【華特鉱物加工百科事典】カオリンの秘密を解き明かす：土壌からハイテク素材への華麗なる変貌
カオリン は非金属鉱物であり、主に粘土や粘土岩から構成される。カオリナイト粘土鉱物。白く繊細なため、ドロマイト土とも呼ばれる。江西省景徳鎮市高嶺村にちなんで名付けられた。純粋なカオリンは白く、繊細で、柔らかく、土のような質感を持ち、可塑性や耐火性などの優れた物理的・化学的性質を有する。鉱物組成は主にカオリナイト、ハロイサイト、ハイドロマイカ、イライト、モンモリロナイト、石英、長石などの鉱物から構成される。
カオリンは、自然界に広く存在する非常に重要な粘土鉱物です。アルカリ金属やアルカリ土類金属を含まない酸性媒体中で、火成岩や変成岩中の長石やその他のケイ酸塩鉱物が風化することによって形成されます。
01 分類
土壌分類
天然のカオリンに含まれる鉱物は、主に粘土鉱物と非粘土鉱物に分けられます。粘土鉱物には主にカオリナイト、少量のモンモリロナイト、雲母、緑泥石などが含まれます。非粘土鉱物には主に長石、石英、含水鉱物、赤鉄鉱やローサイトなどの鉄鉱物、鉄鉱石、褐鉄鉱などのチタン鉱物、ルチルなどのチタン鉱物、植物繊維などの有機物などが含まれます。カオリンの特性は主に粘土鉱物によって決まります。
原因分類
カオリン鉱床の起源に基づき、鉱化作用の地質、地理的条件、鉱床規模、鉱体形態、産出特性、鉱化作用のプロセスによって反映される鉱石成分の違いに基づいて、「カオリン鉱山地質探査コード」は中国のカオリン鉱床を3つのタイプと6つのサブタイプに分類します。
風化の種類:さらに、風化残留型と風化浸出型に分類される。
熱水変質の種類：さらに、熱水変質型と現代温泉変質型に分類される。
堆積物の種類：石炭層においては、堆積岩と堆積風化岩の亜型、およびカオリナイト粘土岩の亜型に分類される。
工業用タイプ
カオリン鉱床の成因に基づき、「カオリン鉱山地質調査仕様書」は、鉱化作用の地質、地理的条件、鉱床規模、鉱体形態および産出特性、異なる鉱化作用プロセスによって反映される鉱石成分の違いに応じて、中国のカオリン鉱床を3つのタイプと6つのサブタイプに分類しています。また、その組織、塑性、砂の質量分率に基づいて、3つのタイプに分類しています。
難しいカオリン: 硬くて非可塑性だが、粉砕・研磨されると可塑性になる。
柔らかいカオリン:柔らかく、可塑性が高く、砂質の質量分率が50%未満。
サンディカオリン:柔らかい質感、弱い可塑性、砂の質量分率＞50％。
02 起源
中国のカオリン鉱物資源は世界トップクラスで、確認鉱床数は267ヶ所、確認埋蔵量は29億1000万トンです。中でも、中国の非石炭系建設用カオリン資源は世界第5位で、確認埋蔵量は14億6800万トン、主に広東省、陝西省、福建省、江西省、湖南省、江蘇省に集中しており、国内総埋蔵量の84.55%を占めています。また、中国の石炭系建設用カオリン（カオリナイト）埋蔵量は世界第1位で、確認埋蔵量は14億4200万トン、主に山西省大同市、懐仁市、朔州市、山西省ジュンガル市、内モンゴル自治区武達市、安徽省淮北市、陝西省漢城市などに分布しており、中でも内モンゴル自治区のジュンガル炭田が最も資源量が多いです。
中国には主要なカオリン鉱床が5つあります。
（１）湖南省衡陽県解放鎮は鉱物資源が豊富。 カオリン、ネフェリン、長石、石英の埋蔵量は2億トンに達し、鉱山および鉱物加工会社が40社近く存在する。大牌嶺鉱山地域（主にカオリン鉱山）は、単一鉱山の埋蔵量が8000万トンで、アジア第1位を誇る。町の年間採掘量は50万トンを超え、全国数百の陶磁器工場に供給している。
（２）茂名地域のカオリン 茂名盆地のカオリン鉱石は、風化した堆積岩の溶脱性亜型鉱床です。石英などの砂の含有量が50%以上であるため、砂質カオリン鉱石と呼ばれています。起源としては、茂名カオリンは、運搬、自己粉砕、そして風化という3段階の風化残渣を経て形成されました。カオリンは完全に風化しており、薄片は主に微細な粒度を持つ一枚岩状です。主に製紙用コーティング剤の原料として使用されます。
（３）龍岩カオリンは風化した残留カオリン鉱床である。 鉄分含有量が0.3%未満、チタン含有量が0.02%未満であり、低温溶剤元素（Li2O）を一定量含んでいるため、電気磁器、高級日用品、美術磁器の理想的な原料である。
（４）蘇州陽山カオリン、この鉱床は熱水変質カオリンである。蘇州洋山産の純粋な泥は、その化学組成がカオリナイトの理論組成に非常に近い。Al2O3含有量は約39.0%にも達し、白色で微粒子である。主に触媒担体や化学原料として用いられる。
⑤ヘプカオリン。 風化した残留カオリン鉱床である。主に建築用セラミックの原料として使用される。
（６）北部炭層カオリン これは堆積性のカオリナイトで、主に我が国の石炭産出地域に分布しており、建設、コーティング、塗料、製紙用コーティング、石炭系土壌などに使用できます。
上述の6つの主要生産地域は、中国の生産量の80%以上を占めており、資源の種類という点でも主要な代表例となっている。
03Use
カオリンは、可塑性、接着性、一定の乾燥強度、焼結特性、焼成後の白色度などにより、セラミック製造の主要原料として幅広い用途があります。また、白色で柔らかく、分散性が高く、吸着性があり、化学的性質や化学的ランダム性などの優れた加工特性により、製紙業界で広く使用されています。さらに、カオリンは、ゴム、プラスチック、耐火物、石油精製などの産業分野や、農業や国防の最先端技術でも広く使用されています。主に、セラミック産業、コーティング、耐火材料、製紙、塗料、ゴム、高級磁器、電線・ケーブル、工業用プラスチック、化学工業用充填剤、インク、食品、化粧品、医薬品などに使用され、塗料やコーティングの白色粉末やその他の高価な材料の代替として、リトポンやチタンの一部が使用されています。
04 加工技術
カオリン中の石英、長石、雲母、鉄鉱物、チタン鉱物などの非粘土鉱物や有機物を分離し、様々な産業分野のニーズを満たすカオリン製品を生産するためには、重力分離、浮選、磁気分離などを用いてカオリンから不純物を精製・除去するだけでなく、化学漂白、超微細フレーク化、焼成、表面改質などの高度な処理方法を用いてカオリンを処理する必要がある場合もある。
（１）水理分類
水力分級には、スパイラル分級（+1mmの粗砂の分離）、沈殿槽分級（+0.053mmの細砂の分離）、ハイドロサイクロン分級（-0.053mmの細砂の分離）、遠心分級機または小径ハイドロサイクロン分級（0.002～0.010mmの超微粒子分級用）が含まれます。
（２）高勾配磁気分離
磁気濃縮媒体を用いることで1600kA/mを超える磁場強度を発生させ、カオリンからFe2O3とTiO2を除去し、紙コーティング剤や高級セラミック原料を製造する。
（３）選択的凝集
凝集剤を添加することで、微細な石英、黄鉄鉱、明礬石などの不純物を選択的に分離し、ブレードコーティングカオリンを製造する。一般的に使用される凝集剤には、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ポリアクリルアミドアンモニウム、水ガラスなどがある。
（４）化学漂白
カオリン中の褐鉄鉱や赤鉄鉱に含まれる高原子価鉄を可溶性の二価鉄に還元するために、保険粉などの漂白剤が添加されるか、あるいは黄鉄鉱や染色不純物を酸化してカオリンの白色度を向上させるために酸化剤が添加される。
（５）皮むき
フレーク化機では、微細な中粒ボールを攪拌して粉砕効果を生み出し、カオリン凝集粒子を薄い結晶に分離することで、粒径が2μm未満、含有量が90%以上のブレードコーティングカオリンを製造する。
（６）焼成
カオリンは800～1000℃で焼成すると、水分を失い、相転移が起こり、不純物が揮発する。これによりカオリンの白色度と絶縁性が向上し、ケーブルやゴム・プラスチックの充填剤の製造に用いられる。焼成は石炭由来（硬質）カオリンにとって必須の加工方法である。
（７）表面改質
カオリン粘土は、プラスチックゴムへのカオリン粘土の添加量を増やすためにカップリング剤などでコーティングされ、ゴムプラスチック用のカオリン粘土充填剤の処理に用いられる。
中でも、磁気分離は鉱物処理分野で広く用いられている物理的な鉱物分離法です。その基本原理は、鉱物自体の磁気差を利用して分離を行うことです。鉱物の磁化特性に応じて、磁気分離は強磁気分離、弱磁気分離、逆磁気分離、高勾配磁気分離に分類され、様々な鉱物のニーズに対応します。鉱物処理装置には、主にプレート型磁気分離機、垂直リング型高勾配磁気分離機、電磁スラリー型高勾配磁気分離機、低温超伝導磁気分離機などがあります。
05 鉱物処理の応用事例
プロセス1： 外国産のカオリン粘土を例にとると、この試料の主な不純物は酸化鉄、酸化チタン、ケイ酸鉄である。原料鉱石中のFe2O3とTiO2の不純物含有量はそれぞれ0.89%と0.17%であり、白色度は67.29%に達する。
これらの不純物を効果的に除去するために、以下の試験計画を策定しました。まず、原料鉱石を電磁スラリー磁気分離器に通し、粗分離と精密選別という2段階の磁気分離プロセスを経て、不純物の大部分を初期段階で除去します。次に、得られた精鉱を超伝導磁気分離器でさらに精製し、不純物含有量をさらに低減してカオリンの品質を向上させます。
テストフローチャート
試験結果から、原鉱石を電磁スラリー＋電磁スラリー＋超伝導磁気分離によって分離し、Fe2O3含有量0.35％、白色度87.52％のカオリン精鉱製品を得ることができることがわかる。
プロセス2：原鉱石は超伝導5T磁気分離処理を受ける。試験工程を図2に、試験結果を表2に示す。
図2 選鉱の実験フロー
原料鉱石を5T超伝導磁気分離にかけ、Fe2O3 0.40%、Al2O3 22.92%、SiO2 68.78%、TiO2 0.10%、CaO 1.90%、白色度86.97%、収率90.90%のカオリン濃縮物を得た。
多機能な工業原料であるカオリンは、幅広い用途が期待されています。科学技術の継続的な進歩と産業の持続可能な発展に伴い、カオリンは今後さらに多くの分野で重要な役割を果たすでしょう。今後は、より深い研究と技術革新を通じてカオリンの用途範囲をさらに拡大し、より効率的かつ持続可能な利用を実現し、人類社会の発展に大きく貢献していくことを期待しています。同時に、カオリンの採掘および加工過程で発生する可能性のある環境問題にも注意を払い、カオリン資源の合理的開発が生態環境の保護と調和するよう、積極的な対策を講じる必要があります。
投稿日時：2024年5月13日