Некоторая информация о кальците
Характеристики
Кальцит — это минерал с химической формулой CaCO3, являющийся основным компонентом известняка с кристаллическими зернами размером от 1 мм до 10 см. По шкале твёрдости Мооса его твёрдость составляет 3, а удельный вес при 20 °C — 2,7 г/см³. Растворимость при 25 °C — 0,0015 г/см³ в воде. Кристаллы имеют ромбоэдрическую форму с красивыми срезами по поверхности (1011). Кальцит легко ломается, обладает стеклянным блеском, в природе встречается полупрозрачным и матовым. В разновидности под названием «исландский шпат» оптически негативен, тонкие срезы бесцветны. При растворении в кислоте выделяет пузырьки CO₂. Двойное преломление — важная особенность кальцита, из-за чего надписи видны двойными. В составе чистого кальцита содержится примерно 56 % CaO и 44 % CO₂; в зависимости от породы и минералов, с которыми он встречается, могут присутствовать небольшие количества Mg, Fe, Mn, Zn, Sr, Cu, Pb, Co, Ba, Cr и As. При обдуве не плавится, но меняет цвет на белый или мутный (Şahin, 1978). Примеси представлены оксидами MgO, SiO2, Al2O3, Na2O, TiO2 и P2O5, которые в зависимости от области применения могут негативно влиять на качество.
Термины использования
Известняк (калькер):
Массивная, белая, одноминеральная горная порода, состоящая из кристаллов кальцита различных размеров. Сопутствующими минералами являются пирит, галенит, рутил, циркон, гипс, барит и полевой шпат.
Мрамор:
Известняк или калькер, подвергшийся метаморфизму и состоящий из кальцита с размером кристаллов более 0,1 мм. Сопутствующими минералами являются силикаты, полевой шпат, слюда, оксиды железа и флюорит.
Микронизированный кальцит:
Торговое название кальцита, измельчённого до размера частиц от 1 до 100 мкм. Обычно используется в качестве наполнителя и для покрытия в промышленности.
Мел (меловая порода):
Мягкая горная порода, состоящая из мелкозернистого кальцита, содержащая раковины морских организмов.
Гашёная известь:
CaO, получаемое обжигом (кальцинацией) известняка с низким содержанием CaCO3 при температуре 825 °C.
Известковая смесь
Название Ca(OH)₂, получаемого при обработке гашёной извести (CaCO₃) водой (гидратация).
Осаждённый CaCO₃:
CaCO₃, получаемый в результате обработки сметаны извести CO₂ (карбонизация). Также CaCO₃ получают при реакции CaCl₂ с Na₂CO₃ и используют вне керамической промышленности.
Термины определения качества
Степень истирания:
Потеря веса в мг, которую испытывает 100 г сухого CaCO₃, распределённого в 3,2 л чистой воды, после 6000 оборотов в истирающем устройстве. Этот показатель важен в бумажной промышленности.
Скорость диспергирования:
Способность частиц CaCO₃ не слипаться и равномерно распределяться в рабочей среде. Важна в наполнителях.
Для уменьшения и заполнения пустот между частицами CaCO₃ применяют покрытие их различными алифатическими соединениями.
Степень белизны:
Значение, полученное при сравнении с эталонной белизной MgO, выраженное в процентах отражения света материалом. Для кальцита должно быть 96–100%, для мрамора — около 96%, для мела — 93–96%. Важный показатель для бумажной и других отраслей, где требуется высокая белизна.
Удельная поверхность:
Общая площадь поверхности 1 г CaCO₃ в см². Значимый параметр для покрытий и пластиковой промышленности.
Подготовка и обогащение
Перед промышленным использованием кальцит подвергается дроблению, измельчению, классификации, а также магнитной сепарации и флотации в зависимости от структуры материала. Это обеспечивает однородность как по составу, так и по химическим свойствам.
Дробление:
Используются щековые, молотковые, ударные дробилки и вальцовые дробилки. Выбор дробилки зависит от свойств материала, твердости, мощности оборудования и требуемого размера продукта. Щековые дробилки дают удлинённые и плоские частицы, ударные дробилки — кубические или округлые.
Измельчение:
Применяются стержневые и шаровые мельницы, вертикальные мельницы, кольцевые и роторные мельницы, а также пульверизаторы.
Мельницы, кольцевые и вертикальные измельчители работают совместно с классификаторами. Для влажного измельчения применяют специальные классификаторы, для сухого — воздушные сепараторы или фильтры. При сухом измельчении шаровыми мельницами и кольцевыми размельчителями используются циклоны или пылеулавливающие вентиляторы. Вертикальные мельницы — новая технология, имеющая следующие преимущества по сравнению с другими измельчителями:
- Низкая стоимость установки
- Эксплуатация недорогая с низким энергопотреблением
- Работает бесшумно
- Занимает мало места
- Мало движущихся частей
- Минимальное перерасходование и простой
- Высокое использование внутренней емкости
Просеивание и классификация
Просеивание применяется для классификации материала, а также для удаления песка, глины и других примесей, которые могут присутствовать вместе с основным материалом. Может выполняться во влажной среде. Для просеивания используются плоские, конические, вибрационные, толчковые и вращающиеся сита. Для материала с размером частиц менее 147 микрон применяются воздушные сепараторы или циклоны.
Флотация
Перед флотацией материал классифицируется и разделяется на частицы меньше 74 микрон с помощью центрифуги или циклона, отделяя шлам. Кальцит всплывает в среде с pH 8,5-9 с помощью жирных кислот и мыла. Серицит, кварц и другие силикаты подавляются таниновыми кислотами, квебрахо или кальгоном. В качестве контрольных реагентов используются Na₂CO₃ и Na₂SiO₃. Реагенты подаются в среду с плотностью твердых частиц 20% из кондиционера или напрямую в флотационную камеру. Для повышения эффективности используется NaOH. Время флотации составляет 10-12 минут.
Области применения
Бумага
Используется как наполнитель и покрывной материал, благодаря чему поверхность становится более твердой, ровной и цвет однородным. Химические показатели зависят от типа бумаги. Белизна должна быть не менее 94%, размер частиц — от 1 до 100 микрон в зависимости от области применения. Благодаря способности впитывать масло, ускоряется сушка чернил, что важно для газет, журналов и качественной бумаги. Также используется как наполнитель в сигаретной бумаге. Применяются стандарты TS 11653 «Кальцит, используемый в бумажной промышленности» и американский ASTM D 1199.
Краски
Используется как недорогой наполнитель вместо пигмента, для предотвращения коррозии стали, получения толстого слоя краски за один проход, а также повышения устойчивости краски к воде и химикатам. Для игрушечных красок установлены допустимые уровни Ba, Cr и As. Содержание CaCO₃: известняк — 95%, мрамор — не менее 99%, мрамор без твердых включений — не менее 98%, кристаллический известняк — 99%. Взамен отменённого стандарта TS 7047 «Карбонат кальция — используемый в красках» применяются TS 11296 «Наполнители для красок», ASTM D 1199, BS 1795, IS 8767 (Индия), ISIRI 2399 (Иран), а также TS EN ISO 3262-4, -5 и -6.
Резина
Используется как наполнитель; частицы должны быть меньше 20 микрон и округлой формы, равномерно распределяться в резиновой смеси. Применяется там, где не требуется высокая прочность и износостойкость, а также где можно обойтись без сажи. Обеспечивает использование резины под нагрузкой без потери мягкости, предотвращает удлинение и растяжение. В белой резине цвет особенно важен. CaCO₃ должен быть не менее 92%, при использовании мела — 98%. Уровни Cu, Mn и Pb регламентированы. Применяются стандарты TS 4160, TS ISO 5796, TS 6758, ASTM D 1199, IS 917 (Индия), JIS K 6233 (Япония), ISIRI 2399.
Пластик
Используется как наполнитель для повышения прочности, облегчения извлечения из формы и равномерности толщины изделия. Обеспечивает твёрдость, эластичность, прочность, сопротивление изгибу, снижает внутренние напряжения и повышает устойчивость к высоким температурам. Не должен содержать тяжелых металлов, обладать низкой маслонасыщенностью, не впитывать пластификаторы, иметь высокую степень белизны, не вызывать износ оборудования, легко распределяться, повышать ударную вязкость. Размер частиц должен быть от 3 до 0,02 микрон, форма — округлая, содержание CaCO₃ — не менее 95%. Применяется стандарт ISIRI 2399 (Иран).
Корма для животных
Кальций необходим для роста костей и зубов животных, поэтому карбонат кальция используется как наполнитель в кормах. Содержание CaCO₃ должно быть не менее 92%, содержание SiO₂ — очень низким, а такие элементы, как мышьяк (As) и фтор (F), должны быть в строго определённых пределах. Размер частиц должен составлять 400 микрон для кормов цыплятам, 3 мм для крупной домашней птицы и менее 25 микрон для кормов для взрослых животных всех видов. Содержание посторонних веществ в используемом материале не должно превышать 3%. Для этих целей разработаны стандарты: TS 8606 «Корма для животных — соединения CaCO₃», TS 8599 «Корма для животных — лизунец», TS 9699 «Корма для животных — корм для кур-несушек», TS 8880 «Пищевые добавки — регуляторы кислотности — определение карбоната кальция», а также американский стандарт ASTM C 706.
Сельское хозяйство
Чтобы получать хороший урожай с кислых почв, необходимо вносить кальций. Это улучшает жизнедеятельность почвенных организмов и повышает pH до уровня 6–7,5. Кальций также является питательным элементом для растений. В качестве удобрения вместо утраченных солей кальция в почве применяют мраморную или известняковую муку. Содержание CaCO₃ должно быть не менее 90%, размер частиц — менее 0,15 мм, а содержание мышьяка (As) — не более 4 ppm. Для этого применяются стандарты TS 9741 «Известь, используемая в сельском хозяйстве — Термины, определения» и ASTM C 602 (США).
Фармацевтика
Кальцит в основном используется в лекарствах от изжоги и заболеваний желудка. Содержание CaCO₃ должно составлять 98,8%, железа (Fe) — не более 0,05%, а размер частиц — менее 2,4 микрон.
Угольная промышленность
Используется для предотвращения взрывов угольной пыли и распространения пламени от взрывчатых веществ. Содержание кремнезёма (SiO₂) — не более 4%, горючих веществ — не более 5%. Размер частиц — менее 84 микрон, продукт не должен спекаться при нагревании. Применяются стандарты ASTM C737 (США) и Национального совета по углю Великобритании.
Стекольная промышленность
Кальцит повышает химическую устойчивость стекла и делает его светлее, поэтому используется в производстве бутылочного и оконного стекла. CaCO₃ — 98,5%, Fe — не более 0,2%, размер частиц — менее 0,5 мм. Применяются стандарты TS 4746 (Турция), BS 3108 (Великобритания) и IS 887 (Индия).
Шпатлёвка для окон
Мел с криптокристаллической структурой обладает высокой способностью впитывать масло, поэтому используется в качестве наполнителя в оконной шпатлёвке, смешиваясь с олифой. Также применяется мелкоизмельчённый известняк. CaCO₃ должен составлять не менее 90%, размер частиц — менее 40 микрон. Используются стандарты TS 11602 (Турция), ASTM D1199 (США) и BS 44 (Великобритания).
Сахарная промышленность
Кальцит используется для удаления примесей из сахарного сиропа. Фосфорные и органические кислоты превращаются в безвредные соединения кальция. Содержание CaCO₃ — не менее 96%, SiO₂ — не более 0,5%, размер частиц — менее 74 микрон.
Косметика
Содержание CaCO₃ должно быть 98%, размер частиц — менее 0,4 микрон, белизна — от 38 до 99%. Применяются стандарты TS 4162 (Турция), ISIRI 2860 (Иран), PS 1584 (Пакистан) и IS 1918 (Индия).
Взрывчатые вещества
CaCO₃ должен составлять не менее 98%, размер частиц — более 125 микрон. Применяются стандарты TS 4161 (Турция) и IS 7633 (Индия).
Карбид кальция
Карбид кальция получают при реакции кокса с известняком. Содержание CaO должно быть не менее 92%, потери при прокаливании — не более 4%.
Очистка воды
Для устранения жёсткости воды применяется CaO с содержанием не менее 90%; для обесцвечивания воды, обеззараживания и хлорирования — CaO с содержанием не менее 93%. Содержание Fe₂O₃ должно быть не более 0,3%. Используются стандарты TS Pr EN 1018 (Турция) и ISIRI 2784 (Иран).
Керамика
Применяется при производстве глазури и кафеля. Добавляется в шликер для нейтрализации вредного воздействия SiO₂. Доля использования — 2–6%. При превышении возникают проблемы: покраснение, жёлтые пятна, деформация при высоких температурах. CaO повышает прочность керамики, вступая в реакцию с Al₂O₃ и SiO₂, формируя стекловидную фазу при 1280 °C. Cr₂O₃ должен быть в минимальном количестве, так как повышает температуру плавления. CaCO₃ — не менее 98%. Повышение температуры снижает пористость шликера. Увеличение SiO₂ в глазури повышает температуру обжига. Переходный слой из CaO и SiO₂ снижает напряжение между глазурью и черепком, предотвращая трещины. Fe и другие окрашивающие примеси не допускаются.
Затирочные материалы
При использовании мраморной пыли в качестве затирки содержание CaCO₃ должно быть не менее 95%, размер частиц — менее 250 микрон. Влажный кальцит, смешанный с белым цементом, ускоряет его схватывание, снижая качество продукции (Ассоциация производителей мрамора, 2005 г.). Поэтому содержание влаги не должно превышать 1%. Применяется стандарт TS 5892 «Строительство — Затирочные и герметизирующие материалы — Термины».
Другие области применения
- Для улавливания и эмульгирования органических серосодержащих газов, таких как SO₂ и CS₂, в нефтеперерабатывающей промышленности;
- В качестве омылителя в моторных смазочных маслах;
- Для защиты раскалённой проволоки от окисления при производстве металлической проволоки;
- В производстве чернил, клея, глицерина, уксуса, жевательной резинки, спичек, линолеума и сварочных электродов;
- Для омыления и придания текучести жирам;
- В кожевенной промышленности — для удаления шерсти с шкур и в качестве дезинфектанта, а также как абсорбент ядов в инсектицидах;
- В производстве соды, мыла, чистящих порошков, зубной пасты и мягких абразивов;
- Используется при флотации и в составе буровых растворов.
Библиография
Şahin, N., (1978) ’’Türkiye Kalsit Olanakları ve Kalsitin Endüstriyel Hammadde Olarak Hazırlanması’’, Bitirme Çalışması, Hacettepe Üniversitesi (Yazarın kendiside de bir kopye var), Ankara.
Şahin, N., 1999 ‘’Endüstriyel Hammadde Olarak Kalsit (CaCO3) ve Cevher Hazırlaması’’, MTA Genel Müdürlüğü Derleme Rap No:10294, Ankara.
Mermerciler Derneği, (2005) ‘’Mermer Artıklarının Değerlendirilmesi İle İlgili Araştırmalar’’, Muğla..
