علم سرامیک

اتفاقی به نام کائولن

اختصاصی/ نام «کوه بلند» را به خاطر بسپارید، این نام در زبان چینی «کائولینگ» خوانده می‌شود و «کائولن» مشتقی از این واژه چینی است.

صنعت کائولن و اصولا کائولن‌شناسی جهان را به چینی‌ها نسبت می‌دهند؛ نخستین‌بار چینی‌ها ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح «کائولن» را به صورت کوهی بلند در منطقه‌ای به نام «جائوجائو» واقع در شمال چین کشف کردند.
در قرون گذشته سنگ‌های این منطقه کوهستانی برای ساختن ظروف چینی استفاده می‌شد و از این‌روست که واژه خاک چینی (china clay)  درباره آن به‌کار می‌رود، اما امروز فقط به کائولینی که در منطقه «کورن‌وال» انگلستان یافت می‌شود، خاک چینی می‌گویند!

  کائولن چیست؟
قبل از هر چیز لازم است بدانیم که کائولن اساسا چیست و چگونه به‌وجود می‌آید؟
«کائولن» سنگی نرم، خاکی، شکل‌پذیر و معمولا سفید یا تقریبا سفید است که عمدتا از کائولینیت تشکیل شده (۵۰ تا ۹۵درصد) و معمولا حاوی کانی‌های رسی، Fe، Ti، SiO۲ و... است. کائولن از دگرسانی سنگ‌های حاوی کانی‌های آلومینیوم‌دار مانند فلدسپات به همراه دیگر کانی‌ها مثل «میکا» یا «کوارتز» به‌وجود می‌آید. کائولن ممکن است علاوه بر کائولینیت، کوارتز و فلدسپات، کانی‌های دیگری نظیر اکسید‌آهن (Fe۲O۳)، هیدروکسید‌آهن(FeOOH)، پیریت (FeS۲)‌، روتایل (TiO۲) و ترکیبات کربناتی یا مواد آلی داشته باشد. وجود این ناخالصی‌ها در کائولن رفتار فیزیکی فرآیند تولید را شدیدا تحت تاثیر قرار می‌دهد.

  شکل‌گیری شیمیایی کائولن
کائولن یکی از مهمترین رس‌های رسوبی کشور انگلستان است که بر اثر تاثیر عوامل اپی‌ژنیک و هیپوژنیک روی سنگ‌های گرانیتی ایجاد می‌شود. سنگ‌های گرانیتی در اثر فشار لایه‌های زیرین زمین به پوسته زمین راه یافته و در پایان دوره کربونیفر و همچنین در بین دوره‌های کربونیفر و کرتاسه، تغییر شکل یافته و به کائولن تبدیل شده‌اند. بیشترین عواملی که در تبدیل سنگ‌های گرانیتی به کائولن دخالت دارد، عامل هیپوژنیک است؛ بخارات آب فوق‌العاده داغ و گازهای اسیدی داغ که شامل ترکیبات برم و فلوئور هستند، از مرکز زمین منتشر شده، از بین ترک‌ها و شکاف‌های سنگ‌های گرانیتی عبور کرده و باعث تبدیل این سنگ به کائولن شده‌اند.
واکنش‌های شیمیایی که در این فرآیند صورت می‌پذیرد، کاملا شناخته شده نیستند. اما واکنش‌هایی که در همین زمان روی فلدسپات‌پتاسیک صورت می‌گیرد و آن را تبدیل به کائولینیت، سیلیس و پتاس آزاد می‌کند، تا حدی شناخته شده هستند. از اجزای سنگ‌های گرانیتی علاوه بر فلدسپات پتاسیک می‌توان به میکا و کوارتز اشاره کرد که ظاهرا تاثیر این مینرال‌ها روی تبدیل گرانیت به کائولن بسیار ناچیز است. همچنین، در تبدیل شدن گرانیت به کائولن مقدار کمی CaF۲ و تورمالین که شامل برم و فلوئور است، ایجاد می‌شود.

  استخراج کائولن
از ویژگی‌های بارز کائولن این است که از تجزیه سنگ‌های گرانیتی ایجاد شده و همراه با این سنگ‌ها یافت می‌شود. در مورد استخراج این رس، روش مخصوص و ویژه‌ای اتخاذ شده است. لازم به ذکر است که در انگلستان کائولن جزو رس‌های اولیه محسوب می‌شود، اما در ایران این رس‌ها از محل تشکیل خود جابه‌جا شده‌اند؛ شاید بتوان گفت که کائولن ایران جزو رس‌های ثانویه است. در ایران، استخراج به روش روباز انجام می‌شود و بعد از بهره‌برداری، رس به کارخانه شست‌وشو و تخلیص در نزدیکی معدن حمل‌ می‌شود. پس از شست‌وشو و تخلیص، آب اضافی توسط فیلتر پرس گرفته شده و کیک‌های اصل به وسیله اکسترود به ذرات ریز تبدیل شده و بعد از خشک شدن، کائولن وارد بازار مصرف می‌شود.
برای استخراج از دستگاهی استفاده می‌شود که آب را با فشار به دیواره‌های دره پاشیده و رس‌های تشکیل شده را می‌شوید؛ سنگ گرانیت در پشت رس نمایان می‌شود. مخلوط آب و رس شسته شده به داخل کانالی هدایت می‌شود و به وسیله این کانال، مخلوط رس و آب به یک مخزن آبگیرمانند می‌رسد. درون این آبگیر بیشتر میکاها و ذرات کوارتزی که همراه با کائولن وجود دارد، ته‌نشین شده سپس این سوسپانسیون نیمه‌تصفیه‌شده به ترتیب به داخل تانک‌ها و مخزن‌هایی پمپ می‌شود. در داخل هر مخزن یک همزن قرار دارد که سرعت آنها با یکدیگر متفاوت است. سوسپانسیون از مخزن با همزن سرعت بالا به مخزنی با همزن سرعت پایین، پمپ می‌شود. در این تانک‌ها، کوارتز و میکای موجود، از طریق رسوب‌گذاری جدا می‌شود. سوسپانسیونی که باقی می‌ماند شامل مقدار زیادی آب است. ابتدا مقداری از این آب در حوضچه‌های سرباز تبخیر می‌شود (عمل هم زدن در اینجا هم ادامه دارد) و وقتی سوسپانسیون به حد کافی غلیظ شد، با استفاده از فیلتر پرس، آب آن گرفته می‌شود. کیک‌های حاصله را درون کوره مخصوص حرارت داده و به‌صورت یک پودر خشک درمی‌آورند که همان کائولن است.
کائولن فرآوری‌شده در استانداردهای گوناگون در جهان دادوستد می‌شود؛ این ماده براساس اندازه ذرات ‌تر به خشک طبقه‌بندی می‌شود. کارخانه‌های تولید‌کننده کائولن ادعا دارند محصول آنها هر روز آنالیز شده و همیشه دارای ترکیب ثابت است.

  ذخایر کائولن
کارشناسان معدن ذخایر کائولین را به انواع زیر تقسیم کرده‌اند: هوازده، گرمابی، حمل شده، دیاژنزی. ذخایر کائولن براساس نحوه تشکیل به دوصورت اولیه و ثانویه تقسیم می‌شوند:
* ذخایر کائولن اولیه: هوازدگی، کرمابی و سولفاته.
* ذخایر کائولن ثانویه: رسوبی، کائولینیتی، بال‌کلی و خاک‌نسوز.
ذخیره کائولن دارای گستردگی لازم جهت تامین نیازهای این ماده معدنی در سال‌های آینده است و مقدار آن حدود ۲۰میلیارد تن در جهان تخمین زده شده است. برآورد ذخایر کمربند جورجیا، کارولینای‌جنوبی در ایالات متحده امریکا بین ۵ تا ۱۰میلیارد تن است. کشورهای هندوستان، برزیل، چین، انگلستان و اوکراین نیز دارای ذخایر عظیم کائولن هستند.
ایران در بین کشورهای جهان با دارا بودن ذخیره‌ای در حدود ۴۰میلیون تن، کمتر از یک‌درصد از کل ذخایر کائولن جهان را به خود اختصاص داده است. در حال حاضر ذخایر احتمالی کائولن در کشور بیش از ۲۳۰میلیون‌تن تخمین‌زده شده است و در سنگ‌های آذرین اسیدی از پرکامبرین تا میوسن در استان‌های فارس، اصفهان، آذربایجان، زنجان، خراسان، مرکزی، قزوین و تهران پراکنده شده‌اند. مصرف عمده کشور از این ماده در آجرهای شاموتی، پوشش داخلی کوره‌ها، دیگ‌های گرمایی و کاشی است.
به گفته کارشناسان، کانسارهای کائولن و رس‌های کائولینی در چهار گروه زیر براساس موقعیت جغرافیایی تقسیم‌بندی می‌شوند:
الف- ذخایر رس‌های کائولینی در بخش‌های مرکزی
ب- ذخایر رس‌های کائولینی در بخش‌های خاور
ج- ذخایر رس‌های کائولینی در بخش‌های شمال و شمال باختر
د- ذخایر کائولینی در بخش‌های جنوب و جنوب باختر

  کاربرد کائولن در صنایع
بیشترین مصارف کائولن در پر‌کننده، پوشش‌دهنده با جلای خاص و سفید‌کننده، منبسط‌کننده، ایجاد‌کننده مقاومت در مقابل سایش، رقیق‌کننده، سخت‌کننده در صنایع پتروشیمی، نرم‌کننده سطح، به‌عنوان کاتالیزور در صنایع مختلف،کاغذسازی، سرامیک، مرکب و رنگ‌سازی، دیرگداز، پلاستیک، لاستیک، دارویی، فایبرگلاس، صنایع نسوز، مصالح ساختمانی، حشره‌کش، جذب‌کننده، مواد پاک‌کننده، مواد غذایی، تهیه داروها، صنایع کشاورزی و تهیه کودهای شیمیایی است.
کارشناسان معتقدند کائولن پرکننده و پوشش‌دهنده مناسبی است و از نظر شیمیایی در گستره وسیعی از تغییرات PH بدون تغییر باقی می‌ماند و در صنایع پتروشیمی به‌عنوان جذب‌کننده مناسب مرکب و رنگ‌ها و سخت‌کننده قابل استفاده است. همچنین این ماده دارای جلای خاص و قابلیت سفیدکنندگی، خواص کاتالیزوری، خاصیت پرکنندگی و پوششی بسیار خوب، نرم‌کنندگی سطح، غیرسایشی بودن و قابلیت اندک هدایت جریان الکتریسیته و گرماست.
در ایران از این ماده معدنی در آجرهای شاموتی، پوشش داخلی کوره‌ها، دیگ‌های گرمایی و کاشی استفاده می‌شود. حدود ۵۰درصد از کائولن در کاغذسازی به‌عنوان پرکننده و روکش (پوشش‌دهنده سطح)،۲۰درصد در صنایع سرامیک و دیرگداز، ۱۰درصد در لاستیک‌سازی به‌عنوان پرکننده و ۲۰درصد در رنگ‌سازی پلاستیک استفاده می‌شود. قدرت جذب مرکب و پوشش‌دهندگی خوب و پر کردن سطوح ناهموار کاغذ از خمیر سلولز و ایجاد شفافیت در کاغذ، از مزایای استفاده از کائولن در صنعت کاغذسازی است.
قیمت مناسب کائولن در سال‌های اخیر سبب شده تا صنایع مصرف‌کننده این محصول علاقه‌مند به استفاده از کائولن شوند. کائولن یا خاک چینی به رنگ سفید بیشترین کاربرد را در تولید چینی و سرامیک دارد.