카올린은 일종의... 비금속 광물, 주로 카올리나이트 점토 광물로 구성되어 있으며, 화학적인 화학식은 Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O입니다. 지질학적 기원에 따라 카올린은 1차 카올린과 2차 카올린으로 나눌 수 있습니다. 산업적 용도에 따라서는 경질 카올린과 연질 카올린으로 분류됩니다. 그중 석탄계 카올린은 대표적인 경질 카올린으로, 주로 소성 카올린 생산의 원료로 사용됩니다. 연질 카올린은 주로 2차 퇴적 카올린을 말하며, 주로 세라믹, 제지, 코팅 등에 사용됩니다. 석영 모래를 다량 함유한 사질 카올린은 모래를 제거한 후 순도에 따라 다양한 분야에서 사용됩니다.
가공 방법에 따라 카올린은 세척 카올린, 소성 카올린, 변성 카올린으로 나눌 수 있다.
카올린은 고유한 물리적, 화학적 특성으로 인해 세라믹, 종이, 코팅제, 고무, 플라스틱, 내화물, 생활용품, 농업 투입재, 유리섬유, 촉매, 의약품 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.
석탄 폐석은 석탄 채굴 및 세척 과정에서 발생하는 고형 폐기물입니다. 석탄을 함유한 퇴적암층의 부속 광물로, 주로 카올리나이트와 석영으로 구성되어 있습니다. 일반적으로 카올리나이트 함량은 약 70%로, 석탄계 카올린에 속합니다. 석탄 폐석은 카올린 제품, 특히 고품질 소성 카올린 제품 생산에 사용될 수 있습니다.
석탄 폐석은 오랫동안 대량의 산업 폐기물로 쌓여 토지를 점유하고 환경을 오염시켜 왔습니다. 석탄 폐석을 고품질 카올린 제품으로 전환하는 것은 석탄 폐석으로 인한 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라 카올린에 대한 시장 수요를 충족시켜 환경적, 경제적 이점을 모두 창출합니다.
석탄 폐석으로부터 카올린을 생산하는 최신 기술
중국은 석탄 폐석 자원이 풍부하지만, 철, 티타늄 불순물 및 유기 탄소 함유로 인해 카올린 생산 개발이 제한적이었습니다. 최근 석탄 폐석을 이용한 카올린 생산에 상당한 진전이 이루어졌습니다. 주요 생산 공정에는 광석 선별, 정제, 박리, 초미세 분쇄, 소성 및 표면 개질이 포함됩니다.
1. 광석 선별 및 정제
광석 선별 및 정제는 석탄 폐석에서 맥석과 철 함유 광물(예: 황철석)을 수동 또는 기계적으로 제거하는 과정을 포함합니다. 중액 분리 및 광전 선별과 같은 기술이 일반적으로 사용됩니다. 이후 파쇄, 분쇄 및 강력 자력 분리를 통해 철, 티타늄 및 석영 불순물을 제거하여 원료의 순도를 높입니다.
2. 박리
박리 공정은 석탄 폐석에 함유된 카올리나이트 결정의 층상 구조와 약한 층간 인력을 이용합니다. 물리적 또는 화학적 방법을 사용하여 카올리나이트를 초미세 조각으로 분리합니다. 현재 널리 사용되는 방법으로는 분쇄-박리, 고속 분사법, 화학적 박리 등이 있습니다. 분쇄 과정에서 화학제를 첨가하면 화학적 힘과 기계적 힘이 결합하여 층간 인력을 극복하고 유색 불순물을 제거할 수 있습니다. 이후 침전, 원심분리, 자력 분리 또는 표백 공정을 통해 카올린의 백색도와 미세도를 향상시킵니다.
3. 초미세 분쇄
카올린의 초미세 분쇄는 심가공 및 부가가치 향상에 있어 핵심적인 단계입니다. 이 단계의 목적은 카올린 입자의 모양과 크기 분포를 물리적으로 변화시켜 물리적, 화학적 특성을 크게 개선하거나 새로운 특성을 부여하는 것입니다. 이를 통해 카올린은 고급 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 볼밀, 레이몬드밀, 유럽식 밀, 제트밀과 같은 장비가 일반적으로 사용되며, 분말의 미세도를 확보하기 위해 분산, 탈응집 및 분류 시스템과 함께 사용됩니다.
4. 소성
소성 공정은 선별, 박리 및 분쇄 과정을 거친 석탄 폐석 분말을 특정 온도에서 열처리하는 것입니다. 소성의 목적은 유기 탄소 및 기타 광물을 제거하여 카올린의 백색도를 향상시키고, 카올리나이트에서 수분과 수산화기를 제거하여 기공 부피와 화학적 활성을 증가시키며, 물리적 특성을 개선하는 것입니다. 이렇게 얻은 소성 카올린은 다양한 분야에 직접 사용하거나 표면 개질 및 복합화 기술을 통해 추가 가공할 수 있습니다.
5. 표면 개질
카올린 표면 개질은 용도에 따라 물리적, 기계적 또는 화학적 방법을 사용하여 분말 표면을 처리하는 것을 말합니다. 목표는 새로운 재료 및 기술의 요구 사항을 충족하기 위해 물리적 및 화학적 특성을 변경하는 것입니다. 일반적으로 사용되는 개질제로는 실란 및 티탄산염 커플링제가 있습니다. 개질된 카올린은 플라스틱, 고무 및 코팅 분야에 응용됩니다.
현재 석탄 폐석을 기반으로 한 카올린 생산은 다음과 같은 한계에 직면해 있습니다.
- 석탄 폐석에 대한 높은 화학적 조성 요구 조건으로 인해 원료로 저철분 및 저티타늄 석탄 폐석이 필요합니다.
- 강산 침출은 불순물 제거 효율을 높일 수 있지만, 다량의 산성 폐수를 발생시켜 환경에 심각한 부담을 준다.
- 높은 공정 제어 요구 사항; 부적절한 소성 온도 또는 시간은 과소성 또는 미소성 제품을 초래하여 백색도 및 활성에 영향을 미칠 수 있습니다.
석탄 폐석으로부터 카올린을 생산하는 새로운 공정
중국에서 기존 석탄 폐석 카올린 생산의 한계를 극복하기 위해 연구진은 환경 친화적이고 소비가 적으며 백색도가 90% 이상인 카올린을 생산하는 새로운 공정을 개발했습니다., 입자 크기 입자 크기가 2µm 미만이고 통과율이 90% 이상인 고품질 소성 카올린을 "더블 90"이라고 합니다. 이 공정은 초미세 분쇄 + 분무 건조 + 회전로 소성을 사용하며, 건설용 모래와 폴리알루미늄 염화제2철을 부산물로 생산합니다. 공정은 다음과 같습니다.
- 예비 분쇄된 석탄 폐석은 선별 공정으로 보내집니다. 수작업 선별, 중액 분리, 광전 분리를 조합하여 폐석과 황철석을 제거합니다. 분리된 폐석은 추가 가공을 거쳐 건설용 모래로 만들어집니다.
- 석탄 폐석에서 맥석과 황철석을 제거한 후 분쇄 공정으로 보냅니다. 파쇄, 분쇄 및 슬러리 제조 과정을 거친 후, 재료는 미세 슬러리와 조립 슬러리로 분류됩니다. 조립 슬러리는 초미세 분쇄 공정으로 다시 보내지고, 미세 슬러리는 더욱 미세하게 분쇄됩니다.
- 초미세 분쇄 석탄 폐석 슬러리는 철 제거 공정으로 보내집니다. 무기산을 사용하여 미량의 철과 티타늄을 제거하며, 소량의 알루미늄도 용해됩니다.
- 철분이 제거된 슬러리는 여과, 펄프화 및 분산 과정을 거칩니다. 백색화제를 첨가한 후 분무 건조하여 석탄 폐석 분말을 얻습니다. 이 분말은 회전로 또는 현탁 소성법을 사용하여 소성함으로써 요구되는 백색도와 미세도를 충족하는 "더블 90" 카올린을 생산합니다.
- 철 제거 공정에서 얻은 여과액에는 알루미늄염과 소량의 철염이 함유되어 있습니다. 이 여과액은 미세 분쇄용 공급 슬러리로 재활용됩니다. 알루미늄과 철의 농도가 요구되는 수준에 도달하면 침전, 여과 과정을 거쳐 알루미늄-철 혼합 수산화물로 가공됩니다. 이 혼합 수산화물은 추가적으로 산 침출, 중합 및 건조 과정을 거쳐 고체 폴리알루미늄 염화제2철을 생성합니다.
이 공정은 폐기물이나 폐수를 발생시키지 않습니다.
결론
석탄 폐석으로부터 카올린을 생산하는 것은 석탄 폐석 자원을 활용하는 성숙하고 효과적인 방법입니다. 석탄 폐석을 원료로 카올린을 생산하는 것은 자원 활용 경로를 확대할 뿐만 아니라 석탄 생산 지역의 산업 전환을 위한 새로운 길을 제시합니다. 또한 국가 경제 건설에 필요한 카올린 자원 수요를 충족시키는 데에도 기여합니다.
특히, 새로운 석탄 폐석 기반 카올린 무공해 공정은 환경적, 경제적, 사회적으로 탁월한 이점을 제공합니다. 이 공정의 보급 및 적용은 중국 석탄 폐석 자원 활용 산업 발전에 더욱 폭넓은 전망을 열어줄 것입니다.
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— 게시자 에밀리 첸