Le kaolin est un minéral non métallique, principalement composé de kaolinite, de formule chimique Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Selon son origine géologique, on distingue le kaolin primaire et le kaolin secondaire. Du point de vue de ses applications industrielles, il est classé en kaolin dur et kaolin mou. Le kaolin issu du charbon est un exemple typique de kaolin dur, principalement utilisé comme matière première pour la production de kaolin calciné. Le kaolin mou désigne principalement le kaolin secondaire sédimentaire, utilisé notamment dans la céramique, le papier et les revêtements. Le kaolin sableux, riche en sable de quartz, trouve des applications diverses selon sa pureté après désensablage.
Selon les méthodes de traitement, le kaolin peut être divisé en kaolin lavé, kaolin calciné et kaolin modifié.
Grâce à ses propriétés physiques et chimiques uniques, le kaolin est largement utilisé dans divers domaines, notamment la céramique, le papier, les revêtements, le caoutchouc, les plastiques, les matériaux réfractaires, les produits chimiques d'usage courant, les intrants agricoles, la fibre de verre, les catalyseurs et les produits pharmaceutiques.
Les stériles de charbon sont des déchets solides issus de l'extraction et du lavage du charbon. Ce sont des minéraux associés aux couches de roches sédimentaires charbonneuses, principalement composés de kaolinite et de quartz. La teneur en kaolinite est généralement d'environ 70 % (70 % TP3T), ce qui en fait un kaolin de la série du charbon. Les stériles de charbon peuvent être utilisés pour produire des produits à base de kaolin, notamment des kaolins calcinés de haute qualité.
Les résidus de charbon sont stockés depuis longtemps comme déchets industriels en vrac, occupant des terres et polluant l'environnement. Leur transformation en kaolin de haute qualité permet non seulement de résoudre les problèmes environnementaux qu'ils engendrent, mais aussi de répondre à la demande du marché, générant ainsi des avantages à la fois environnementaux et économiques.
Technologies actuelles de production de kaolin à partir de résidus de charbon
La Chine possède d'abondantes ressources en stériles de charbon, mais la présence d'impuretés de fer et de titane, ainsi que de carbone organique, a limité le développement de la production de kaolin. Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans ce domaine. Les principaux procédés de production comprennent l'enrichissement du minerai, sa purification, son délaminage, son broyage ultrafin, sa calcination et sa modification de surface.
1. Valorisation et purification du minerai
Le traitement et la purification du minerai consistent à éliminer manuellement ou mécaniquement la gangue et les minéraux ferreux (comme la pyrite) contenus dans la gangue de charbon. Des techniques telles que la séparation par milieu dense et le tri photoélectrique sont couramment utilisées. Le concassage, le broyage et la séparation magnétique intense permettent ensuite d'éliminer les impuretés de fer, de titane et de quartz, augmentant ainsi la pureté de la matière première.
2. Délamination
La délamination exploite la structure lamellaire des cristaux de kaolinite présents dans les stériles de charbon et leurs faibles forces interfoliaires. Des méthodes physiques ou chimiques permettent de séparer la kaolinite en fines paillettes. Actuellement, les méthodes éprouvées comprennent le broyage-délamination, le procédé par jet d'eau à haute vitesse et la délamination chimique. L'ajout d'agents chimiques lors du broyage permet aux forces chimiques et mécaniques combinées de vaincre les forces interfoliaires et d'éliminer les impuretés colorées. La sédimentation, la centrifugation, la séparation magnétique ou le blanchiment ultérieurs améliorent la blancheur et la finesse de la kaolinite.
3. Broyage ultrafin
Le broyage ultrafin du kaolin est une étape clé de sa transformation en profondeur et de l'augmentation de sa valeur ajoutée. Il vise à modifier physiquement la forme et la granulométrie des particules de kaolin, améliorant ainsi significativement ses propriétés physico-chimiques ou lui conférant de nouvelles propriétés. Ceci permet au kaolin de répondre aux exigences des applications de pointe. Des équipements tels que les broyeurs à boulets, les broyeurs Raymond, les broyeurs européens et les broyeurs à jet sont couramment utilisés, généralement associés à des systèmes de dispersion, de désagglomération et de classification pour garantir la finesse de la poudre.
4. Calcination
La calcination consiste à traiter thermiquement la poudre de gangue de charbon, après enrichissement, délaminage et broyage, à des températures spécifiques. Elle vise à éliminer le carbone organique et d'autres minéraux pour améliorer la blancheur du kaolin, à déshydrater la kaolinite en éliminant l'eau et les groupes hydroxyle afin d'accroître sa porosité et son activité chimique, et à améliorer ses propriétés physiques. Le kaolin calciné ainsi obtenu peut être utilisé directement dans divers domaines ou transformé ultérieurement par modification de surface et élaboration de composites.
5. Modification de surface
La modification de surface du kaolin consiste à traiter la surface de la poudre par des méthodes physiques, mécaniques ou chimiques, selon les exigences de l'application. L'objectif est de modifier ses propriétés physico-chimiques afin de répondre aux besoins des nouveaux matériaux et technologies. Parmi les agents couramment utilisés figurent les silanes et les agents de couplage titanates. Le kaolin modifié trouve des applications dans les plastiques, le caoutchouc et les revêtements.
Actuellement, la production de kaolin à partir de résidus de charbon est confrontée aux limitations suivantes :
- Exigences élevées en matière de composition chimique pour les résidus de charbon, nécessitant des résidus de charbon à faible teneur en fer et en titane comme matière première.
- Le lessivage à l'acide fort peut améliorer l'élimination des impuretés, mais il génère de grandes quantités d'eaux usées acides, ce qui représente une lourde charge environnementale.
- Des exigences élevées en matière de contrôle du processus ; une température ou une durée de calcination inappropriée peuvent conduire à des produits sur- ou sous-calcinés, affectant la blancheur et l'activité.
Nouveaux procédés de production de kaolin à partir de résidus de charbon
Pour pallier les limitations de la production traditionnelle de kaolin à partir de stériles de charbon en Chine, des chercheurs ont mis au point un nouveau procédé visant à produire un kaolin calciné de haute qualité, respectueux de l'environnement et à faible consommation, présentant une blancheur supérieure à 90%, une granulométrie inférieure à 2 µm et un taux de passage supérieur à 90%. Ce procédé, appelé “ Double-90 ”, combine broyage ultrafin, séchage par atomisation et calcination en four rotatif, et produit simultanément du sable de construction et du chlorure ferrique de polyaluminium. Voici le déroulement du procédé :
- Les résidus de charbon concassés sont triés. Le tri manuel, la séparation par billes de charbon et la séparation photoélectrique sont combinés pour éliminer les résidus et la pyrite. Les résidus séparés sont ensuite transformés en sable de construction.
- Les résidus de charbon, débarrassés de la gangue et de la pyrite, sont broyés. Après concassage, broyage et préparation de la suspension, le matériau est trié en suspensions fines et grossières. La suspension grossière est renvoyée pour un broyage ultrafin, tandis que la suspension fine subit un broyage ultrafin supplémentaire.
- La boue de gangue de charbon ultrafine est envoyée vers un procédé d'élimination du fer. Des acides inorganiques sont utilisés pour éliminer les traces de fer et de titane, ainsi qu'une petite quantité d'aluminium.
- La boue débarrassée du fer est filtrée, réduite en pulpe et dispersée. Des agents blanchissants sont ajoutés, puis la poudre est séchée par atomisation. Elle est ensuite calcinée dans un four rotatif ou par calcination en suspension pour produire du kaolin “ Double-90 ” répondant aux exigences de blancheur et de finesse.
- Le filtrat issu de l'élimination du fer contient des sels d'aluminium et une faible quantité de sels de fer. Il est recyclé comme suspension d'alimentation pour le broyage fin. Lorsque les concentrations d'aluminium et de fer atteignent le niveau requis, il subit une précipitation, une filtration, puis est transformé en un hydroxyde mixte d'aluminium et de fer. Cet hydroxyde mixte est ensuite lessivé à l'acide, polymérisé et séché pour produire du chlorure ferrique de polyaluminium solide.
Ce procédé ne produit aucun résidu ni eau usée.
Conclusion
La production de kaolin à partir de stériles de charbon est une méthode éprouvée et efficace de valorisation de ces ressources. L'utilisation des stériles de charbon comme matière première pour la production de kaolin élargit non seulement les possibilités d'utilisation des ressources, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour la transformation industrielle des régions charbonnières. Elle contribue en outre à répondre aux besoins en kaolin nécessaires au développement économique national.
En particulier, le nouveau procédé de production de kaolin à partir de résidus de charbon, sans émissions, présente d'excellents avantages environnementaux, économiques et sociaux. Sa promotion et son application ouvriront de plus larges perspectives pour le développement de l'industrie chinoise de valorisation des ressources issues des résidus de charbon.
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— Publié par Emily Chen