Il caolino è un minerale non metallico, composto principalmente da argille caolinitiche, con formula chimica Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. In base all'origine geologica, il caolino può essere suddiviso in caolino primario e caolino secondario. In base alle applicazioni industriali, può essere classificato in caolino duro e caolino morbido. Tra questi, il caolino di origine carbonifera è un tipico caolino duro e viene utilizzato principalmente come materia prima per la produzione di caolino calcinato. Il caolino morbido si riferisce principalmente al caolino secondario di origine sedimentaria, utilizzato soprattutto nella produzione di ceramica, carta e rivestimenti. Il caolino sabbioso, che contiene una grande quantità di sabbia di quarzo, viene utilizzato in diversi settori a seconda della sua purezza dopo la rimozione della sabbia.
In base ai metodi di lavorazione, il caolino può essere suddiviso in caolino lavato, caolino calcinato e caolino modificato.
Grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche uniche, il caolino è ampiamente utilizzato in diversi settori, tra cui ceramica, carta, rivestimenti, gomma, plastica, materiali refrattari, prodotti chimici per uso quotidiano, input agricoli, fibra di vetro, catalizzatori e prodotti farmaceutici.
La ganga di carbone è un rifiuto solido generato durante l'estrazione e il lavaggio del carbone. Si tratta di un minerale associato a strati di roccia sedimentaria contenenti carbone, con una composizione minerale costituita principalmente da caolinite e quarzo. Tipicamente, il contenuto di caolinite è di circa 70%, il che la classifica come caolino della serie del carbone. La ganga di carbone può essere utilizzata per produrre prodotti a base di caolino, in particolare caolino calcinato di alta qualità.
Le scorie di carbone sono state a lungo accumulate come rifiuti industriali di grandi dimensioni, occupando terreno e inquinando l'ambiente. Trasformare le scorie di carbone in prodotti di caolino di alta qualità non solo risolve i problemi ambientali causati da tali scorie, ma soddisfa anche la domanda di caolino sul mercato, generando benefici sia ambientali che economici.
Tecnologie attuali per la produzione di caolino da scarti di carbone
La Cina possiede abbondanti risorse di scarti di carbone, ma la presenza di impurità di ferro, titanio e carbonio organico ne ha limitato lo sviluppo nella produzione di caolino. Negli ultimi anni, sono stati compiuti progressi significativi nella produzione di caolino dagli scarti di carbone. I principali processi produttivi includono l'arricchimento del minerale, la purificazione, la delaminazione, la macinazione ultrafine, la calcinazione e la modifica superficiale.
1. Arricchimento e purificazione del minerale
L'arricchimento e la purificazione del minerale prevedono la rimozione manuale o meccanica della ganga e dei minerali contenenti ferro (come la pirite) dalla ganga di carbone. Tecniche come la separazione mediante mezzi pesanti e la selezione fotoelettrica sono comunemente utilizzate. Successivamente, si applicano ulteriori processi di frantumazione, macinazione e separazione magnetica per rimuovere le impurità di ferro, titanio e quarzo, aumentando così la purezza della materia prima.
2. Delaminazione
La delaminazione sfrutta la struttura stratificata dei cristalli di caolinite nella ganga di carbone e le loro deboli forze interstrato. Per separare la caolinite in scaglie finissime si utilizzano metodi fisici o chimici. Attualmente, i metodi più consolidati includono la delaminazione per macinazione, i metodi a getto ad alta velocità e la delaminazione chimica. L'aggiunta di agenti chimici durante la macinazione permette alle forze chimiche e meccaniche combinate di superare le forze interstrato e rimuovere le impurità colorate. La successiva sedimentazione, centrifugazione, separazione magnetica o sbiancamento migliorano la bianchezza e la finezza del caolino.
3. Macinazione ultrafine
La macinazione ultrafine del caolino è una fase chiave nella lavorazione profonda e nell'aumento del valore aggiunto. Il suo scopo è quello di modificare fisicamente la forma e la distribuzione granulometrica del caolino, migliorandone significativamente le proprietà fisiche e chimiche o conferendogli nuove caratteristiche. Ciò consente al caolino di soddisfare i requisiti delle applicazioni di fascia alta. Vengono comunemente utilizzate apparecchiature come mulini a sfere, mulini Raymond, mulini di tipo europeo e mulini a getto, tipicamente abbinate a sistemi di dispersione, deagglomerazione e classificazione per garantire la finezza della polvere.
4. Calcinazione
La calcinazione consiste nel trattamento termico della polvere di ganga di carbone, dopo arricchimento, delaminazione e macinazione, a temperature specifiche. Gli obiettivi sono rimuovere il carbonio organico e altri minerali per migliorare la bianchezza del caolino, rimuovere l'acqua e i gruppi idrossilici dalla caolinite per aumentare il volume dei pori e l'attività chimica, e migliorare le proprietà fisiche. Il caolino calcinato risultante può essere utilizzato direttamente in diversi settori o ulteriormente lavorato mediante modifiche superficiali e tecniche composite.
5. Modifica della superficie
La modifica superficiale del caolino prevede il trattamento della superficie della polvere mediante metodi fisici, meccanici o chimici, a seconda delle esigenze applicative. L'obiettivo è quello di alterare le proprietà fisiche e chimiche per soddisfare le necessità di nuovi materiali e tecnologie. Gli agenti comunemente utilizzati includono silani e agenti di accoppiamento a base di titanato. Il caolino modificato trova applicazione nella produzione di materie plastiche, gomma e rivestimenti.
Attualmente, la produzione di caolino a partire da scarti di carbone presenta le seguenti limitazioni:
- Elevati requisiti di composizione chimica per la ganga di carbone, che richiedono come materia prima ganga di carbone a basso contenuto di ferro e titanio.
- Il lavaggio con acidi forti può migliorare la rimozione delle impurità, ma genera grandi quantità di acque reflue acide, con conseguenti gravi problemi ambientali.
- Elevati requisiti di controllo del processo; una temperatura o una durata di calcinazione non corrette possono portare a prodotti sovra- o sotto-calcinati, compromettendo la bianchezza e l'attività.
Nuovi processi per la produzione di caolino dai residui di carbone
Per ovviare ai limiti della produzione tradizionale di caolino da scarti di carbone in Cina, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo processo volto a produrre caolino ecocompatibile e a basso consumo energetico con un grado di bianchezza >90%, una granulometria <2 µm e un tasso di passaggio >90%, denominato caolino calcinato di alta qualità "Double-90". Il processo utilizza macinazione ultrafine, essiccazione a spruzzo e calcinazione in forno rotante, e produce contemporaneamente sabbia da costruzione e policloruro ferrico di alluminio. Il processo è il seguente:
- La ganga di carbone frantumata preliminare viene inviata alla fase di selezione. La selezione manuale, la separazione con mezzi pesanti e la separazione fotoelettrica vengono combinate per rimuovere la ganga e la pirite. La ganga separata viene ulteriormente lavorata per ottenere sabbia da costruzione.
- La ganga di carbone, privata di ganga e pirite, viene inviata alla macinazione. Dopo la frantumazione, la macinazione e la preparazione della sospensione, il materiale viene classificato in sospensioni fini e grossolane. La sospensione grossolana viene rimessa in macinazione ultrafine, mentre la sospensione fine viene sottoposta a un'ulteriore macinazione ultrafine.
- La fanghiglia di scarti di carbone finemente macinata viene inviata a un impianto di rimozione del ferro. Vengono utilizzati acidi inorganici per rimuovere tracce di ferro e titanio, con la conseguente dissoluzione di una piccola quantità di alluminio.
- La sospensione privata del ferro viene filtrata, ridotta in polpa e dispersa. Vengono aggiunti agenti sbiancanti, seguiti da un processo di essiccazione a spruzzo per ottenere polvere di ganga di carbone. La polvere viene quindi calcinata utilizzando un forno rotante o un sistema di calcinazione in sospensione per produrre caolino "Double-90" che soddisfi i requisiti di bianchezza e finezza.
- Il filtrato derivante dalla rimozione del ferro contiene sali di alluminio e una piccola quantità di sali di ferro. Viene riciclato come sospensione di alimentazione per la macinazione fine. Quando la concentrazione di alluminio e ferro raggiunge il livello richiesto, il materiale viene sottoposto a precipitazione, filtrazione e trasformato in un idrossido misto di alluminio e ferro. L'idrossido misto viene ulteriormente lisciviato con acido, polimerizzato ed essiccato per produrre policloruro ferrico di alluminio solido.
Questo processo non produce residui di scarto né acque reflue.
Conclusione
La produzione di caolino a partire dalle scorie di carbone rappresenta un metodo consolidato ed efficace per lo sfruttamento di queste risorse. L'utilizzo delle scorie di carbone come materia prima per la produzione di caolino non solo amplia le possibilità di utilizzo delle risorse, ma apre anche una nuova strada per la trasformazione industriale nelle aree produttrici di carbone. Inoltre, soddisfa la domanda di caolino necessaria per lo sviluppo economico nazionale.
In particolare, il nuovo processo di caolino a base di scarti di carbone a zero emissioni offre eccellenti vantaggi ambientali, economici e sociali. La sua promozione e applicazione apriranno prospettive più ampie per lo sviluppo dell'industria cinese di utilizzo delle risorse derivanti dagli scarti di carbone.
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— Pubblicato da Emily Chen