|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับหินปูน | |
|
เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับหินปูน
ดร. คชินท์ สายอินทวงศ์
หินปูนหรือเรามักจะเรียกว่า Lime stone นั้นเป็นวัตถุดิบที่สำคัญตัวหนึ่งที่ใช้สำหรับอุตสาหกรรมเซรามิก ซึ่งเราสามารถพบภูเขาหินปูนได้โดยทั่วไปในประเทศ แหล่งที่พบมากในประเทศ คือ แถบเทือกเขาหินปูน จ.สระบุรี, จ.นครสวรรค์, จ.กาญจนบุรี, จ.นครศรีธรรมราช ซึ่งในประเทศไทย สามารถพบเขาหินปูนได้ กระจายไปในทุกๆ ภาคของประเทศ แต่การใช้งานในอุตสาหกรรมเซรามิก มักจะใช้หินปูนจาก จ.สระบุรี เนื่องจากอยู่ใกล้แหล่งอุตสาหกรรม ค่าขนส่งถูก และเป็นหินปูนที่มีคุณภาพดี
CaCO3 มีแร่ที่เป็น Polymorphism (มีสูตรทางเคมีเหมือนกันแต่มีโครงสร้างผลึกแตกต่างกัน) 3 ตัวคือ
Calcite โครงสร้างผลึกเป็น trigonal
Aragonite โครงสร้างผลึกเป็น orthorhombic
Vaterite โครงสร้างผลึกเป็น hexagonal
Calcite
มาจากภาษากรีกคือ “chalix” เป็น CaCO3 ที่พบมากที่สุดโดยมีอยู่ประมาณ 4% โดยน้ำหนักของเปลือกโลก ถ้าอุณหภูมิและความดันที่เหมาะสมก็จะสามารถเปลี่ยนเป็นหินอ่อนได้
ผลึกของ calcite นั้นมีรูปร่างแตกต่างกันไปเป็นจำนวนมากขึ้นอยู่กับสภาวะในการเกิดผลึกนั้นๆ ผลึกที่จัดได้ว่าสวยงามและเป็นที่ต้องการของนักสะสมเป็นผลึกที่อยู่ในรูป Scalenohedron หรือ Dogtooth spar ซึ่งเป็นรูปผลึก Calcite ที่สวยงามมาก นอกจากนี้ยังมี Iceland spar ที่มีความใสเหมือนน้ำแข็ง มีรูปผลึกเป็น Rhombohedron หินงอกและหินย้อยในถ้ำที่สวยงามก็เป็นผลึกรูปหนึ่งของ calcite เช่นกัน
การเกิดแร่ calcite นั้น นอกจากจะเกิดจากขบวนการ metamorphism บนพื้นโลกแล้ว ยังสามารถเกิดได้จากพวกสิ่งมีชีวิตในทะเลเช่นพวกปะการัง, สาหร่าย, ไดอะตอม ที่มีกระบวนการสร้างเปลือกเพื่อห่อหุ้มตัวเองโดยการดึงเอา CO2 จากน้ำทะเลมาสร้างเป็น CaCO3 ซึ่งเป็นการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับของการสลายตัวของหินปูน ซึ่งเมื่อสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ดึงเอากาซ CO2 จากทะเลไปแล้วนั้น CO2 ในอากาศก็สามารถละลายลงไปในน้ำทะเลได้โดยหมุนวนเป็นวัฏจักร ดังนั้น
การเกิดหินปูนในท้องทะเลก็จะเป็นการช่วยลดกาซCO2 ในอากาศซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเรือนกระจก (Green house effect)
ผลึก calcite มีความแข็ง (Hardness) 3 และมีค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific gravity) 2.7
Aragonite
คำเรียก aragonite นี้มาจากชื่อเมืองที่มีการค้นพบแร่ชนิดนี้เป็นครั้งแรก คือที่ Aragon ประเทศสเปน
แร่ aragonite นี้ไม่ค่อยพบมากเท่า calcite เนื่องจากไม่ค่อยเสถียรที่อุณหภูมิและความดันปกติมีค่าความแข็งที่ 3.5-4 และมีค่าความถ่วงจำเพาะที่ 2.9
การตรวจสอบคุณภาพของ CaCO3
1. การวิเคราะห์ด้วยเครื่อง DTA จะพบ peak endothermic ที่คมชัดมากที่อุณหภูมิช่วง 800-900 °C เนื่องจากเกิดการสลายตัว (Dissociation) ของ CaCO3
โดย CaCO2 -----> CaO + CO2
ซึ่ง gas CO2 นี้จะเป็นปัญหาสำคัญที่จะทำให้เกิดตำหนิได้ ในช่วงการเผาเคลือบ ถ้าควบคุมการผลิตไม่ดีเพียงพอ
2. ความละเอียดของอนุภาคของหินปูน ซึ่งขึ้นกับวัตถุประสงค์ที่จะนำไปใช้งาน
3. %Oxide ของ CaO และ Fe2O3
4. การทดสอบหาค่า%คาร์บอเนตโดยใช้กรด (Acid test) เจือจางหยดลงบนหินปูน เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาดังนี้
CaCO3 + 2H+ -------> Ca2+ + H2O + CO2
ซึ่งเมื่อหยดกรดลงไปกรดจะไปทำปฏิกิริยากับหินปูนแล้วเกิดเป็นฟองอากาศ(Effervesce) ของกาซ CO2 เมื่อทดสอบหินปูนในชุดอุปกรณ์ทดสอบที่มีหลอดแก้วและใส่น้ำไว้ เมื่อมีกาซออกมาจากหินปูนก็จะไปแทนที่น้ำ โดยอ่านค่าเป็นปริมาตร ก็จะสามารถคำนวณค่า%คาร์บอเนตที่อยู่ในหินปูนได้ กรดที่ใช้ทดสอบนั้นนิยมใช้ HCl เจือจาง และน้ำส้มสายชู
การแต่งแร่ limestone
1. นำหินปูนที่ได้จากการระเบิดภูเขามาทำการย่อย โดยใช้ Jaw crusher, Cone crusher ,Gyratory crusher และจึงทำการบดละเอียดด้วย Ball mill ซึ่งมีทั้งบดเปียกและบดแห้ง ผง limestone ละเอียดที่ได้จะเรียกว่า whiting ซึ่งจะนำไปใช้กับการผลิตสีเคลือบ การทำ frit, การทำแก้ว - กระจก, soda-lime glass
 Gyratory crusher
2. การบดหยาบจากหินที่ได้จากเหมือง โดยมีขนาดอยู่ระหว่าง 5 mm. จะใช้สำหรับเนื้อดินของกระเบื้องบุผนัง กระเบื้องดินเผาชนิดไม่เคลือบ, table ware ที่ต้องการความพรุนตัวสูง, อุตสาหกรรมซีเมนต์
3. Calcium Carbonate precipitates กระบวนการนี้จะได้ CaCO3 powder ที่ละเอียดและมีความบริสุทธิ์สูงกว่าการบดให้ละเอียดธรรมดา ใช้สำหรับการทำสีเคลือบและการทำ frit
การใช้งานในอุตสาหกรรมเซรามิก
1. ใช้เติมในเนื้อดินสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการรูพรุน (Porous) สูง น้ำหนักเบา แต่ไม่ต้องการความแข็งแรงที่สูงมากนัก เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ มักจะมีเนื้อแก้ว (glassy phase) อยู่น้อยมาก
โดย CaCO3 จะเข้าไปทำปฏิกิริยากับ SiO ที่เราเติมเข้าไปในรูปของดินหรือทราย
CaCO3+ SiO2 CaSiO3
และเกิดเป็นผลึกรูปเข็มของ CaSiO3 (wollastonite) ซึ่งผลึกรูปเข็มนี้จะสานกันเป็นเส้นใย และทำให้ผลิตภัณฑ์หลังเผามีความแข็งแรงพอสมควร โดยไม่เกิดเนื้อแก้วขึ้น ซึ่งจะแตกต่างไปจากผลิตภัณฑ์ที่ใช้เฟลด์สปาร์เป็นวัตถุดิบหลักในเนื้อดิน (vitreous body) ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ Lime stone body นั้นจะมีน้ำหนักเบา เนื่องจากจะมี ความพรุนตัว (porosity) สูงจากการสลายตัวออกไปของgas CO2ใช้ในผลิตภัณฑ์พวกกระเบื้องบุผนัง, ถ้วยชามที่เป็น เนื้อ earthen ware, กระถางต้นไม้, ผลิตภัณฑ์พวก terracotta, ฉนวนกันความร้อน
ในการที่เราเติม CaCO3 ลงไปในเนื้อดินนั้น เราจะต้องระมัดระวังปัญหาที่ตามมาคือ ปริมาณ CO2 ที่เกิดขึ้นหลังจากผ่านช่วงอุณหภูมิ 800-900 °C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สีเคลือบหลอมตัวกลายเป็นแก้วแล้ว gas CO2 ที่ออกมาจากเนื้อดิน (body) จะทำให้เกิดตำหนิประเภทรูพรุน รูเข็มที่พบผิวเคลือบได้ โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่เผาครั้งเดียว ซึ่งแนวทางแก้ไขนั้นเราควรควบคุมความละเอียดของ CaCO3 ในช่วงการบดน้ำ slip ของ body ไม่ให้มีอนุภาคที่ใหญ่เกินไปจนการเกิดปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายหลังที่เคลือบหลอมตัวไปแล้ว ส่วนการเตรียมดินแบบ Dry process และ Semi wet process เช่นการใช้ Pug mill, Screen feeder, Roller mill, Edge runner mill นั้นไม่แนะนำให้เติม CaCO3 ลงไปถึงแม้ว่าเราจะเติมแบบเป็นผงละเอียดแล้วก็ตาม เนื่องจากถ้า CaCO3 ผสมไม่เป็นเนื้อเดียวกับวัตถุดิบตัวอื่นๆแล้ว เมื่อทำการเผาจะทำให้มี CaO หลงเหลืออยู่ซึ่งจะทำให้เกิด Ca(OH)2 ซึ่งเป็นผงสีขาวๆ และทำให้เนื้อดินเปราะมาก นอกจากนี้ตารางการเผา (firing curve) ก็จะสามารถช่วยแก้ไขปัญหาเรื่องรูพรุน รูเข็มได้ โดยการเผาในช่วง 700 – 900 °C ให้นานขึ้น เพื่อให้แน่ใจว่า CO2 ได้สลายออกไปหมดจากเนื้อดินแล้ว
อีกวิธีที่จะช่วยแก้ไขปัญหารูพรุนและรูเข็มที่เกิดจาก gas CO2 จาก limestone คือการปรับสูตรของสีเคลือบให้มีจุดอ่อนตัว (softening point) สูงขึ้น โดยการหลอมตัวของผิวเคลือบจะเริ่มเกิดขึ้นหลังจากมีการสลายตัวของ gas CO2 ไปแล้ว
สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีการเผาบิสกิทก่อนนั้นมักจะไม่พบปัญหารูพรุน ถ้าเราทำการเผาอย่างช้าๆในช่วงอุณหภูมิ 700-900 °C เพื่อไล่พวก gas ต่างๆออกไปก่อน
2. ใช้เป็นวัตถุดิบในเคลือบ ซึ่งจุดประสงค์ในการเติม limestone ในเคลือบนั้นจะช่วยให้
ลดความหนืดของสีเคลือบระหว่างเผาสำหรับเคลือบที่มีค่า SiO2 สูง
เพิ่มความแข็งแรงของผิวเคลือบหลังเผา ทำให้เคลือบทน abrasion ได้ดีขึ้น
CaO จะไปช่วยลดค่า COE ของเคลือบ ให้สัมพันธ์กับเนื้อดิน เพื่อป้องกันการเกิด delay crazing ขึ้นในภายหลัง
ทำให้เกิดผิวด้าน (matt glaze) ขึ้นในกรณีที่ใส่เข้าไปปริมาณมากจะเกิดการตกผลึก (devitrification)
ใช้เป็น flux ได้ที่อุณหภูมิสูง
3. ใช้เป็นวัตถุดิบหลัก สำหรับการผลิตซีเมนต์
โดย limestone จะเป็นตัวที่ให้ CaO ซึ่งเป็น phase หลัก ใน cement โดยในเม็ดปูน (clinker) จะมี main phase อยู่ 4 phase (อาจเรียกว่าเป็น potential phase) คือ C3S, C2S, C3A และ C4AF (C-CaO, S-SiO2, A-Al2O3, F-Fe2O3) ซึ่ง phase เหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับน้ำ (Hydration) ทำให้ปูนซีเมนต์มีคุณสมบัติที่เราต้องการ เช่น ความแข็งแรง, setting time ,ความร้อนที่คายออกมาขณะเกิดปฏิกิริยา, ความทนทานต่อสารเคมี
4. เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตกระจกพวก Soda-lime glass และเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิต Frit เพื่อใช้สำหรับทำเคลือบเซรามิก และโลหะเคลือบ
5. เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตสีเซรามิก ในระบบสีที่ต้องการ CaO เช่นสีแดง maroon
การใช้งานในอุตสาหกรรมอื่นๆ
1. ใช้เป็นตัว filler กระดาษ
2. เป็นวัสดุที่ใช้ทำฉนวนกันความร้อน
3. ใช้ในการเกษตร โดยเป็นส่วนประกอบของปุ๋ยเคมี และสารเคมีเกี่ยวกับยาฆ่าแมลง
จะเห็นได้ว่าหินปูนหรือแคลเซี่ยมคาร์บอเนตนั้นสามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมายในอุตสาหกรรมเซรามิก แต่เราควรมีความรู้และความเข้าใจในการนำไปใช้งาน รวมทั้งกระบวนการที่จะนำไปใช้ให้ดีเสียก่อน
|
|
|
|
|
|
|
