Grâce à ses propriétés physico-chimiques particulières, le kaolin est une ressource minérale non métallique indispensable dans les secteurs de la céramique, du papier, du caoutchouc, des plastiques, des réfractaires, du raffinage du pétrole et dans d'autres domaines de pointe des technologies industrielles, agricoles et de défense nationale. Sa blancheur est un indicateur important de son intérêt.
Facteurs influençant la blancheur du kaolin
Le kaolin est une argile à grain fin, principalement composée de kaolinite. Sa formule chimique est 2SiO₂ · Al₂O₃ · 2H₂O. Il contient également, en faible quantité, du quartz, du feldspath, des minéraux de fer, du titane, des hydroxydes et oxydes d'aluminium, ainsi que des matières organiques.
Structure cristalline du kaolin
Selon leur état et leur nature, les impuretés responsables de la diminution de la blancheur du kaolin peuvent être classées en trois catégories : le carbone organique ; les éléments pigmentaires tels que le fer, le titane, le vanadium, le chrome, le cuivre et le manganèse ; et les minéraux foncés tels que la biotite et la chlorite. Généralement, la teneur en vanadium, chrome, cuivre, manganèse et autres éléments du kaolin est faible et n’a que peu d’influence sur sa blancheur. La composition minérale et la teneur en fer et en titane sont les principaux facteurs influençant la blancheur du kaolin. Leur présence affecte non seulement sa blancheur naturelle, mais aussi sa blancheur après calcination. En particulier, la présence d’oxyde de fer a un impact négatif sur la couleur de l’argile et réduit sa brillance et sa résistance au feu. Une quantité de seulement 0,4 % d’oxyde, d’hydroxyde et d’oxyde hydraté d’oxyde de fer suffit à donner aux sédiments argileux une coloration rouge à jaune. Ces oxydes et hydroxydes de fer peuvent être l'hématite (rouge), la maghémite (brun-rouge), la goethite (jaune brunâtre), la limonite (orange), l'oxyde de fer hydraté (rouge brunâtre), etc. On peut dire que l'élimination des impuretés de fer dans le kaolin joue un rôle extrêmement important dans une meilleure utilisation du kaolin.
État d'occurrence de l'élément fer
L'état du fer dans le kaolin est le principal facteur déterminant la méthode d'élimination du fer. De nombreuses études suggèrent que le kaolin contient du fer cristallin sous forme de fines particules, tandis que le fer amorphe se trouve à la surface de ces fines particules. Actuellement, on distingue deux types d'états du fer dans le kaolin : le fer structural, présent dans la kaolinite et les minéraux accessoires (comme le mica, le dioxyde de titane et l'illite) ; et le fer libre, sous forme de minéraux indépendants (incluant le fer de surface, le fer cristallin à grains fins et le fer amorphe).
Le fer éliminé par le déferrisation et le blanchiment du kaolin est du fer libre, composé principalement de magnétite, d'hématite, de limonite, de sidérite, de pyrite, d'ilménite, de jarosite et d'autres minéraux ; la majeure partie du fer se présente sous forme de limonite colloïdale hautement dispersée, et une petite quantité sous forme de goethite et d'hématite sphériques, aciculaires et irrégulières.
Méthode d'élimination du fer et de blanchiment du kaolin
Séparation de l'eau
Cette méthode est principalement utilisée pour éliminer les minéraux détritiques tels que le quartz, le feldspath et le mica, ainsi que les impuretés plus grossières comme les débris rocheux, et certains minéraux de fer et de titane. Les minéraux d'impuretés de densité et de solubilité similaires à celles du kaolin ne peuvent être éliminés, et l'amélioration de la blancheur est relativement peu marquée. Elle convient donc au traitement et au blanchiment de minerais de kaolin de qualité relativement élevée.
Séparation magnétique
Les impuretés de minéraux de fer présentes dans le kaolin sont généralement faiblement magnétiques. Actuellement, on utilise principalement la méthode de séparation magnétique à gradient élevé, ou bien on transforme les minéraux faiblement magnétiques en oxyde de fer fortement magnétique après grillage, puis on les élimine par une méthode de séparation magnétique classique.
séparateur magnétique à gradient élevé à anneau vertical
Séparateur magnétique à gradient élevé pour boues électromagnétiques
Séparateur magnétique supraconducteur à basse température
Méthode de flottaison
La méthode de flottation est utilisée pour traiter le kaolin provenant de gisements primaires et secondaires. Ce procédé permet de séparer les particules de kaolinite et de mica, et les produits purifiés constituent diverses matières premières industrielles. La séparation sélective par flottation de la kaolinite et du feldspath est généralement réalisée en suspension à pH contrôlé.
Méthode de réduction
La méthode de réduction consiste à utiliser un agent réducteur pour transformer les impuretés de fer (telles que l'hématite et la limonite) à l'état trivalent du kaolin en ions ferreux solubles, qui sont ensuite éliminés par filtration et lavage. L'élimination des impuretés Fe³⁺ du kaolin industriel est généralement réalisée en combinant des techniques physiques (séparation magnétique, floculation sélective) et un traitement chimique en milieu acide ou réducteur.
L'hydrosulfite de sodium (Na₂S₂O₄), également appelé hydrosulfite de sodium, est efficace pour réduire et extraire le fer du kaolin et est couramment utilisé dans l'industrie kaolinique. Cependant, ce procédé nécessite un milieu fortement acide (pH < 3), ce qui engendre des coûts d'exploitation élevés et un impact environnemental important. De plus, l'instabilité chimique de l'hydrosulfite de sodium impose des conditions de stockage et de transport spécifiques et onéreuses.
Le dioxyde de thiourée ((NH₂)₂CSO₂, TD) est un puissant réducteur qui présente l'avantage d'un fort pouvoir réducteur, d'être respectueux de l'environnement, d'une faible vitesse de décomposition, d'être sûr et de permettre une production par lots à faible coût. Le Fe³⁺ insoluble présent dans le kaolin peut être réduit en Fe²⁺ soluble grâce au TD.
Par la suite, la blancheur du kaolin peut être améliorée après filtration et lavage. Le TD est très stable à température ambiante et en milieu neutre. Son fort pouvoir réducteur ne peut être obtenu que dans des conditions de forte alcalinité (pH > 10) ou à chaud (T > 70 °C), ce qui engendre des coûts et une complexité d’utilisation élevés.
méthode d'oxydation
Le traitement d'oxydation comprend l'utilisation d'ozone, de peroxyde d'hydrogène, de permanganate de potassium et d'hypochlorite de sodium pour éliminer la couche de carbone adsorbée et améliorer la blancheur. Le kaolin situé en profondeur, sous une épaisse couche de couverture, est gris, et le fer qu'il contient est à l'état réduit. On utilise des agents oxydants puissants tels que l'ozone ou l'hypochlorite de sodium pour oxyder le FeS₂ insoluble de la pyrite en Fe²⁺ soluble, puis on procède à un lavage pour éliminer le Fe²⁺ du système.
méthode de lixiviation acide
La lixiviation acide consiste à transformer les impuretés de fer insolubles présentes dans le kaolin en substances solubles dans des solutions acides (acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide oxalique, etc.), permettant ainsi leur séparation du kaolin. Parmi les acides organiques, l'acide oxalique est considéré comme le plus prometteur en raison de sa force acide, de ses bonnes propriétés complexantes et de son fort pouvoir réducteur. En présence d'acide oxalique, le fer dissous peut être précipité de la solution de lixiviation sous forme d'oxalate ferreux, puis transformé en hématite pure par calcination. L'acide oxalique est un produit économique issu de procédés industriels. Lors de la cuisson des céramiques, tout oxalate résiduel présent dans le matériau traité se décompose en dioxyde de carbone. De nombreux chercheurs ont étudié les résultats de la dissolution de l'oxyde de fer par l'acide oxalique.
méthode de calcination à haute température
La calcination est un procédé de fabrication de kaolin de qualité spéciale. Selon la température de traitement, on obtient deux qualités différentes de kaolin calciné. La calcination entre 650 et 700 °C élimine les groupes hydroxyle structuraux et la vapeur d'eau qui s'en dégage améliore l'élasticité et l'opacité du kaolin, propriétés idéales pour le couchage du papier. Par ailleurs, le chauffage du kaolin entre 1000 et 1050 °C permet non seulement d'accroître sa résistance à l'abrasion, mais aussi d'obtenir une blancheur de 92 à 95 %.
calcination par chloration
Le fer et le titane ont été éliminés des minéraux argileux, notamment du kaolin, par chloration, avec d'excellents résultats. Lors de la chloration et de la calcination à haute température (700 °C - 1000 °C), la kaolinite subit une déshydroxylation pour former de la métakaolinite, et à des températures encore plus élevées, des phases de spinelle et de mullite se forment. Ces transformations augmentent l'hydrophobie, la dureté et la taille des particules par frittage. Les minéraux ainsi traités peuvent être utilisés dans de nombreuses industries, telles que le papier, le PVC, le caoutchouc, les plastiques, les adhésifs, les produits de polissage et les dentifrices. Leur hydrophobie accrue les rend plus compatibles avec les systèmes organiques.
Méthode microbiologique
La purification microbienne des minéraux est une technique de traitement relativement récente, qui comprend la lixiviation microbienne et la flottation microbienne. La lixiviation microbienne est une technique d'extraction qui exploite l'interaction profonde entre les micro-organismes et les minéraux pour détruire leur structure cristalline et dissoudre leurs composants utiles. La pyrite oxydée et d'autres minerais sulfurés contenus dans le kaolin peuvent être purifiés par extraction microbienne. Parmi les micro-organismes couramment utilisés figurent Thiobacillus ferrooxidans et les bactéries ferro-réductrices. Cette méthode microbiologique est peu coûteuse et peu polluante, et ne modifie pas les propriétés physico-chimiques du kaolin. Il s'agit d'une nouvelle méthode de purification et de blanchiment prometteuse pour le traitement du kaolin.
Résumé
Le traitement de déferrisation et de blanchiment du kaolin nécessite de sélectionner la méthode la plus adaptée aux différentes causes de coloration et aux objectifs d'application, afin d'améliorer la blancheur globale du kaolin et de lui conférer une valeur d'usage et économique élevée. L'avenir réside dans la combinaison harmonieuse des méthodes chimiques, physiques et microbiologiques, permettant d'exploiter pleinement leurs avantages et de limiter leurs inconvénients, pour un blanchiment optimal. Parallèlement, il est indispensable d'approfondir l'étude des nouveaux mécanismes d'élimination des impuretés et d'améliorer les procédés afin de rendre le traitement de déferrisation et de blanchiment du kaolin plus écologique, plus efficace et moins polluant.
Date de publication : 2 mars 2023