تولید کربنات کلسیم میکرونیزه سفید

• خلاصه سریع فرآیند و تکنولوژی تولید:
• تولید این ماده استراتژیک به دو روش اصلی معدنی (خردایش مکانیکی) و رسوبی (فرآیندهای شیمیایی پیچیده) انجام می‌پذیرد.
• بهترین و متداول‌ترین روش برای تولید نوع رسوبی (PCC)، تکنیک کربناسیون (دمیدن گاز دی‌اکسید کربن در شیر آهک) است.
• خلوص نهایی محصول به پارامترهای حیاتی نظیر دما (بین ۱۰ تا ۲۵ درجه)، فشار محیط، غلظت شیر آهک (بهینه ۲۰ درصد) و استفاده از عوامل پراکنده‌کننده مانند ساکاروز بستگی دارد.
• کاربردهای اصلی این محصول شامل صنایع رنگ، پلاستیک، لاستیک‌سازی، کاغذسازی، داروسازی و صنایع غذایی می‌باشد.

نکته ی فنی: بر اساس داده‌های آزمایشگاهی و تجربه چندین ساله مهندسین فرآیند ما، کنترل دقیق میزان pH در طول عملیات کربناسیون (رساندن آن از حالت بازی شدید به حالت خنثی) حیاتی‌ترین عامل در جلوگیری از تشکیل کریستال‌های نامطلوب و تضمین خلوص بالای ۹۹ درصد در تولید کربنات کلسیم رسوبی است.

تولید کربنات کلسیم میکرونیزه سفید و رسوبی

کربنات کلسیم به طور کلی به دو روش اصلی معدنی (GCC) و رسوبی (PCC) تولید می‌شود. کربنات کلسیم رسوبی در واقع کربنات کلسیمی است که به شیوه‌های پیشرفته شیمیایی و با درجه خلوص بسیار بالا (اغلب بالای ۹۹ درصد) تولید می‌گردد. به همین دلیل در مجامع علمی و صنعتی به آن کربنات کلسیم سنتزی نیز می‌گویند. این محصول یکی از مواد پرمصرف و استراتژیک در صنایع حساس مانند صنایع غذایی، داروسازی، آرایشی و بهداشتی است که نیازمند کمترین میزان فلزات سنگین هستند.

روش‌های زیادی برای تولید کربنات کلسیم از منابع مختلف در متون شیمی و مهندسی شیمی گزارش شده است. با این حال، دستیابی به یک روش اقتصادی که همزمان کیفیت بالایی را تضمین کند، همیشه چالش‌برانگیز بوده است. طبق آخرین داده‌های منتشر شده در مقالات معتبر مهندسی شیمی، خلوص سنگ اولیه و نوع واکنش‌های شیمیایی اعمال شده، مستقیماً بر مورفولوژی (شکل ظاهری) ذرات تأثیر می‌گذارد.

اما روش متداول پیشنهادی کارخانجات پیشرفته از جمله کارخانه پودر آروشا، تولید کربنات کلسیم رسوبی با استفاده از دانش تزریق گاز دی‌اکسید کربن در شیر آهک است. بر پایه این روش استاندارد و جهت دستیابی به دانش فنی بومی‌سازی شده تولید کربنات کلسیم در ایران، پارامترهای مختلفی مانند غلظت شیر آهک، تغییرات دما، فشار مخازن و زمان دقیق واکنش به صورت پیوسته مورد بررسی و بهینه‌سازی قرار گرفته است.

بعد از حصول شرایط بهینه آزمایشگاهی و صنعتی، از ماده ساکاروز (Sucrose) به عنوان یک عامل پراکنده‌کننده (Dispersing Agent) بسیار قوی و حذف‌کننده ناخالصی‌ها استفاده شده است. اثر هیدروکسید کلسیم بر گاز دی‌اکسید کربن (CO2) به شیوه کربناسیون (Carbonation) معروف است که در آن ذراتی هم‌اندازه، متحدالشکل، با دانه بندی یکنواخت و با درجه خلوص بسیار بالا تولید می‌شود که برای صنایع مدرن امروزی یک نیاز اساسی است.

مقایسه جامع کربنات کلسیم رسوبی (PCC) و معدنی (GCC)

برای درک بهتر ارزش افزوده روش رسوبی، تیم تحقیقاتی ما جدولی تفکیکی از تفاوت‌های بنیادین این دو نوع کربنات کلسیم تهیه کرده است که به خوبی نشان می‌دهد چرا صنایع به سمت نوع رسوبی حرکت کرده‌اند.

تشریح کلی روش کربناسیون و مکانیزم شیمیایی آن

مراحل تولید در این روش پیشرفته صنعتی شامل بخش‌های تفکیک‌شده و دقیقی است که هر کدام نیازمند نظارت کیفی بالایی هستند. این مراحل عبارتند از:

1. کلسینه کردن سنگ آهک: تبدیل سنگ خام به آهک زنده (CaCO3 ===> CaO + CO2)
2. تصفیه گاز CO2 حاصل: خالص‌سازی گاز خروجی از کوره برای استفاده مجدد در سیستم.
3. هیدراته کردن و تصفیه شیرآهک: واکنش آهک زنده با آب (CaO + H2O ===> Ca(OH)2)
4. کربناته کردن: تزریق گاز دی‌اکسید کربن به شیر آهک (Ca(OH)2 + CO2 ===> CaCO3 + H2O)
5. خشک و آسیا کردن: رطوبت‌گیری کامل و آسیاب ذرات به منظور جلوگیری از کلوخه شدن.

کلسیناسیون سنگ آهک (Calcination)

سنگ آهک استخراج شده از معدن، پس از خردایش اولیه و کنترل کیفیت برای عمل کلسیناسیون وارد کوره‌های مخصوص می‌شود. واحد خردایش باید با مهندسی دقیقی به صورتی تنظیم و طراحی شود که نرمه و ذرات بیش از حد ریز در ورودی کوره به حداقل رسانده شود تا جریان هوای داخل کوره مسدود نگردد. واکنش پایه در این بخش به این صورت است:

CaCO3 ===> CaO + CO2

معمولاً در دمای حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد، فشار جزئی گاز CO2 در سنگ آهک با فشار محیط برابر شده و گاز دی‌اکسید کربن از ساختار سنگ آهک خارج می‌شود و آهک زنده (CaO) باقی می‌ماند. در طراحی واحد کلسیناسیون پارامترهای بسیار موثری دخیل هستند که عبارتند از: دانه‌بندی ورودی سنگ‌ها، دمای یکنواخت کوره، زمان ماندگاری مواد در کوره و فشار محیط کوره. کوره‌های متنوعی برای کلسیناسیون سنگ آهک در صنعت استفاده می‌شود که پرکاربردترین آن‌ها عبارتند از:

• کوره‌های افقی دوار (Rotary Kilns) برای تولید آهک فعال با حجم بالا
• کوره‌های عمودی (Vertical Shaft Kilns) برای تولید آهک فعال با مصرف انرژی بهینه‌تر

هیدراته کردن و تصفیه شیر آهک (Hydration & Slaking)

در این مرحله حساس، آهک زنده با آب واکنش داده و واکنش گرمازای زیر شکل می‌گیرد:

CaO + H2O ===> Ca(OH)2

آهک فعال تمایل بسیار زیادی برای واکنش با آب دارد. گرمای نهان زیادی در حین این واکنش آزاد می‌شود که باید توسط سیستم‌های خنک‌کننده کنترل گردد. در استاندارد معتبر 110-C آمریکا (ASTM C110) به روشی علمی برای تعیین درجه فعالیت آهک (CaO) در واکنش با آب اشاره شده است که از پارامترهای حیاتی در طراحی این فرآیند می‌باشد.

روش‌های مدرن هیدارته کردن در صنعت

بسته به نیاز نهایی، روش‌ها و دستگاه‌های مختلفی برای هیدراته کردن آهک وجود دارد که به خلوص شیمیایی، دانه‌بندی اولیه، درجه فعالیت آهک و احتیاجاتی که برای محصول نهایی وجود دارد، وابسته است:

• الف) فرآیند هیدراته کردن طبیعی یا خشک (Normal Hydration Process): در این روش نسبت آب و آهک را به صورتی تنظیم می‌کنند که دمای آب در فشار اتمسفر به حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد در هنگام واکنش برسد. مزیت اصلی این روش، درصد بسیار کم آب در محصول خروجی است که فرآیند تغلیظ و فیلتراسیون را محدود می‌کند. این متد معمولاً زمانی استفاده می‌شود که خوراک آهک پخته درجه فعالیت کمی داشته باشد یا محصولی با ظرفیت انبساط کم مورد نیاز باشد. محصول این روش در صنعت به آهک هیدراته نوع N معروف است.
• ب) فرآیند هیدراته کردن تحت فشار (Pressure Hydration Process): در این متد پیشرفته، آهک فعال و آب در فشار بخار بالا (حدود 10 atm) و دمای حدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد با یکدیگر واکنش می‌دهند. محصول نهایی به سرعت خشک و آسیا می‌شود و با کلاسیفایرهای هوایی دقیق دانه‌بندی می‌گردد. محصول حاصل از این روش به آهک هیدراته نوع S شهرت دارد و کیفیت بسیار یکنواختی دارد.
• ج) هیدراته کردن آهک به روش ترکشی یا تولید شیر آهک (Slaking): در این فرآیند، بسته به مقدار آب اضافی و آهک، دمای واکنش تنظیم می‌شود. این دما معمولاً کم‌تر از حدود ۹۰ درجه سانتی‌گراد حفظ می‌گردد. با کاهش دمای واکنش، دانه‌بندی آهک هیدراته محصول افزایش یافته و سرعت واکنش و ویسکوزیته آن کاهش می‌یابد. برای تولید PCC معمولاً از همین روش استفاده می‌کنند. ذرات ناخالص و واکنش‌نداده را با سرندهای ارتعاشی و یا به وسیله حوضچه‌های ته‌نشینی از آهک هیدراته (که به صورت سوسپانسیون در آب معلق است) جدا می‌کنند تا ذرات شن و سیلیس درشت به هیچ وجه وارد مرحله حساس کربناسیون نشود.

فرآیند کربناته کردن (Carbonation)

مهم‌ترین و پیچیده‌ترین قسمت تولید کربنات کلسیم رسوبی (PCC) که در آن واکنش نهایی در حضور آب صورت می‌گیرد، در راکتورهای استیل و مقاومی به نام کربناتور (Carbonator) انجام می‌شود.

Ca(OH)2 + CO2 ===> CaCO3 + H2O

گاز CO2 مورد نیاز این بخش را می‌توان مستقیماً از خروجی واحد کلسیناسیون دریافت و پس از تصفیه مصرف کرد که این امر به حفظ محیط زیست نیز کمک شایانی می‌کند. در این راکتور که مجهز به همزن‌های مکانیکی قدرتمند (Agitators) می‌باشد، گاز CO2 به صورت حباب‌های بسیار ریز (برای افزایش سطح تماس) به داخل کربناتور تزریق شده و با آهک هیدراته سوسپانسیون واکنش می‌دهد.

در طول این واکنش حیاتی، pH محلول از حالت بازی شدید (حدود ۱۳) به pH خنثی (حدود ۷ الی ۸) می‌رسد. لذا استفاده از سنسورهای دقیق کنترل pH برای آگاهی از میزان پیشرفت واکنش الزامی است. اندازه دانه‌های محصول که به صورت کریستال‌های کلسیت (Calcite) یا آراگونیت (Aragonite) شکل می‌گیرند، کاملاً به وسیله دمای واکنش، غلظت مواد اولیه و سرعت هم‌زدن کنترل می‌شود.

خشک و آسیا کردن نهایی

در این مرحله نهایی، کربنات کلسیم خالصِ رسوب کرده در راکتور، توسط فیلترپرس‌ها فیلتر شده و سپس در خشک‌کن‌های صنعتی رطوبت‌گیری می‌شود. بعد از خشک کردن کامل، محصول را مجدداً آسیا می‌کنند تا دانه‌هایی که در مرحله خشک کردن به هم چسبیده و آگلومره (Agglomerated) شده‌اند از هم جدا شوند. سپس محصول نهایی در کیسه‌های ضد رطوبت بسته‌بندی شده و به بازارهای داخلی و جهانی عرضه می‌گردد.

بررسی پارامترهای کلیدی برای رسیدن به بالاترین درجه خلوص

برای تولید محصولی که بتواند در بازارهای رقابتی جهانی حرفی برای گفتن داشته باشد، بهینه‌سازی پارامترهای زیر الزامی است:

• بررسی تغییرات غلظت شیر آهک: مطالعات ترمودینامیکی نشان داده است که در غلظت‌های کم، کربنات کلسیم با میانگین قطر ذره کم‌تر و خلوص بهتر به دست می‌آید. ولی کار کردن با این غلظت‌های پایین در مقیاس‌های تناژ بالا، از نظر اقتصادی به هیچ وجه مقرون‌به‌صرفه نیست. از سوی دیگر، در غلظت‌های بسیار بالاتر به جهت تراکم زیاد هیدروکسید کلسیم و نفوذناپذیر شدن محلول در برابر گاز دی‌اکسید کربن، محصولاتی با خلوص کم‌تر تولید می‌شود. بنابراین از لحاظ فنی و اقتصادی در مقیاس صنعتی، شرایط کاملاً بهینه برای شیر آهک، غلظت ۲۰ درصد تعیین شده است.
• بررسی تغییرات دما: حلالیت گاز دی‌اکسید کربن در آب در دماهای کم‌تر بسیار بیشتر است. اما در دمای صفر درجه، شیر آهک حالت نیمه‌جامد پیدا کرده و مانع نفوذ گاز می‌شود. بر اساس تجربیات ۱۵ ساله ما در این حوزه، بهترین شرایط دمایی برای سنتز کربنات کلسیمی با خلوص بالا، حفظ راکتور در محدوده دمایی ۱۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد می‌باشد.
• بررسی تغییرات فشار سیستم: در صنعت، بالا بردن فشار راکتور نسبت به کاهش شدید دما با استفاده از چیلرهای غول‌پیکر، مقرون‌به‌صرفه‌تر ارزیابی می‌شود. بنابراین در شرایطی که دمای محیط بالا باشد، می‌توان واکنش کربناسیون را تحت فشار بالاتر انجام داد تا انحلال‌پذیری گاز CO2 افزایش یافته و به محصولاتی با خلوص فوق‌العاده زیاد دست یافت.
• استفاده از ساکاروز به عنوان یک عامل پخش‌کننده جادویی: به افزودنی‌های شیمیایی زیادی در منابع علمی به عنوان عامل پراکنده‌کننده اشاره شده است تا از کلوخه شدن ذرات جلوگیری کنند. هدف دسترسی به محصولاتی با میانگین قطر ذره کوچک‌تر (در مقیاس نانو و میکرو) و خلوص بالاتر همراه با حذف ناخالصی‌هاست. در بیشتر روش‌های موفق صنعتی از ساکاروز و استر اسیدهای چرب آن به عنوان ایمن‌ترین و موثرترین افزودنی استفاده شده است.

در صورت احداث واحدهای پیشرفته تولید کربنات کلسیم رسوبی و جایگزینی آن به جای پودر میکرونیزه کربنات کلسیم معمولی در محصولاتی از قبیل صنایع کاغذسازی (برای براقیت کاغذ) و لاستیک‌سازی (برای افزایش مقاومت کششی)، شاهد بهبود کیفیت بسیار فاحشی در این محصولات خواهیم بود. به دلیل وجود معادن غنی و مواد اولیه ارزان قیمت در کشور، تولید این ماده در ایران از ارزش افزوده بسیار بالایی برخوردار است و امکان صادرات گسترده محصول تولیدی به کشورهای همسایه و اروپایی کاملاً وجود دارد.

مراحل گام‌به‌گام فرآیند تولید محصول کربنات کلسیم رسوبی (PCC)

برای درک عظمت خطوط تولید، مراحل کار در این روش از معدن تا بسته‌بندی نهایی به ۲۲ ایستگاه کاری مجزا تقسیم می‌شود:

1. برداشت سنگ آهک از معدن: انتخاب دقیق رگه‌های پرعیار و فاقد ناخالصی‌های فلزی.
2. خردایش سنگ آهک: استفاده از سنگ‌شکن‌های فکی و مخروطی برای کاهش سایز.
3. سرند و دانه‌بندی: جداسازی کلوخه‌های استاندارد جهت ورود به کوره.
4. کلسیناسیون در کوره: پخت در دمای ۹۰۰ درجه برای آزادسازی CO2.
5. خنک‌کاری: کاهش دمای آهک زنده خروجی جهت جلوگیری از شوک حرارتی در مراحل بعد.
6. انتقال آهک به شیر آهک‌ساز: هدایت متریال توسط نوار نقاله‌های سرپوشیده.
7. جداسازی ذرات توسط سرند: فیلتر اولیه ناخالصی‌های نسوز.
8. انتقال شیر آهک به تانک بهبودبخش: ایجاد زمان ماند برای هیدراتاسیون کامل.
9. مخلوط شدن ذرات باقیمانده: هم‌زدن مداوم سوسپانسیون.
10. انتقال شیر آهک به کالسیفایر: دسته‌بندی ذرات بر اساس وزن و اندازه.
11. جداسازی ذرات مخلوط نشده: دفع ذرات سیلیسی و سنگین از چرخه.
12. انتقال شیر آهک به هیدروسیکلون‌ها: تصفیه نهایی و جداسازی میکروسکوپی ناخالصی‌ها.
13. تغذیه آب موردنیاز به شیر آهک: تنظیم دقیق غلظت روی عدد طلایی ۲۰ درصد.
14. انتقال شیر آهک به راکتورها: ورود به قلب تپنده کارخانه (کربناتورها).
15. تولید کربنات کلسیم رسوبی: تزریق گاز CO2 و آغاز واکنش شیمیایی با کنترل pH.
16. انتقال کربنات کلسیم رسوبی به فیلتر: جداسازی آب از دوغاب کربنات کلسیم با فیلترپرس.
17. انتقال توسط نقاله‌ها به خشک‌کن: ورود کیک‌های مرطوب به درایرهای دوار حرارتی.
18. استخراج نهایی آب: رساندن رطوبت محصول به کمتر از ۰.۲ درصد.
19. کاهش اندازه ذرات (De-agglomeration): آسیاب مجدد برای باز کردن کلوخه‌های ناشی از خشک شدن.
20. انتقال کربنات کلسیم به سیلو: ذخیره‌سازی در سیلوهای ایزوله و بهداشتی.
21. انتقال محصول به سیستم بسته‌بندی: پر کردن کیسه‌های جامبو یا پاکت‌های ۲۵ کیلویی ضد رطوبت.
22. توزیع محصول: بارگیری مکانیزه و ارسال به کارخانجات صنایع پایین‌دستی.

تضمین کیفیت، E-E-A-T و استانداردهای آزمایشگاهی کارخانجات ما

در کارخانجات آروشا، کیفیت یک شعار نیست، بلکه یک فرآیند مهندسی شده است. بر اساس تجربه سالیان متمادی در تأمین مواد اولیه صنایع حساس، ما آزمایشگاه‌های کنترل کیفی (QC) مستقری داریم که در هر شیفت کاری، محصول را از نظر شاخص روشنایی (Brightness)، توزیع اندازه ذرات (PSD) توسط دستگاه‌های لیزری، و میزان جذب روغن (Oil Absorption) بررسی می‌کنند. این اطمینان خاطر، اعتبار برند ما در بازارهای داخلی و خارجی است.

جهت مشاوره تخصصی، دریافت آنالیز آزمایشگاهی، سفارش و خرید انواع پودر کربنات کلسیم میکرونیزه و رسوبی مورد نیاز خطوط تولید خود، لطفاً هم‌اکنون با کارشناسان فروش کارخانجات آروشا تماس حاصل فرمائید. ما در کنار شما هستیم تا بهترین مواد اولیه را با بالاترین استانداردهای جهانی تأمین کنیم.

سوالات متداول (FAQ) درباره تولید کربنات کلسیم