Structural iron removal from clays used in the ceramic industry

Abstract

Clays are used in many applications; however, their utility depends heavily on its composition and physical properties. Most clays harvested from dig sites, tend to have impurities that may or may not affect their uses, with iron being the impurity that most affects the properties of the clay. Iron content makes the difference between a usable clay and an unusable clay in any application. This is because of its impact in the structure and in the physical properties of any clay. The most important property in this matter is the reddish color given to the clay when fired, which may render the clay unusable for the paper industry as well as in the porcelain industry, for example. The aim of this study is to reduce the iron content in clays by acid treatment and the restoration of properties that such treatment might change, as well as understanding how the process will work when operated at a higher scale.The clay subject to experimentation was collected from UNIPASTA, SA dig sites near Alcacer in Portugal. Its characterization was firstly done in its raw state, and later after acid and base treatment, to determine the changes in composition and physical properties. The clay was treated with hydrochloric, oxalic and citric acids, for two hours at 90ºC, to find which acid was most suitable for the process, with hydrochloric being selected for the optimization phase. After acid treatment, the material was then washed thoroughly with distilled water until neutral point was achieved, to make sure no acid was present in the clay matrix.After optimization of the acid treatment, the acid treated clays were treated with Sodium Hydroxide, Potassium Hydroxide and Aluminum Hydroxide, to find the most suitable base to restore the plastic properties of clays as well as their chemical composition. Atomic absorption spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy, thermogravimetrical analysis and Fourier transform infrared spectroscopy techniques were used to determine the physical and chemical properties of the raw and acid treated clays, while a mechanical strength test was used to measure the restoration of the clay’s properties after base treatment. The results of the raw material indicate that the clay used in this study is comprised of mostly SiO2, Al2O3, Fe2O3 and K2O with traces of MgO, CaO, Na2O, TiO2, P2O5, MnO and Cr2O3. Iron content was reduced by half, from roughly 4% to roughly 2% in Fe2O3. Mechanical properties were restored and enhanced by the basic treatment, with NaOH presenting the best results in that matter.

As argilas podem ser utilizadas em várias aplicações. Porém, a sua utilidade, depende em grande parte da sua composição e propriedades físicas. A maioria das argilas retiradas das escavações tendem a conter impurezas que podem ou não afetar a sua utilidade, sendo o ferro a impureza que mais afeta as propriedades de uma argila. A quantidade de ferro faz a diferença entre uma argila poder ou não poder ser utilizada numa aplicação específica. Isto é devido ao impacto que a presença de ferro tem nas propriedades físicas e na estrutura da argila. A propriedade mais importante que é afetada é a cor avermelhada com que o ferro fica quando cozido a altas temperaturas, o que o torna impróprio para a indústria do papel e da porcelana, por exemplo. O objetivo deste estudo será, então, a remoção do ferro da argila por tratamento ácido, a restauração das propriedades retiradas pelo tratamento e também a compreensão do processo em larga escala.As argilas testadas foram retiradas de escavações pertencentes à UNIPASTA, SA situadas perto de Alcácer, em Portugal. A sua caracterização foi feita primeiramente na matéria-prima e mais tarde na argila tratada por ácido e base, de forma a determinar as mudanças de composição química e propriedades físicas. As argilas foram tratadas com ácido hidroclórico, ácido oxálico e ácido cítrico, durante duas horas a 90ºC, de forma a determinar qual o melhor ácido a ser utilizado no processo, tendo sido escolhido o ácido hidroclórico para a fase de otimização. Após tratamento ácido, a argila foi lavada com água destilada até pH neutro, de forma a certificar que não existe ácido na matriz da argila.Após otimização do tratamento ácido, as argilas tratadas com ácido foram então tratadas com hidróxido de sódio, alumínio e potássio, de forma a encontrar a melhor base para a restauração das propriedades plásticas da argila assim como a sua composição química. Espectrometria de absorção atómica, espectrometria de fluorescência de raios-X, análise termogravimétrica e espectrometria de Fourier foram utilizadas de forma a conhecer as características da matéria-prima, assim como a sua versão tratada e testes mecânicos foram feitos de forma a conhecer as propriedades plásticas das argilas tratadas com tratamento básico. Os resultados à matéria-prima indicam que a argila utilizada neste estudo contém maioritariamente SiO2, Al2O3, Fe2O3 e K2O com vestígios de MgO, CaO, Na2O, TiO2, P2O5, MnO e Cr2O3. O conteúdo de ferro nas argilas foi reduzido por metade, de perto de 4% para perto de 2% em Fe2O3. As propriedades mecânicas foram restauradas e melhoradas pelo tratamento básico, sendo o NaOH a melhor base para este efeito.