JP2004508258A - 精製されたアタパルガイト粘土 - Google Patents
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Abstract
粘土原鉱からアタパルガイト粘土を効率的に分離する。
【解決手段】
アタパルガイト粘土（フーラー土）を生産するための方法。この方法は他のタイプの粘土及び鉱物をかなり除去して性能を改善させる。特別な分散剤が用いられる。この分散剤は、アタパルガイト粒子が懸濁液中にとどまるように個々のアタパルガイト粒子を水中に完全に分散させる。また、この分散剤は他の粘土及び鉱物種を完全には分散させないため、その後の色々なテクニックによってそれらを容易に分離することができる。アタパルガイト粘土は原鉱から微細サイズの粉末を生産するようなやり方で懸濁液から回収して乾燥することができる。その場合において、磨砕又は粉砕操作を全く必要としない。乾燥されたアタパルガイト粘土は２〜３％の遊離水分含量を有する。吸着された分散剤を含む乾燥アタパルガイト粘土は水中に再分散されチキソトロピー特性を保持する。
【選択図】図５
【解決手段】
アタパルガイト粘土（フーラー土）を生産するための方法。この方法は他のタイプの粘土及び鉱物をかなり除去して性能を改善させる。特別な分散剤が用いられる。この分散剤は、アタパルガイト粒子が懸濁液中にとどまるように個々のアタパルガイト粒子を水中に完全に分散させる。また、この分散剤は他の粘土及び鉱物種を完全には分散させないため、その後の色々なテクニックによってそれらを容易に分離することができる。アタパルガイト粘土は原鉱から微細サイズの粉末を生産するようなやり方で懸濁液から回収して乾燥することができる。その場合において、磨砕又は粉砕操作を全く必要としない。乾燥されたアタパルガイト粘土は２〜３％の遊離水分含量を有する。吸着された分散剤を含む乾燥アタパルガイト粘土は水中に再分散されチキソトロピー特性を保持する。
【選択図】図５
Description
【０００１】
発明の分野
この発明は天然に存在する粘土堆積物を処理する能力に関する。さらに詳しくは、この発明はアタパルガイトの分離した個々の粒子を選択的に分散させる一方でモンモリロナイト、セピオライト、ベントナイト、炭酸石灰、シリカ及びカオリンなどの他の非アタパルガイト鉱物をアタパルガイト束の間から遊離させる能力に関する。本発明は容易に再分散される乾燥粘土に関する。
【０００２】
発明の背景
アタパルガイト粘土粒子はコロイド性で高アスペクト比のロッド状の粒子として天然に存在する。それらの粒子はクラスターとして強固に結束されている。ロッドは、一群の束ねられたパイプ又は飲用ストローに似て、粒子長及び径が全て同じくらいである傾向がある。個々のクラスターはランダムに集塊化されている。北フロリダ及び南東ジョージアで発見されたアタパルガイト堆積物は浅くてマグネシウムに富んだ湾水中で形成されたものである。そこでは他の粘土鉱物が同時に形成されるか又は空気及び水の運動を通じて持ち込まれた。シリカ、炭酸石灰及び炭酸マグネシウムなどの他の鉱物もその場所で形成されるか又はその形成の間に堆積物中に輸送され、その結果として、２０重量％又はそれ以上のレベルで存在するさまざまな非アタパルガイト物質となった。アタパルガイトが商業的使用に受け容れられる物理状態であるためには、それは粉末に処理される必要がある。アタパルガイト粘土は、歴史的には、堆積物を選択的に採掘すること、原鉱をそのグリット含量とゲル化特性によって類別すること、乾燥すること、最低量の汚染物質を含む原鉱を機械的に磨砕又は粉砕すること、続いて粒子サイズ区分した後に約１０から１６％の水分含量にまで乾燥することによって処理される。非アタパルガイト物質もサイズが小さくされ、粒子サイズ分級プロセスの間に一部が除去される。非粘土物質は摩耗性であり得るため、アタパルガイト粉末が最終用途で有用であるためには、非粘度物質は除去されるか又はサイズを小さくして摩耗特性を低減させなければならない。
【０００３】
乾式磨砕／粉砕操作は束クラスターを部分的に破壊し、個々のアタパルガイト粒子を破砕するという望ましくない結果を伴う。これは、部分的には、粘土原鉱中に存在していて乾式磨砕／粉砕操作の間に個々のロッドに対して破損及びダメージを与える非粘土物質のグリット及び粒子の存在によるのかも知れない。個々のアタパルガイト粒子は広範囲な最終用途に吸収性、チキソトロピー性、抗沈降性及び／又は結合性を与える。アタパルガイト粘土の結晶構造は各粒子の側面及び各個別粒子の端部に正及び負に帯電したサイトを有する。結晶が形成されるとき、それらは一緒に結合されてランダムな束を有するストロークラスターとなり、その電荷を中和するようにそれら自身を配列する。これらの個々の粒子が化学的又は機械的な手段によって分散されるとき、粒子は束及びクラスターを形成する代わりに粒子と粒子をランダムに再連結することによって負及び正の電荷を満足させようとする。アタパルガイト粘土のこのユニークな特徴がアタパルガイトのチキソトロピー特性及び結合特性を生成している。幅に対する長さの比すなわちアスペクト比が高い粒子は、低いアスペクト比を有する粒子に比べて高いゲル強度及び結合特性を有する製品を与えるという点において、典型的にはより効率的である。
【０００４】
最終用途において、化学的分散剤、主として、ピロリン酸四ナトリウム（ＴＳＰＰ）は、水性媒質中において、大部分のアタパルガイト束を中剪断攪拌から高剪断攪拌の下で個々の粒子に分離するのがせいぜいであろう。ＴＳＰＰは、また、存在する他の粘土タイプを分散させる。存在する各粘土種の個々の粘土粒子は水中に懸濁した状態に維持されるであろう。米国特許第３，５６９，７６０号は、もしも粘土水スラリーが十分に低い粘度であれば、非粘土鉱物が水中に懸濁した状態に維持されずに重力によって底に沈降するであろうということを示した。比較的大きな非粘土鉱物は、その高い硬度によって、サイズ低下に抵抗することができ、結果的に、篩い分けや遠心分離によって、沈降タンク、ハイドロサイクロン又は他の物理的分離手段を介して除去され得る。モンモリロナイト、スメクタイト及びセピオライト等の非アタパルガイト粘土鉱物はアタパルガイト粘土と共に混合された状態に維持されるであろう。非アタパルガイト粘土はアタパルガイト粘土と必ずしも同じ性能特性を有しておらず、そのあるものは特殊な用途での性能に対して有害である。現時点では、アタパルガイトの供給者及びユーザーは非アタパルガイト粘土成分の濃度に関しては天然堆積物の質に依存している。高純度アタパルガイト粘土の有用性は堆積物の経済的には効率の悪い選択的採鉱に頼っている。
【０００５】
ガント（Ｇａｎｔｔ）らは、米国特許第５，３５８，１２０において、以前から市販で入手可能なポリアクリル酸ナトリウムのような他のタイプの分散剤が粘土と共に使用できることを示した。しかしながら、４，３００未満の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムは、カオリン及びベントナイトに対しては有効である一方、ＴＳＰＰと比べた場合、アタパルガイトに対しては一般に有効という程ではなく、結果的に、一般的には使用されない。
【０００６】
アタパルガイト粘土は、水系において固形物５％未満で一般に分散された後、再凝集のプロセスを経てチキソトロピー特性及び結合特性を生成し、それによって、ゲル構造が生成される。さまざまな塩が、添加剤レベルで、再凝集剤として作用することができる。
【０００７】
歴史的には、アタパルガイト粘土は、８又は９％を最低として、約１０〜１６％の遊離水分含量まで乾燥される。低い水分含量においては、アタパルガイトはそのチキソトロピー特性を喪失し始め、容易には水中で再分散しない。ブルックス（Ｂｒｏｏｋｓ）は、米国特許第４，９６６，８７１号において、アタパルガイトを遊離水分含量２％未満まで真空乾燥してもそのチキソトロピー特性を保持することは可能であり、重要なことはアタパルガイトが真空条件下で乾燥されることであるということを示した。
【０００８】
アタパルガイト粘土は頻繁に添加物として用いられ、最終組成物の僅か１〜３重量％を成すことも珍しくない。アタパルガイト粘土は、このような低濃度においては、液体媒体中で完全には分散しない。信じられている理由は集塊及び束を解体するに必要とされる粘土同士の衝突の不足である。この挙動を克服するために用いられたテクニックは、２０から２５％スラリーが形成され、完全に分散されたときに、それが所望の最終濃度まで水で希釈されるというものである。
アタパルガイト粘土を他の粘土タイプからも非粘土鉱物からも効率的かつ経済的に分離することができる一方、機械的な磨砕力によって粒子の高アスペクト比を破壊しないことが必要である。アタパルガイトの水分含量を減らす一方、ゲル特性を維持してその最終用途向けの製品の濃度を通じてその経済的利益を高めることが必要とされる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第３，５６９，７６０号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，３５８，１２０号明細書
【特許文献３】
米国特許第４，９６６，８７１号明細書
【００１０】
発明の概要
本発明の目的は、アタパルガイト粘土を粘土原鉱中の他の粘土成分及び鉱物から分離する経済的かつ効率的な方法を提供することである。
本発明の目的は、非粘土鉱物が高濃度であるために歴史的には利用できなかった低グレード堆積物の採掘を許容する方法を用いること的である。
本発明の目的は、アタパルガイト原鉱をスラリーの形でブレンドして均一な物理的及び化学的特性を備えた製品を効率的に生産する方法を用いることである。
【００１１】
本発明の別の目的は、精製されたアタパルガイト粘土を提供することである。
本発明の別の目的は、分散剤又は界面活性剤を添加することなく水中で容易に分散されるアタパルガイト粘土粒子を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、０．５％未満の遊離水分含量を有するとともに真空乾燥を用いることなくチキソトロピー特性を保持する乾燥微粒子アタパルガイト粘土を提供することである。
【００１２】
本発明の教示によれば、天然に存在する粘土原鉱を処理して他の物質からアタパルガイト粘土を分離する方法が開示される。これは、粘土原鉱を破砕する段階と、４，０００と５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウム水に添加する段階と、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液を用いて粘土原鉱のスラリーを調製してアタパルガイトを水に分散させる段階と、非アタパルガイト鉱物を完全には分散させることなくアタパルガイトを分散させる段階と、非アタパルガイト鉱物をアタパルガイトから分離し、分散されるとともに精製されたアタパルガイト粘土を乾燥する段階とを含む。
【００１３】
さらに、天然に存在する粘土原鉱を処理して他の物質からアタパルガイト粘土を分離する湿式方法が開示される。この方法は、粘土原鉱を破砕し、分散剤を水に添加する段階を含む。粘土原鉱のスラリーは分散剤水溶液を用いて調製され、アタパルガイト粘土が水中に分散される。分散されたアタパルガイト粘土は非アタパルガイト物質から分離され、分散された粘土は遊離水分含量約２〜３％まで乾燥される。
【００１４】
アタパルガイト粘土を分離するとともに分散させる湿式方法が更に開示される。天然に存在する粘土を破砕する。分散剤が水に添加される。天然に存在する粘土のスラリーが水性分散剤によって調製される。その場合において、粘土が水に分散される。非アタパルガイト物質はアタパルガイト粘土の水性スラリーから分離される。分散されたアタパルガイト粘土が乾燥される。重量で約３５％までの乾燥アタパルガイト粘土が水に添加される。分散剤又は界面活性剤が追加添加されることなく、アタパルガイト粘土が低剪断ミキサーを用いて水中に再分散される。
【００１５】
さらに、非粘土物質から分離されたアタパルガイト粘土を有する精製されるとともに乾燥された微粒子アタパルガイト粘土が開示される。このアタパルガイト粘土は約２〜３％の遊離水分含量を有する。
本発明のこれら及びその他の目的は同封された図面を参照しながら以下の明細書の読むことによって明らかとなろう。
【００１６】
好ましい実施の形態の説明
我々は思いがけない発見をした。その発見とは、好ましくは、約４，７００の分子量を有する特定のポリアクリル酸ナトリウムの効能が、低い分子量を有するＴＳＰＰ又は他のポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いたときに達成できるよりも低い粘度において、水性スラリー中のアタパルガイト粘土の濃度を高くすることができるということである。分散剤としてＴＳＰＰを用いた場合にアタパルガイト濃度を処理するための実際上の上限は約３０％であり、それ以上では、スラリーが極めて膨張性になり、粘度は高すぎて処理できなくなる。低い分子量を有する他のポリアクリル酸ナトリウムはアタパルガイトを効果的には分散させないであろう。分子量約４，７００のポリアクリル酸ナトリウムは少なくとも３５％濃度のアタパルガイトスラリーを調製する能力を付与するだけでなく許容できる処理特性をも有する。この特性は調製物を効率的に生産できるという経済的メリットを提供する。すなわち、調製物は３５％スラリーを希釈して低い濃度（典型的には懸濁質肥料で用いられる１〜３％）に落とすことによって調製されるので、同量の最終製品を得るために準備されるスラリー分量は僅かしか必要とされない。
【００１７】
更に研究することによって、我々は別の思いがけない発見をした。それは、上記高分子量ポリアクリル酸ナトリウムを用いることによって、アタパルガイト粒子が水中において著しく改善された効率で中剪断条件から高剪断条件の下で速やかに分散する（図１参照）ということである。その結果は、存在する非アタパルガイト粘土の多くが比較的大きな遊離粒子として存在する非粘土物質と一緒に残留するであろうということである。非アタパルガイト粘土は篩い分け又は遠心分離のような物理的手段によって非粘土物質と一緒に容易に除去することができる。その結果は、実質的にグリットを含まないアタパルガイトの純粋形態（ｐｕｒｉｔｙ ｆｏｒｍ）の増大である。分子量４，７００のポリアクリル酸ナトリウムは、その高い分子量の故に、スメクタイト、モンモリロナイト、カオリン又は他の粘土鉱物を速やかに分散させるることはない。試験された比較的低分子量のポリアクリル酸ナトリウムはアタパルガイト粒子をさほど効果的には分散させず、従って、非粘土粒子を僅かしか分離させないであろう。図２においては、用いられたポリアクリル酸ナトリウムの分子量は２，６００である。
【００１８】
我々は更に発見した。それは、ＴＳＰＰを使用した場合でさえ、湿式プロセスを用いて、スプレードライヤー又はエアー飛散管状ドライヤーで乾燥すると、得られる製品は低剪断混合によって再分散され得るということである。以前には、ロータリードライヤー及びフラッシュドライヤーのような従来の乾燥技術によって乾燥された製品は再分散しない製品を生成させた。非アタパルガイト鉱物からアタパルガイト粘土の分離を達成することは可能であり、また、アタパルガイト粘土の精製は、分散剤としてＴＳＰＰを使用すれば、湿式法によって達成することができる。精製アタパルガイトは、３５％濃度までのスラリー固形物が得られるまで、低剪断によって再分散させることができる。ＴＳＰＰ分離を用いた乾燥粘土の再分散は、以前は高剪断装置によってのみ得られており、また、これらの条件下でさえも、僅かに１０〜１５％固形物が得られたに過ぎない。本発明においては、追加的なＴＳＰＰ又は界面活性剤の必要はない。ＴＳＰＰ分散剤を用いて得られたアタパルガイト粘土の純度は高分子量ポリアクリル酸ナトリウムを用いて得られた純度ほど高くはない。ＴＳＰＰはアタパルガイト中に汚染物質として見出されたスメクタイト鉱物の水和を遅らせることはできない。非粘土鉱物はスラリーの篩い分け及び遠心分離によって除去することができる。しかしながら、ＴＳＰＰの使用はより経済的であり、高純度が必ずしも必須ではない農業グレードのようなアタパルガイト粘土のこれら最終用途にとっては、有効で比較的低コストの方法がここに開示されている。
【００１９】
我々は更につぎのことを発見した。それは、アタパルガイトスラリーがポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰを用いて調製され、次いで、スプレードライヤー、エアー飛散管状ドライヤー又はその他の低温の高乱流乾燥法で乾燥された場合には、ポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰがアタパルガイト粒子上に吸着されたまま残留することである。乾燥したアタパルガイトは分散剤又は界面活性剤が水中に予め混合される必要もなく容易に水中に再分散するであろう。これはＴＳＰＰを用いて分散されるとともにロータリードライヤー又はフラッシュドライヤーのような従来の手段によって乾燥された乾燥磨砕アタパルガイトでは起こらない。さらに、非粘土鉱物の除去によって、チキソトロピー、結合及び懸濁挙動を生じ可能性においてより高い能力が観察されている。
【００２０】
別の思いがけない発見は吸着されたポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰの能力であった。その能力とは、アタパルガイトが高い空気乱流を用い大気圧の下で０．５％未満の水分含量まで乾燥されるとき、アタパルガイトが真空乾燥の必要もなく及び／又はシリコン又はシランタイプの安定剤の必要もなくそのチキソトロピー特性を保持することができるようにする能力である。商業的には約２〜３％水分までの乾燥が実用的である。
【００２１】
別の思いがけない発見は、アタパルガイト生産の湿式処理法が、乾燥アタパルガイト原鉱の磨砕によって処理されているアタパルガイトに比べると、個々のクラスターから遊離される高アスペクト比アタパルガイト結晶の比率がより高いという結果を生じるということであった。湿式プロセスの利用による結晶性シリカ及び炭酸石灰の除去は従来の機械的磨砕プロセスで経験した摩滅的磨砕をなくす。図１及び図３参照。
【００２２】
本発明において、アタパルガイト粘土原鉱は採掘され、破砕され、水と混練してスラリーにすることができるほど十分に小さい破片にされる。４，０００から５，０００の間の分子量範囲を有するポリアクリル酸ナトリウム分散剤は水と予め混合される。ポリアクリル酸ナトリウム濃度は、好ましくは、粘土含量に対して１から４重量％の間である。アタパルガイト粘土は、中剪断から高剪断の下で、水−ポリアクリル酸ナトリウム溶液中に完全に分散するまで徐々に添加される。アタパルガイト束及びクラスターはコロイド性粒子へと分離され、分散されたアタパルガイト束から他の非アタパルガイト粒子が遊離できるようにする。非粘土粒子はグリットを含む非粘土物質と一緒に物理的手段によって除去される。事実上脱グリットされたアタパルガイト粘土は次いで脱水すなわち乾燥される。これは、大気圧下で加熱した乱流空気を使用するドライヤー中において、所望の残存水分含量に達するまで行われる。好ましくは、乾燥プロセスは大気圧で８５℃から２１０℃の間の温度である。乾燥プロセスの間、粒子は「自己合体」して緩やかに結合した細長いロッドとなる。それらは再凝集して堅固に結合した束及び集塊となることはない。
【００２３】
最終形態はフィルターケーキ又は乾燥粉末を含むことができる。フィルターケーキ及び／又は乾燥粉末は追加的な分散剤を使用することなく水中に容易に再分散させることができる。採用することができる一つの有効な乾燥法はスプレードライである。スプレードライは均一サイズの粒子を生産する能力を提供し、そのサイズはスプレードライヤーのプロセス条件を調節することによって制御することができる。その他の通気乾燥法も、加熱された乱流空気が８５℃から２１０℃の間で用いられる場合には有効に作用して同様な結果をもたらすことが確かめられた。このように、微細サイズのアタパルガイト粒子はアタパルガイト結晶を壊して性能を低下させるであろう磨砕又は粉砕処理をおこなうことなく製造できる。
【００２４】
実施例１から実施例９
さまざまな品質の粘土試料が乾燥粘土ベースで１．０から１．８重量％の間のポリアクリル酸ナトリウムを用いてスラリー化された。ポリアクリル酸ナトリウムは４，０００から５，０００の間の分子量を有していた。スラリーは脱イオン水又は蒸留水中で約２５重量％の粘土から成っていた。ポリアクリル酸ナトリウムが均一な溶液になるまで水と混合され、次いで、粘土が中剪断から高剪断の下で完全に湿潤状態になるまで徐々に添加された。スラリーは３２５メッシュスクリーンでろ過され、次いで、自由流動する粉末になるまで乾燥された。Ｘ線及び原子吸光分析法を用いて原料の物質及び処理された物質の組成特性が比較された。次の化学種が同定された。同定された化学種は、アタパルガイト、スメクタイト粘土（すなわち、モンモリロナイト、セピオライト）、水晶、方解石、ドロマイト、アパタイト、イライト、雲母、カオリナイト及びその他の微量鉱物。結果は以下の表１に掲載されている。
【００２５】
【表１】
【００２６】
試料＃１は対照試料であり、アタパルガイト含量８５％、低スメクタイト含量２％を有し、何の処理もされていない比較的高品質グレードのものである。試料＃２も対照試料であり、これは、ポリアクリル酸ナトリウムの代わりに分散剤としてＴＳＰＰが用いられている点を除き、前の段落に記載された方法に従って処理された試料♯１である。試料＃２は篩い分け中における若干のグリット除去以外には何らの精製も行われなかった。アタパルガイト及びスメクタイト含量に変化はなかった。試料＃３も前の段落に記載された方法に従って試料＃１から処理された。今度は上で認定されたポリアクリル酸ナトリウム分散剤を使用した。試験の結果、試料＃３は８５から９０％へのアタパルガイト含量の増加を示した。スメクタイト含量は１％減少した。残る４％は水晶の１％減少とアパタイト、イライト及び雲母の減少量とから成っている。これは、物理的分離によって、アタパルガイト束の分散の増大、多く捕捉された汚染粒子の除去の結果であると考えられる。試料＃４及び＃６は二つの別グレードアタパルガイト粘土、すなわち、それぞれ低ゲル化グレード及び高ゲル化グレードの粘土であり、これらはＴＳＰＰを用いてポリアクリル酸ナトリウム分散剤なしで処理された。試料＃５及び＃７はポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて処理された対応する試料である。いずれの場合も、アタパルガイト含量は８５から９０％に増加した。試料＃８は３０％の高スメクタイト含量を有する比較的不純なアタパルガイトである。ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて処理すると、（試料＃９）イライト／雲母含量が６％から１％へ低下すると同時に、スメクタイト含量は３０から２５％へと減少する。
【００２７】
実施例１０
８から１３重量％の間の水分含量を有するアタパルガイト粘土の試料が、上記ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて、３５％固形物で水道水中に分散された。粘度はブルックフィールド（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）ＲＶＴ粘度計を用い３００ｃｐｓで測定された。スラリーは、その後、３２５メッシュスクリーンで脱グリットされ、大気圧、１０５℃で乾燥され、ほぼ元の水分含量の粉末にされた。脱グリットアタパルガイトは、次いで、何らの付加的な分散剤を使用することなく、固形物３５％で水中に再スラリー化された。次いで、粘度が３４０ｃｐｓで測定された。僅かな増加は除去されたグリットの量に比例し、その結果は同様であり、実験的な再現性の範囲内にあると考えられる。
【００２８】
実施例１１
アタパルガイト粘土の試料が、上記ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて、３５％固形物で水道水に分散された。スラリーは脱グリットされ、スプレー乾燥され、乾燥粉末アタパルガイトが生成された。遊離水分含量が測定され、粘度は水中における７％固形物の工業標準品質管理試験レベルで測定された。アタパルガイト粉末は、次いで、およそ１０５℃でさらに乾燥され、さまざまな遊離水分含量試料が形成された。引き続き、これらの試料はそれぞれの粘度及びチキソトロピー性能を生じるゲル構造へと再凝集する能力についてテストされた。
【００２９】
【表２】
【００３０】
遊離水分０．５％まで乾燥された試料は７％固形物で水道水に再スラリー化された。粘度は約６ｃｐｓであった。０．７％（全重量ベース）の炭酸カリを添加することによって、得られた粘度は３，１００ｃｐｓであった。これは再凝集してゲル構造を生成する能力を示すものである。
【００３１】
実施例１２
アタパルガイトの試料をさまざまなグレードのポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて固形物３５％で水でスラリー化された。使用分散剤の量は、基準（分散度の指標）として得られた最小粘度を用いて、最も有効なレベルを決定するために１から２．５％の間で変化させた。結果は粘度対添加された分散剤（％）として記録された（表３）。なお、約４，７００以上の分子量を有する非架橋ポリアクリル酸ナトリウムはその存在が知られていないことは留意されるべきである。もし入手可能であれば、それらは同様の又は改善された性能を示すことが期待できる。
【００３２】
【表３】
【００３３】
観察できる傾向は、分子量の高いポリアクリル酸ナトリウムがより有効な分散剤であるということである。
【００３４】
実施例１３
粘度に関する分散剤の有効性が脱イオン水及び飽和食塩水を用いて試験された。ブルックフィールド粘度値（ｃｐｓで表示）が以下のものについて得られた。
１．３．２％ポリアクリル酸ナトリウム（分子量４，７００）を用いた３０％粗粘土。
２．２％ＴＳＰＰを用いた３０％粗粘土。
３．２％ＴＳＰＰを用いた３０％粗粘土。乾燥されるとともに、再水和されたもの。
【００３５】
【００３６】
上の結果は本発明以前に用いられた方法によって調製されたアタパルガイト粘土に比較して意外である。塩を含まない脱イオン水中においては、アタパルガイト粘土は容易に分散し、その粘度は変化しない。これは、脱イオン水中には余分なイオン性汚染物質がなく、粘土は容易に分散するが、それを凝集するに足る十分なイオンが存在しないためゲル構造を形成しないからである。しかしながら、４０％固形物で得られた比較的高い粘度は最も意外であり、湿式法における分散剤の有効性の能力の指標である。これまでに知られている乾式法においては、ＴＳＰＰは脱イオン水中で粘土を分散させる能力を示さなかった。ＴＳＰＰ処理された粘土の乾燥及び再水和は以前は知られていなかった。
【００３７】
水中の塩は粘土を沈降及びゲル化させる。飽和食塩水はゲル化生成に最も効果的である。従来技術を用いて２０，０００〜２５，０００ｃｐｓの範囲で最高の粘度を得ることは一般的には可能である。粘土に本発明の分散剤を加えることによって、２０％固形物で３２，０００から３５，０００までの粘度が得られた。８８，０００ｃｐｓもの高い粘度は飽和食塩水中で得られた。
【００３８】
総括すると、粘土原鉱はそれを約４，０００〜５，０００の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムの水溶液中に分散させることによって精製され、非アタパルガイト物質から分離される。非アタパルガイト物質はこのポリアクリル酸ナトリウム溶液中でアタパルガイト束の間から効果的に遊離される。非粘土物質（「グリット」）は同様に遊離される。このようにして、アタパルガイト粘土は非アタパルガイト物質から分離させることができる。スラリーを乾燥することによって、アタパルガイト粘土の粉末が得られる。乾燥したアタパルガイト粘土中には残存ポリアクリル酸ナトリウムが存在するため、水を添加することによって、アタパルガイトはさらに分散剤を添加しなくても再分散する。再分散したアタパルガイト粘土はチキソトロピー特性を保持する。このようにして、精製された状態のアタパルガイト粘土が提供され、より経済的に使用される。また、品質の低い粘土原鉱も精製度の高いアタパルガイト粘土を提供するために経済的に処理することができる。
粗アタパルガイトを水と混練する方法は次の通りである。
【００３９】
実施例１４
３つの５５ガロンのドラムの粗アタパルガイトがＴＳＰＰによって分散された。スラリーは粘土重量ベースで２％のＴＳＰＰを用いて固形物３０％に調整された。水と混練されたスラリーは２００メッシュスクリーン上で篩い分けされ、スクリーンを通過した−２００メッシュ画分は使用のために保留された。スクリーンによって保持された＋２００メッシュ画分は廃棄された。
【００４０】
実施例１５
３つの５５ガロンのドラムの粗アタパルガイトがポリアクリル酸ナトリウムによって分散された。スラリーは粘土重量ベースで３．２％ポリアクリル酸ナトリウムを用いて固形物３０％に調整された。水と混練されたスラリーは２００メッシュスクリーン上で篩い分けされ、スクリーンを通過した−２００メッシュ画分は使用のために保留された。スクリーンによって保持された＋２００メッシュ画分は廃棄された。
【００４１】
実施例１４及び実施例１５のスラリーはそれぞれ２〜３％の間の遊離水分含量になるまで乾燥された。各乾燥アタパルガイト粘土は低剪断装置を用いて水中に再分散された。
【００４２】
粗粘土と水性分散剤を混合するために多くの手段が用いられるが、好ましい方法は高剪断ミキサーを使用することである。高剪断ミキサーはより効果的に水性分散剤と粘土の所望の混合を形成し、粘土中に存在する非粘土物質から粘土を分離させる。
【００４３】
このように、ＴＳＰＰ又はポリアクリル酸ナトリウムによる湿式法を用いることによって、アタパルガイト粘土はグリット及び非粘土から分離することができ、さらに、約２〜３％の遊離水分含量、すなわち、低剪断によって容易に水中に再分散させることができる水分含量まで乾燥することができることが示された。
【００４４】
明らかに、本発明の基本精神から外れることなく多くの変更が可能である。従って、当業者であれば、添付の特許請求の範囲内において、本発明がここに具体的に述べられてきた以外の方法で実施可能であることは理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
分散されたアタパルガイト結晶の拡大図である。
【図２】
スメクタイト／アタパルガイトクラスターの拡大図である。
【図３】
従来技術の乾式分離プロセスによって得られた他の粘土及びグリットを含むアタパルガイトのクラスターの拡大図である。
【図４】
本発明の湿式分離プロセスによって得られた単離アタパルガイトロッドの拡大図である。
【図５】
アタパルガイト粘土の精製の工程図である。
発明の分野
この発明は天然に存在する粘土堆積物を処理する能力に関する。さらに詳しくは、この発明はアタパルガイトの分離した個々の粒子を選択的に分散させる一方でモンモリロナイト、セピオライト、ベントナイト、炭酸石灰、シリカ及びカオリンなどの他の非アタパルガイト鉱物をアタパルガイト束の間から遊離させる能力に関する。本発明は容易に再分散される乾燥粘土に関する。
【０００２】
発明の背景
アタパルガイト粘土粒子はコロイド性で高アスペクト比のロッド状の粒子として天然に存在する。それらの粒子はクラスターとして強固に結束されている。ロッドは、一群の束ねられたパイプ又は飲用ストローに似て、粒子長及び径が全て同じくらいである傾向がある。個々のクラスターはランダムに集塊化されている。北フロリダ及び南東ジョージアで発見されたアタパルガイト堆積物は浅くてマグネシウムに富んだ湾水中で形成されたものである。そこでは他の粘土鉱物が同時に形成されるか又は空気及び水の運動を通じて持ち込まれた。シリカ、炭酸石灰及び炭酸マグネシウムなどの他の鉱物もその場所で形成されるか又はその形成の間に堆積物中に輸送され、その結果として、２０重量％又はそれ以上のレベルで存在するさまざまな非アタパルガイト物質となった。アタパルガイトが商業的使用に受け容れられる物理状態であるためには、それは粉末に処理される必要がある。アタパルガイト粘土は、歴史的には、堆積物を選択的に採掘すること、原鉱をそのグリット含量とゲル化特性によって類別すること、乾燥すること、最低量の汚染物質を含む原鉱を機械的に磨砕又は粉砕すること、続いて粒子サイズ区分した後に約１０から１６％の水分含量にまで乾燥することによって処理される。非アタパルガイト物質もサイズが小さくされ、粒子サイズ分級プロセスの間に一部が除去される。非粘土物質は摩耗性であり得るため、アタパルガイト粉末が最終用途で有用であるためには、非粘度物質は除去されるか又はサイズを小さくして摩耗特性を低減させなければならない。
【０００３】
乾式磨砕／粉砕操作は束クラスターを部分的に破壊し、個々のアタパルガイト粒子を破砕するという望ましくない結果を伴う。これは、部分的には、粘土原鉱中に存在していて乾式磨砕／粉砕操作の間に個々のロッドに対して破損及びダメージを与える非粘土物質のグリット及び粒子の存在によるのかも知れない。個々のアタパルガイト粒子は広範囲な最終用途に吸収性、チキソトロピー性、抗沈降性及び／又は結合性を与える。アタパルガイト粘土の結晶構造は各粒子の側面及び各個別粒子の端部に正及び負に帯電したサイトを有する。結晶が形成されるとき、それらは一緒に結合されてランダムな束を有するストロークラスターとなり、その電荷を中和するようにそれら自身を配列する。これらの個々の粒子が化学的又は機械的な手段によって分散されるとき、粒子は束及びクラスターを形成する代わりに粒子と粒子をランダムに再連結することによって負及び正の電荷を満足させようとする。アタパルガイト粘土のこのユニークな特徴がアタパルガイトのチキソトロピー特性及び結合特性を生成している。幅に対する長さの比すなわちアスペクト比が高い粒子は、低いアスペクト比を有する粒子に比べて高いゲル強度及び結合特性を有する製品を与えるという点において、典型的にはより効率的である。
【０００４】
最終用途において、化学的分散剤、主として、ピロリン酸四ナトリウム（ＴＳＰＰ）は、水性媒質中において、大部分のアタパルガイト束を中剪断攪拌から高剪断攪拌の下で個々の粒子に分離するのがせいぜいであろう。ＴＳＰＰは、また、存在する他の粘土タイプを分散させる。存在する各粘土種の個々の粘土粒子は水中に懸濁した状態に維持されるであろう。米国特許第３，５６９，７６０号は、もしも粘土水スラリーが十分に低い粘度であれば、非粘土鉱物が水中に懸濁した状態に維持されずに重力によって底に沈降するであろうということを示した。比較的大きな非粘土鉱物は、その高い硬度によって、サイズ低下に抵抗することができ、結果的に、篩い分けや遠心分離によって、沈降タンク、ハイドロサイクロン又は他の物理的分離手段を介して除去され得る。モンモリロナイト、スメクタイト及びセピオライト等の非アタパルガイト粘土鉱物はアタパルガイト粘土と共に混合された状態に維持されるであろう。非アタパルガイト粘土はアタパルガイト粘土と必ずしも同じ性能特性を有しておらず、そのあるものは特殊な用途での性能に対して有害である。現時点では、アタパルガイトの供給者及びユーザーは非アタパルガイト粘土成分の濃度に関しては天然堆積物の質に依存している。高純度アタパルガイト粘土の有用性は堆積物の経済的には効率の悪い選択的採鉱に頼っている。
【０００５】
ガント（Ｇａｎｔｔ）らは、米国特許第５，３５８，１２０において、以前から市販で入手可能なポリアクリル酸ナトリウムのような他のタイプの分散剤が粘土と共に使用できることを示した。しかしながら、４，３００未満の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムは、カオリン及びベントナイトに対しては有効である一方、ＴＳＰＰと比べた場合、アタパルガイトに対しては一般に有効という程ではなく、結果的に、一般的には使用されない。
【０００６】
アタパルガイト粘土は、水系において固形物５％未満で一般に分散された後、再凝集のプロセスを経てチキソトロピー特性及び結合特性を生成し、それによって、ゲル構造が生成される。さまざまな塩が、添加剤レベルで、再凝集剤として作用することができる。
【０００７】
歴史的には、アタパルガイト粘土は、８又は９％を最低として、約１０〜１６％の遊離水分含量まで乾燥される。低い水分含量においては、アタパルガイトはそのチキソトロピー特性を喪失し始め、容易には水中で再分散しない。ブルックス（Ｂｒｏｏｋｓ）は、米国特許第４，９６６，８７１号において、アタパルガイトを遊離水分含量２％未満まで真空乾燥してもそのチキソトロピー特性を保持することは可能であり、重要なことはアタパルガイトが真空条件下で乾燥されることであるということを示した。
【０００８】
アタパルガイト粘土は頻繁に添加物として用いられ、最終組成物の僅か１〜３重量％を成すことも珍しくない。アタパルガイト粘土は、このような低濃度においては、液体媒体中で完全には分散しない。信じられている理由は集塊及び束を解体するに必要とされる粘土同士の衝突の不足である。この挙動を克服するために用いられたテクニックは、２０から２５％スラリーが形成され、完全に分散されたときに、それが所望の最終濃度まで水で希釈されるというものである。
アタパルガイト粘土を他の粘土タイプからも非粘土鉱物からも効率的かつ経済的に分離することができる一方、機械的な磨砕力によって粒子の高アスペクト比を破壊しないことが必要である。アタパルガイトの水分含量を減らす一方、ゲル特性を維持してその最終用途向けの製品の濃度を通じてその経済的利益を高めることが必要とされる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第３，５６９，７６０号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，３５８，１２０号明細書
【特許文献３】
米国特許第４，９６６，８７１号明細書
【００１０】
発明の概要
本発明の目的は、アタパルガイト粘土を粘土原鉱中の他の粘土成分及び鉱物から分離する経済的かつ効率的な方法を提供することである。
本発明の目的は、非粘土鉱物が高濃度であるために歴史的には利用できなかった低グレード堆積物の採掘を許容する方法を用いること的である。
本発明の目的は、アタパルガイト原鉱をスラリーの形でブレンドして均一な物理的及び化学的特性を備えた製品を効率的に生産する方法を用いることである。
【００１１】
本発明の別の目的は、精製されたアタパルガイト粘土を提供することである。
本発明の別の目的は、分散剤又は界面活性剤を添加することなく水中で容易に分散されるアタパルガイト粘土粒子を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、０．５％未満の遊離水分含量を有するとともに真空乾燥を用いることなくチキソトロピー特性を保持する乾燥微粒子アタパルガイト粘土を提供することである。
【００１２】
本発明の教示によれば、天然に存在する粘土原鉱を処理して他の物質からアタパルガイト粘土を分離する方法が開示される。これは、粘土原鉱を破砕する段階と、４，０００と５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウム水に添加する段階と、ポリアクリル酸ナトリウム水溶液を用いて粘土原鉱のスラリーを調製してアタパルガイトを水に分散させる段階と、非アタパルガイト鉱物を完全には分散させることなくアタパルガイトを分散させる段階と、非アタパルガイト鉱物をアタパルガイトから分離し、分散されるとともに精製されたアタパルガイト粘土を乾燥する段階とを含む。
【００１３】
さらに、天然に存在する粘土原鉱を処理して他の物質からアタパルガイト粘土を分離する湿式方法が開示される。この方法は、粘土原鉱を破砕し、分散剤を水に添加する段階を含む。粘土原鉱のスラリーは分散剤水溶液を用いて調製され、アタパルガイト粘土が水中に分散される。分散されたアタパルガイト粘土は非アタパルガイト物質から分離され、分散された粘土は遊離水分含量約２〜３％まで乾燥される。
【００１４】
アタパルガイト粘土を分離するとともに分散させる湿式方法が更に開示される。天然に存在する粘土を破砕する。分散剤が水に添加される。天然に存在する粘土のスラリーが水性分散剤によって調製される。その場合において、粘土が水に分散される。非アタパルガイト物質はアタパルガイト粘土の水性スラリーから分離される。分散されたアタパルガイト粘土が乾燥される。重量で約３５％までの乾燥アタパルガイト粘土が水に添加される。分散剤又は界面活性剤が追加添加されることなく、アタパルガイト粘土が低剪断ミキサーを用いて水中に再分散される。
【００１５】
さらに、非粘土物質から分離されたアタパルガイト粘土を有する精製されるとともに乾燥された微粒子アタパルガイト粘土が開示される。このアタパルガイト粘土は約２〜３％の遊離水分含量を有する。
本発明のこれら及びその他の目的は同封された図面を参照しながら以下の明細書の読むことによって明らかとなろう。
【００１６】
好ましい実施の形態の説明
我々は思いがけない発見をした。その発見とは、好ましくは、約４，７００の分子量を有する特定のポリアクリル酸ナトリウムの効能が、低い分子量を有するＴＳＰＰ又は他のポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いたときに達成できるよりも低い粘度において、水性スラリー中のアタパルガイト粘土の濃度を高くすることができるということである。分散剤としてＴＳＰＰを用いた場合にアタパルガイト濃度を処理するための実際上の上限は約３０％であり、それ以上では、スラリーが極めて膨張性になり、粘度は高すぎて処理できなくなる。低い分子量を有する他のポリアクリル酸ナトリウムはアタパルガイトを効果的には分散させないであろう。分子量約４，７００のポリアクリル酸ナトリウムは少なくとも３５％濃度のアタパルガイトスラリーを調製する能力を付与するだけでなく許容できる処理特性をも有する。この特性は調製物を効率的に生産できるという経済的メリットを提供する。すなわち、調製物は３５％スラリーを希釈して低い濃度（典型的には懸濁質肥料で用いられる１〜３％）に落とすことによって調製されるので、同量の最終製品を得るために準備されるスラリー分量は僅かしか必要とされない。
【００１７】
更に研究することによって、我々は別の思いがけない発見をした。それは、上記高分子量ポリアクリル酸ナトリウムを用いることによって、アタパルガイト粒子が水中において著しく改善された効率で中剪断条件から高剪断条件の下で速やかに分散する（図１参照）ということである。その結果は、存在する非アタパルガイト粘土の多くが比較的大きな遊離粒子として存在する非粘土物質と一緒に残留するであろうということである。非アタパルガイト粘土は篩い分け又は遠心分離のような物理的手段によって非粘土物質と一緒に容易に除去することができる。その結果は、実質的にグリットを含まないアタパルガイトの純粋形態（ｐｕｒｉｔｙ ｆｏｒｍ）の増大である。分子量４，７００のポリアクリル酸ナトリウムは、その高い分子量の故に、スメクタイト、モンモリロナイト、カオリン又は他の粘土鉱物を速やかに分散させるることはない。試験された比較的低分子量のポリアクリル酸ナトリウムはアタパルガイト粒子をさほど効果的には分散させず、従って、非粘土粒子を僅かしか分離させないであろう。図２においては、用いられたポリアクリル酸ナトリウムの分子量は２，６００である。
【００１８】
我々は更に発見した。それは、ＴＳＰＰを使用した場合でさえ、湿式プロセスを用いて、スプレードライヤー又はエアー飛散管状ドライヤーで乾燥すると、得られる製品は低剪断混合によって再分散され得るということである。以前には、ロータリードライヤー及びフラッシュドライヤーのような従来の乾燥技術によって乾燥された製品は再分散しない製品を生成させた。非アタパルガイト鉱物からアタパルガイト粘土の分離を達成することは可能であり、また、アタパルガイト粘土の精製は、分散剤としてＴＳＰＰを使用すれば、湿式法によって達成することができる。精製アタパルガイトは、３５％濃度までのスラリー固形物が得られるまで、低剪断によって再分散させることができる。ＴＳＰＰ分離を用いた乾燥粘土の再分散は、以前は高剪断装置によってのみ得られており、また、これらの条件下でさえも、僅かに１０〜１５％固形物が得られたに過ぎない。本発明においては、追加的なＴＳＰＰ又は界面活性剤の必要はない。ＴＳＰＰ分散剤を用いて得られたアタパルガイト粘土の純度は高分子量ポリアクリル酸ナトリウムを用いて得られた純度ほど高くはない。ＴＳＰＰはアタパルガイト中に汚染物質として見出されたスメクタイト鉱物の水和を遅らせることはできない。非粘土鉱物はスラリーの篩い分け及び遠心分離によって除去することができる。しかしながら、ＴＳＰＰの使用はより経済的であり、高純度が必ずしも必須ではない農業グレードのようなアタパルガイト粘土のこれら最終用途にとっては、有効で比較的低コストの方法がここに開示されている。
【００１９】
我々は更につぎのことを発見した。それは、アタパルガイトスラリーがポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰを用いて調製され、次いで、スプレードライヤー、エアー飛散管状ドライヤー又はその他の低温の高乱流乾燥法で乾燥された場合には、ポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰがアタパルガイト粒子上に吸着されたまま残留することである。乾燥したアタパルガイトは分散剤又は界面活性剤が水中に予め混合される必要もなく容易に水中に再分散するであろう。これはＴＳＰＰを用いて分散されるとともにロータリードライヤー又はフラッシュドライヤーのような従来の手段によって乾燥された乾燥磨砕アタパルガイトでは起こらない。さらに、非粘土鉱物の除去によって、チキソトロピー、結合及び懸濁挙動を生じ可能性においてより高い能力が観察されている。
【００２０】
別の思いがけない発見は吸着されたポリアクリル酸ナトリウム又はＴＳＰＰの能力であった。その能力とは、アタパルガイトが高い空気乱流を用い大気圧の下で０．５％未満の水分含量まで乾燥されるとき、アタパルガイトが真空乾燥の必要もなく及び／又はシリコン又はシランタイプの安定剤の必要もなくそのチキソトロピー特性を保持することができるようにする能力である。商業的には約２〜３％水分までの乾燥が実用的である。
【００２１】
別の思いがけない発見は、アタパルガイト生産の湿式処理法が、乾燥アタパルガイト原鉱の磨砕によって処理されているアタパルガイトに比べると、個々のクラスターから遊離される高アスペクト比アタパルガイト結晶の比率がより高いという結果を生じるということであった。湿式プロセスの利用による結晶性シリカ及び炭酸石灰の除去は従来の機械的磨砕プロセスで経験した摩滅的磨砕をなくす。図１及び図３参照。
【００２２】
本発明において、アタパルガイト粘土原鉱は採掘され、破砕され、水と混練してスラリーにすることができるほど十分に小さい破片にされる。４，０００から５，０００の間の分子量範囲を有するポリアクリル酸ナトリウム分散剤は水と予め混合される。ポリアクリル酸ナトリウム濃度は、好ましくは、粘土含量に対して１から４重量％の間である。アタパルガイト粘土は、中剪断から高剪断の下で、水−ポリアクリル酸ナトリウム溶液中に完全に分散するまで徐々に添加される。アタパルガイト束及びクラスターはコロイド性粒子へと分離され、分散されたアタパルガイト束から他の非アタパルガイト粒子が遊離できるようにする。非粘土粒子はグリットを含む非粘土物質と一緒に物理的手段によって除去される。事実上脱グリットされたアタパルガイト粘土は次いで脱水すなわち乾燥される。これは、大気圧下で加熱した乱流空気を使用するドライヤー中において、所望の残存水分含量に達するまで行われる。好ましくは、乾燥プロセスは大気圧で８５℃から２１０℃の間の温度である。乾燥プロセスの間、粒子は「自己合体」して緩やかに結合した細長いロッドとなる。それらは再凝集して堅固に結合した束及び集塊となることはない。
【００２３】
最終形態はフィルターケーキ又は乾燥粉末を含むことができる。フィルターケーキ及び／又は乾燥粉末は追加的な分散剤を使用することなく水中に容易に再分散させることができる。採用することができる一つの有効な乾燥法はスプレードライである。スプレードライは均一サイズの粒子を生産する能力を提供し、そのサイズはスプレードライヤーのプロセス条件を調節することによって制御することができる。その他の通気乾燥法も、加熱された乱流空気が８５℃から２１０℃の間で用いられる場合には有効に作用して同様な結果をもたらすことが確かめられた。このように、微細サイズのアタパルガイト粒子はアタパルガイト結晶を壊して性能を低下させるであろう磨砕又は粉砕処理をおこなうことなく製造できる。
【００２４】
実施例１から実施例９
さまざまな品質の粘土試料が乾燥粘土ベースで１．０から１．８重量％の間のポリアクリル酸ナトリウムを用いてスラリー化された。ポリアクリル酸ナトリウムは４，０００から５，０００の間の分子量を有していた。スラリーは脱イオン水又は蒸留水中で約２５重量％の粘土から成っていた。ポリアクリル酸ナトリウムが均一な溶液になるまで水と混合され、次いで、粘土が中剪断から高剪断の下で完全に湿潤状態になるまで徐々に添加された。スラリーは３２５メッシュスクリーンでろ過され、次いで、自由流動する粉末になるまで乾燥された。Ｘ線及び原子吸光分析法を用いて原料の物質及び処理された物質の組成特性が比較された。次の化学種が同定された。同定された化学種は、アタパルガイト、スメクタイト粘土（すなわち、モンモリロナイト、セピオライト）、水晶、方解石、ドロマイト、アパタイト、イライト、雲母、カオリナイト及びその他の微量鉱物。結果は以下の表１に掲載されている。
【００２５】
【表１】
試料＃１は対照試料であり、アタパルガイト含量８５％、低スメクタイト含量２％を有し、何の処理もされていない比較的高品質グレードのものである。試料＃２も対照試料であり、これは、ポリアクリル酸ナトリウムの代わりに分散剤としてＴＳＰＰが用いられている点を除き、前の段落に記載された方法に従って処理された試料♯１である。試料＃２は篩い分け中における若干のグリット除去以外には何らの精製も行われなかった。アタパルガイト及びスメクタイト含量に変化はなかった。試料＃３も前の段落に記載された方法に従って試料＃１から処理された。今度は上で認定されたポリアクリル酸ナトリウム分散剤を使用した。試験の結果、試料＃３は８５から９０％へのアタパルガイト含量の増加を示した。スメクタイト含量は１％減少した。残る４％は水晶の１％減少とアパタイト、イライト及び雲母の減少量とから成っている。これは、物理的分離によって、アタパルガイト束の分散の増大、多く捕捉された汚染粒子の除去の結果であると考えられる。試料＃４及び＃６は二つの別グレードアタパルガイト粘土、すなわち、それぞれ低ゲル化グレード及び高ゲル化グレードの粘土であり、これらはＴＳＰＰを用いてポリアクリル酸ナトリウム分散剤なしで処理された。試料＃５及び＃７はポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて処理された対応する試料である。いずれの場合も、アタパルガイト含量は８５から９０％に増加した。試料＃８は３０％の高スメクタイト含量を有する比較的不純なアタパルガイトである。ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて処理すると、（試料＃９）イライト／雲母含量が６％から１％へ低下すると同時に、スメクタイト含量は３０から２５％へと減少する。
【００２７】
実施例１０
８から１３重量％の間の水分含量を有するアタパルガイト粘土の試料が、上記ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて、３５％固形物で水道水中に分散された。粘度はブルックフィールド（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）ＲＶＴ粘度計を用い３００ｃｐｓで測定された。スラリーは、その後、３２５メッシュスクリーンで脱グリットされ、大気圧、１０５℃で乾燥され、ほぼ元の水分含量の粉末にされた。脱グリットアタパルガイトは、次いで、何らの付加的な分散剤を使用することなく、固形物３５％で水中に再スラリー化された。次いで、粘度が３４０ｃｐｓで測定された。僅かな増加は除去されたグリットの量に比例し、その結果は同様であり、実験的な再現性の範囲内にあると考えられる。
【００２８】
実施例１１
アタパルガイト粘土の試料が、上記ポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて、３５％固形物で水道水に分散された。スラリーは脱グリットされ、スプレー乾燥され、乾燥粉末アタパルガイトが生成された。遊離水分含量が測定され、粘度は水中における７％固形物の工業標準品質管理試験レベルで測定された。アタパルガイト粉末は、次いで、およそ１０５℃でさらに乾燥され、さまざまな遊離水分含量試料が形成された。引き続き、これらの試料はそれぞれの粘度及びチキソトロピー性能を生じるゲル構造へと再凝集する能力についてテストされた。
【００２９】
【表２】
遊離水分０．５％まで乾燥された試料は７％固形物で水道水に再スラリー化された。粘度は約６ｃｐｓであった。０．７％（全重量ベース）の炭酸カリを添加することによって、得られた粘度は３，１００ｃｐｓであった。これは再凝集してゲル構造を生成する能力を示すものである。
【００３１】
実施例１２
アタパルガイトの試料をさまざまなグレードのポリアクリル酸ナトリウム分散剤を用いて固形物３５％で水でスラリー化された。使用分散剤の量は、基準（分散度の指標）として得られた最小粘度を用いて、最も有効なレベルを決定するために１から２．５％の間で変化させた。結果は粘度対添加された分散剤（％）として記録された（表３）。なお、約４，７００以上の分子量を有する非架橋ポリアクリル酸ナトリウムはその存在が知られていないことは留意されるべきである。もし入手可能であれば、それらは同様の又は改善された性能を示すことが期待できる。
【００３２】
【表３】
観察できる傾向は、分子量の高いポリアクリル酸ナトリウムがより有効な分散剤であるということである。
【００３４】
実施例１３
粘度に関する分散剤の有効性が脱イオン水及び飽和食塩水を用いて試験された。ブルックフィールド粘度値（ｃｐｓで表示）が以下のものについて得られた。
１．３．２％ポリアクリル酸ナトリウム（分子量４，７００）を用いた３０％粗粘土。
２．２％ＴＳＰＰを用いた３０％粗粘土。
３．２％ＴＳＰＰを用いた３０％粗粘土。乾燥されるとともに、再水和されたもの。
【００３５】
上の結果は本発明以前に用いられた方法によって調製されたアタパルガイト粘土に比較して意外である。塩を含まない脱イオン水中においては、アタパルガイト粘土は容易に分散し、その粘度は変化しない。これは、脱イオン水中には余分なイオン性汚染物質がなく、粘土は容易に分散するが、それを凝集するに足る十分なイオンが存在しないためゲル構造を形成しないからである。しかしながら、４０％固形物で得られた比較的高い粘度は最も意外であり、湿式法における分散剤の有効性の能力の指標である。これまでに知られている乾式法においては、ＴＳＰＰは脱イオン水中で粘土を分散させる能力を示さなかった。ＴＳＰＰ処理された粘土の乾燥及び再水和は以前は知られていなかった。
【００３７】
水中の塩は粘土を沈降及びゲル化させる。飽和食塩水はゲル化生成に最も効果的である。従来技術を用いて２０，０００〜２５，０００ｃｐｓの範囲で最高の粘度を得ることは一般的には可能である。粘土に本発明の分散剤を加えることによって、２０％固形物で３２，０００から３５，０００までの粘度が得られた。８８，０００ｃｐｓもの高い粘度は飽和食塩水中で得られた。
【００３８】
総括すると、粘土原鉱はそれを約４，０００〜５，０００の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムの水溶液中に分散させることによって精製され、非アタパルガイト物質から分離される。非アタパルガイト物質はこのポリアクリル酸ナトリウム溶液中でアタパルガイト束の間から効果的に遊離される。非粘土物質（「グリット」）は同様に遊離される。このようにして、アタパルガイト粘土は非アタパルガイト物質から分離させることができる。スラリーを乾燥することによって、アタパルガイト粘土の粉末が得られる。乾燥したアタパルガイト粘土中には残存ポリアクリル酸ナトリウムが存在するため、水を添加することによって、アタパルガイトはさらに分散剤を添加しなくても再分散する。再分散したアタパルガイト粘土はチキソトロピー特性を保持する。このようにして、精製された状態のアタパルガイト粘土が提供され、より経済的に使用される。また、品質の低い粘土原鉱も精製度の高いアタパルガイト粘土を提供するために経済的に処理することができる。
粗アタパルガイトを水と混練する方法は次の通りである。
【００３９】
実施例１４
３つの５５ガロンのドラムの粗アタパルガイトがＴＳＰＰによって分散された。スラリーは粘土重量ベースで２％のＴＳＰＰを用いて固形物３０％に調整された。水と混練されたスラリーは２００メッシュスクリーン上で篩い分けされ、スクリーンを通過した−２００メッシュ画分は使用のために保留された。スクリーンによって保持された＋２００メッシュ画分は廃棄された。
【００４０】
実施例１５
３つの５５ガロンのドラムの粗アタパルガイトがポリアクリル酸ナトリウムによって分散された。スラリーは粘土重量ベースで３．２％ポリアクリル酸ナトリウムを用いて固形物３０％に調整された。水と混練されたスラリーは２００メッシュスクリーン上で篩い分けされ、スクリーンを通過した−２００メッシュ画分は使用のために保留された。スクリーンによって保持された＋２００メッシュ画分は廃棄された。
【００４１】
実施例１４及び実施例１５のスラリーはそれぞれ２〜３％の間の遊離水分含量になるまで乾燥された。各乾燥アタパルガイト粘土は低剪断装置を用いて水中に再分散された。
【００４２】
粗粘土と水性分散剤を混合するために多くの手段が用いられるが、好ましい方法は高剪断ミキサーを使用することである。高剪断ミキサーはより効果的に水性分散剤と粘土の所望の混合を形成し、粘土中に存在する非粘土物質から粘土を分離させる。
【００４３】
このように、ＴＳＰＰ又はポリアクリル酸ナトリウムによる湿式法を用いることによって、アタパルガイト粘土はグリット及び非粘土から分離することができ、さらに、約２〜３％の遊離水分含量、すなわち、低剪断によって容易に水中に再分散させることができる水分含量まで乾燥することができることが示された。
【００４４】
明らかに、本発明の基本精神から外れることなく多くの変更が可能である。従って、当業者であれば、添付の特許請求の範囲内において、本発明がここに具体的に述べられてきた以外の方法で実施可能であることは理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
分散されたアタパルガイト結晶の拡大図である。
【図２】
スメクタイト／アタパルガイトクラスターの拡大図である。
【図３】
従来技術の乾式分離プロセスによって得られた他の粘土及びグリットを含むアタパルガイトのクラスターの拡大図である。
【図４】
本発明の湿式分離プロセスによって得られた単離アタパルガイトロッドの拡大図である。
【図５】
アタパルガイト粘土の精製の工程図である。
Claims (37)
- 天然に存在する粘土原鉱を処理してアタパルガイト粘土を他の物質から分離するための方法であって、
粘土原鉱を破砕する段階と、
４，０００から５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムを水に添加する段階と、
アタパルガイト粘土を水中に分散させるために水性ポリアクリル酸ナトリウムを用いて粘土原鉱のスラリーを調製する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を非分散物質から分離する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を乾燥する段階と、
を有する方法。 - ポリアクリル酸ナトリウム含量が乾燥粘土原鉱ベースで１％から４％の間である請求項１に記載に記載の方法。
- 分離されたアタパルガイト粘土含量が重量で３０％より高い請求項１に記載の方法。
- 水中に分散されたアタパルガイト粘土が非分散物質から篩い分けによって分離される請求項１に記載の方法。
- 水中に分散されたアタパルガイト粘土が非分散物質から遠心分離によって分離される請求項１に記載の方法。
- 水中に分散されたアタパルガイト粘土が非分散物質から重力沈降によって分離される請求項１に記載の方法。
- アタパルガイト粘土のスラリーが６％から１０％の間の水分含量まで乾燥される請求項１に記載の方法。
- アタパルガイト粘土スラリーが炉内で乾燥される請求項１に記載の方法。
- アタパルガイト粘土スラリーがスプレードライによって乾燥される請求項１に記載の方法。
- アタパルガイト粘土スラリーが蒸発ろ過によって乾燥される請求項１に記載の方法。
- 乾燥されたアタパルガイト粘土がそれに吸着されたポリアクリル酸ナトリウムを含んでいる請求項１に記載の方法。
- 乾燥されたアタパルガイト粘土が剪断攪拌によって水に添加され、アタパルガイト粘土が分散剤又は界面活性剤の添加なしで水中に再分散される請求項１１に記載の方法。
- 分散されたアタパルガイト粘土が大気圧下において８５℃から２５０℃の間の温度で乾燥される請求項１に記載の方法。
- 遊離水分含量が７％未満である請求項１３に記載の方法。
- 乾燥されたアタパルガイト粘土が個々のアタパルガイト結晶のクラスターである自由流動粒子の形態であり、磨砕又は粉砕操作の必要性がなくされている請求項１に記載の方法。
- 非分散物質が水晶、ドロマイト、石灰石、長石、珪藻土、雲母、チタニア、アルミニウムモンモリロナイト、セピオライト、ベントナイト及びカオリンである請求項１に記載の方法。
- 粘土原鉱がポリアクリル酸ナトリウム水溶液中の粘土原鉱のスラリーに剪断によって徐々に添加される請求項１に記載の方法。
- 精製されたアタパルガイト粘土の水性懸濁液を調製する方法であって、
天然に存在する粘土原鉱を破砕する段階と
４，０００から５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムを水に添加する段階と、
アタパルガイト粘土を水中に分散させるために水性ポリアクリル酸ナトリウムを用いて粘土原鉱のスラリーを調製する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を非分散物質から分離する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を乾燥する段階と、
乾燥されたアタパルガイト粘土を剪断攪拌によって水に添加する段階と、
を有し、乾燥されたアタパルガイト粘土を水に添加する段階において、アタパルガイト粘土が分散剤又は界面活性剤の添加なしで水中に再分散される方法。 - 精製乾燥された微粒子状のアタパルガイト粘土であって、
非アタパルガイト粘土物質から分離されたアタパルガイト粘土物質と、アタパルガイト粘土粒子に吸着されたポリアクリル酸ナトリウムとを有し、ポリアクリル酸ナトリウムは４，０００以上の分子量を有するものであるアタパルガイト粘土。 - 非アタパルガイト粘土物質がセピオライト、モンモリロナイト、ベントナイト及び非粘土グリットを含む請求項１９に記載のアタパルガイト粘土。
- アタパルガイト粘土粒子の遊離水分含量が６％から１４％の間である請求項１９に記載のアタパルガイト粘土。
- 剪断攪拌によって水中に分散され、分散剤又は表面活性剤の添加なしで水性スラリーを形成する請求項１９に記載のアタパルガイト粘土。
- 分離されたアタパルガイト粘土が大気圧下において８５℃から２５０℃の間の温度で０．５％未満の遊離水分含量になるまで乾燥され、乾燥されたアタパルガイト粘土がチキソトロピー特性を保持する請求項１９に記載のアタパルガイト粘土。
- 水中に分散され得るとともにチキソトロピー特性を保持し得る精製乾燥されたアタパルガイト粘土であって、アタパルガイト粘土と、それに吸着されたポリアクリル酸ナトリウムとを有し、ポリアクリル酸ナトリウムは４，０００以上の分子量を有するものであるアタパルガイト粘土。
- 天然に存在する粘土原鉱を処理してアタパルガイト粘土を他の物質から分離するための湿式方法であって、
粘土原鉱を破砕する段階と、
分散剤を水に添加する段階と、
アタパルガイト粘土を水中に分散させるために水性分散剤によって粘土原鉱のスラリーを調製する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を非分散物質から分離する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を約２〜３％の遊離水分含量にまで乾燥する段階と、
を有する湿式方法。 - 重量で約３５％までの乾燥されたアタパルガイト粘土を水に添加する段階と、低剪断ミキサーを用いてアタパルガイト粘土を再分散させる段階とをさらに有する請求項２５に記載の湿式方法。
- 分散剤が４，０００から５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムである請求項２５に記載の湿式方法。
- 分散剤がピロリン酸四ナトリウムである請求項２５に記載の湿式方法。
- 分離されたアタパルガイト粘土が実質上グリット及び非アタパルガイト粘土を含まない細長い針状の形態を有する請求項２５に記載の湿式方法。
- 分散されたアタパルガイト粘土がエアー飛散乱流ドライヤーを用いて乾燥される請求項２５に記載の湿式方法。
- ドライヤー内の空気が８５℃から２１０℃の間である請求項３０に記載の湿式方法。
- アタパルガイト粘土を分離するとともに分散させるための湿式方法であって、
天然に存在する粘土を破砕する段階と、
分散剤を水に添加する段階と、
アタパルガイト粘土が水中に分散されるように水性分散剤によって天然に存在する粘土のスラリーを調製する段階と、
アタパルガイト粘土の水性スラリーから非分散物質を分離する段階と、
分散されたアタパルガイト粘土を乾燥する段階と、
重量で約３％までの乾燥アタパルガイト粘土を水に添加する段階、及び低剪断ミキサーを用いてさらなる分散剤又は界面活性剤の添加なしでアタパルガイト粘土を水中に再分散させる段階と、
を有する湿式方法。 - 分散剤が４，０００から５，０００の間の分子量を有するポリアクリル酸ナトリウムである請求項３２に記載の湿式方法。
- 分散剤がピロリン酸四ナトリウムである請求項３２に記載の湿式方法。
- 非アタパルガイト物質が水晶、ドロマイト、石灰石、長石、珪藻土、雲母、チタニア、アルミニウムモンモリロナイト、セピオライト、ベントナイト及びカオリンである請求項３２に記載の湿式方法。
- 非粘土物質から分離された粘土を有する精製乾燥された微粒子状のアタパルガイト粘土であって、約２〜３％の遊離水分含量を有するアタパルガイト粘土。
- 乾燥アタパルガイト粘土が水に添加されたときに、重量で約３５％までの乾燥アタパルガイト粘土が水中に分散され請求項３６に記載の乾燥アタパルガイト粘土。
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