Kaolinit

"Kaolin" omdirigerar hit. För annan användning, se Kaolin (disambiguation) .
Se även: Aluminiumsilikat

Kaolinite from Twiggs County in Georgia in USA.jpg
Kaolinite
General
Kategori
Fyllosilikater Kaolinit- serpentingrupp

Formel (upprepad enhet) 		Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , eller i oxidnotation: Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O
IMA-symbol Kln
Strunz klassificering 9.ED.05
Kristallsystem Triclinic
Kristallklass
Pedial (1) (samma HM-symbol )
Rymdgrupp P 1
Enhetscell

a = 5,13 Å , b = 8,89 Åc = 7,25 Å; a = 90° p = 104,5°, y = 89,8°; Z = 2
Identifiering
Färg Vita till krämfärgade, ibland röda, blå eller bruna nyanser från föroreningar och ljusgul; också ofta färgade olika nyanser, solbränna och bruna är vanliga.
Kristallvana Sällan som kristaller, tunna plattor eller staplade. Vanligare som mikroskopiska pseudohexagonala plattor och kluster av plattor, aggregerade till kompakta, lerliknande massor
Klyvning Perfekt på {001}
Envishet Smidig men oelastisk
Mohs skala hårdhet 2–2,5
Lyster Pärlaktig till matt jordig
Strimma Vit
Specifik gravitation 2,16–2,68
Optiska egenskaper Biaxial (–)
Brytningsindex

n α = 1,553–1,565, n β = 1,559–1,569, n γ = 1,569–1,570
2V vinkel Uppmätt: 24° till 50°, Beräknat: 44°
Referenser
Kaolinit
Traditionell kinesiska 高嶺石
Förenklad kinesiska 高岭石
Bokstavlig mening "Fängelsesten"

Kaolinit ( / ˈ k eɪ . ə l ə ˌ n aɪ t , - l ɪ -/ KAY -ə-lə-nyte, -⁠lih- ) är ett lermineral , med den kemiska sammansättningen Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 . Det är ett skiktat silikatmineral med ett tetraedriskt skikt av kiseldioxid ( SiO 4 ) kopplat genom syreatomer till ett oktaedriskt skikt av aluminiumoxid ( AlO 6 ) oktaedrar .

Kaolinit är ett mjukt, jordnära, vanligtvis vitt, mineral (dioktaedrisk fyllosilikatlera ) , framställt av kemisk vittring av aluminiumsilikatmineraler som fältspat . Den har låg krymp-svällningskapacitet och låg katjonbytarkapacitet (1–15 mekv/100 g).

/ . ˈk eɪ . əlɪn halloysite som är / rika på kaolinit, och , är kända som kaolin ( ) eller porslinslera I många delar av världen färgas kaolin rosa-orange-rött av järnoxid , vilket ger det en distinkt rostton . Lägre koncentrationer ger vita, gula eller ljusorange färger. Omväxlande lager finns ibland, som i Providence Canyon State Park i Georgia, USA.

Kaolin är en viktig råvara i många industrier och applikationer. Kommersiella kvaliteter av kaolin levereras och transporteras som pulver, klumpar, halvtorkade nudlar eller slurry . Den globala produktionen av kaolin 2021 uppskattades till 45 miljoner ton, med ett totalt marknadsvärde på 4,24 miljarder USD.

Etymologi

Namnet kaolin kommer från Gaoling ( kinesiska : 高嶺 ; pinyin : Gāolǐng ; lit. 'High Ridge'), en kinesisk by nära Jingdezhen i sydöstra Kinas Jiangxi-provins . Namnet kom in på engelska 1727 från den franska versionen av ordet: kaolin , efter François Xavier d'Entrecolles rapporter om tillverkningen av Jingdezhen-porslin .

Kaolin hänvisas ibland till med den föråldrade termen lithomarge , från det antika grekiska litho- och latinska marga , som betyder "sten av märgel " ; för närvarande kan namnet lithomarge hänvisa till en kompakterad, massiv form av kaolin.

Kemi

Notation

Den kemiska formeln för kaolinit som används inom mineralogi är Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , men i keramiska tillämpningar är formeln vanligtvis skriven i termer av oxider, därför är formeln för kaolinit Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H2O _ _ .

Strukturera

Kaolinitstruktur, som visar mellanskiktets vätebindningar

Jämfört med andra lermineraler är kaolinit kemiskt och strukturellt enkelt. Det beskrivs som ett 1:1 eller TO- lermineral eftersom dess kristaller består av staplade TO- lager. Varje TO- skikt består av ett tetraedriskt ( T )-ark sammansatt av kisel- och syrejoner bundna till ett oktaedriskt ( O )-ark sammansatt av syre-, aluminium- och hydroxyljoner. T - skiktet kallas så eftersom varje kiseljon är omgiven av fyra syrejoner som bildar en tetraeder. O- skivan kallas så eftersom varje aluminiumjon är omgiven av sex syre- eller hydroxyljoner anordnade i hörnen av en oktaeder. De två skikten i varje skikt är starkt sammanbundna via delade syrejoner, medan skikten är bundna via vätebindning mellan syre på den yttre ytan av T -skiktet av ett skikt och hydroxyl på den yttre ytan av O -skiktet i nästa skikt.

  • View of the structure of the tetrahedral (T) sheet of kaolinite

    Vy över strukturen av det tetraedriska ( T ) arket av kaolinit

  • View of the structure of the octahedral (O) sheet of kaolinite

    Vy över strukturen av det oktaedriska ( O ) arket av kaolinit

  • Kaolinite crystal structure looking along the layers

    Kaolinitkristallstruktur tittar längs lagren

Ett kaolinitskikt har ingen elektrisk nettoladdning och därför finns det inga stora katjoner (som kalcium, natrium eller kalium) mellan lagren som med de flesta andra lermineraler. Detta förklarar kaolinitens relativt låga jonbyteskapacitet. Den nära vätebindningen mellan skikten hindrar också vattenmolekyler från att infiltrera mellan skikten, vilket förklarar kaolinitens icke-svällande karaktär.

När de fuktas får de små plattliknande kristallerna av kaolinit ett lager av vattenmolekyler som gör att kristaller fäster vid varandra och ger kaolinlera dess sammanhållning. Bindningarna är tillräckligt svaga för att låta plattorna glida förbi varandra när leran gjuts, men tillräckligt starka för att hålla plattorna på plats och låta den gjutna leran behålla sin form. När leran är torkad avlägsnas de flesta vattenmolekylerna, och plattorna binder väte direkt till varandra, så att den torkade leran är stel men fortfarande skör. Om leran fuktas igen blir den plastig igen.

Strukturella omvandlingar

Kaolinitgruppleror genomgår en serie fasomvandlingar vid termisk behandling i luft vid atmosfärstryck.

Fräsning

Högenergimalning av kaolin resulterar i bildandet av en mekanokemiskt amorfiserad fas som liknar metakaolin , även om egenskaperna hos detta fasta ämne är helt olika. Högenergifräsningsprocessen är mycket ineffektiv och förbrukar en stor mängd energi.

Torkning

Se även: Buell torktumlare

Under 100°C kommer exponering för låg luftfuktighet att resultera i långsam avdunstning av eventuellt flytande vatten i kaolinet. Vid låg fukthalt kan massan beskrivas som lädertorr , och vid nära 0% fuktighet kallas den bentorr .

Över 100°C går eventuellt kvarvarande fritt vatten förlorat. Över cirka 400°C förloras hydroxyljoner (OH - ) från kaolinitkristallstrukturen i form av vatten: materialet kan nu inte mjukgöras genom att absorbera vatten. Detta är oåterkalleligt, liksom efterföljande transformationer; detta kallas för kalcinering .

Metakaolin

Endoterm uttorkning av kaolinit börjar vid 550–600 °C och producerar oordnad metakaolin , men kontinuerlig hydroxylförlust observeras upp till 900 °C (1 650 °F). Även om det historiskt sett var mycket oenighet om arten av metakaolinfasen, har omfattande forskning lett till en allmän konsensus om att metakaolin inte är en enkel blandning av amorf kiseldioxid (SiO 2 ) och aluminiumoxid ( Al 2 O 3 ) , utan snarare en komplex amorf struktur som bibehåller en viss ordning med längre räckvidd (men inte strikt kristallin ) på grund av stapling av dess hexagonala skikt.

Spinell

Ytterligare uppvärmning till 925–950 °C omvandlar metakaolin till en aluminium-kisel spinell som ibland också kallas en struktur av gamma-aluminiumoxidtyp:

Trombocytmullit

Vid kalcinering över 1050 °C kärnar spinellfasen och omvandlas till trombocytmullit och högkristallin kristobalit :

Nålmullit

Slutligen, vid 1400 °C uppträder "nål"-formen av mullit , vilket ger avsevärda ökningar i strukturell styrka och värmebeständighet. Detta är en strukturell men inte kemisk omvandling. Se stengods för mer information om detta formulär.

Förekomst

Kaolingruva i Tjeckien

Kaolinit är ett av de vanligaste mineralerna; det bryts, som kaolin, i Australien , Brasilien , Bulgarien , Kina , Tjeckien , Frankrike , Tyskland , Indien , Iran , Malaysia , Sydafrika , Sydkorea , Spanien , Tanzania , Thailand , Storbritannien , USA och Vietnam .

Mantlar av kaolinit är vanliga i västra och norra Europa. Åldrarna för dessa mantlar är mesozoikum till tidig kenozoikum.

Kaolinitlera förekommer i överflöd i jordar som har bildats från kemisk vittring av stenar i varma, fuktiga klimat ; till exempel i tropiska regnskogsområden . Jämför man jordar längs en gradient mot progressivt svalare eller torrare klimat, minskar andelen kaolinit, medan andelen andra lermineraler som illit (i kallare klimat) eller smektit (i torrare klimat) ökar. Sådana klimatrelaterade skillnader i lermineralinnehåll används ofta för att sluta sig till förändringar i klimatet i det geologiska förflutna, där gamla jordar har begravts och bevarats.

En kaolinbearbetningsanläggning

I klassificeringssystemet Institut National pour l'Étude Agronomique au Congo Belge ( INEAC) kallas jordar där lerfraktionen till övervägande del är kaolinit för kaolisol (från kaolin och jord).

I USA finns de viktigaste kaolinavlagringarna i centrala Georgia , på en sträcka av Atlantkustens falllinje mellan Augusta och Macon . Detta område av tretton län kallas "det vita guld"-bältet; Sandersville är känt som "världens Kaolinhuvudstad" på grund av dess överflöd av kaolin. I slutet av 1800-talet existerade en aktiv ytbrytningsindustri för kaolin i det extrema sydöstra hörnet av Pennsylvania, nära städerna Landenberg och Kaolin , och i vad som är dagens White Clay Creek Preserve. Produkten togs med tåg till Newark, Delaware , på linjen Newark-Pomeroy , längs vilken man fortfarande kan se många lergruvor i dagbrott. Avlagringarna bildades mellan den sena krita och tidiga paleogenen , för omkring 100 till 45 miljoner år sedan, i sediment som härrörde från väderbitna magmatiska bergarter och metakaolin. Kaolinproduktionen i USA under 2011 var 5,5 miljoner ton.

En Buell-tork i Storbritannien, som används för att torka bearbetad kaolin

Under paleocen-eocen termisk maximal sediment avsatta i Esplugafreda-området i Spanien berikades med kaolinit från en detrital källa på grund av denudation .

Syntes och genes

Svårigheter uppstår när man försöker förklara kaolinitbildning under atmosfäriska förhållanden genom extrapolering av termodynamiska data från de mer framgångsrika högtemperatursynteserna. La Iglesia och Van Oosterwijk-Gastuche (1978) trodde att de förhållanden under vilka kaolinit kommer att bilda kärnor kan härledas från stabilitetsdiagram, baserat som de är på upplösningsdata. På grund av bristen på övertygande resultat i sina egna experiment, var La Iglesia och Van Oosterwijk-Gastuche (1978) dock tvungna att dra slutsatsen att det fanns andra, fortfarande okända, faktorer inblandade i lågtemperaturkärnbildningen av kaolinit. På grund av de observerade mycket långsamma kristallisationshastigheterna för kaolinit från lösning vid rumstemperatur postulerade Fripiat och Herbillon (1971) förekomsten av höga aktiveringsenergier vid lågtemperaturkärnbildning av kaolinit.

Vid höga temperaturer verkar termodynamiska jämviktsmodeller vara tillfredsställande för beskrivningen av kaolinitupplösning och kärnbildning , eftersom den termiska energin är tillräcklig för att övervinna energibarriärerna som är involverade i kärnbildningsprocessen . Betydelsen av synteser vid omgivningstemperatur och atmosfärstryck för förståelsen av mekanismen som är involverad i kärnbildningen av lermineraler ligger i att övervinna dessa energibarriärer. Som antytts av Caillère och Hénin (1960) kommer de involverade processerna att behöva studeras i väldefinierade experiment, eftersom det är praktiskt taget omöjligt att isolera de involverade faktorerna genom enbart härledning från komplexa naturliga fysikalisk-kemiska system såsom markmiljön . Fripiat och Herbillon (1971), i en recension om bildandet av kaolinit, tog upp den grundläggande frågan hur ett oordnat material (dvs. den amorfa fraktionen av tropiska jordar) någonsin skulle kunna omvandlas till en motsvarande ordnad struktur. Denna omvandling tycks ske i jordar utan större förändringar i miljön, under en relativt kort tidsperiod och vid omgivningstemperatur ( och tryck ) .

Lågtemperatursyntes av lermineraler (med kaolinit som exempel) har flera aspekter. I första hand måste kiselsyran som ska tillföras den växande kristallen vara i monomer form, dvs. kiseldioxid bör vara närvarande i mycket utspädd lösning (Caillère et al., 1957; Caillère och Hénin, 1960; Wey och Siffert, 1962 Millot, 1970). För att förhindra bildning av amorfa kiselgeler som fälls ut från övermättade lösningar utan att reagera med aluminium- eller magnesiumkatjonerna för att bilda kristallina silikater , måste kiselsyran vara närvarande i koncentrationer under den maximala lösligheten för amorf kiseldioxid . Principen bakom denna förutsättning finns inom strukturkemin: "Eftersom polysilikatjonerna inte är av enhetlig storlek kan de inte ordna sig tillsammans med metalljonerna till ett vanligt kristallgitter." (Iler, 1955, s. 182)

Den andra aspekten av lågtemperatursyntesen av kaolinit är att aluminiumkatjonerna måste vara hexakoordinerade med avseende på syre (Caillère och Hénin, 1947; Caillère et al., 1953; Hénin och Robichet, 1955). Gastuche et al. (1962) och Caillère och Hénin (1962) har kommit fram till att kaolinit bara kan bildas när aluminiumhydroxiden är i form av gibbsit . Annars kommer den bildade fällningen att vara en "blandad aluminium-kiselgel" (som Millot, 1970, s. 343 uttryckte det). Om det var det enda kravet skulle stora mängder kaolinit kunna skördas helt enkelt genom att tillsätta gibbsitpulver till en kiseldioxidlösning. Utan tvekan kommer en markant grad av adsorption av kiseldioxiden i lösning av gibbsitytorna att äga rum, men, som nämnts tidigare, skapar inte enbart adsorption det skiktgitter som är typiskt för kaolinitkristaller.

Den tredje aspekten är att dessa två initiala komponenter måste inkorporeras i en blandad kristall med en skiktstruktur. Från följande ekvation (som ges av Gastuche och DeKimpe, 1962) för kaolinitbildning

det kan ses att fem molekyler vatten måste avlägsnas från reaktionen för varje molekyl av kaolinit som bildas. Fältbevis som illustrerar vikten av att avlägsna vatten från kaolinitreaktionen har tillhandahållits av Gastuche och DeKimpe (1962). Medan de studerade jordbildningen på en basaltisk sten i Kivu ( Zaïre ), noterade de hur förekomsten av kaolinit berodde på "degrée de dränering" av det berörda området. En tydlig skillnad fann man mellan områden med god dränering (dvs. områden med en markant skillnad mellan våta och torra årstider) och områden med dålig dränering (dvs. perenna sumpiga områden). Kaolinit hittades endast i områden med tydliga säsongsbetonade växlingar mellan vått och torrt. Den möjliga betydelsen av alternerande våta och torra förhållanden på övergången av allofan till kaolinit har betonats av Tamura och Jackson (1953). Rollen av växlingar mellan vätning och torkning på bildningen av kaolinit har också noterats av Moore (1964).

Laboratoriesynteser

Synteser av kaolinit vid höga temperaturer (mer än 100 °C [212 °F]) är relativt välkända. Det finns till exempel synteserna av Van Nieuwenberg och Pieters (1929); Noll (1934); Noll (1936); Norton (1939); Roy och Osborn (1954); Roy (1961); Hawkins och Roy (1962); Tomura et al. (1985); Satokawa et al. (1994) och Huertas et al. (1999). Relativt få lågtemperatursynteser har blivit kända (jfr Brindley och DeKimpe (1961); DeKimpe (1969); Bogatyrev et al. (1997)).

Laboratoriesynteser av kaolinit vid rumstemperatur och atmosfärstryck har beskrivits av DeKimpe et al. (1961). Från dessa tester blir periodicitetens roll övertygande tydlig. DeKimpe et al. ) AlCl3 ·6H2O aluminiumoxid dagliga tillsatser av ( som ) och kiseldioxid (i form av etylsilikat under minst två månader. Dessutom gjordes justeringar av pH varje dag genom tillsats av antingen saltsyra eller natriumhydroxid . Sådana dagliga tillsatser av Si och Al till lösningen i kombination med de dagliga titreringarna med saltsyra eller natriumhydroxid under minst 60 dagar kommer att ha infört det nödvändiga elementet av periodicitet. Först nu kan den faktiska rollen för vad som har beskrivits som "åldringen" ( Alterung ) av amorfa aluminiumsilikater (som till exempel Harder, 1978 hade noterat) fullständigt förstås. Som sådan åstadkommer inte tiden någon förändring i ett slutet system vid jämvikt; men en serie växlingar av periodiskt föränderliga förhållanden (per definition sker i ett öppet system) kommer att åstadkomma lågtemperaturbildning av mer och mer av den stabila fasen av kaoliniten istället för (illa definierade) amorfa aluminiumsilikater.

Ansökningar

Main

Från och med 2009 användes upp till 70 % av kaolin vid tillverkning av papper . Efter minskad efterfrågan från pappersindustrin, till följd av både konkurrerande mineraler och effekten av digitala medier, rapporterades marknadsandelen 2016 vara: papper, 36 %; keramik, 31%; färg, 7 % och övrigt, 26 %. Enligt USGS uppskattades den globala produktionen av kaolin 2021 till cirka 45 miljoner ton.

  • Pappersapplikationer kräver hög ljushet, låg nötning och delaminerade kaoliner. För pappersbeläggningar används det för att förbättra glansen, briljansen, jämnheten och mottagligheten för bläck; det kan stå för 25 % av massan av papperet. Som pappersfyllmedel används det som en massaförlängare och för att öka opaciteten; den kan stå för 15 % av massan.
  • I vita keramiska kroppar kan kaolin utgöra upp till 50 % av råvarorna. I obrända kroppar bidrar det till råhållfastheten, plasticiteten och de reologiska egenskaperna, såsom gjuthastigheten. Under bränning reagerar den med andra kroppskomponenter för att bilda kristall- och glasfaserna. Med lämpliga eldningsscheman är det nyckeln till bildandet av mullit . De mest uppskattade kvaliteterna har låga halter av kromofora oxider så att det brända materialet har hög vithet. I glasyrer används det främst som ett reologikontrollmedel, men bidrar också med viss grönstyrka. I både glasyrer och frittor bidrar den med en del SiO 2 som en glasnätverksbildare, och Al 2 O 3 som både en nätverksbildare och modifierare.

Övrigt industriellt

Medicinsk

Kosmetika

  • Som fyllmedel i kosmetika .
  • För ansiktsmasker eller tvål.
  • för spa-kroppsbehandlingar, såsom kroppsinpackningar, kokonger eller fläckbehandlingar.

Arkeologi

Geofagi

  • Människor äter ibland kaolin för nöjes skull eller för att undertrycka hunger, en metod som kallas geofagi . I Afrika är kaolin som används för sådana ändamål känd som kalaba (i Gabon och Kamerun ), calaba och calabachop (i Ekvatorialguinea ). Konsumtionen är större bland kvinnor, särskilt under graviditeten, och dess användning sägs ibland av kvinnor i regionen vara en vana som liknar cigarettrökning bland män. Praxis har också observerats inom en liten befolkning av afroamerikanska kvinnor i södra USA, särskilt Georgia , troligen fört med traditionerna från de tidigare nämnda afrikanerna via slaveri . Där kallas kaolinet för vit smuts , krita eller vit lera .

Geoteknik

  • Forskningsresultat visar att användningen av kaolinit inom geoteknik alternativt kan ersättas med säkrare illit, särskilt om dess närvaro är mindre än 10,8 % av den totala bergmassan.

Småskaliga användningar

Produktionsproduktion

Global produktion av kaolin per land 2012 beräknades vara:

000 ton
Globalt - totalt 26,651
Egypten 275
Nigeria 100
Algeriet 80
Tanzania 45
Sudan 35
Uganda 30
Sydafrika 15
Etiopien 2
Kenya 1
Afrika - totalt 583
Kina 3 950
Sydkorea 800
Vietnam 650
Malaysia 450
Thailand 180
Indonesien' 175
Indien 75
Bangladesh 20
Taiwan 17
Pakistan 15
Sri Lanka 11
Japan 3
Filippinerna 2
Asien - totalt 6,348
Gerrnany 4 800
Storbritannien 1 000
Tjeckien 650
Italien 625
Frankrike 350
Portugal 325
Spanien 300
Bosnien-H'govina 250
Bulgarien 225
Ryssland 170
Polen 125
Ukraina 100
Serbien 90
Österrike 65
Danmark 3
Europa - totalt 9 078
USA 5 900
Mexiko 120
Nordamerika - totalt 6 020
Iran 1 500
Kalkon 725
Jordanien 100
Saudiarabien 70
Irak 3
Mellanöstern - totalt 2,398
Australien 40
Nya Zeeland 11
Oceanien - totalt 51
Brasilien 1 900
Argentina 80
Paraguay 66
Chile 60
Colombia 20
Peru 20
Ecuador 15
Venezuela 10
Guatemala 2
S. & C. Amerika - totalt 2,173


Typiska egenskaper

Några utvalda typiska egenskaper hos olika kaoliner av keramisk kvalitet är:

Produktnamn SSP Premie Longyan 325# Zettlitz 1A OK EN
Land Storbritannien Nya Zeeland Kina Tjeckien Tyskland
Tillverkare Imerys Imerys Logyan Sedlecky AKW
% < 2 μm 85 97 25 56 82
% <1 μm 50 88 15 41 50
SiO2 , % 48,0 49,5 49,3 48,0 49,5
Al 2 O 3 , % 37,0 35,5 35,5 37,0 35,5
Fe 2 O 3 , % 0,44 0,29 0,22 0,68 0,43
TiO 2 , % 0,01 0,09 0,01 0,20 0,17
CaO, % 0,10 - 0,03 0,08 0,20
MgO, % 0,25 - 0,25 0,23 0,02
K 2 O, % 1,25 - 1,90 0,92 0,30
Na2O , % 0,15 - 0,09 0,07 0,01
LOI, % 12.8 13.8 11.9 12.9 13.4
Kaolinit, % 95 - 40 89 86
Halloysite, % - 92 40 - -
Glimmer, % 4 - - - -
Kvarts, % 1 4 3 1 8
smektit, % - - - 1 6
Cristobalite, % - 4 - - -

Säkerhet


NFPA 704 branddiamant
1
0
0
Kaolin

Kaolin är allmänt erkänt som säkert , men kan orsaka mild irritation av hud eller slemhinnor. Kaolinprodukter kan också innehålla spår av kristallin kiseldioxid , ett känt cancerframkallande ämne .

I USA har Occupational Safety and Health Administration (OSHA) satt den lagliga gränsen ( tillåten exponeringsgräns ) för kaolinexponering på arbetsplatsen till 15 mg/m 3 total exponering och 5 mg/m 3 andningsexponering under en 8-timmars arbetsdag. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) har satt ett rekommenderat exponeringsgränsvärde (REL) på 10 mg/m 3 total exponering TWA 5 mg/m 3 andningsexponering under en 8-timmars arbetsdag.

Se även

Citat

Allmänna referenser

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kaolinite&oldid=1141843913 "