgänge, von denen Gangart und Pyrit entfernt wurden, werden gemahlen. Nach dem Brechen, Mahlen und der Aufbereitung der Suspension wird das Material in feine und grobe Suspensionen unterteilt. Die grobe Suspension wird einer Feinvermahlung unterzogen, die feine Suspension wird einer weiteren Feinvermahlung zugeführt.
- Die ultrafein gemahlene Kohlenabraum-Suspension wird der Eisenentfernung zugeführt. Anorganische Säuren dienen der Entfernung von Spuren von Eisen und Titan, wobei sich auch geringe Mengen Aluminium lösen.
- Die eisenfreie Suspension wird filtriert, aufgeschlossen und dispergiert. Anschließend werden Weißmacher zugesetzt und das Pulver sprühgetrocknet, um Kohlenabraumpulver zu erhalten. Dieses wird dann in einem Drehrohrofen oder durch Suspensionskalzinierung kalziniert, um “Double-90”-Kaolin mit der geforderten Weißheit und Feinheit herzustellen.
- Das Filtrat der Eisenentfernung enthält Aluminiumsalze und geringe Mengen an Eisensalzen. Es wird als Aufgabeschlamm für die Feinvermahlung wiederverwendet. Sobald die Aluminium- und Eisenkonzentration den erforderlichen Wert erreicht hat, erfolgt die Fällung, Filtration und Weiterverarbeitung zu einem gemischten Aluminium-Eisen-Hydroxid. Dieses wird anschließend säuregelaugt, polymerisiert und getrocknet, um festes Polyaluminiumeisen(III)-chlorid zu erhalten.
Bei diesem Verfahren entstehen weder Abfallrückstände noch Abwasser.
Abschluss
Die Kaolingewinnung aus Kohlenabraum ist eine bewährte und effiziente Methode zur Nutzung dieser Ressource. Die Verwendung von Kohlenabraum als Rohstoff für die Kaolinproduktion erweitert nicht nur die Möglichkeiten der Ressourcennutzung, sondern eröffnet auch neue Wege für den industriellen Wandel in Kohleabbaugebieten. Zudem deckt sie den Bedarf an Kaolinressourcen im Rahmen der nationalen Wirtschaftsentwicklung.
Insbesondere das neue, emissionsfreie Kaolinverfahren auf Basis von Kohlenabraum bietet hervorragende ökologische, ökonomische und soziale Vorteile. Seine Förderung und Anwendung werden der chinesischen Industrie zur Nutzung von Kohlenabraumressourcen weitreichende Entwicklungsperspektiven eröffnen.
Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, mein Artikel war hilfreich. Hinterlassen Sie gerne einen Kommentar. Bei weiteren Fragen können Sie sich auch an den Online-Kundendienst von Zelda wenden.
— Gepostet von Emily Chen