카올린은 특수한 물리적, 화학적 성질을 지닌 비금속 광물 자원으로, 세라믹, 제지, 고무, 플라스틱, 내화물, 석유 정제 및 기타 산업, 농업, 국방 분야의 첨단 기술에 필수적으로 사용됩니다. 카올린의 백색도는 그 활용 가치를 나타내는 중요한 지표입니다.
카올린의 백색도에 영향을 미치는 요인
카올린은 주로 카올리나이트 광물로 구성된 미세한 입자의 점토 또는 점토암의 일종입니다. 결정 화학식은 2SiO2·Al2O3·2H2O입니다. 소량의 비점토 광물로는 석영, 장석, 철 광물, 티타늄, 수산화알루미늄 및 산화물, 유기물 등이 있습니다.
카올린의 결정 구조
카올린의 백색도를 저하시키는 불순물은 불순물의 상태와 성질에 따라 유기 탄소, 철, 티타늄, 바나듐, 크롬, 구리, 망간 등의 색소 원소, 그리고 흑운모, 녹니석 등의 흑색 광물 등 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 카올린에 함유된 바나듐, 크롬, 구리, 망간 등의 원소는 함량이 적어 백색도에 미치는 영향은 미미합니다. 카올린의 백색도에 영향을 미치는 주요 요인은 철과 티타늄의 광물 조성 및 함량입니다. 이러한 원소들의 존재는 카올린의 천연 백색도뿐만 아니라 소성 후 백색도에도 영향을 미칩니다. 특히 산화철은 점토의 색상을 변색시키고 광택과 내화성을 저하시킵니다. 산화철, 수산화철, 수화철의 함량이 0.4%에 불과하더라도 점토 침전물이 붉은색에서 노란색으로 변색될 수 있습니다. 이러한 산화철과 수산화철은 적철석(붉은색), 마그헤마이트(적갈색), 괴테석(갈황색), 리모나이트(주황색), 수화 산화철(갈적색) 등이 될 수 있습니다. 카올린에서 철 불순물을 제거하는 것은 카올린의 활용도를 높이는 데 매우 중요한 역할을 한다고 할 수 있습니다.
철 원소의 존재 상태
카올린 내 철의 존재 형태는 철 제거 방법을 결정하는 주요 요인입니다. 많은 연구에서 미세 입자 형태의 결정질 철이 카올린 내에 혼합되어 있거나, 비정질 철이 카올린 미세 입자의 표면에 코팅되어 있다고 보고 있습니다. 현재 국내외에서는 카올린 내 철의 존재 형태를 크게 두 가지로 구분합니다. 하나는 카올리나이트 및 부수 광물(운모, 이산화티타늄, 일라이트 등)에 존재하는 구조철이고, 다른 하나는 독립적인 철 광물 형태로 존재하는 유리철(표면철, 미세 결정질 철, 비정질 철 포함)입니다.
카올린의 철 제거 및 백색화 과정에서 제거되는 철은 주로 자철석, 적철석, 갈철석, 능철석, 황철석, 일메나이트, 자로사이트 등의 광물을 포함하는 유리철입니다. 대부분의 철은 고도로 분산된 콜로이드성 갈철석 형태로 존재하며, 소량은 구형, 침상형 및 불규칙한 형태의 괴테석과 적철석으로 존재합니다.
카올린의 철 제거 및 미백 방법
물 분리
이 방법은 주로 석영, 장석, 운모와 같은 쇄설 광물과 암석 파편과 같은 조립 불순물, 그리고 일부 철 및 티타늄 광물을 제거하는 데 사용됩니다. 카올린과 밀도 및 용해도가 유사한 불순물 광물은 제거할 수 없으며, 백색도 개선 효과도 상대적으로 미미하여 비교적 고품질의 카올린 광석의 선별 및 백색화에 적합합니다.
자기 분리
카올린에 함유된 철 광물 불순물은 대개 자성이 약합니다. 현재는 주로 고경사 강자성 분리법을 사용하거나, 약자성 광물을 소성 후 강자성 산화철로 변환하여 일반 자성 분리법으로 제거하는 방법을 사용합니다.
수직 링 고경사 자기 분리기
전자기 슬러리용 고경사 자기 분리기
저온 초전도 자기 분리기
부유법
부유선별법은 1차 및 2차 광상에서 채굴된 카올린을 처리하는 데 적용되어 왔다. 부유선별 공정에서 카올리나이트와 운모 입자가 분리되며, 정제된 생성물은 여러 가지 적합한 산업 등급 원료가 된다. 카올리나이트와 장석의 선택적 부유선별은 일반적으로 pH가 조절된 슬러리에서 수행된다.
감소법
환원법은 카올린에 함유된 3가 철 불순물(예: 적철광, 갈철광)을 환원제를 이용하여 용해성 2가 철 이온으로 환원시킨 후, 여과 및 세척을 통해 제거하는 방법입니다. 산업용 카올린에서 Fe3+ 불순물을 제거하는 방법은 일반적으로 물리적 기술(자석 분리, 선택적 응집)과 산성 또는 환원 조건 하에서의 화학적 처리를 병행하는 것입니다.
아황산수소나트륨(Na2S2O4)은 카올린에서 철을 환원 및 침출하는 데 효과적이며, 현재 카올린 산업에서 사용되고 있습니다. 그러나 이 방법은 강산성 조건(pH<3)에서 수행해야 하므로 운영 비용이 높고 환경에 악영향을 미칩니다. 또한, 아황산수소나트륨은 화학적으로 불안정하여 특별하고 비용이 많이 드는 보관 및 운송 설비가 필요합니다.
이산화티오우레아((NH2)2CSO2, TD)는 강력한 환원제로, 환원력이 강하고 환경친화적이며 분해 속도가 느리고 안전하며 대량 생산 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있습니다. 카올린에 불용성인 Fe3+는 TD를 통해 가용성 Fe2+로 환원될 수 있습니다.
이후 여과 및 세척 과정을 거치면 카올린의 백색도를 높일 수 있습니다. TD는 상온 및 중성 조건에서 매우 안정적입니다. TD의 강력한 환원 능력은 강알칼리성(pH>10) 또는 가열(T>70°C) 조건에서만 얻을 수 있으므로, 높은 운영 비용과 어려움이 따릅니다.
산화법
산화 처리에는 오존, 과산화수소, 과망간산칼륨 및 차아염소산나트륨을 사용하여 흡착된 탄소층을 제거함으로써 백색도를 향상시키는 과정이 포함됩니다. 두꺼운 표토층 아래 깊은 곳에 있는 카올린은 회색이며, 카올린 내의 철은 환원 상태입니다. 오존이나 차아염소산나트륨과 같은 강력한 산화제를 사용하여 황철석 내의 불용성 FeS2를 가용성 Fe2+로 산화시킨 후, 세척하여 시스템에서 Fe2+를 제거합니다.
산침출법
산침출법은 카올린에 함유된 불용성 철 불순물을 염산, 황산, 옥살산 등의 산성 용액에서 가용성 물질로 전환시켜 카올린으로부터 분리하는 방법입니다. 다른 유기산과 비교했을 때, 옥살산은 강한 산도, 우수한 착화성, 그리고 높은 환원력 때문에 가장 유망한 산으로 여겨집니다. 옥살산을 사용하면 용해된 철을 옥살산제일철 형태로 침출액에서 침전시킬 수 있으며, 이를 소성하여 순수한 적철광으로 만들 수 있습니다. 옥살산은 다른 산업 공정에서 저렴하게 얻을 수 있으며, 세라믹 제조의 소성 단계에서 처리된 재료에 잔류하는 옥살산철은 이산화탄소로 분해됩니다. 많은 연구자들이 옥살산을 이용한 산화철 용해에 대한 연구를 진행해 왔습니다.
고온 소성법
소성 공정은 특수 등급 카올린 제품을 생산하는 과정입니다. 처리 온도에 따라 두 가지 등급의 소성 카올린이 생산됩니다. 650~700℃ 범위에서 소성하면 구조적 수산화기가 제거되고, 방출되는 수증기는 카올린의 탄성과 불투명도를 향상시켜 제지 코팅 용도에 이상적인 특성을 부여합니다. 또한, 카올린을 1000~1050℃에서 가열하면 내마모성을 높일 뿐만 아니라 92~95%의 백색도를 얻을 수 있습니다.
염소화 소성
염소화 반응을 통해 점토 광물, 특히 카올린에서 철과 티타늄을 제거한 결과, 우수한 성능을 얻었다. 염소화 및 소성 공정에서 고온(700℃~1000℃)에서는 카올리나이트가 탈수산화되어 메타카올리나이트를 형성하고, 더 높은 온도에서는 스피넬과 뮬라이트 상이 형성된다. 이러한 변환을 통해 소수성, 경도 및 소결을 통한 입자 크기가 증가한다. 이렇게 처리된 광물은 제지, PVC, 고무, 플라스틱, 접착제, 연마제, 치약 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있다. 소수성이 높아짐에 따라 유기 시스템과의 호환성도 향상된다.
미생물학적 방법
미생물을 이용한 광물 정제 기술은 미생물 침출 기술과 미생물 부유선별 기술을 포함하는 비교적 새로운 광물 처리 분야입니다. 미생물 침출 기술은 미생물과 광물 간의 심층적인 상호작용을 이용하여 광물의 결정 구조를 파괴하고 유용한 성분을 용해시키는 추출 기술입니다. 카올린에 함유된 산화황철석 및 기타 황화광석은 이 미생물 추출 기술을 통해 정제할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 미생물로는 티오바실러스 페로옥시단스(Thiobacillus ferrooxidans)와 철 환원 세균 등이 있습니다. 이 미생물법은 비용이 저렴하고 환경 오염이 적으며, 카올린의 물리화학적 특성에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 카올린 광물의 정제 및 백색화에 있어 발전 가능성이 높은 새로운 기술입니다.
요약
카올린의 철 제거 및 백색화 처리는 색상 원인과 적용 목적에 따라 최적의 방법을 선택하여 카올린 광물의 종합적인 백색화 성능을 향상시키고, 활용 가치와 경제성을 높여야 합니다. 향후 발전 방향은 화학적, 물리적, 미생물학적 방법의 특성을 유기적으로 결합하여 각 방법의 장점을 극대화하고 단점과 한계를 보완함으로써 더욱 우수한 백색화 효과를 달성하는 데 있습니다. 동시에, 다양한 불순물 제거 방법의 새로운 메커니즘을 연구하고 공정을 개선하여 카올린의 철 제거 및 백색화 공정을 친환경적이고 효율적이며 저탄소 방향으로 발전시켜야 합니다.
게시 시간: 2023년 3월 2일