Вермикулит: свойства, производство и применение

Общие сведения

Вермикулит — группа гидратированных слоистых магниевых-алюминиевых-जелезных силикатов, которые при нагреве расширяются в длинные червеобразные нити. Это расширение, известное как эксфолиация, дает материал с исключительно низкой плотностью и теплопроводностью. Эти черты делают эксфолированный вермикулит ценным как легкий строительный заполнитель, термоизолятор, почвенный улучшитель и химический абсорбент. В мелкодисперсном порошке служит наполнителем в чернилах, красках, пластиках и других изделиях.

История

Томас Х. Уэбб первый задокументировал уникальные свойства вермикулита в 1824 году, отметив червеобразный вид при нагреве. Минерал оставался научной любопытностью до начала XX века, когда практические приложения стимулировали коммерческий интерес. Первая шахта началась в 1915 году в Колорадо, но вскоре закрылась. Успех пришел в 1923 году, когда компания Zonolite открыла рудник в Либби, Монтана, работавший до 1990 года. Сегодня крупнейшая в мире вермикулитовая операция находится в районе Пхалабора ЮАР. Другие крупные производители: США, Китай, Россия, Бразилия, Япония, Зимбабве, Австралия.

К 1999 году США эксплуатировали три активных рудника — два в Южной Каролине и один в Вирджинии — отгружая концентрат на эксфолиационные заводы по стране. Эти заводы также импортировали около 70 000 тонн концентрированного вермикулита из ЮАР.

Сырье

Уникальные свойства вермикулита проистекают из его слоистой кристаллической структуры и внутреннего содержания воды. Слои работают как гармошка: при нагреве запертая вода мгновенно в пар, раздвигая слои. Коммерческий вермикулит обычно добывают из пород, богатых биотитом и железосодержащим флогофитом. Выветривание этих пород позволяет воде проникать и химическим реакциям образовывать вермикулит.

Типичный состав коммерческого вермикулита: 38–46% диоксида кремния (SiO₂), 16–35% оксида магния (MgO), 10–16% оксида алюминия (Al₂O₃), 8–16% воды, с меньшими количествами других оксидов. При эксфолиации гранулы золотисто-коричневые, насыпная плотность 64–160 кг/м³ в зависимости от размера частиц.

Производственный процесс

Добыча

• Породы добывают открытым способом. Прилежащие породы удаляют экскаваторами или скреперами, пласты бурят и взрывают взрывчаткой.
• Полученную руду самосвалами или ж/д везут на обогатительный комплекс.

Обогащение

• Руду дробят и просеивают для уменьшения размера, затем отделяют от прилегающих пород пенофлотацией, гравитационным разделением, вейтингом или электростатическими методами, получая ~90% чистых хлопьев вермикулита.
• Хлопья из разных участков могут смешивать для единообразия качества.

Классификация (сортировка)

• Хлопья сортируют по размеру на ситах или в закрытом аэродинамическом туннеле. Тяжелые крупные хлопья выпадают первыми; процесс дает фракции от 16 мм до 0,8 мм.
• Крупные хлопья могут слегка дроблять (дебукинг) для ускорения эксфолиации.
• Отсортированные хлопья упаковывают в большие контейнеры для перевозки на эксфолиационные заводы.

Эксфолиация (расширение)

• Хлопья хранят в накрытых складах для сухости. Влагонакопление увеличило бы энергию для расширения.
• Конвейером загружают в вертикальную печь 6–7,6 м, облицованную керамическим кирпичом. Газовые горелки нагревают до 540–810 °C, внутренняя вода испаряется, хлопья расширяются в червеобразные частицы.
• Частицы скатываются по наклонной желобе, получая дополнительный нагрев для полного расширения.

Классификация эксфолиата

• Горячий эксфолиат поднимают вакуумом вверх. Тяжелые примеси выпадают, мелкие частицы остывают в воздушном потоке.
• Если требуется определенный размер, вермикулит помалут и просеют соответственно.
• Классифицированные гранулы накапливают в бункерах и упаковывают в бумажные или пластиковые мешки 0,1–0,15 м³ для розницы или 1,3 м³ для опта. Мешки запечатывают, маркируют, отгружают со складов.

Здоровье и безопасность

Вермикулитовая руда может содержать слюду, кварц, полевой шпат и в некоторых месторождениях следы асбеста. Эти компоненты регулируются через MSDS (Карты безопасности материалов). Главный профессиональный риск — кристаллический кварц (кварц). Тонкая кварцевая пыль вызывает силикоз, поэтому обязательны пылеподавление и СИЗ при помоле и просеивании. Потребительское воздействие кремнезевой пыли от готовых изделий незначительно и не несет риска для здоровья.

Крупные производители сертифицируют, что рудники, используемые в их операциях, не несут асбестового риска при обработке по рекомендациям MSDS. Отчет EPA 2000 года заключил, что вермикулит как почвенный улучшитель представляет малый или нулевой асбестовый риск для потребителей.

Будущее

Несмотря на наличие альтернативных материалов, ультра-низкая плотность и теплопроводность вермикулита держат его конкурентоспособным во многих рынках. Глобальные запасы оцениваются примерно в 50 млн тонн. Непрерывные инновации в переработке и применении поддержат его актуальность.