Úpravnické technologie používané při těžbě a zpracování kaolinu

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Hornicko-geologická fakulta Institut hornického inženýrství a bezpečnosti Úpravnické technologie používané při těžbě a zpracování kaolinu bakalářská práce Autor: Vedoucí bakalářské práce: Ing. Karol Holub Ing. Martin Hummel, Ph.D. Most

2 Prohlášení - Celou bakalářskou práci včetně příloh, jsem vypracoval samostatně a uvedl jsem všechny použité podklady a literaturu. Přílohy 3 a 4 dané mi k dispozici jsem samostatně doplnil. - Byl jsem seznámen s tím, že na moji bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č.121/2000 Sb. - autorský zákon, zejména 35 využití díla v rámci občanských a náboženských obřadů, v rámci školních představení a využití díla školního a 60 školní dílo. - Beru na vědomí, že Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava (dále jen VŠB- TUO) má právo nevýdělečně, ke své vnitřní potřebě, bakalářskou práci užít ( 35 odst. 3). - Souhlasím s tím, že jeden výtisk bakalářské práce bude uložen v Ústřední knihovně VŠB- TUO k prezenčnímu nahlédnutí a jeden výtisk bude uložen u vedoucího bakalářské práce. Souhlasím s tím, že údaje o bakalářské práci, obsažené v Záznamu o závěrečné práci, umístěném v příloze mé bakalářské práce, budou zveřejněny v informačním systému VŠB- TUO. - Souhlasím s tím, že bakalářská práce je licencována pod Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported licencí. Pro zobrazení kopie této licence, je možno navštívit - Bylo sjednáno, že s VŠB-TUO, v případě zájmu o komerční využití z její strany, uzavřu licenční smlouvu s oprávněním užít dílo v rozsahu 12 odst. 4 autorského zákona. - Bylo sjednáno, že užít své dílo bakalářskou práci nebo poskytnout licenci k jejímu komerčnímu využití mohu jen se souhlasem VŠB-TUO, která je oprávněna v takovém případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly VŠB-TUO na vytvoření díla vynaloženy (až do jejich skutečné výše). V Mostě Ing. Karol Holub

3 Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Martinovi Hummelovi, Ph.D. za jeho připomínky a odbornou pomoc. Rovněž děkuji pracovníkům společnosti Kaolin Hlubany, a.s. jmenovitě řediteli společnosti Ing. Václavu Beranovi a vedoucímu provozu Zdeňku Kastlovi za poskytnuté informace a cenné rady. Poděkování patří i mé rodině za trpělivost a podporu ve studiu.

4 Summary Presented thesis introduce the mining and the processing of ceramic raw materials - kaolin in the past and present time. The thesis briefly describes the basic properties of kaolin and kaolinite, their chemical and physical properties and possibility of applications. The second section provides a brief overview of kaolin mining sites in the Czech Republic and in the World with a description of geological and deposit conditions and method of mining. Part of this thesis is the comparison of different processing methods, that were used in the past or in the present time. The final section describe the current technology trends and possible developments of these technologies. The thesis describes implemented projects and possibility of solutions for modernizations. Keywords: kaolin, kaolinite, kaolin processing, kaolin deposit, mining Anotace Předložená práce představuje historii i současnost těžby keramické suroviny - kaolinu a úpravnické technologie používané při jeho zpracování. V práci jsou stručně popsány základní vlastnosti kaolinu a kaolinitu, jejich chemické a fyzikální vlastnosti a možnosti použití. V další části je uveden stručný přehled výskytu těžebních lokalit kaolinu v ČR a ve světě s popisem geologických a úložních poměrů a způsobem dobývání. Součástí této práce je i srovnání různých úpravnických metod, které se používali v minulosti, nebo i v současnosti. V závěrečné části jsou zhodnoceny současné technologie a možné trendy vývoje těchto technologií, realizované a navrhované projekty modernizace. Klíčová slova: kaolin, kaolinit, úprava kaolinu, ložiska kaolinu, těžba

5 OBSAH ÚVOD CHARAKTERISTIKA KAOLINU A TĚŽEBNÍCH LOKALIT Kaolin, kaolinit, vlastnosti, použití Vznik ložisek kaolinu a typy ložisek Těžební lokality kaolinu Těžební lokality v ČR a na Slovensku Významné světové lokality CHARAKTERISTIKA METOD TĚŽBY KAOLINOVÝCH LOŽISEK Historie těžby kaolinu Současná těžba kaolinu Těžba a doprava kaolinu Drcení, homogenizace, meziskládka a dobývání vodním proudem ÚPRAVN. TECHNOL. POUŽITÉ PŘI ZPRACOVÁNÍ KAOLINU Rozplavování Mechanické promíchávání směsi suroviny s vodou Vhánění vody na surovinu pod tlakem - hydromonitory Třídění Gravitační třídění Vibrační třídění Odstředivé třídění Odvodňování Zahušťování Filtrace Sušení Skladování a balení Expedice Speciální úpravnické technologie Delaminace Magnetická separace Flotace Selektivní flokulace Odstraňování železa z mřížky kaolinitu kalcinací ZHODN. TECHNOL. A MOŽNÉHO VÝVOJE PŘI ZPRAC. KAOLINU Moderní trendy úpravnictví ve zpracování kaolinu Technologické celky používané pro úpravu kaolinu Hydrocyklóny moderní koncepce Vibrační odvodňovací zařízení Řízené směšování suspenzí Bakteriální loužení kaolinu Návrh a realizace modernizace úpravny Buškovice a Hlubany Modernizace odvodňování písku Náhrada hydrocyklónů HC

6 4.2.3 Návrh modernizace separace štěrku a organických nečistot ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH... 41

7 Karol Holub: Úpravnické technologie pužívané při těžbě a zpracování kaolinu SEZNAM POUŽITÝCH SKRATEK IUPAC SEM KK KP KJ KT KZ HC BIG-BAG ND KKD Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii (Scanning Electron Microscope) - řádkovací elektronový mikroskop kaolin pro keramický průmysl kaolin pro papírenský průmysl kaolin pro výrobu porcelánu a jemné keramiky kaolin titaničitý kaolin živcový hydrocyklón velkoobjemový vak náhradní díl kruhový korečkový dehydrátor

8 ÚVOD Nerostné suroviny a jejich těžba je neodmyslitelně spojena s vývojem lidstva. S rostoucími nároky člověka rostly a materiální potřeby. Úměrně s rostoucími nároky lidstva se zvyšovala i těžba. Největší narůst a rozvoj těžby nastal v 19.století. První zmínky o těžbě kaolinu sahají rovněž do období 19.století. Těžba kaolinu měla a má v České republice velkou tradici. Rozsáhlá a hlavně kvalitní ložiska kaolinů se nachází hlavně v severozápadní a západní části ČR. O vysoké kvalitě českých kaolinů svědčí fakt, že kaolin Sedlec Ia byl v roce 1924 na kongresu IUPAC vyhlášen za mezinárodní standard a tato registrovaná značka platí dodnes. Společně s dalšími nerudnými surovinami jako jsou jíly, bentonity, živce, vápence, sklářské a slévárenské písky tvoří kaolin významnou část surovinové základny ČR. K nejvýznamnějším ložiskám kaolinů v ČR patří oblast Plzeňska, Karlovarska a Podbořanska. Menší ložiska se nacházejí v oblasti Vidnavy a na Znojemsku. Ložiska kaolinu se liší stavbou a geologickým vývojem, rozdílností matečních hornin a podmínkami zvětrávání. Kaolin je nejčastěji reziduální, v menší míře přeplavená bílá, světlá případně nažloutlá hornina. Obsahuje větší množství jílových minerálů kaolinitického typu. Zvětráváním, případně hydrotermálními pochody hornin bohatých na živec (rul, živců, granitoidů) vznikají tzv. primární kaoliny. Tyto kaoliny mohou být pak dále přemístěny a vnikají tak tzv. sekundární kaoliny. Pro keramický průmysl se kaolin využívá v surovém i v plaveném stavu. Kaolin se zpracovává technologií plavení v suspenzi za mokra (Příloha č.1). Hlavním produktem této úpravnické metody je plavený kaolin (podíl částic pod 20 micrometrů dosahuje téměř 100%), vedlejším produktem je písek (podíl nad 63 micrometrů) a tzv. šlika (podíl micrometrů). V zahraničí jsou známy i případy zpracování kaolinu za sucha [1]. Technologické schéma suchého způsobu úpravy kaolinu je uvedeno v příloze (Příloha č.2). Kaolin se využívá v různých oblastech průmyslu. Nejčastěji je to keramický průmysl (výroba porcelánu, glazur, frit, engob, keramických obkladů, izolátorů, žáruvzdorných materiálů), sklářský průmysl (výroba skel a skelných vláken), plnivo do papíru, plastu a gumy a také chemický, farmaceutický a potravinářský průmysl. Největšími producenty kaolinu na světě jsou USA, Anglie, Čína, Brazílie, Indonésie, Německo a ČR [2]. Neustálý nárůst cen energií vede zpracovatele nerostných surovin a výrobní závody k hledání stále větších možností úspor energií. Na druhé straně se zvyšuje i důraz na ochranu životního prostředí, bezpečnost a hygienu práce. Úpravnické závody jsou proto v nelehké situaci a hledají možnosti jak tyto aspekty vzájemně skloubit. Cílem této bakalářská práce je podat ucelený přehled o úpravnických technologiích používaných při těžbě a úpravě kaolinu. V této práci popisuji výhody a nevýhody jednotlivých typů technologie a stručně charakterizuji možnosti využití jiných moderních úpravnických postupů, které by se v této oblasti mohli v budoucnu využít. V další části práce jsou vyhodnoceny již realizované nebo právě probíhající projekty s porovnáním stavu před a po realizaci. V závěrečné části je uveden stručný návrh dalších možností úpravy stávající technologie ve společnosti Kaolin Hlubany, a.s. 1

9 1 CHARAKTERISTIKA KAOLINU A TĚŽEBNÍCH LOKALIT 1.1 Kaolin, kaolinit, vlastnosti, použití Výraz kaolin pochází z čínštiny (Kao-ling tchu) a znamená hlína z Vysokého kopce. Bohaté naleziště Kao-ling ( Vysoký kopec ) u města Ting-te v čínské provincii Tiang-si nese stejný název [3]. V Číně byl kaolin známy již od roku p.n.l. Termín China Clay byl a je používán jako synonymum pro kaolin zejména ve Velké Británii. Kaolin je pojem pro označení horniny i minerálu. Označení kaolinu jako horniny se používá pro horninu, která se skládá převážně z minerálu kaolinitu a/nebo z jiných minerálů kaolinové skupiny. Označení termínu kaolin pro minerály se používá jako skupinového názvu pro minerály kaolinit, dickit, nacrit a halloysit. Nejčastějším minerálem kaolinu je kaolinit Al 2 O 3. 2SiO 2. 2H 2 O. Náboj struktury kaolinu je vyváženy. Minerály kaolinové skupiny: kaolinit, dickit, nacrit a halloysit se skládají z vrstev oktaedrů a tertraedrů (Obrázek 1). Obrázek 1: Základní stavební jednotky kaolinu ( upraveno) Společnými nečistotami kaolinů jsou křemen, slída, illit, smektit, živec, goethit, hematit, pyrit, anatas, rutil, ilmenit a stopová množství turmalínu, zirkonu, kyanitu atd. Struktura kaolinitu je tvořena jednou vrstvou tetraedrickou a jednou vrstvou oktaedrickou (Obrázek 2). Obrázek 2: Střídání tetraedrických a oktaedrických vrstev ( Šajgalík, P.) 2

10 Přibližné oxidové složení kaolinitu je 39,5% Al 2 O 3, 46,5% SiO 2 a 14% H 2 O (ztráta žíháním). Kaolinit krystalizuje v soustavě trojklonné (krystaly jsou okem neviditelné). Krystaly mají tvar zpravidla šestibokých destiček (velikosti do 1 µm a tloušťky do 0,1 µm). Větší částice mají vrstevnatou lístkovou strukturu s nepravidelným obrysem (Obrázek 3). Obrázek 3: Snímek SEM kaolinitu (foto: Krystaly čistého kaolinitu jsou čiré a v odraženém světle se jeví jako čistě bílé. Barva vrypu je také bílá. Minerál kaolinit je hlavním nositelem užitečných vlastností plaveného kaolinu. Náboj na vrstvách kaolinitu je minimální. Některé fyzikální vlastnosti jsou uvedeny v Tabulka 1. Příčinou plastického chování ve styku s vodou je přítomnost pevné vazby s vodou. Fyzikální a technologické vlastnosti jsou ovlivněny charakterem a jejich bloků, velikostí, tvarem a přítomností látek adsorbovaných na jejich povrchu. Tabulka 1: Fyzikální vlastnosti kaolinitu (Murray, H.H.) Typ Vrstevnatý jíl typu 1:1 Barva Náhrada prvků ve struktuře Náboj vrstev Výměnná kapacita kationů Tvar krystalů Povrchová plocha Absopční kapacita Reologie Platicita Bíla až téměř bílá Velmi omezená Minimální až nulový Velmi nízká Pseudo-šestiboké destičky a vrstvičky Relativně malá Nízká Dobrá Dobrá až vynikající 3

11 Pro většinu průmyslových aplikací kaolinu je nutné použít suchého nebo mokrého způsobu úpravy. Hlavním účelem třídění je dosáhnout co nejvyššího obsahu kaolinitu ve vyplaveném kaolinu, snížení nebo odstranění nečistot a zlepšení určitých fyzikálních vlastností jako je jas, bělost, krycí schopnost, velikost částic, jejich tvar a distribuce a reologické vlastností. Pro většinu průmyslových aplikací je jas a bělost velmi důležitá. Další hodnocenou vlastností kaolinů je reologie. Důvodem, že některé kaoliny mají dobrou reologii je, že mají ve struktuře malý nebo nulový náboj a mají relativně nízkou plochu povrchu (8-15 m 2.g -1 ), vykazují dobrou morfologii krystalů, jsou jemné, ale mají poměrně širokou distribuci velikosti částic. Některá relativně čistá ložiska kaolinu, například ty, které se vyskytují v Georgi ve Spojených státech a ve státech Amapa a Para v Brazílii vykazují dobré reologické vlastnosti nebo tokové vlastnosti při vysokých koncentracích pevných látek. Naopak např. kaoliny z Podbořanské oblasti ČR, které obsahují vyšší procento jílových minerálů typu montmorillonitu mají horší reologické vlastnosti, ale na druhé straně dosahují vysokých pevností za sirova a po výpalu. Kaolin je měkký, neabrazivní. Tvrdost podle Mohsovy stupnice je cca. 1,5. Tato vlastnost je velmi důležitá u mnoha průmyslových aplikací, protože kaolin snižuje opotřebení zařízení a strojů. Měrná hmotnost kaolinu je 2,61-2,65 g.cm -3. Kaoliny dosahují po výpalu vysoké pevnosti v ohybu a jsou bílé nebo téměř bílé barvy. Relativně čisté kaoliny jsou žáruvzdorné a spékají se nebo se taví při teplotě cca C. Kaolin je chemicky inertní, má nízkou elektrickou i tepelnou vodivost, je hydrofilní a snadno se disperguje ve vodě. Vykazuje nízkou absorpci a adsorpci, které přímo souvisí s nízkým povrchovým nábojem částice. Kaolin se používá pro různé účely. Kromě využití při výrobě keramiky má kaolin uplatnění i jako plnidlo do papíru, gumy, plastů a barev, při výrobě žáruvzdorných materiálů, v kosmetickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Kaolin je také výchozí surovinou pro výrobu umělých zeolitů. Tepelně zpracovaný nebo kalcinovaný kaolin je vynikajícím plnivem. 1.2 Vznik ložisek kaolinu a typy ložisek Kaolinit je důležitým minerálem sedimentárních hornin, jakým je například i kaolin. Může vznikat dvěma způsoby. Prvním způsobem je vznik kaolinitu zvětráváním draselných živců [4]. Tento proces je možné popsat následující rovnicí: 2KAlSi 3 O 8 + 2CO H 2 O 2K + + 2HCO H 4 SiO 4 + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 živec kaolinit Druhým způsobem vzniku je vznik jako sekundární fáze dalším rozkladem illitu za podmínky intenzivnějšího odvodu rozpustných draselných solí z ložiska podle rovnice: 2KAl 4 (Si 7 Al)O 20 (OH) 4 + 2CO H 2 O 2K + + 2HCO H 4 SiO 4 + 5Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 illit kaolinit Kaolinizací jsou většinou zasaženy kyselé horniny (žuly, arkózy, syenity, ryolity, trachyty a ruly) (Obrázek 4). Nutnou podmínkou pro vznik ložisek kvalitních kaolinu jsou příznivé klimatické, morfologické a tektonické podmínky. 4

12 Při vzniku ložisek kaolinu docházelo k intenzívní proměně živcových hornin. Tato proměna mohla nastat jenom díky zvětrávání nebo hydrotermálních pochodů. Tímto způsobem vznikali tzv. primární kaoliny. V případě, že došlo k přemístění primárních kaolinů, vznikli tzv. sekundární kaoliny. Směrem do hloubky stupeň kaolinizace ložiska pozvolně klesá (ložiska chudnou). Ložiska primárního kaolinu se rozdělují na zvětrávaná a hydrotermální. Obrázek 4: Ložisko kaolinu Stará Role u Karlových Varů (Petránek, J.) Hydrotermální ložiska vznikali alterací hornin hydrotermálními roztoky. Mají nepravidelný tvar, prostorovou vazbu na poruchové zóny. Vznikla v době terciérní vulkanické aktivity ložiska, četná v Japonsku, Mexiku, Királyhegy v Tokajském pohoří v Maďarsku, na Kamčatce a v Zakarpatské Ukrajině. Zvětrávaná neboli kaolinizovaná ložiska jsou součástí kaolinové nebo lateritové zvětrávané kůry. Často dosahují velké rozlohy a mocnosti. K tomuto typu patří ložiska kaolinu v českém masívu. Dalším typem jsou ložiska sedimentárního původu tzv. sekundární. Sedimentární ložiska (sekundární ložiska) vznikali přemístěním primárních reziduálních kaolinů. V některých případech se uplatnili i účinky různých procesů kaolinizace v post sedimentárním stádiu (např. na Plzeňsku, Podbořansku). V České republice vznikla všechna ložiska kaolinitickým zvětráním živcových hornin. 1.3 Těžební lokality kaolinu Těžební lokality v ČR a na Slovensku Ložiska kaolinů se v České republice vážou na předplatformní pánve a na platformní pokryv na Karlovarsku, Chebsku, Plzeňsku, Kadaňsku, Podbořansku, Znojemsku a Vidnavě. Ložiska kaolínů jsou významná i z celosvětového hlediska, nejdůležitější jsou oblasti Plzeňska, Karlovarska a Podbořanska. Všechna ložiska kaolinu v ČR jsou v současnosti těžena povrchově. V dalším textu jsou uvedeny nejvýznamnější oblasti výskytu kaolinu v České republice (Příloha č.3). Některá z uvedených ložisek byla 5

13 v minulém období již vytěžena, příp. jejich těžba byla zastavena. Těžena je v současné době jen část z těchto ložisek. Kadaňsko Kaoliny v této oblasti vznikly z granulitové ruly krušnohorského krystalinika. Pruh ložisek a výskytů kaolinu se táhne při severozápadním okraji podkrušnohorské pánve. Jihovýchodní okraj lemuje ložiskový střezovský pruh s ložisky Vlkáň, Krásný Dvoreček - Rokle, Kadaň, Prahly, Tušimice-Libouš. Kaolinizace zasahuje do hloubky 10 m. Kaolin je použitelný pro keramické (KK) a papírenské (KP) použití, chemický průmysl a pro různé druhy výroby sanitní keramiky a elektroporcelánu. V roce 2003 bylo dotěženo ložisko Kralupy u Chomutova-Merkur (KP), další ložiska byla vytěžena již dříve (např. Kadaň). Poměrně velké zásoby (KP a KK) jsou evidovány na ložisku Rokle. Chebsko Kaoliny zde vznikly kaolinizací žul smrčinského masivu. Je zde vyhodnoceno pouze jedno, dosud netěžené ložisko Plesná-Velký Luh (KK a KP). Ve srovnání s karlovarskými kaoliny mají kaoliny z Chebské pánve v průměru menší kaolinový výplav (18 22%). Zdejší kaolin má některé nepříznivé keramické vlastnosti. Především je to nízká pevnost za sirova a nízká plasticita. Zásoby kaolinu jsou evidovány jako papírenské, ale možné je použití i pro výrobu žároostřiv. S určitými korekcemi je kaolin použitelný též v průmyslu gumárenském a keramickém. Zásoby kaolínu z této oblasti nejsou dosud využívány. Plzeňsko Matečnou horninou těchto kaolinů jsou karbonské arkózy, jež tvoří výplně říčních koryt Plzeňské pánve, kde byly zvětrávány. Z těžených ložisek jsou největší a nejvýznamnější tři Kaznějov, Horní Bříza a Chlumčany. Mocnost ložisek kolísá od několika metrů do 80 m, v průměru 20 až 30 m. Nejdůležitějšími těženými ložisky (KP) jsou Horní Bříza, Kaznějov a Lomnička-Kaznějov severně a Chlumčany-Dnešice jižně od Plzně. Kaolin z Plzeňské pánve se uplatňuje především v papírenském a stavebním průmyslu, při výrobě technické keramiky, při výrobě obkladaček a dlaždic, jako žárovzdorný materiál, jako plnivo do některých chemických výrobků, při výrobě skla bohatého na hliník a jako přísada při výrobě porcelánu. Dále se využívá jako plnivo při výrobě papíru, pryže a v posledním období jako nátěrový papírenský kaolin a surovina na výrobu skelných vláken. Karlovarsko Matečnými horninami tohoto kaolinu byly žuly karlovarského masivu. Kaolinizace sahá do hloubky 50 m. Výtěžnost kaolinu na Karlovarsku při plavení kolísá mezi % plaveného kaolinu. Nejvýznamnějšími ložisky jsou Božičany, Jimlíkov a Mírová, na kterých se společně těží KJ, KT i KK. Na ložisku Otovice-Katzenholz se těží KP. Tato oblast je nejvýznamnější oblastí výskytu nejkvalitnějších kaolinů pro výrobu porcelánu (KJ) a jejich potenciální náhrady (KT). Kaoliny z karlovarské oblasti jsou charakterizovány jako špičkové keramické kaoliny s přijatelným podílem barvicích oxidů. Nejcennějšími vlastnostmi kaolinu z Karlovarska jsou vysoká pevnost po vysušení, výborná licí vlastnost, vynikající plasticita, bílá vypalovací barva a dobrá transparence 6

14 vhodná pro výrobu porcelánu a glazury. Dále se karlovarský kaolin používá především na výrobu elektroporcelánu, sanitární keramiky a jako plnivo papíru, pryže a kosmetických prostředků. Podbořansko Matečnou horninou kaolinu je permokarbonský- karbonský arkózovitý pískovec říčního nebo jezerně deltového původu. Ložiska podbořanských kaolinů (Krásný Dvůr, Dětaň, Nepomyšl Velká, Vrbička - Skytaly, a jiné) jsou vázána na tektonicky vymezenou depresi. Podle stupně zvětrání arkózovitého pískovce lze kaolinový profil rozdělit na svrchní zónu, mocnou až 30 m s více než 15 % výplavem, a na spodní zónu mocnou až 100 m s výplavem pod 15 %. V této oblasti se vyskytují všechny výše zmíněné typy kaolinů. Chemicky se podbořanský kaolin vyznačuje vysokým obsahem SiO2 okolo 84 %, nízkým obsahem oxidů alkálií a mimořádně nízkým obsahem celkového Fe2O3. Plavený kaolin z této oblasti se nejvíce využívá k výrobě jemné keramiky, elektroporcelánu, obkladaček a v papírenském průmyslu jako nátěrový papírenský kaolín. Těžba v současnosti probíhá pouze na ložisku Krásný Dvůr a Nepomyšl - Velká. V posledních letech proběhla i zkušební otvírka ložiska Vrbička - Skytaly. Slovensko Vzhledem k historii geologického vývoje byli periody vhodné pro zvětrávání kaolinu na Slovensku krátké a z těchto důvodů je i množství ložisek relativně malé [5]. K nejvýznamnějším patří oblast Lučence s ložiskem Horná Prievrana (primárně zvětrávané ložisko na paleozoických metamorfitech a fylitech) a Vyšný Petrovec (sekundární ložisko přeplaveného kaolínu). Dále je to ložisko Rudník u Košic (přeplavený kaolín). V současné době se kaolin prakticky netěží. Suroviny z ložiska Horná Prievrana se využívali při výrobě keramických obkladů a dlaždic bez úpravy v surovém stavu. Mocnost ložiska kaolinu je 1,5-24 m. Obsah kaolinu v porfyroidech je v průměru 24 %, ve fylitech 18 %. Mezi příměsi tohoto kaolinu patří muskovit, sericit, illit, montmorillonit. Kaolin typu Horná Prievrana je méně vhodný na úpravu plavením [6] Významné světové lokality USA Asi 90 % těžby kaolinu v USA pochází z pásma o délce 240 km mezi Maconem (Georgia) a Aikenem (Jižní Karolina). Celkové vytěžené množství kaolinu z této oblasti až doposud představuje více než kt. Tato oblast je jednou ze dvou nejrozsáhlejších oblastí ložisek sedimentárních kaolinu na světě. V kaolinech z Georgie a Jižní Karoliny představuje kaolinit dominantní minerál a obecně zahrnuje více než 90%-ní zastoupení. Ložiska mají tvar čoček o mocnosti až 12 m. Zdrojem těchto v podstatě kaolinitických jílů byly kaoliniticky zvětralé a přeplavené žuly a ruly. Rozplavený kaolin se dopravuje k dalšímu zpracování z ložiska potrubím na vzdálenost až 80 km, [7]. Současná roční produkce podle odhadu US Geological Survey se pohybuje na úrovni kt [8]. Anglie Největší a nejkvalitnější primární ložiska kaolinu na světě se nachází v oblasti Cornwallu a Devonu v jihozápadní Anglii. Odhaduje se, že celková výroba od jejich objevu byla asi 7

15 kt. Ložiska kaolinu ve Spojeném království patří zásluhou vysoké těžby kaolinizované žuly variského stáří (zvětralé v triasu) s 15 % výplavem v Cornwallu k nejdůležitějším na světě. Těží se na 40 ložiskách hydromonitorovou metodou (vodní proud má tlak 2 MPa). Tento kaolin se používá na výrobu papíru, gumy a žáruvzdorného zboží. Export plaveného kaolinu se pohybuje v milionech tun ročně. Tyto kaoliny zlepšují licí vlastnosti suspenzí určených k tvarování odléváním a zvyšují pevnost výrobků za sirova. Současná roční produkce je asi kt [9]. Brazílie Největší ložisko kaolinu v Brazílii je sekundárního typu. Bylo objeveno v roce 1967 na řece Jari, 100 km severně od jejího soutoku s Amazonkou. Ložisko je m mocné a je vyvinuto na ploše desítek km 2. Jeho surovina se skládá ze 75 % částic menších než 0,002 mm. Těží se od roku Primárně je zpracováván pro použití v papírenském průmyslu. Současná roční výroba tohoto kaolinu Jari je asi 850 kt [10]. Druhou oblastí, kde se sedimentární kaoliny v Brazílii těží a zpracovávají je oblast podél řeky Capim, jižně od Belemu ve státě Para. Ověřené zásoby v povodí Capim jsou kolem kt. V současné době jsou zde dva těžené lomy, které produkují celkem kt za rok. Čína V Číně je známo přes 700 ložisek kaolinů s celkovou roční produkcí asi jeden milion tun plaveného kaolinu a se zásobami 2,5 mld. tun. Největší hydrotermální ložisko se nachází u Suzhou. Další primární kaoliny v Číně se používají hlavně lokálně jako keramické suroviny. Velké ložisko sedimentárního kaolinu se v Číně nachází v blízkosti Maoming v západní provincii Guandong [11]. Tento kaolin se používá jako keramická surovina a plnivo a jílový povlak papíru. Wilson [12] odhaduje, že roční produkce kaolinu v Číně je asi kt. 8

16 2 CHARAKTERISTIKA METOD TĚŽBY KAOLINOVÝCH LOŽISEK 2.1 Historie těžby kaolinu Až do skončení druhé světové války se téměř výhradně používala ruční práce s omezeným použitím trhavin pro těžbu a odstraňování skrývky. Odstraňování těžce rozpojitelné vrstvy skrývky bylo příčinou nízké produktivity. Při povrchové těžbě se používal způsob těžby tzv. mlýnkováním (Obrázek 5). Obrázek 5: Povrchová těžba mlýnkování (foto: Hlubinná těžba se využívala v místech, kde bylo odstraňování skrývky příliš obtížné. Postup hlubinné těžby se v zásadě nelišil od běžných postupů používaných v hornictví při dobývání ložisek s velkou mocností, tj. dobývání pilířováním nebo komorováním. Vesměs se jednalo o dobývání na zával. Poslední hlubinná těžba kaolinu byla definitivně ukončena na Karlovarsku na dole Bohemia v Bohaticích. Tím skončila více než 150 letá tradice hlubinného dobývání kaolinu v Čechách [13]. Při povrchové těžbě se surový kaolin těžil ručně v lavicích. Tento postup umožňoval tzv. selektivní těžbu. Nevýhodou této metody byl vysoký podíl ruční práce. Jednotlivé lavice nedosahovali celkovou mocnost ložiska a proto se zřizovali přesypy. V pozdějším obdobím se začali používat sýpy. Z těženého horizontu se zřídila šachtice až na povrch lávky a odtud se surovina skopávala, nebo sestřelovala do šachtice opatřené uzávěrem. Pomocí šachtice se následně plnili vozíky. Dalšího zlepšení se dosáhlo zřízením mírně sešikmených skluzů ve stěně, po které natěžená surovina sklouzávala přímo do podstavených vozíků. Tento postup se používal až do zavedení mechanizované těžby. Ruční dobývání vyžadovalo mnoho ruční práce a tím i vysoký počet zaměstnanců. Při ruční těžbě se používali důlní vozíky. Poté byla doprava rozšířena o dopravu visutými lanovkami, které měli výhodu hlavně při dopravě na velké vzdálenosti a v členitém terénu. Zavedením mechanizace se podstatně zvýšila produktivita (3-5 násobně) a hlubinná těžba se téměř přestala používat. K dobývání skrývky i k těžbě se postupně začali používat lopatová rypadla (zpočátku lanová, později hydraulická). Volba dopravy kaolinu závisela 9

17 hlavně na používaném těžebním postupu. Po zavedení mechanizované těžby se začala postupně zavádět doprava automobilová s nosností tun a v pozdější době i doprava velkoobjemová pomocí menších demprů. Po vytěžení lomu následovala rekultivace vytěženého prostoru nejčastěji zasypáním skrývkou z nejbližšího lomu nebo zaplavením lomu odpadem z plavení a navezením ornice. 2.2 Současná těžba kaolinu Těžba a doprava kaolinu Všechna těžená ložiska kaolinů v ČR se z ekonomických důvodů těží pouze povrchově otevřenými jámami. Hlubinná těžba se v současnosti v ČR již vůbec nepoužívá. V další částí je uvedena stručná charakteristika způsobu povrchové těžby u jedné společnosti těžící kaolin v ČR. Jedná se o Kaolin Hlubany, a.s. Skrývkové práce (odstranění nadložních vrstev) na lomu Krásný Dvůr probíhají běžným postupem pro povrchovou přípravu těžby. Ornice je shrnována buldozery Caterpillar a nakládána kolovými nakladači nebo pásovými rypadly na nákladní automobily TATRA a odvážena na určenou skládku. Deponovaná ornice je ošetřována proti plevelům a slouží k provádění sanací a rekultivací ploch po ukončení těžby. Podorniční a rekultivace schopné vrstvy se odstraňují pásovými rypadly a odváží se automobily na vnitřní výsypky. K úpravě výsypek, dopravních cest a svahů se využívají buldozery. Mezi podorničními materiály a první lávkou kaolinu se nacházejí zpevněné útvary křemencových balvanů o velikosti až 3 x 5 m, případně ještě větší, a proto se musejí rozrušovat trhacími pracemi malého rozsahu. Použití větších vrtných souprav se z důvodu vysoké tvrdosti křemencových balvanů neosvědčilo [14]. S přítomností křemencových balvanů a s jejich likvidací souvisí i výrazně vyšší náklady při skrývkových pracích. Rozrušené křemencové bloky je nutno odvážet a deponovat na vnitřních výsypkách skrývkových hornin. Vlastní těžba kaolinu probíhá za použití stejných strojů jako při skrývkových pracích. Otestované bloky surového kaolinu jsou těženy pásovými rypadly a odváženy nákladními automobily na tzv. homogenizační skládky (deponie). Převážně se používá nákladních automobilů, které mají vyhřívanou korbu pro zamezení namrzání suroviny. Homogenizační skládky jsou tvořeny z jednotlivých vrstev dle kvalitativních parametrů bloků zásob (Obrázek 6). Z homogenizačních skládek je přírodní kaolin nakládán napříč všemi vrstvami (většinou třemi nebo čtyřmi) kolovými nakladači nebo pásovými rypadly a odvážen nákladními automobily do plavírny v Buškovicích [14]. 10

18 Obrázek 6: Lom Krásný Dvůr homogenizační skládka (foto: autor) Drcení, homogenizace, meziskládka a dobývání vodním proudem Účelem homogenizace suroviny je docílit stejného složení výplavu. Surovina se dováží na homogenizační skládku a vrství se (obvykle do 3-4 vrstev) do vhodné výšky [15]. Odběr pro další zpracování v plavírně se provádí z celé výšky profilu homogenizační skládky. Stupeň dosažené homogenizace je závislý na zkušenostech a spolehlivosti obsluhy. V některých lomech, kde jsou výkyvy jakosti suroviny poměrně malé, se homogenizace suroviny nepoužívá. Dalším krokem, kterého úkolem je usnadnit rozplavování je drcení surového kaolinu. V poměrně suchém stavu probíhá drcení kaolinu bez větších problémů. V mokrém stavu je však tvárlivý a částečně lepivý. V takovém případě je možno použít jenom takové drtiče, kde je možno drtící plochu stírat tj. kladivové drtiče s pohyblivou drtící plochou a válcové drtiče. Dobývání vodním proudem tzv. hydromonitory se provádí vháněním vody pod vysokým tlakem do suroviny a to buď rostlé tj. do těžební stěny (dobývání kaolinu v Anglii), nebo do suroviny vytěžené a uložené, popřípadě homogenizované na meziskládce (způsob používaný v závodě Kaolin Hlubany, a.s. v tomto případě jde již o rozplavování). První způsob je použitelný jen v případě, že má surovina ve stěně lomu poměrně homogenní složení. Takto zpracovávaná surovina musí být pod přijatelným tlakem vody rozplavitelná. V případě, že rozplavování lze provádět přímo ze stěny, jde o postup ekonomicky velmi výhodný. Odpadá zde potřeba těžby a dopravy suroviny. Tento postup je běžně využíván ve Velké Británii [16]. Pokud se musí surovina vytěžit a přemístit na skládku, je už ekonomická výhodnost tohoto postupu ve srovnání s použitím mechanických rozplavovačů problematická. Poměrně značnou nevýhodou rozplavování vodním proudem je závislost výkonu tohoto postupu na klimatických podmínkách. Výkon totiž v zimě s poklesem teplot klesá. U nás se tento postup používá jen ojediněle u dobře rozplavitelných surovin. 11

19 3 ÚPRAVNICKÉ TECHNOLOGIE POUŽITÉ PŘI ZPRACOVÁNÍ KAOLINU Vlastnosti produktu jsou ovlivněny technologií úpravy, ale rozhodující je kvalita vstupní suroviny. Parametry přírodní suroviny vždy kolísají, proto se konečný výsledek ovlivňuje i mícháním surovin z několika ložisek nebo z různých částí jednoho ložiska s rozdílným chemizmem. Vlastní proces úpravy kaolinu je možno rozdělit do následujících základních kroků: 1. Rozplavování 2. Třídění a separace 3. Odvodňování, tj. zahušťování a filtrace 4. Sušení a mletí 5. Skladování 6. Balení a expedice K těmto základním technologickým operacím je nutno ještě zahrnout i další speciální postupy, ke kterým patří především elektromagnetická separace, hnětení, kalcinace a další moderní úpravárenské metody. Obecné technologické schéma postupu plavení kaolinu je uvedeno v Příloze č Rozplavování Kaolin se z homogenizačních deponií s určitou kvalitou dopravuje k rozplavovači, kde se míchá s vodou a malým množstvím chemického dispergátoru. Pro rozplavování se používá kaolin buď z jednoho, nebo i z několika dep za účelem dosažení určité úrovně kvality [17]. Při styku s větším množstvím vody kaolin rozbřídá a dochází tak k rozpojení jeho jednotlivých složek. K rozpojování surového kaolinu dochází: a) mechanickým promícháváním směsi suroviny s vodou. b) vháněním vody pod tlakem na surovinu - hydromonitory Mechanické promíchávání směsi suroviny s vodou Při mechanickém promíchávání s vodou se vyžaduje nákladnější technické zařízení. Je to však nejčastěji používaný způsob rozplavování. Způsob rozplavování vháněním vody pod tlakem je sice jednodušší a méně náročný na zařízení, ale jeho použití je značně omezené hlavně vzhledem ke klimatickým podmínkám v zimním období. Součástí rozplavování je i hrubé třídění, které představuje odstraňování a přepírání štěrku a písku. Prvním a zároveň základním článkem rozplavovací soupravy pro mechanické rozplavování je lopatkové míchadlo s míchacími prvky (Obrázek 7). Míchadla používané k rozplavování jsou pomaluběžné, hřídel míchadel je dřevěná. 12

20 Obrázek 7: Technologické schéma procesu rozplavování (Beran, J.) Jednotlivé části zařízení jsou uspořádány horizontálně i vertikálně. Vlastní rozplavování probíhá pomocí dřevěných hřídelů opatřených trny. Hřídele jsou umístěny v dřevěných oplechovaných skříních. Rozplavovaná surovina prochází dvěma (třemi) míchadly řazenými za sebou. Na konci poslední skříně vytéká rozplavená surovina do žlabu a dále na vibrační nebo rotační síto s okem mm. Hrubé podíly jsou transportovány na odval. Suspenze, která proteče sítem, přechází do protiproudé pračky písku. Hrubé písky jsou odsedimentovány a vynášeny do dalšího pole pračky. Z posledního pole pračky je písek dopravován dopravníkem na třídírnu písku resp. na skládku. Suspenze zbavena hrubých písků přepadává hranou prvního pole pračky a přichází do odpískovacího zařízení, z kterého se sediment vrací čerpadlem zpátky do pračky. Posledním odpískovacím zařízením gravitačního třídění jsou zpravidla žlaby písečníky. Druhým u nás používaným typem je rozplavovač označovaný názvem BAVÁRIA (Obrázek 8). Obrázek 8: Schéma rozplavovacího zařízení Bavária (Beran, J.) 13

21 Je to buben opatřený nabíracími lopatkami z jedné strany a korečkovým elevátorem z druhé strany. Celé zařízení je umístěno v plechové skříni, po jehož zaobleném dnu se pohybuje sediment. Odpískovaná suspenze odtéká otvorem na boční stěně skříně přes další odpískovací zařízení na třídění. Písek je vynášen šnekem ke korečkovému vynašeči a dále do prvního pole protiproudé pračky. Štěrk vypadává otvorem v zadní části skříně na síto a dále na odval. Třetím používaným typem rozplavovače je rozplavovač EXCELSIOR. Rozplavování probíhá ve velkém kalovém poli. Pohyb sedimentu je podobný jako u rozplavovače BAVÁRIA, tj. mechanicky. Míchadla zajišťují promíchávání i odsun sedimentu k dalším míchadlům a k pračce písku. Jsou ocelová se šavlovitými rameny. Částečnou nevýhodou těchto rozplavovačů je malý výkon na jednotku obestavěného prostoru. Volba typu rozplavovače je ovlivněna vlastnostmi rozplavované suroviny a jeho velikost je dána požadovaným výkonem tohoto zařízení. První typ rozplavovače je při vlastním rozplavování velmi výkonný a jeho účinnost se dá snadno zvýšit zařazením dalšího míchadla. Má však malý sedimentační prostor u vynášeče písku. Tento typ je vhodný pro všechny typy rozplavovaných surovin, není však vhodný pro zpracování jemnozrnných surovin a pro přípravu hustých suspenzí. Druhý typ zařízení (BAVÁRIA) je rovněž výkonný. Sedimentační prostor je však větší, co umožňuje třídit i jemnější rozpojitelné suroviny v hustých suspenzích. Není však vhodný pro těžce rozpojitelné suroviny. Třetí typ zařízení (EXCELSIOR) má relativně velký rozplavovací prostor a pomaluběžná míchadla. Je s ním možno dosáhnout lepšího odpískování a je vhodný i pro hustější suspenze Vhánění vody na surovinu pod tlakem - hydromonitory Jedná se o technologii, kdy se do suroviny v rostlém (v těžební stěně) nebo ve vytěženém stavu stříká proud vody pod vysokým tlakem (Obrázek 9). Surovina, která je uložena na meziskládku se rozplavuje tlakovou vodou pomocí hydromonitorů. Pískovo-kaolinový rmut stéká od hydromonitorů přes česlo do čerpacích jímek bagrovacích čerpadel, kterými je rmut čerpán do úpravny potrubím. Obrázek 9: Rozplavování hydromonitorem Buškovice (foto: autor) 14

22 Hydromonitory mají elektromotorový pohon a pomocí převodového mechanizmu a pákového ústrojí se rovnoměrně pohybují v horizontálním směru a pomocí energie tlakové vody rozplavuji deponovanou surovinu. Vertikální nastavení směru proudu vody provádí obsluha ručně podle zkušenosti a především s ohledem na údaj o měřené hustotě suspenze zobrazované na světelném displeji. Hustota suspenze je měřena až po odstranění hrubých a jemných podílů písku, před nátokem do zásobních bazénů pro přečerpávání suspenze do plavírny [14]. Rozplavování vodním proudem pomocí hydromonitorů se u nás již používá jen ojediněle. 3.2 Třídění Účelem třídění je rozdělení směsi zrn podle jejich velikosti. Mezi tříděním na sítech a tříděním ve vodě je rozdíl v tom, že na sítech určuje velikosti částic velikost oka na sítě, zatímco u třídění ve vodě se třídí podle rychlosti pádu částice. Při třídění částic s rozdílnou měrnou hmotností se výsledky obou třídících postupů navzájem liší. Možnost oddělení dvou hlavních mineralogických složek tj. křemene a kaolinitu tříděním ve vodě je dáno skutečností, že je poměrný obsah křemene v zrnitostním rozsahu kaolinitu nízký a s klesající velikostí zrna se snižuje. Zmenšováním horní hranice velikosti zrna se snižuje obsah křemene v plaveném kaolinu. Mokrá úprava kaolinu je založená na této skutečnosti. Třídění ve vodě může mít správný průběh jen tehdy, jsou-li jednotlivé pevné částice navzájem volné tj. dispergované. Pro dispergaci se používají alkalické soli kyselin (soli polymerních fosforečných kyselin, nebo soli kyseliny metafosforečné). Použití flokulačních činidel na druhé straně se zase napomáhá zahušťování suspenzí. Podle mechanizmu separace částic se proces třídění rozděluje na: a) gravitační třídění b) vibrační třídění c) odstředivé třídění Gravitační třídění Gravitační třídění je založeno na působení zemské tíže, která vyvolává sedimentaci pevných částic ve vodě. Při gravitačním třídění se zpravidla třídilo ve vodorovném proudu a to buď ve žlabech (Obrázek 10), a nebo v zařízeních opatřených mechanizmem pro vynášení sedimentu. Zařízení s mechanickým vynášením sedimentu se u kaolinek vyskytovalo jen ojediněle. V závodech, kde třídění probíhalo při nízkém obsahu sušiny (do 100 g.l -1 ) se postupně zaváděl odstředivý způsob třídění. Od gravitačního třídění relativně řídkých suspenzí se upouští a tento typ se nahrazuje tříděním na hydrocyklónech. Gravitační třídění přichází v úvahu jenom na prvním stupni třídění. Je použitelné ve všech případech a to jak při třídění řídkých, tak i hustých suspenzí. Nevýhodou je, že při jemném třídění je potřeba velkých sedimentačních ploch a nutnost mechanického odstraňování sedimentu. Proces gravitačního třídění se používá pouze v prvním stupni třídění. 15

23 Obrázek 10: Sedimentační žlaby (foto: autor) Vibrační třídění Vibrační třídění je moderní a perspektivní způsob třídění. Třídící plochy sítových vibračních třídičů se zhotovují z děrovaných plechů, plastů případně jiných materiálů [18]. Sítové plochy pro hrubé třídění mají nejčastěji oka čtvercového nebo obdélníkového tvaru. Při úpravě kaolinu se používají hlavně na separaci hrubého štěrkového podílu s velikostí oka (šířky štěrbiny) 2 a více mm (Obrázek 11). K jemnému třídění se používají oka čtvercová a obdélníková. Pro třídění jemnozrnného materiálu, nebo pro odvodňování pískové frakce od kaolinové suspenze se používají nejčastěji štěrbinová síta. Tvořena jsou profilovými dráty, nebo sítovou plochou vyrobenou z progresivního materiálu, kterým je polyuretan (PU). Pro odvodňování a třídění kaolinu jsou nejvhodnější třídiče s eliptickými kmity. Jejich výhodou je dobré uvolňování zaklíněných zrn a zajištění plynulého pohybu materiálu po sítové ploše. Obrázek 11: Vibrační třídič separace štěrkového podílu (foto: Vibros) 16

24 3.2.3 Odstředivé třídění V současné době se pro třídění kaolinu používají dva typy zařízení. Jednak jsou to odstředivky obvykle s vynášecím šnekem anebo třídící hydrocyklóny. Oba typy zařízení sice pracují na stejném principu, ale vlastní průběh třídění se u obou typů zařízení výrazně liší. Hydrocyklóny Hydrocyklón je nádoba rotačního tvaru s válcovitou a kónickou částí. Má dva výpustné otvory. Menší je na konci kónické části a větší na konci válcové části (Obrázek 12). Suspenze vstupuje pod tlakem do hydrocyklónu tryskou tak, že v místě vstupu do válcové části má směr tečny k této válcovité stěně. Vstup suspenze do hydrocyklónu je v místě jeho největšího poloměru. Výstup je ve směru rovnoběžném s osou hydrocyklónu a to do jednoho otvoru směrem nahoře a jednoho otvoru směrem dole. Suspenze mění v hydrocyklónu směr pohybu při zachování rotace. Dolní výtokovou tryskou odchází suspenze, která obsahuje hrubší částice. Jemná frakce odchází přepadovou tryskou. Změnou výtokové trysky je možno změnit zrnitost sušiny v obou frakcích. Průměr výtokové trysky ovlivňuje objemový výkon hydrocyklónu minimálně, ale výrazně ovlivňuje zahuštění a jemnost třídění. Obrázek 12: Princip činnosti hydrocyklónu ( - upraveno) Při třídění kaolinu platí obecné pravidlo, že hydrocyklóny velkých průměrů je možno použít jen při vyšších třídících mezích. Třídící výkon klesá se stoupající viskozitou. V podmínkách českých kaolinek se v minulosti pro první stupeň třídění používali tzv. písečníky resp. jiná ekvivalentní zařízení. Dnes se tyto zařízení nahrazují hydrocyklóny průměru 350 resp. 400 mm. Pro druhý stupeň třídění se používají hydrocyklóny průměrů 150 resp. 250 mm a pro jemnější třídění hydrocyklóny průměru 50 mm. Tabulka 2 obsahuje parametry běžně používaných hydrocyklónů. 17

25 Tabulka 2: Parametry nejčastěji používaných typů hydrocyklónů Ø HC (mm) Optim. prac. tlak (MPa) Ø vst. trysky (mm) Ø přep. trysky (mm) Ø prop. trysky (mm) Obj. výkon (l.min -1.) Dělící velikost (µm) 350 0, , ,2 5x Hydrocyklóny 350 mm (400 mm) plní funkci odpískovačů (Obrázek 13). Přepad z nich obsahuje částice až do velikosti 100 µm, co neodpovídá žádnému normovanému typu plaveného kaolinu. Proto je celý objem z přepadu HC 350 (400) upravován na prvním třídícím stupni hydrocyklónů 150 mm. Obrázek 13: Baterie 8 ks hydrocyklónů HC 350 (foto: autor) Přepad těchto plavených kaolinů je už vhodný pro některé aplikace (plnivo do gumy, hrubá keramika, papírenské účely). Ve velké časti je však zpracováván dále na hydrocyklónech 50 mm, kde se zbaví křemene a zvýší se obsah kaolinitu. Tento stupeň je většinou posledním, jen ojediněle jsou použity hydrocyklóny ještě menších průměrů. Hydrocyklóny jsou vhodné pro hrubé i jemné třídění relativně řídkých suspenzí. Pro třídění hustých suspenzí je jejich použití omezené. Výhodou hydrocyklónů je vedle malé zastavěné plochy i plynulý výnos sedimentu. Používají se v několika stupních za sebou. Vytříděná suspenze z posledního stupně zpravidla odpovídá jemnosti prvotřídních keramických nebo plnících kaolinů. Odstředivky Odstředivky jsou tvořeny bubnem, který má z části válcový a z části kónický tvar. Buben je opatřen na koncích dutými čepy. Prostor mezi oběma bubny vyplňuje šnek, který je pevně spojen s povrchem menšího bubnu. Suspenze vstupuje do bubnu v ose odstředivky, kde větší buben přechází z válcového do kónického tvaru. Dále suspenze přechází přes rozdělovač ke vnitřní stěně vnějšího bubnu a postupuje po vnitřní stěně vnějšího bubnu 18

26 směrem ke konci válcovité části. Zde přepadává kruhovou přepadovou hranou. Vlivem odstředivé síly se oddělují hrubší částice, které dosedají na vnitřní stěnu vnějšího válce. Pomocí šneku se hrubší částice shrnují a dopravují proti směru postupu suspenze přes kónickou část, kde se nachází přepad. Hrubá frakce se při pohybu přes kónickou část odvodňuje. Dekantéry jsou jediným typem odstředivek používaných při třídění kaolinů. V současnosti se při třídění kaolinových suspenzí uplatňují stále více i tzv. tryskové odstředivky, kterých účelem je odstranění velmi jemných koloidně dispergovaných částic. U nás se tyto tryskové odstředivky používají k odkalování a zahušťování jemných suspenzí přicházejících z dekantéru (výroba nátěrového kaolinu). Odstředivky jsou vhodné pro velmi jemné třídění hustých suspenzí. Pro třídění na prvních stupních se nehodí pro velké opotřebení. Při třídění řídkých suspenzí jsou nehospodárné, protože mají vysokou spotřebu elektrické energie na jednotku výroby. Výhodou odstředivek je relativně vysoké zahuštění jemné frakce. Zpravidla odpadá potřeba dalšího zahušťování před filtrací a tím i potřeba výstavby velkých zahušťovacích nádrží. 3.3 Odvodňování Sušení je energeticky velmi náročný proces a je několikanásobně dražší než jiné způsoby odstraňování vlhkosti. Z tohoto důvodu se snažíme sušený materiál odvodnit co nejvíce mechanickými způsoby. Veškerý kaolin přicházející z třídění se musí do určité míry zbavit vody. Tradiční způsob odvodňování se provádí ve třech stupních za sebou a to zahušťováním, filtrací a sušením Zahušťování První operací v technologii odvodňování je zpravidla zahušťování. Účelem zahušťování je příprava kalu vhodného pro filtraci. Prvním úkolem je dosažení maximální koncentrace částic kaolinu v kalu. Druhým úkolem je vázat jemné částice kalu tak, aby nebyly schopny samostatného pohybu. Zahušťovací proces je založen na shlukování částic kaolinu. K vytvoření shluků (flokulí) v kaolinovém kalu dochází použitím flokulačních činidel. Nejčastěji využívaným flokulační činidlem jsou polymery v podobě hydrolyzovaných polyacrylamidů. Při použití syntetických flokulantů nutno bezpodmínečně dodržovat podmínky rozpouštění a jejich míchání a zároveň dodržovat hustotu suspenze přicházející k zahušťování. Zavedení organických flokulantů umožňuje zvýšit výkon zahušťovacích zařízení, cca o jednu třetinu. Spotřeba těchto flokulantů se běžně pohybuje v rozmezí g na tunu sušiny. Zahušťování na odstředivkách Tento způsob zahušťování se používá jen ve zvláštních případech. Použití zahušťování na odstředivkách přichází v úvahu, když se suspenze podrobuje některé speciální úpravě, která je při úpravě kaolinu uskutečnitelná jen při relativně nízké hustotě suspenze. 19

27 Gravitační zahušťování Vlastní proces zahušťování začíná sedimentací, při níž částice kaolinu sedimentují ve shlucích flokulích. Po ukončení volné sedimentace proces pokračuje fází zahušťování sedimentu. Volba výkonu zahušťovacího zařízení je určitým kompromisem, který zajistí nejvýhodnější ekonomiku všech na sebe navazujících technologických procesů. U starých provozů se používali pravoúhlé nádrže o hloubce 3-4 m. Nádrže se plnili buď postupně, anebo se současně plnil větší počet nádrží. V nových provozech se staví kontinuální zahušťovače, buď jako kruhové nádrže DORR (Obrázek 14) o průměru 50 m, nebo podélné pravoúhlé zahušťovače s délkou m typu PASSAVANT. Obrázek 14: Kruhový kontinuální gravitační zahušťovač DORR (foto: autor) U těchto zahušťovačů je zahuštěný kal shrnovaný hrablem pohybujícím se po celém obvodu resp. délce nádrže. Výkon zahušťovače a kvalita zahuštění je závislá na vlastnostech kaolinu (na jemnosti kaolinu, použitém flokulačním prostředku, vstupní hustotě kalu a provozní teplotě). U běžných zahušťovacích nádrží lze dosáhnout ročního výkonu tisíc tun sušiny na 1000 m 3 prostoru. U kontinuálních zahušťovačů je možno dosáhnout až o 30% vyšších výkonů než u diskontinuálních. Jiný způsob než sedimentační se používá jen ve speciálních případech Filtrace Filtrace je nejčastěji druhou operací na úseku odvodňování. Touto operací se získává plavený kaolin těstovité až tuhé konzistence s obsahem vody v rozmezí 25-40%. Filtrace je založena na oddělování tuhých suspendovaných částic porézní vrstvou za vzniku tzv. filtračního koláče. Nezbytnou podmínkou, aby filtrace nastala, je vyšší tlak na straně filtrační přepážky, která je ve styku se suspenzí. Struktura a tloušťka koláče je hlavním činitelem určujícím účinnost filtrace. Existuje řada konstrukcí filtračních zařízení s tlakovou nebo podtlakovou filtrací, s promýváním nebo bez promývání. Při výrobě kaolinu se běžně používají kalolisy a vakuové bubnové filtry. Filtrační odstředivky se téměř vůbec nepoužívají. 20

28 Kalolisy Kalolisy jsou přetlakové filtry s přerušovaným provozem. V praxi se používají kalolisy rámové a komorové. Rámový kalolis se skládá z rámů a desek (Obrázek 15), které se vzájemně střídají. Rám a přilehlé desky tvoří samostatně pracující komoru. Obrázek 15: Schématické znázornění rámového kalolisu (Řepka, V.) Filtrát prochází filtrační tkaninou a stéká po povrchu desek do sběrného kanálku. Když se rámy filtru zaplní filtračním koláčem, filtrace je skončena. Následuje promývání filtračního koláče, uvolnění desek a odstranění filtračního koláče. Cyklus se následně opakuje [19]. Rámové kalolisy se v současné době už přestali používat a začali se zavádět komorové kalolisy. Komorové kalolisy mají jen desky s rozšířenými okraji (Obrázek 16). Plachetky se navlékají na desky. Suspenze se přivádí otvorem nejčastěji uprostřed desky a vtéká do první komory ze strany přívodu a postupuje do dalších. Filtrační proces probíhá podobně jako u rámového kalolisu. Filtrační koláč však zůstává ulpělý na plachetkách. Po oddělení filtračního koláče z plachetky padá vlastní vahou na dopravní prostředek. Rozměry komor současných kalolisů se pohybují od 120x120 cm až po 150x150 cm. Počet komor na jednom kalolisu je 100 i více. Filtrační desky i plachetky se vyrábí ze syntetických materiálů. Otevírání komor se provádí mechanicky a je řízeno obsluhou nebo je samočinné. K plnění se používají membránová nebo odstředivá čerpadla. Rychlost filtrace (výkon kalolisu) je jedním z nejdůležitějších parametrů. Filtrační výkon je přímo úměrný filtračnímu tlaku a hustotě filtrované suspenze a nepřímo úměrný dynamickému součiniteli viskozity nosné kapaliny a tloušťce filtračního koláče. Tloušťka koláče během filtrace roste úměrně a úměrně jejímu nárůstu klesá rychlost filtrace. Volba tloušťky placky je vždy určitým kompromisem a proto se při výrobě kaolinu používá tloušťky placek v rozmezí mm. Menší tloušťky se používají u těžko filtrovatelných kaolinů, naopak větší tloušťky u snadněji filtrovatelných kaolinů. Kalolisy pracují periodicky. Výhodou kalolisů je vysoký stupeň odvodnění (27-32% zbytkové vlhkosti) a malá spotřeba energie na jednotku výroby. Nevýhodou je diskontinuální provoz a potřeba manuální práce. 21

29 Vakuové filtry Obrázek 16: Schématické znázornění komorového kalolisu (Tichánek, F.) Bubnové vakuové filtry s vnější filtrační plochou jsou nejstarším typem filtračních zařízení s nepřetržitým provozem. Během používání těchto filtrů se vyvinuly filtry s vnitřní filtrační plochou, filtry diskové (Obrázek 17), talířové a pásové. Kotoučové (diskové) vakuové filtry pracují na stejném principu jako bubnové. Pro zvětšení pracovní plochy je však hřídel osazena řadou disků. Filtrační plocha je tvořena boční plochou kotoučů. Výhodou je velká účinná plocha a přizpůsobivost filtru proměnlivému zatížení a možnost odstavení kteréhokoliv segmentu např. při protržení potahu. Při výrobě kaolinu se nejčastěji používá vakuových bubnových filtrů jednoduché konstrukce. Obrázek 17: Kotoučový vakuový filtr (Řepka,V.) Filtrační výkon vakuových filtrů podléhá obdobným závislostem jako při tlakové filtraci. Tloušťka koláče bývá 5-10 mm. Stupeň odvodnění je nižší než u kalolisů a zbytková vlhkost se pohybuje okolo 35-40%. Výhodou těchto filtrů je automatický provoz a dokonalé proprání filtračního koláče. Nevýhodou je nízký výkon a nízký stupeň odvodnění 22

30 3.4 Sušení Kaolin se suší procesem, při němž se pomocí tepelné energie odstraňuje z hmoty voda odpařováním a odváděním vzniklých par. Voda po filtraci vyplňuje v kaolinu veškeré prostory mezi částicemi a může se pohybovat vzlínat v libovolném směru. Kaolin podávaný do sušárny v drobných kouscích se suší rychleji než kaolin podávaný v hrubých kusech. Rychlost sušení kaolinu je úměrná teplotě a nepřímo úměrná relativní vlhkosti sušícího média. Při nízkých vlhkostech se sušení výrazně zpomaluje. Kaolin je z hlediska rychlosti sušení hmota necitlivá. Jediným omezením je, aby nedošlo k jeho ohřátí na teplotu nad 120 C, kde dochází k uvolňování chemicky vázané vody. Požadavkem sušení je efektivní dosažení požadované úrovně vlhkosti. Celková účinnost sušárny je určena využitím tepla a spotřebou energie v jiné formě (pohon zařízení pro posun, pohyb sušícího média). U kaolinu se používá buď souproudní ohřev, nebo se sušárna dělí na úseky, v nichž se udržuje teplo odpovídající vlhkosti sušeného kaolinu. Mezi nejčastěji používané sušárny patří pasové a rozprachové sušárny a sušící mlýny atritory. Méně často používané jsou tunelové, bubnové a válcové sušárny. Pasové sušárny Pro sušení granulovaných kaolinů se v nových i v rekonstruovaných provozech začali zavádět tzv. pasové sušárny (Obrázek 18). Obrázek 18: Třípásová sušárna (foto: autor) Pasové sušárny mohou být vytápěny párou, spalinami, nebo horkým vzduchem ohřívaným spalinami ve výměníku. V podstatě se jedná o tunelové sušárny, kde se kaolin nepřetržitě pohybuje po dopravním pase. Pásy jsou buď článkové z děrovaných plechů, nebo z drátěného pletiva, nověji i ze syntetických vláken. Nejčastěji se jedná o třípásové provedení sušáren s délkou 30 m, šířkou 1,5 m. Sušárny jsou v podélném směru děleny na poměrně krátké úseky (cca. 2 m), z nichž každý má ventilátor pro pohyb sušícího plynu. Sušící prostor je uzavřen z obou stran a sušící plyn se pohybuje zpravidla shora dolů. Před vstupem do sušícího prostoru prochází kaolin tzv. nudličkovačem, z něhož je kaolin vytlačován kruhovými otvory průměru 8-12 mm a je rozkládán po celé šířce pásu. Výkon této sušárny je 5-6 krát vyšší než u běžných tunelových sušáren. Vstupní teplota sušícího vzduchu je cca. 250 C, výstupní teplota kolem 60 C. Sušárna je schopna usušit za 23

31 rok při třísměnném provozu cca t kaolinu ze vstupní vlhkosti % na zbytkovou vlhkost 10-12%. Přísun kaolinu do sušárny se provádí přes skříňové podavače, výnos prostřednictvím mechanických vyhrnovačů, dopravních pasů a elevátorů. Pro sušení hrubě granulovaného kaolinu na konečnou vlhkost 10-12% je možno sušení pomocí pasových sušáren považovat za nejdokonalejší způsob sušení kaolinu. Sušící mlýny - atritory Sušící mlýny atritory jsou používané pro sušení a zároveň mletí kaolinu. Jsou to upravené desintegrátory, do nichž vstupuje vlhký materiál současně s horkými plyny (Obrázek 19). Obrázek 19: Řez sušícím mlýnem Atritor 17A ( : upraveno) Vlastní sušení i mletí probíhá současně. Částice mleté hmoty přicházejí do styku s mlecími prvky a jsou uvedeny do rotačního pohybu. Procházející plyny vynášejí z proudu částic ty částice, u nichž je unášecí síla proudících plynů dostačující pro změnu směru jejich pohybu. S klesající velikostí částic se zvětšuje účinek unášecí síly. Větší částice setrvávají v prostoru mlýna tak dlouho, až se semelou. Oddělení meliva od plynů se za výstupním otvorem sušárny zabezpečuje pomocí cyklónů a rukávových filtrů. Pro sušení plastických, případně lepivých hmot se zřizuje zvláštní okruh pro vracení části vysušeného materiálu do proudu materiálu přicházejícího k sušení. Sušení je souproudé. Je možno použít vysokých vstupních sušících teplot (600 C) a tak dosáhnout velkých výkonů a nízké měrné spotřeby tepla. Sušení probíhá z vlhkosti 28-29% na vlhkost do 1%. Pro sušení kaolinu jsou u nás běžná zařízení s výkonem cca t za rok při třísměnném provozu. Rozprachové sušárny Postup sušení v těchto sušárnách se liší od ostatních tím, že mokrý kaolin přichází přímo do sušícího prostoru. Velikost částic rozprášené hmoty je nepatrná. Mají relativně velký povrch v poměru k objemu a proto se suší velmi rychle. Sušení může být souproudé. Částice sušené hmoty se nespojují, a proto se usušená hmota jemností blíží jemnosti mletých kaolinů. Pro zachycení nejjemnějších částic se používá rukávových filtrů, případně kombinace cyklón + mokrý odlučovač. Kaolin sušený na rozprachových sušárnách má však některé specifické vlastnosti důležité při některých speciálních způsobech použití. Sušení kaolinu na rozprachových sušárnách se zavádí i v případech, kdy je jejich sušení energeticky nepříznivé. 24

32 3.5 Skladování a balení Vysušený kaolin se ze sušáren dopravuje systémem dopravníků, elevátorů a potrubních skluzů do skladovacích sil a boxů jako volně ložený kaolin. Objem skladovacích sil se pohybuje okolo m 3, ale používají se i větší sila. Stupeň naplnění sil se v minulosti sledoval pouze vizuálně - okem. V současné době se naplnění sil sleduje pomocí čidel, které jsou založeny na mechanickém principu (vrtulkové) resp. na principu měřeni odrazu ultrazvukového nebo infračerveného paprsku. Propojením těchto výstupních signálů do počítače je potom možno pomocí vizualizace přímo zobrazovat stav naplnění jednotlivých sil. Proti zabránění nalepování resp. namrzání kaolinu se v některých provozech vnitřní strana sil vykládá vrstvou teflonu nebo vysokomolekulového polyetylénu v kombinaci s příložnými vibrátory, pomocí kterých je možno nalepenou vrstvu kaolinu odstranit. Skladovací boxy se používají hlavně při nakládce železničních vagónů. Objem boxu se nejčastěji pohybuje v rozmezí od 500 do 1000 t. Pytlované kaoliny se skladují v prostorách expedičních skladů řádně označené podle druhů a ovzorkované při plnění do uvedených obalů. 3.6 Expedice Kaolin se dodává jednak kusový a jednak mletý. Kusový kaolin se expeduje převážně volně ložený v krytých dopravních prostředcích. Pro některé zákazníky se expeduje kusový kaolin - balený. Balí se do papírových obalů o hmotnosti 20, 25 nebo 40 kg. Při balení do velkoobjemových pytlů BIG-BAG je to kg. Mletý kaolin se převážně balí do papírových pytlů. Pro přepravu volně loženého nebo baleného kusového kaolinu se používají nákladní auta nebo železniční vagóny. Pro přepravu mletých nebalených kaolinů se používá železničních nebo silničních cisteren. 3.7 Speciální úpravnické technologie Speciální úpravnické postupy jsou takové technologické zásahy, kterými se upravují některé jakostní znaky plaveného kaolinu, a které se běžně používanými postupy nedají dosáhnout. Speciální procesy se používají k úpravě povrchových vlastností kaolinu, jako jsou vysoká bělost, nízká abraze, jemná zrnitost, nízká viskozita vodních suspenzí při vysokém obsahu sušiny, atd. Pro některé účely se hydrofilní povrch kaolinu upravuje chemickým ošetřením tak, aby byl hydrofobní nebo organofilní. Tyto povrchově modifikované kaoliny pak mohou být použity jako funkční pigment nebo plnivo v systémech, kde přírodní hydrofilní kaolin není možno použít. Ke speciálním úpravnickým technologiím, které umožňují upravit tyto jakostní parametry kaolinu, patří delaminace, magnetická separace, flotace, selektivní flokulace, odstraňování barvících oxidů z mřížky kaolinitu a kalcinace Delaminace Delaminace je postup, při kterém dochází k rozpojování hrubších částic kaolinitu, případně i některých slíd podle ploch štěpnosti. Při tomto procesu dochází i k otupení hran, 25

33 k celkovému ohlazení povrchu a zmenšení velikosti tvrdých částic (křemen). Všechny tyto pochody příznivě ovlivňují abrazi. Zařízení používaná k delaminaci možno podle mechanizmu rozdělit na 4 základní typy: a) hnětení s protlačováním kaolinu otvory malých průměrů, b) vytékání proudu suspenze velkou rychlostí proti otáčejícímu se ozubenému kolu, c) namáhání částic v suspenzi s intenzivním mícháním suspenze s přídavkem drobných částic mlecího materiálu (např. skla, písků, syntetických materiálů), d) chemické a tepelné postupy při vyšším tlaku. Podmínkou delaminace je rozpojení hrubších částic podle štěpných ploch na velmi tenké destičky. Uvedené podmínky jsou splněny u prvního typu delaminace tj. hnětením s protlačováním kaolinu tryskami malého průměru. Další možností delaminace je štěpení částic nárazem a to buď nárazem částice kaolinitu na tuhou hmotu, nebo nárazem přidaných částic vyrobených z vhodného materiálu. Podmínkám štěpení nárazem částice kaolinitu odpovídá druhy typ delaminace, při němž se rychle pohybující proud suspenze naráží na rychle se otáčející ozubené kolo. Podmínkám štěpení nárazem cizích částic odpovídá třetí typ delaminace. Od delaminace lze očekávat zlepšení celé řady jakostních znaků kaolinu, jako jsou zrnitost, abraze, bělost, hladkost povrchu nátěru, krycí schopnost, reologické vlastnosti a jiné Magnetická separace Magnetická separace využívá rozdílných magnetických vlastností jednotlivých zrn v upravované surovině. Při magnetickém rozdružování jsou využívány zejména přirozené magnetické vlastnosti nerostných surovin. Barevné minerály v kaolinu, které nepříznivě ovlivňují bělost, vykazují menší nebo větší obsah železa a mají proto magnetické vlastnosti. Při magnetické separaci kaolinu se používá jen mokrý proces úpravy. Zahrnuje použití silných magnetů s intenzitou elektrického pole v rozmezí 2-6 Tesla. K dosažení tohoto rozmezí je použito tekutého hélia, které ochlazuje supravodivé cívky, a dochází tak k výrazným úsporám elektrické energie. Suspenze kaolinu je čerpána přes jemnou nerezovou matrici ocelové vlny, která je pod elektrickým napětím, odděluje magnetické minerály a umožňuje nemagnetickému kaolinu projít touto matricí. Magnetické pole je pravidelně vypínáno tak, že se magnetické částice mohou opláchnout vodou a tak dochází k čištění ocelové vlněné matrice. Obrázek 20 znázorňuje princip činnosti elektromagnetu intenzity 2T. Mezi odstraněné magnetické minerály patří zejména hematit a nažloutlé železo z anatasu. Proces magnetické separace byl popsán Ianicellim [20], který byl jedním z prvních, kteří obhajovali použití magnetické separace pro účely zvýšení bělosti kaolinu. Rozvoj vysoko-intenzitní magnetické separace za mokra pro použití v průmyslu kaolinu má za následek obrovský nárůst objemu kaolinu, který je vhodný pro další komerční účely [21]. Největším vyráběným modelem vysoko gradientního magnetického separátoru firmy Carpco je Cryofilter 5T/1000, který zpracovává až 100 tun kaolinového kalu za hodinu [22]. Úprava kaolinu vysoko gradientními magnetickými rozdružovači zvyšuje bělost produktů, což je významné zejména u papírenských, plnících a nátěrových kaolínů. 26

34 Obrázek 20: Princip činnosti magnetického separátoru (Murray, H.H. - upraveno) Magnetická separace se může výrazně uplatnit u separace kaolinů jemné zrnitosti. Proces separace je automatický, příprava suspenze je jednoduchá, při provozu nevznikají odpadní vody ani exhaláty. Nevýhodou je nízká účinnost v oblasti velmi jemných zrnitostí a velká energetická náročnost. Energetická náročnost se již částečně odstranila zaváděním moderní technologie magnetické separace pomocí supravodivých materiálů Flotace Flotace je úpravnický proces, který využívá vlastností jevů vznikajících na styku dvou fází (pevná - kapalná) při odlišném chemickém složení, případně jiných odlišných vlastnostech obou fází. Pro flotaci je nutná přítomnost kapaliny tzv. sběrače. Tato kapalina má mít nižší povrchové napětí než voda. Sběrač při styku s minerálem vytvoří obal na jeho povrchu a tím odstraní vodu. Částice tak mohou být vyneseny ze suspenze na povrch. Tento proces nastane, když se použije jako sběrač kapalina ve vodě nerozpustná a lehčí než voda. Po skončení míchání sběrač s částicemi vystoupí na hladinu suspenze, kde vytvoří vrstvu, kterou lze ze suspenze stáhnout. Tento postup se využíval u flotace jako první a jako sběračů se převážně používalo olejů. Odtud pochází i název pro tento typ flotace olejová flotace. Dalším typem flotace je tzv. pěnová flotace. Pěnová flotace se používá k odstranění anatasu zbarveného železem [23]. Jako nosič se používá uhličitan vápenatý. Flotace se používá jako standardní metoda při zpracování kaolinů z Georgie (USA) při výrobě produktů s bělostí vyšší než 90%. Anatas zbarvený železem se selektivně potahuje činidlem, který způsobuje, že se na něm udrží vzduchové bubliny, které jsou vtlačovány do suspenze. Pěna vytvořená vzduchovými bublinami zvedne barevné anatasové částice k povrchu flotační komory, a ty se pak z hladiny seberou a odstraní (Obrázek 21). 27

35 Obrázek 21: Princip činnosti běžného flotačního zařízení (Murray, H.H - upraveno) V poslední době se začali používat vertikální flotační komory, které zlepšují separaci jemných částic a také zvyšují výtěžnost produktu. Většina kaolinů z oblasti Georgia (USA) obsahuje až 2,5% TiO 2 a pomocí flotačního procesu je možno snížit tento obsah až na 0,3%. Pro flotaci kaolinu se později vyvinuli speciální postupy a to tzv. ultraflotace a tzv. dvoukapalinová flotace. Ultraflotace je v podstatě pěnová flotace, při níž se navíc používá tzv. nosného minerálu např. čistého vápence, který se přidává do suspenze v množství cca. 20% váhy sušiny suspenze. Účinnost tohoto postupu je posunuta až do jemných částic a proto dosahují vysokého bělícího efektu. Použitelnost tohoto procesu závisí od vyřešení postupu, který by zabránil vzniku emulze, nebo postupu k jednoduchému a rychlému rozbití emulze Selektivní flokulace Dalším úspěšně používaným procesem, který může být použit pro snížení obsahu TiO 2 je selektivní flokulace. Proces byl představen na konci roku 1960 pány Bundym a Berberichem [24] pro účely výroby produktů s bělostí nad 90%. Selektivní flokulace se postupně vylepšovala a nyní je to proces, který je používán pro výrobu produktů s vysokou bělostí. Tento proces je vlastně obrácenou flotací, protože tmavě zbarvený anatas je selektivně flokulován tak, že se usadí v hydroseparátoru, zatímco kaolin zůstává dispergován v suspenzi. Flokulovaný anatas se následně odvádí do odpadních vod. Postup selektivní flokulace spočívá v přidávání vhodné soli s dvojmocným kationem (Ca 2+, Mg 2+, Ba 2+ ) do dokonale stabilizované suspenze až do momentu začínající flokulace. Obsah TiO 2 ve výsledné suspenzi po úpravě dosahuje dvacetinu původního obsahu před úpravou Odstraňování železa z mřížky kaolinitu kalcinací Dalším technologickým postupem používaným při výrobě produktů s přidanou hodnotou je kalcinace. Tento proces byl zaveden na počátku roku Při normální teplotě zpracování kaolinu neexistuje fyzikální ani chemický postup, kterým by bylo možno odstranit železo vázané v mřížce kaolinitu. K odstranění takovéhoto železa je možno použit jen tepelného zpracování. Kaolin vypálený při relativně nízké teplotě ( C), tzv. kalcinaci však 28

36 nedosahuje optimálního zvýšení bělosti. Pro dokonalé odstranění železa musí být kalcinace doplněna ještě jiným procesem, např. chlorací v přítomnosti vhodného redukčního prostředku. Z uvedeného je zřejmé, že neexistuje postup, kterým by bylo možno dosáhnout dokonalého odstranění barevných minerálů bez dalších kroků. Pro zvýšení účinku bělení je nutno použít kombinace minimálně dvou postupů a to např. magnetické separace a redukčního bělení po magnetické separaci. 29

37 4 ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIÍ A MOŽNÉHO VÝVOJE PŘI ZPRACOVÁNÍ KAOLINU Podobně jako i v jiných oblastech zpracovatelského průmyslu, tak i v úpravnictví kaolinu se stále větší důraz klade na snižování energetických nákladů, zvyšování kvality a objemu produkce za současného zvyšování produktivity práce. Zavádění nových technologií vede i v úpravnictví kaolinu k pozitivním výsledkům. 4.1 Moderní trendy úpravnictví ve zpracování kaolinu Technologické celky používané pro úpravu kaolinu Současné trendy v navrhování technologických zařízení směřují ke konstrukci kompaktních technologických celků, které spojují funkci několika samostatných zařízení (čerpadel, hydrocyklónů, vibračních sít, ventilů a třídičů) do jednoho celku. Takovéto zařízení může potom zároveň plnit funkci třídiče i zahušťovacího zařízení. V minulosti se většina technologických zařízení budovala v horizontálním uspořádání. Kompaktní technologické celky jsou dnes již většinou konstruovány ve vertikálním uspořádání, které je pro úpravnictví výhodnější, nejen z hlediska energetických úspor při čerpání kaolinového rmutu, ale i z hlediska stavebních a konstrukčních úspor. Takovéto zařízení potřebuje podstatně menší zastavěnou plochu a tím i menší náklady na výkup pozemků pro stavební účely. Mezi světové výrobce, kteří nabízejí takovéto typy technologických celků, patří např. firmy Weir Minerals (Anglie) nebo Derrick Corporation (USA). Na Obrázek 22 je uveden technologický celek firmy Derrick Corporation, který spojuje baterii hydrocyklónů, vibračního síta a čerpadel v jeden kompaktní celek [25]. Obrázek 22: Technologický celek Hi-G Dryer (Derrick Corporation) 30

38 4.1.2 Hydrocyklóny moderní koncepce U klasických hydrocyklónů částice kalu narážejí do válcového těla nekontrolovaně a způsobují turbulenci, která je příčinou prodírání jeho vnitřního pláště. Dále zde dochází k přesunu hrubých nevytříděných částic do přepadu a naopak. Tento jev je způsoben hlavně tvarem vnitřních stěn, na kterých vzniká turbulentní proudění. Konstrukce hydrocyklónů CAVEX eliminuje toto turbulentní proudění (Obrázek 23). Hydrocyklón CAVEX Klasický hydrocyklón Obrázek 23: Srovnání proudění u hydrocyklónu Cavex (vlevo) a standardního hydrocyklónu (vpravo) Řada hydrocyklónů CAVEX zajišťuje mimořádně dlouhou životnost a mnohem větší výtěžnost i ve velmi složitých provozních podmínkách ve srovnání s běžnými hydrocyklóny [26]. Tyto hydrocyklóny se vyrábí ve velikostech do 660 mm. Výhody hydrocyklónů CAVEX: a) přibližně trojnásobné zvýšení životnosti vstupní komory hydrocyklónu, b) vysoká třídící účinnost hydrocyklónu CAVEX - podstatně menší obsah nevytříděných částic v porovnání s běžným hydrocyklónem, tj. markantní snížení obsahu hrubých částic v přepadu hydrocyklónu, a stejně tak snížení obsahu jemných částic ve spodním výtoku hydrocyklónu. c) větší provozní kapacita při zachování dané dělící roviny. Hydrocyklóny CAVEX mají nízké náklady na údržbu, vysokou třídící účinnost a vysokou životnost výměnných dílu Vibrační odvodňovací zařízení Vibrační zařízení se v minulosti používali jenom při separaci štěrkového podílu a hrubého písku z kaolinového rmutu. V dnešní technologii úpravy kaolinu jsou využívány i pro separaci písků středně velké frakce a pro odvodňování. Takovéto zařízení je schopno s třídící plochou cca. 2,8 m 2 zpracovat přibližně tun kaolinového rmutu hodinu. Příkon vibračních motorů, které zabezpečují eliptické kmity tohoto zařízení, nepřesahuje 2,5 kw, a proto jsou energeticky vysoce úsporná. Drátěná síta, která se v minulosti vyráběla, měli poměrně malou účinnou sítovací plochy a minimální šířka štěrbiny se pohybovala na úrovni 0,8 mm. Zásluhou nové technologie výroby a pokrokového materiálu na báze polyuretanu se v současné době vyrábí štěrbinová síta s velikostí štěrbiny v rozsahu mikrometrů, přičemž se výrazně zvětšila účinná sítovací plocha. Tento typ zařízení výrazně zvyšuje odvodnění pískového podílu a nahrazuje dehydrátory, které se v kaolinkách používali v minulosti. 31