فرایند کلسینه شدن یا کلسیناسیون امروزه تعریفی جامع یافته است. هدف اصلی این فرایند، خالص سازی ماده وارد شده به فرایند است.
کلسینه شدن یا کلسیناسیون احتمالاً نامی آشنا برای افرادی است که در حوزه صنایع فعالیت میکنند. در غیر این صورت آیا تا به حال با خود گفتهاید که چگونه آهک پخته از سنگ آهک تولید میشود؟ یا اینکه کلسینه چیست؟ و یا کلسینه یعنی چه؟ چگونه انجام میشود و چه کاربردی دارد؟ در ادامه این مقاله قصد داریم به پاسخ سؤالات بپردازیم؛ لذا جهت کسب اطلاعات بیشتر توصیه میکنیم ادامه این مقاله را از دست ندهید.
کلسینه شدن به چه معناست؟
سادهترین تعریفی که برای کلسیناسیون میتوان بیان کرد، این است که در این فرایند با دادن حرارتی بالا به مواد جامد، قصد خارج سازی ناخالصیها به وسیله تغییرات فیزیکی و شیمیایی بر روی آن مواد را دارند. در اصل، کلمه کلسینه برای اشاره به فرایندهایی که شامل کلسیم است، استفاده میشود. وجه تسمیه این فرایند به نام کلسیناسیون به دلیل استفاده از کلمه لاتین کلسینیر (calcinare) به معنی سوزاندن آهک بوده است.
در اوایل دورهای که کلسیناسیون به کار گرفته شد، فقط برای سوزاندن آهک و تبدیل سنگ آهن به اکسید آهن کاربرد داشت. بهمرور کاربردهای دیگری برای کلسیناسیون ایجاد شد، بهگونهای که تعریف گستردهتری برای این فرایند صورت گرفت. امروزه اصطلاح کلسینه اغلب معادل فرایندهایی است که برای گرم کردن، تجزیه، آبگیری و کربنزدایی محصولات استفاده میشود.
از تغییرات ایجاد شده بر روی جامدات در فرایند کلسینه شدن میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- خارج سازی رطوبت و آب موجود در سنگها
- جداسازی اجزای فرار مانند کربن دی اکسید و همچنین اکسیدهای گوگرد.
- برای اکسید کردن قسمتی یا کل قطعه سنگ.
- بهبود هدایت الکتریکی مواد
- تجزیه حرارتی و تغییر فاز ماده.
- تبدیل ماده به حالت پایدارتر، بادوامتر یا سختتر
در متالورژی، فلزات خالص معمولاً از طریق احیا یا الکترولیز اکسیدهای مربوطه به دست میآیند. با این حال، سنگ معدن بسیاری از فلزات به عنوان اکسید فلز در دسترس نیست. بسیاری از سنگ معدنها به صورت کربنات یا سولفات فلز به دست میآیند. در چنین سناریوهایی، تنها راه استخراج فلز از سنگ معدن این است که ابتدا آن را فراوری کرده و سپس آنها را احیا کنیم. فرایندی که برای این کار اعمال میشود کلسینه کردن است. این فرایند برای تجزیه حرارتی سنگ معدن سولفات یا کربنات به اکسیدهای فلز آنها انجام میشود.
تفاوت بین کلسینه کردن و برشته کردن (roasting)
اصطلاح “کلسینه کردن” اغلب به جای سایر فرایندهای تصفیه حرارتی استفاده میشود، علیرغم اینکه با تعریف فنی یک فرایند کلسیناسیون واقعی مطابقت نداشته باشد. این مورد منجر به سردرگمی قابل توجهی در مورد فرایند و استفاده گسترده از این اصطلاح شده است. به طور مثال بین کلسینه کردن و برشته کردن (roasting) گاها اشتباه میشود در حالی که با هم تفاوت دارند. جدول زیر برخی از تفاوتهای عمده بین کلسینه شدن و برشته کردن را نشان میدهد.
| کلسینه کردن |
برشته کردن (roasting) |
| در کلسینه کردن سنگ معدن فلز در غیاب یا عرضه محدود هوا یا اکسیژن تا دمای بالا گرم میشود. |
برشته کردن فرایندی است که در آن سنگ معدن در حضور هوا یا اکسیژن اضافی تا دمای بالا گرم میشود. |
| در کلسیناسیون با فرایند عملیات حرارتی سنگ معدنی کلسیم و همچنین تبدیل هیدروکسیدها و کربناتها به اکسیدهای مربوطه است. |
برشته کردن بیشتر برای سنگ معدن سولفید انجام میشود. |
| دی اکسید کربن به عنوان یک محصول جانبی منتشر میشود. |
در طول برشته کردن، مقادیر زیادی ناخالصی سمی، فلزی و اسیدی خارج میشود. |
| در طی کلسینه کردن، رطوبت از سنگ معدن حذف میشود. |
برشته کردن برای از بین بردن رطوبت استفاده نمیشود. |
| در کلسینه کردن، بیشتر اوقات، واکنش در دمای تجزیه حرارتی یا بالاتر از آن رخ میدهد. |
در حضور هوای اضافی بالای نقطه ذوب به اکسید آن تبدیل میشود. |
| کلسینه کردن برای محصولات غذایی استفاده نمیشود. |
برشته کردن باعث میشود که محصول غذایی با طعمهای دلپذیر تولید شود. |
چرا کلسیناسیون در غیاب اکسیژن اتفاق میافتد؟
کلسینه کردن برای تجزیه سنگهای کربناته به دی اکسید کربن و اکسیدهای فلزی انجام میشود. سنگ معدن فقط در غیاب اکسیژن (هوا) گرم میشود. اگر این سنگها در مجاورت اکسیژن یا هوا گرم شوند، هیچ واکنشی رخ نخواهد داد و کل فرایند بیهوده خواهد شد.
فاکتورهای مهم در کلسیناسیون
فرایند کلسینه کردن از این نظر انعطافپذیر است که پارامترهای مختلف فرایند را میتوان برای کنترل واکنش (ها) و تنظیم دقیق ویژگیهای محصول نهایی دستکاری کرد. تأثیرگذارترین فاکتورها در ادامه بیان میشوند.
- مشخصات دما
- زمان نگهداری
- شرایط جوی