معادن کائولین

کائولین چیست؟

 

کائولن (Kaolin) ابتدا در سرزمین چین شناخته شد و لغت آن از کلمه چینی کائولینگ Kao-ling به معنی کوه بلند، منشا گرفته است. 200 سال قبل از میلاد مسیح کائولن به صورت کوهی بلند در منطقه جائوجائو واقع در شمال چین کشف شده است. در قرون گذشته سنگ های این منطقه برای ساختن ظروف چینی مورد استفاده قرار گرفته است، از این رو واژه خاک چینی (china clay) نیز در مورد آن به کار می رود. اما، امروزه فقط به کائولینی که در منطقه کورن وال (Cornwall) انگلستان یافت می شود، خاک چینی گویند.

کائولن سنگی نرم، خاکی، شکل پذیر و معمولا سفید تا تقریبا سفید که عمدتا از کائولینیت تشکیل شده است (50 تا 95 درصد) و معمولا حاوی سایر کانی های رسی، Fe، Ti، SiO2 و غیره می باشد. کائولن از دگرسانی سنگ های حاوی کانی های آلومینیم دار مانند فلدسپات به همراه سایر کانی ها مثل میکا یا کوارتز به وجود می آید. کائولن ممکن است علاوه بر کائولینیت، کوارتز و فلدسپات، کانی های دیگری نظیر اکسید آهن (Fe2O3)، هیدروکسید آهن (FeOOH)، پیریت (FeS2) روتایل (TiO2) و ترکیبات کربناتی یا مواد آلی در بر داشته باشد. وجود این ناخالصی ها در کائولن رفتار فیزیکی فرآیند تولید را شدیدا تحت تاثیر قرار می دهد.

کائولن یکی از مهمترین رس های رسوبی کشور انگلستان به شمار می رود که بر اثر تاثیر عوامل اپی ژنیک و هیپوژنیک روی سنگ های گرانیتی ایجاد می شود. سنگ های گرانیتی در اثر فشار لایه های زیرین زمین به پوسته زمین راه یافته و در پایان دوره کربونیفر و هم چنین در بین دوره های کربونیفر و کرتاسز، تغییر شکل یافته و به کائولن تبدیل شده اند.

بیشترین عواملی که در تبدیل سنگ های گرانیتی به کائولن دخالت دارد، عامل هیپوژنیک است. به این صورت که، بخارات آب فوق العاده داغ و گازهای اسیدی داغ که شامل ترکیبات برم و فلوئور هستند، از مرکز زمین منتشر شده و این گاز ها از بین ترک ها و شکاف های سنگ های گرانیتی عبور کرده و باعث تبدیل این سنگ به کائولن شده اند. واکنش های شیمیایی که در طی این فرآیند صورت می پذیرد، کاملا شناخته شده نیستند. اما واکنش هایی که در همین زمان روی فلدسپات پتاسیک صورت می گیرد و آن را تبدیل به کائولینیت، سیلیس و پتاس آزاد می کند تا حدی شناخته شده هستند. از اجزای سنگ های گرانیتی علاوه بر فلدسپات پتاسیک می توان به میکا و کوارتز اشاره نمود که ظاهرا تاثیر این مینرال ها روی تبدیل گرانیت به کائولن بسیار ناچیز است، هم چنین، در طی تبدیل گرانیت به کائولن مقدار کمی CaF2 و تورمالین که شامل برم و فلوئور می باشد، ایجاد می شود.

یکی از مشخصه های کائولن این است که از تجزیه سنگ های گرانیتی ایجاد شده و همراه با سنگ های گرانیتی یافت می شود و در مورد استخراج این رس، روش مخصوص و ویژه ای اتخاذ شده است، البته لازم به ذکر است که در انگلستان کائولن جزء رس های اولیه محسوب می شود، اما، در ایران این رس ها از محل تشکیل خود جا به جا شده و شاید بتوان گفت که کائولن ایران جزء رس های ثانویه باشد. در ایران، استخراج به روش روباز انجام می شود و بعد از بهره برداری، رس به کارخانه شستشو و تخلیص در نزدیکی معدن حمل شده و بعد از شستشو و تخلیص، آب اضافی توسط فیلتر پرس گرفته شده و کیک های اصل به وسیله اکسترود به ذرات ریز تبدیل شده و بعد از خشک شدن کائولن وارد بازار مصرف می شود.

برای استخراج از دستگاهی استفاده می شود که آب را با فشار به دیواره های دره پاشیده و رس های تشکیل شده را می شوید و سنگ گرانیت در پشت رس نمایان می شود. مخلوط آب و رس شسته شده به داخل کانالی هدایت شده و به وسیله این کانال، مخلوط رس و آب به یک مخزن آبگیر مانند، هدایت می شود که در درون این آبگیر بیشتر میکاها و ذرات کوارتزی که همراه با کائولن وجود دارد ته نشین شده سپس این سوسپانسیون نیمه تصفیه شده به ترتیب به داخل تانک ها و مخزن هایی پمپ شده که در داخل هر مخزن یک همزن قرار دارد و سرعت همزن مخزن ها با یکدیگر تفاوت دارد و سوسپانسیون از مخزن با همزن سرعت بالا به مخزنی با همزن سرعت پایین، پمپ می شود. در این تانک ها، کوارتز و میکای موجود از طریق رسوب گذاری جدا می شود.

سوسپانسیونی که باقی می ماند شامل مقدار زیادی آب است؛ لذا، ابتدا مقداری از آب آن از طریق حوضچه های سرباز تبخیر شده (عمل هم زدن در این جا هم ادامه دارد) و وقتی سوسپانسیون به حد کافی غلیظ شد، با استفاده از فیلتر پرس آب آن را گرفته و کیک های حاصله را درون کوره مخصوص حرارت داده و به صورت یک پودر خشک در می آورند که همان کائولن است. کائولن فرآوری شده در استانداردهای گوناگون در جهان داد و ستد می شود. کائولن بر اساس اندازه ذرات و انقاض تر به خشک طبقه بندی می شود و کارخانه جات تولید کننده کائولن ادعا دارند که آنالیز کائولن آن ها هر روز انجام شده و همیشه دارای ترکیب ثابت است.

ترکیبات کائولن

به علت روش خاصی که در تولید کائولن در انگلستان قرار دارد این ماده می تواند به عنوان یک منبع مهم در تهیه کائولینیت مورد استفاده قرار بگیرد، چرا که عمده مینرال موجود در کائولن، کائولینیت است. بر طبق آنالیز های انجام شده میزان SiO2 و Al2O3 موجود در رس کائولن، باید مطابق اندازه آن ها در کائولینیت باشد (39.5 درصد Al2O3 و 46.5 درصد SiO2 و اگر تطابق برقرار باشد نشان دهنده خلوص بالای کائولن فرآوری شده است.

میزان یون های قلیایی در کائولن کمتر از 2 درصد است و میزان اکسید آهن (Fe2O3) بین 0.15 و 1.2 درصد است. بر طبق آنالیز مینرالی که روی کائولن انگلستان انجام شده است میزان کائولینیت آن 85% یا حتی گاهی بیشتر است و حدود 12 درصد میکا و باقی آن به کوارتز تعلق دارد. البته گاهی اکسیدهای گوناگون هم در کائولن دیده می شود. هر چند از طریق آنالیزهایی که امروزه انجام می شود وجود تقریبا یک درصد مینرال مونت موریلونیت هم اثبات شده است اما به جرات می توان گفت که کائولن انگلستان عاری از مواد آلی است. اندازه ذرات کائولن مانند بالکلی ها یک محدوده وسیع را در بر نمی گیرند. کوچکترین ذراتی که در کائولن دیده شده است ذرات کوچک تر از 0.02 میکرون است، اما با این حال، وجود ذرات کوچکتر از 0.3 میکرون در کائولن غیر م

پلاستیسیته کائولن:

مقدار ذرات ریز در کائولن کمتر از بالکلی است و در نتیجه میزان پلاستیسیته کائولن کمتر از بالکلی ها است، به عبارت دیگر، نیروی اتصال کائولن در حالت تر، کمتر است. از مطالب فوق می توان این مطلب را توجیه نمود که چرا بدنه هایی که شامل کائولن هستند (میزان بالکلی در آن ها کم است یا اصلا وجود ندارد) از لحاظ شکل پذیری در حالت پلاستیک کارایی کمتری دارند.

تعویض کاتیونی:

در کائولن نسبت به بقیه رس ها میزان تعویض کاتیونی کمتر است. عمده یون های تعویضی در کائولن مانند بالکلی بوده و عبارت است از: K+، Na+، Mg+، Ca2+ و H+.عمول است و معمولا ذرات از 0.3 میکرون بزرگترند

دفلوکولاسیون:

از آنجا که میزان تعویض کاتیونی در کائولن نسبت به بالکلی بسیار کمتر است، لذا دوغاب کائولن نسبت به دوغاب بالکلی احتیاج به دفلوکولانت کمتری دارد و نسبت به اوردفلوکوله هم حساس می باشد و به راحتی می تواند اوردفلوکوله شود. در مورد این رس، سیلیکات سدیم به تنهایی نمی تواند کاملا دوغاب را دفلوکوله نماید. طبق گزارشات، پلی فسفات ها بیشترین تاثیر را در دفلوکوله کردن دارند اما دفلوکولاسیونی که به وسیله آنها ایجاد می شود پایدار نیست و دوغاب تمایل دارد تا با گذشت زمان دوباره فلوکوله شود.

انقباض تر به خشک:

مقدار آب کارپذیری که کائولن به آن نیازمند است در مقایسه با بالکلی بسیار کمتر است، از این رو، طبق تحقیقات انجام شده، انقباض تر به خشک به میزان قابل توجهی کمتر از بالکلی ها است.

استحکام خام:

میزان استحکام خام کائولن، هنگامی که این خاک کاملا در دمای 110 درجه خشک شده باشد، به مراتب کمتر از بالکلی ها است. علت این امر، شاید این باشد که میزان ذرات ریز و مواد آلی کائولن خیلی کمتر از بالکلی ها است.

رنگ بعد از پخت:

از آنجا که کائولن شامل کمترین ناخالصی ها در مقایسه با دیگر رس ها است (خصوصا از لحاظ اکسیدهای آهن)؛ لذا جزء سفید پخت ترین رس ها به حساب می آید.

انقباض پخت:

میزان انقباض خطی در مورد خاک کائولنی که در دمای 1280 درجه سانتی گراد پخت شده است حدود 10ال 13 درصد است. رس های کائولن از آن جا که شامل مقادیر کمی از اکسیدهای فلاکس هستند تا دمای 1200 درجه سانتی گراد، ایجاد فاز شیشه در آن ها دیده نشده است.

بيشترين مصارف كائولن

در كاغذسازي، سراميك، رنگسازي، ديرگداز، پلاستيك، لاستيك سازي، دارويي، حشره كش، جذب كننده، مواد پاك كننده، مواد غذايي، تهيه داروها و تهيه كودهاي شيميايي است. حدود 50 درصد از كائولن در كاغذسازي به عنوان پركننده و روكش، 20 درصد در صنايع سراميك و ديرگداز، 10 درصد در لاستيك سازي به عنوان پركننده و 20 درصد در رنگ سازي پلاستيك استفاده مي شود. كائولن يا خاك چيني به رنگ سفيد بيشترين كاربرد را در توليد چيني و سراميك دارد. سنگ کائولن برحسب نوع پيوندهايش به دو گروه پيوند نرم و سخت طبقه بندي مي شود. مصارف سنگ کائولن با پيوند نرم عمدتاً در صنايع کاشي سازي، چيني و سراميک سازي ا ستفاده مي شود و مصارف سنگ کائولن با پيوند سخت در صنايع لاستيک سازي و کاغذ سازي استفاده مي شود .

رنگدانه: كائولن كه به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار مي گيرد به نوع پركننده و پوشش كاغذ تقسيم مي شود كه اين تقسيم بندي براساس درخشندگي، اندازة ذرات و ويسكوزيته آن است. كائولن كاني پركنندة ارزان، سفيد يا نزديك به سفيد است كه در يك دامنه وسيع از PH خنثي است. غير ساينده و اندازه ذرات كوچك ولي فابل كنترل، هدايت گرمايي و الكتريكي كم و درخشندگي خوب است، در كاغذ، پلاستيك، رنگ، لاستيك، چسب، بتونه و... كاربرد دارد. تركيب شيميايي آن بحراني نيست به جز اينكه در رنگ تاثير ميگذارد، همچنين جذب روغن يا نفت آن بويژه براي رنگ يا لاستيك مهم است. خواص فوق به همراه شكل دانه ها، ويسكوزيته و PH به آن اجازه ميدهد تا به عنوان رنگدانة پوششي كاغذ بكار رود. درخشندگي، صافي و پذيرش جوهر در كاغذهاي چاپ و نوشتاري، هنري و... از خواص آن است. در پلاستيك، كائولن براي ايجاد سطح صاف، پايداري در جهات مختلف و مقاوت در برابر مواد شيميايي مصرف ميشود (PVC، پلي استر ترموپلاستيك، نايلون و...).

كاغذسازي: استفاده از كائولن در كاغذسازي باعث نرمي كاغذ خواهد شد و جذب جوهر، درخشندگي، ارزاني و پوشش مناسب از ديگر مزيت هاي استفاده از كائولن در صنايع كاغذسازي است.

رنگ سازي: استفاده از كائولن در رنگ سازي پلاستيك سبب كنترل ويسكوزيته مي شود. 10 % كائولن در رنگ سازي مورد مصرف دارد و باعث بالا رفتن قدرت پوششدهي، روان كنندگي و پخش كردن رنگ ميشود. در رنگ سازي از كائولن مرغوب و خالص به صورت ماده رنگي و پرکننده بهره مي گيرند. در رنگهايي كه با آب شسته مي شِوند نيز انواع كائولن درشت دانه نوع مات و انواع كائولن ريزدانه نوع شيشه اي را ايجاد مي كنند.

لاستيك سازي: در صنعت لاستيک سازي نيز كائولن را به عنوان ماده پرکننده به کار مي برند. كائولن مقاومت در برابر سايش و صلبيت آن را افزايش ميدهد. از كائولن خالص و نرم در لاستيک هاي نرم نظير کاشي هاي لاستيکي و كائولن ناخالص در تهيه لاستيک هاي سخت نظير پاشنه و کف در کفش ها و لاستيک خودرو ها استفاده مي شود

سراميك سازي: 20 % کائولن به عنوان يكي از مواد اوليه و اساسي در صنايع کاشي، چيني و سراميك سازي است. كائولن از انواع نسوزهاي آلومينيايي است كه ميزان Al2O3 در آنها بسته به نوع آنها متغير است. انواع كم آلومينا كائولن تكليس شده، فلينت (45-35%) و انواع پرآلومينا مانند آندالوزيت، كيانيت و سيليمانيت (60-40%).

كاربرد شيميايي ديگر: كائولن داراي آلومينا و سيليكا است (افزودني سيمان، توليد زئوليت و سولفات آلومينيم، توليد فايبرگلاس، كاتاليزور و عمل كنندههاي كاتاليزور، ظروف دارويي، حشره كشها، غذاي حيوانات).