降低重质碳酸钙中结晶二氧化硅的工艺优化
作者 Chad Fiedler，市场营销经理，Imerys公司美国区，佐治亚州，Roswel
在过去的几年里，涂料工业一直在抱怨各种涂料配方中结晶二氧化硅的浓度和水平，尤其是建筑涂料领域。虽然有无数的建筑涂料配方，但通常体积上最大的成分是碳酸钙。监管重点集中在结晶二氧化硅上，结合碳酸钙对配方种结晶二氧化硅水平的影响，使Imerys公司重新评估和优化了碳酸钙的加工工艺，以支持涂料配方设计师继续降低其产品中的结晶二氧化硅水平。
在深入研究工艺优化过程之前，必须了解结晶二氧化硅和“可呼吸”结晶二氧化硅之间的差异，以及可呼吸结晶二氧化硅对员工和消费者造成的危险。结晶二氧化硅（图1）的基本成分是沙子、土壤和其他矿物，通常有三种形式，即方石英、鳞石英和石英。当小颗粒（通常小于10微米）散落在空气中并被生产工人或消费者吸入时，结晶二氧化硅的主要环境管理问题就产生了。会导致吸入结晶二氧化硅的一些活动包括油漆制造、粉末的浇注/处理、喷砂、化合物接缝打磨、油漆打磨、水力压裂制造等。
吸入结晶性硅尘可导致矽肺，严重时可危害人的健康，甚至致命。可吸入的硅尘进入肺部，导致细胞结节的形成，从而降低肺部吸氧的能力。矽肺没有治愈的方法，且由于矽肺会影响肺功能，使人更容易罹患肺结核等肺部感染病症。结晶二氧化硅主要由OSHA 29 CFR 1910.1053法规监管，该法规于2016年升级，将平均每天8小时允许暴露的限值（PEL）设定为50微克/立方米。
既然确认了已吸入可呼吸结晶二氧化硅的潜在风险，那么如何处理它呢，问题也就变成了，“在碳酸钙的加工和处理过程中，如何降低这些风险？”为了更好地理解Imerys确定的优化工艺，我们有必要对从矿山到工厂的流程有一个基本的了解。
采矿过程从采矿计划开始，使用提取并经过各种测试的岩芯样品，包括碳酸钙浓度、颜色、石英含量和其他分析测试。一旦提取了岩芯样品，就建立了矿床的三维模型（图2），使矿山规划人员和工程师能够规划提取矿物的最佳方法，以达到预期的性能。从理论上讲，确定石英浓度较低的矿床，可以减少加工过程中可能产生的可吸入颗粒的数量。
接下来的两个步骤是清洗和光学分类。矿石中的杂质和灰尘被冲洗干净，这些杂质和灰尘可能已经聚集起来了。洗涤和光学分类都有助于提高给料产品的质量和颜色，然后是进行各种研磨和铣削。
在矿物加工过程中，最后一步，也是最有影响的一步骤是浮选，有助于将碳酸钙产品中结晶硅还原。浮选是在水/矿浆中进行的矿物分离过程。在浮选过程中，除了搅拌外，还会将化学试剂加入到水/矿浆中，用于促进疏水颗粒与气泡的相互作用，实现矿物颗粒的分离。化学试剂附着在矿物颗粒表面暴露的杂质上，在本例中是石英，以帮助驱动这些颗粒到达表面。泡沫现在含有杂质的颗粒中变得密集，然后将之从浮选槽的表面移走。
市场上有几种矿物浮选技术和化学试剂，包括机械浮选机（图3）、浮选柱和气动浮选机。每种技术都有优缺点，不过最适合碳酸钙的技术是机械浮选。
通过多年的矿物加工技术，Imerys已经能够优化从矿山到工厂的每个步骤的碳酸钙工艺，以降低最终产品中的结晶二氧化硅。在浮选过程中，开发了一种专利方法，以优化化学试剂的类型和浓度、添加的助剂和搅拌水平，推动该行业在提供低结晶二氧化硅产品方面的发展。这一优化已被证明可将矿石中的总结晶二氧化硅减少高达90%。
通过与第三方验证实验室的合作，有可能向市场推出总结晶二氧化硅含量无法检测（低于0.1%）的产品。通过使用X射线衍射和计算机控制的扫描电子显微镜，对全晶体二氧化硅进行了第三方测试。
这种新的碳酸钙产品系列，可以在需要时进行表面处理，我们称为XCS-Carb，让涂层配方设计人员在其配方中增加碳酸盐的添加量，而不必担心在其最终配方中增加结晶二氧化硅的浓度。需要注意的是，虽然优化工艺的数据表明，结晶二氧化硅的总浓度降低了，但每个工作环境中，可能接触到的可呼吸结晶二氧化硅的确切数量，每个环境都不尽相同，因此我们希望经常接触可吸入粉末的个人，都能使用必要的防护设备。
数据还表明，减少结晶二氧化硅总量不仅提升了个人的安全性，还减少了油漆设施加工设备的磨损。碳酸钙的莫氏硬度为3，石英的硬度为7。由于能够降低这些较硬杂质的浓度，所有管道设备、筒仓和混合器，将不再暴露在这些硬颗粒可能造成的损害中。
这些产品的推出，以及Imerys内部为优化碳酸钙工艺以降低结晶二氧化硅总量水平而采取的举措，表明了该公司履行了对企业社会责任的承诺，并继续做出了向市场推出可持续和安全产品的努力。
本文收录在《PCI中文版》杂志2020年07月刊中
