Cao lanh (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) chứa khoảng 39% alumina theo trọng lượng. Điều này làm cho nó trở thành nguyên liệu thô khả thi để sản xuất alumina độ tinh khiết cao (HPA), là alumina có độ tinh khiết trên 99,99% và được sử dụng trong chất nền sapphire của đèn LED, lớp phủ màng ngăn pin lithium và các linh kiện bán dẫn. Có nhiều quy trình có thể chuyển đổi cao lanh thành HPA. Mỗi quy trình liên quan đến các thiết bị khác nhau để nghiền, phân loại, nung và lọc.
Vì sao cao lanh có thể dùng làm nguyên liệu thô cho HPA?
Cao lanh có nhiều, giá thành thấp và cấu trúc tinh thể xác định rõ. Công thức hóa học lý thuyết của cao lanh là Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, trong đó hàm lượng alumina lý thuyết cao tới 39,53 wt%. Tỷ lệ này mang lại cho cao lanh giá trị kinh tế và kỹ thuật như một nguồn alumina, đặc biệt trong bối cảnh nguồn bauxite chất lượng cao ngày càng khan hiếm. Khi được nung nóng đến 500 đến 700 °C, kaolinit mất nước cấu trúc và chuyển hóa thành metakaolin, một pha vô định hình có khả năng phản ứng trong axit cao hơn nhiều so với khoáng chất ban đầu. Bước hoạt hóa nhiệt này là điều kiện giúp cho việc chiết xuất hóa học alumina tiếp theo có thể thực hiện được ở nồng độ axit và nhiệt độ hợp lý.
Thách thức chính là silica. Cao lanh chứa khoảng 461% silica, và để đạt được độ tinh khiết alumina 99,991% cần phải loại bỏ nó bằng phương pháp ngâm tẩm axit để hòa tan alumina trong khi vẫn giữ lại silica, hoặc phương pháp kiềm để làm ngược lại. Việc lựa chọn phương pháp nào sẽ quyết định thiết bị cần thiết cho các bước tiếp theo.
Phương án 1: Khai thác axit từ Metakaolin
Phương pháp chuyển đổi cao lanh thành HPA phổ biến nhất sử dụng axit clohydric (HCl) hoặc axit sulfuric (H₂SO₄) để chiết xuất nhôm từ cao lanh đã nung.
Quá trình bắt đầu bằng công đoạn nghiền. Quặng cao lanh thô được nghiền đến kích thước hạt được kiểm soát, thông thường là D90 dưới 45 micron (325 mesh), để tăng diện tích bề mặt cho các phản ứng nung và trích ly. Máy nghiền bi kết hợp với máy phân loại khí là thiết lập tiêu chuẩn cho bước này. Máy phân loại kiểm soát phần cắt phía trên và đưa các hạt quá cỡ trở lại máy nghiền, giúp giữ cho phân bố kích thước nguyên liệu đầu vào hẹp và cải thiện hiệu quả trích ly.
Sau khi nghiền, bột cao lanh được nung trong lò quay hoặc lò nung tầng sôi ở nhiệt độ 600 đến 800 °C. Mục tiêu là chuyển đổi kaolinit thành metakaolin mà không nung quá mức, điều này sẽ làm giảm khả năng phản ứng. Vật liệu đã nung sau đó được ngâm chiết với HCl ở nhiệt độ 80 đến 100 °C. Nhôm hòa tan dưới dạng nhôm clorua, trong khi silica vẫn còn là cặn không tan và được loại bỏ bằng phương pháp lọc.
Dung dịch nhôm clorua trải qua các bước tinh chế, bao gồm chiết dung môi hoặc kết tinh, để loại bỏ sắt, natri và các tạp chất khác. Dung dịch đã tinh chế sau đó được kết tủa dưới dạng nhôm hydroxit hoặc nhôm clorua kiềm, và nung ở nhiệt độ 1100 đến 1300 °C để sản xuất alpha-alumina có độ tinh khiết trên 99,99%.
Lộ trình 2: Quy trình thiêu kết kiềm
Phương pháp thứ hai trộn cao lanh nghiền mịn với natri cacbonat và nung hỗn hợp ở nhiệt độ 900 đến 1100 °C. Sản phẩm nung chứa natri aluminat và natri silicat. Quá trình rửa trôi bằng nước sẽ hòa tan natri aluminat, để lại phần cặn silica.
Dung dịch natri aluminat sau đó được xử lý bằng CO₂ hoặc được thêm chất xúc tác để kết tủa nhôm hydroxit, sau đó được nung thành alumina. Phương pháp này tránh sử dụng axit mạnh nhưng đòi hỏi nhiệt độ thiêu kết cao hơn và kiểm soát cẩn thận tỷ lệ Na₂CO₃ so với cao lanh. Thiết bị nghiền cho phương pháp này cần phải xử lý được cả cao lanh thô và clinker đã thiêu kết, vốn cứng hơn và có tính mài mòn cao hơn.
Lộ trình 3: Quy trình clorua
Một phương pháp thứ ba là clo hóa cao lanh nung ở nhiệt độ cao để tạo ra hơi nhôm clorua, sau đó được tách khỏi silic clorua và các tạp chất khác bằng phương pháp ngưng tụ phân đoạn. Nhôm clorua được oxy hóa thành alumina. Phương pháp này có thể đạt được độ tinh khiết rất cao nhưng đòi hỏi thiết bị chuyên dụng chống ăn mòn và quy trình xử lý khí nghiêm ngặt. Phương pháp này ít phổ biến hơn trong sản xuất thương mại so với phương pháp lọc bằng axit.
Chuẩn bị thức ăn chăn nuôi: Nghiền và phân loại
Bất kể phương pháp khai thác nào, bước đầu tiên luôn là nghiền quặng cao lanh đến kích thước phù hợp. Mạch nghiền ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng đều của quá trình nung và động học quá trình hòa tan. Các hạt quá lớn sẽ nung không đều và hòa tan chậm, làm giảm hiệu suất thu hồi alumina tổng thể. Các hạt quá nhỏ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và có thể gây ra các vấn đề lọc ở các công đoạn tiếp theo.
Một mạch xử lý điển hình bao gồm máy nghiền trục lăn hoặc máy nghiền bi, tiếp theo là máy phân loại bằng khí. Máy phân loại sẽ thiết lập điểm cắt, thường là D90 ở mức 30 đến 45 micron cho nguyên liệu đầu vào dùng cho quá trình hòa tan bằng axit. Đối với phương pháp thiêu kết kiềm, nguyên liệu đầu vào có kích thước lớn hơn, khoảng 75 micron (200 mesh), thường được chấp nhận vì phản ứng thiêu kết ít nhạy cảm với kích thước hạt hơn.
Bột Epic cung cấp máy nghiền trục đứng dòng SRM kết hợp với ITC hoặc HTS Máy phân loại khí turbo cho các mạch nghiền cao lanh. Máy nghiền SRM nghiền cao lanh bằng cách nén và cắt giữa con lăn và bàn nghiền, sử dụng ít năng lượng hơn so với máy nghiền bi cho cùng một sản lượng. Máy phân loại ITC sử dụng rôto tuabin một tầng cho các điểm cắt từ khoảng 10 đến 150 micron. Máy phân loại HTS sử dụng thiết kế nhiều rôto để cắt mịn hơn xuống đến D97 là 3 micron, với sự phân bố kích thước hạt sắc nét hơn giúp loại bỏ các hạt quá cỡ ra khỏi nguyên liệu đầu vào để lọc.
Nên sử dụng máy nghiền và máy phân loại lót gốm khi cần giảm thiểu tối đa sự nhiễm bẩn sắt. Ngay cả một lượng nhỏ sắt lẫn vào vật liệu nghiền bằng thép cũng có thể làm phức tạp các bước tinh chế tiếp theo, vì sắt là một trong những tạp chất khó loại bỏ nhất khỏi dung dịch nhôm. Epic Powder cung cấp các tùy chọn lót gốm alumina và gốm zirconia cho cả máy nghiền SRM và máy phân loại ITC/HTS để giữ cho lượng sắt lẫn vào ở mức thấp.
Thiết bị nung
Nhiệt độ nung và thời gian lưu kiểm soát quá trình chuyển hóa từ kaolinit sang metakaolin. Lò quay cho độ đồng đều nhiệt độ tốt và xử lý được khối lượng lớn. Đối với các hoạt động nhỏ hơn hoặc khi cần kiểm soát nhiệt độ chính xác, lò nung tầng sôi cung cấp khả năng truyền nhiệt nhanh hơn và kiểm soát tốt hơn pha metakaolin.
Nung quá nhiệt trên 900 °C sẽ chuyển metakaolin thành pha spinel và sau đó thành mullite, chất này có khả năng phản ứng với axit kém hơn nhiều. Việc theo dõi nhiệt độ đầu ra của lò nung và duy trì nó trong phạm vi 50 °C là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất trích ly ổn định.
Kiểm soát tạp chất
Sắt, natri, kali và titan là những tạp chất chính hạn chế độ tinh khiết của alumina thành phẩm. Sắt có trong quặng và từ thiết bị nghiền. Sử dụng máy nghiền lót gốm và vật liệu nghiền alumina giúp giảm thiểu ô nhiễm sắt ngay từ nguồn. Natri và kali đến từ các tạp chất fenspat và mica trong mỏ cao lanh. Các bước chọn lọc quặng và làm giàu như tuyển từ và tuyển nổi trước khi nghiền có thể làm giảm các tạp chất này.
Sau quá trình lọc, chiết xuất bằng dung môi với các chất chiết xuất chuyên dụng có thể loại bỏ sắt xuống mức thấp (chỉ vài ppm). Nhiều chu kỳ kết tinh tiếp tục tinh chế muối nhôm trước khi nung cuối cùng. Mỗi bước tinh chế đều có chi phí, vì vậy việc giảm tạp chất trước khi chúng tham gia vào quy trình hóa học sẽ tiết kiệm hơn so với việc loại bỏ chúng sau này.
Máy phân loại ITC và HTS của Epic Powder với lớp lót gốm giúp duy trì khả năng phân loại không chứa sắt cho nguyên liệu cao lanh cấp HPA. Lớp lót gốm ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa bột và bề mặt thép bên trong thân máy phân loại và rôto, do đó lượng sắt hấp thụ từ thiết bị luôn ở dưới 10 ppm trong hầu hết các trường hợp.
Lựa chọn thiết bị cho dự án chuyển đổi cao lanh thành HPA
Giai đoạn nghiền và phân loại sử dụng thiết bị chế biến khoáng sản phi kim loại tiêu chuẩn. Máy nghiền bi với mạch phân loại khí, lót gốm ở những nơi cần kiểm soát hàm lượng sắt, xử lý tốt quá trình chuẩn bị nguyên liệu cao lanh. Đối với giai đoạn nung, việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào yêu cầu về năng suất và kiểm soát nhiệt độ. Các giai đoạn lọc và tinh chế yêu cầu các vật liệu chống ăn mòn như lò phản ứng lót thủy tinh, đường ống lót PTFE và bộ trao đổi nhiệt bằng titan.
Bột Epic Cung cấp hệ thống nghiền và phân loại hoàn chỉnh để chuẩn bị nguyên liệu cao lanh HPA. Một dây chuyền điển hình bao gồm máy nghiền trục đứng SRM, máy phân loại khí ITC hoặc HTS, bộ thu gom lốc xoáy, bộ thu gom bụi và bảng điều khiển, tất cả đều được thiết kế phù hợp với công suất yêu cầu. Hệ thống được cung cấp dưới dạng gói chìa khóa trao tay với hỗ trợ lắp đặt và vận hành.
Quá trình nung cuối cùng để tạo ra alpha-alumina cần một lò nung có khả năng đạt đến 1300 °C với môi trường được kiểm soát. Sản phẩm ở giai đoạn này là một loại bột có giá trị cao, do đó cần phải kiểm tra sự nhiễm bẩn từ vật liệu chịu lửa của lò nung. Vật liệu chịu lửa alumina có độ tinh khiết cao hoặc lớp lót silicon carbide thường được sử dụng cho bước nung cuối cùng.
Kiểm tra vật liệu
Các mỏ cao lanh có sự khác biệt về khoáng chất, thành phần tạp chất và khả năng phản ứng. Trước khi đầu tư vào thiết bị, cần tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trên loại quặng cao lanh cụ thể để xác định nhiệt độ nung tối ưu, nồng độ axit, thời gian ngâm chiết và tỷ lệ thu hồi alumina dự kiến. Epic Powder cung cấp dịch vụ kiểm tra vật liệu cho quá trình nghiền và phân loại, bao gồm phân tích kích thước hạt và kiểm tra ô nhiễm sắt bằng thiết bị lót gốm.
Bột Epic
Tại Epic Powder, chúng tôi cung cấp nhiều loại thiết bị và giải pháp tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của bạn. Đội ngũ của chúng tôi có hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế biến các loại bột khác nhau. Epic Powder chuyên về công nghệ chế biến bột mịn cho ngành công nghiệp khoáng sản, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, v.v.
Liên hệ với chúng tôi Liên hệ ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí và giải pháp phù hợp!
Trang web: www.nonmetallic-ore.com
Email: [email protected]
WhatsApp: +86-15762272120
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi có ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với đại diện khách hàng trực tuyến của EPIC Powder Zelda để biết thêm bất kỳ thông tin nào khác.”
— Jason Wang, Kỹ sư