Vermiculite

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Contexte

Le terme vermiculite s'applique à un groupe de minéraux caractérisés par leur capacité à se développer en longs brins ressemblant à des vers lorsqu'ils sont chauffés. Ce processus d'expansion est appelé exfoliation. Le nom vermiculite est dérivé d'une combinaison du mot latin vermiculare signifiant « élever des vers », et le suffixe anglais-ite, signifiant minéral ou roche. Sous sa forme expansée, la vermiculite a une densité et une conductivité thermique très faibles, ce qui la rend attrayante pour une utilisation comme amendement de sol, agrégat de construction léger et remplissage d'isolation thermique. La vermiculite expansée a également une très grande surface active chimiquement, ce qui la rend utile comme absorbant dans certains processus chimiques. Lorsque la vermiculite est broyée en une fine poudre, elle est utilisée comme charge dans les encres, les peintures, les plastiques et d'autres matériaux.

Historique

La vermiculite et ses propriétés uniques étaient connues dès 1824, lorsque Thomas H. Webb l'expérimenta à Worcester, Massachusetts. C'est Webb qui a donné au minéral son nom fantaisiste parce qu'il pensait que les longs brins ressemblaient à une masse de petits vers. La vermiculite était considérée comme une simple curiosité scientifique jusqu'au début des années 1900, lorsque des utilisations plus pratiques ont été recherchées. Le premier effort minier commercial a eu lieu en 1915 dans le Colorado. Le matériau a été vendu sous forme de frêne tung, mais n'a pas trouvé d'acheteurs suffisants, et l'entreprise a échoué. La première mine de vermiculite à succès a été lancée par la société Zonolite à Libby, Montana, en 1923. La mine a continué à fonctionner jusqu'en 1990.

La plus grande exploitation minière de vermiculite au monde est située dans le district de Phalabowra (également parfois orthographié Palabora) de la République d'Afrique du Sud. Les autres pays produisant des quantités importantes de vermiculite sont les États-Unis, la Chine, la Russie, le Brésil, le Japon, le Zimbabwe et l'Australie.

En 1999, il y avait trois exploitations minières de vermiculite actives aux États-Unis, deux en Caroline du Sud et une en Virginie, qui expédiaient du minerai de vermiculite concentré à des usines d'exfoliation situées dans tout le pays. En plus d'utiliser de la vermiculite concentrée provenant d'exploitations minières nationales, ces usines ont également importé environ 77 000 tonnes (70 000 tonnes métriques) de vermiculite concentrée de sources étrangères, principalement d'Afrique du Sud.

Matières premières

Techniquement, la vermiculite englobe un grand groupe de silicates laminaires hydratés de magnésium-aluminium-fer, qui ressemblent au mica. Il y a deux clés aux propriétés uniques de la vermiculite. Le premier est sa structure cristalline laminaire (ou en couches), qui fournit les plaques articulées qui font que le matériau se dilate ou se déplie de manière linéaire, comme un accordéon. La seconde est le fait qu'il contient de l'eau piégée, qui se transforme en vapeur lorsqu'elle est chauffée pour forcer l'ouverture des couches. Il existe un grand nombre de minéraux et de sols de vermiculite naturels, et leur identification nécessite souvent une analyse scientifique sophistiquée.

L'une des formes les plus courantes de vermiculite est généralement connue sous le nom de vermiculite commerciale. C'est la forme qui est extraite et traitée pour diverses utilisations finales. Il est dérivé de roches contenant de gros cristaux de biotite et de phlogopite ferrifère. À mesure que ces roches sont exposées aux intempéries, elles commencent à se décomposer, permettant à l'eau d'entrer et de réagir avec les divers produits chimiques présents. Au fur et à mesure que la décomposition et les réactions chimiques se déroulent, de la vermiculite se forme.

Une analyse chimique typique de la vermiculite commerciale montre qu'elle contient 38 à 46 % d'oxyde de silicium (SiO ₂ ), 16-35% d'oxyde de magnésium (MgO), 10-16% d'oxyde d'aluminium (Al ₂ O ₃ ), 8-16% d'eau, plus des quantités moindres de plusieurs autres produits chimiques.

Lorsque les flocons de vermiculite du commerce sont chauffés et expansés, ils subissent un changement de couleur qui dépend des produits chimiques présents et de la température du four. Les granules de vermiculite expansée résultants sont généralement de couleur brun doré avec une densité apparente d'environ 64 à 160 kg/m3 (4 à 10 lb/pi3), selon la taille des granules.

Le processus de fabrication

Le processus de fabrication utilisé pour produire de la vermiculite expansée commerciale consiste en deux opérations distinctes. Les opérations d'extraction et de concentration qui produisent des flocons de vermiculite brute sont menées à un seul endroit. Les opérations d'exfoliation et de classification qui produisent diverses tailles de granulés de vermiculite légers et expansés destinés à être utilisés dans d'autres produits sont menées à un autre endroit. Parfois, ces deux endroits peuvent être à l'autre bout du monde.

Il existe de nombreuses méthodes différentes utilisées dans ces deux opérations. Les méthodes exactes varient d'une mine à l'autre et d'une usine à l'autre. Voici un processus de fabrication typique utilisé pour produire de la vermiculite expansée commerciale.

Exploitation minière

• l Des roches contenant de la vermiculite sont extraites d'une immense mine à ciel ouvert dans le sol. Le sol au-dessus des roches, appelé mort-terrain, est enlevé avec des pelles mécaniques ou des grattoirs. Les couches rocheuses exposées sont ensuite forées avec de grandes foreuses pneumatiques ou hydrauliques, et les trous sont remplis de charges explosives. Lorsque tout le personnel et l'équipement ont été déplacés hors de la zone, les charges explosives sont déclenchées.
• 2 Le tas de roches en vrac qui en résulte est ramassé avec des pelles mécaniques et déversé dans des camions ou des wagons de train, qui transportent les roches vers une usine de traitement à proximité.

Concentration

• 3 Les roches sont acheminées à travers une série de concasseurs et de cribles pour réduire leur taille. La vermiculite est séparée des roches et de la saleté environnantes à l'aide de diverses techniques humides ou sèches en fonction de l'exploitation minière particulière et des réglementations environnementales locales. Ces techniques peuvent inclure la flottation par mousse, les séparations par gravité, le vannage ou la séparation électrostatique. Dans chacune de ces techniques, soit la vermiculite elle-même, soit les autres matériaux sont piégés et séparés les uns des autres jusqu'à ce que les flocons de vermiculite résultants soient purs à environ 90 % en poids.
• 4 Les flocons de vermiculite extraits de diverses sections de la mine peuvent être mélangés ensemble avant un traitement ultérieur pour assurer l'uniformité du produit.

Notation

• 5 Les paillettes de vermiculite séparées sont triées par taille. Cela peut être fait avec une série d'écrans ou cela peut être fait dans une longue soufflerie fermée . Dans la soufflerie, les flocons sont introduits dans l'extrémité amont du tunnel et sont entraînés le long du tunnel par le flux d'air. Les plus gros flocons, étant plus lourds, tombent d'abord du flux d'air et sont pris dans une trémie au fond du tunnel. Cette séparation en poids se poursuit le long du tunnel jusqu'à ce que tous les flocons soient capturés dans des trémies. En contrôlant la longueur de chaque ouverture de trémie et la vitesse de l'air, les flocons peuvent être triés en différentes tailles ou qualités, allant d'environ 0,63 pouce (16 mm) à environ 0,02 pouce (0,8 mm) de diamètre. Si la vermiculite extraite a tendance à former un pourcentage élevé de gros flocons, les flocons peuvent être légèrement broyés pour les décoller et réduire leur taille. Ce processus est appelé debooking et permet de chauffer rapidement les flocons pendant le processus d'exfoliation.
• 6 Les flocons de vermiculite classés sont déversés dans de grands sacs en plastique ou d'autres conteneurs pour être expédiés vers diverses exfoliations Un schéma illustrant le traitement de la vermiculite. les plantes. Si les flocons doivent être expédiés vers des usines à l'étranger, ils sont chargés en vrac dans les cales des navires pour le transport.

Exfoliant

• 7 Les flocons de vermiculite sont transportés par camion ou train du port ou de la mine à l'usine d'exfoliation, où ils sont déchargés et stockés dans une zone couverte pour les protéger des contaminants et des intempéries. Il est important d'empêcher les flocons d'absorber l'humidité. Sinon, il faudra trop d'énergie pour chauffer les flocons à la température requise pour les faire gonfler.
• 8 Les flocons sont chargés sur une bande transporteuse et hissés au sommet d'un four vertical de 20 à 25 pieds (6,1 à 7,6 m) de haut recouvert de briques en céramique. Lorsque les flocons tombent le long du four, ils passent à travers un ou plusieurs brûleurs alimentés au gaz naturel . La température à l'intérieur du four atteint environ 1 000 à 1 500 °F (540 à 810 °C), ce qui est suffisant pour que l'eau piégée dans les flocons se transforme en vapeur et que les flocons se dilatent en particules ressemblant à des vers. Au fond du four, les particules glissent sur un plan incliné. Cela retarde la sortie des particules du four et permet à la vermiculite d'être chauffée davantage afin d'atteindre sa pleine expansion. D'autres usines d'exfoliation peuvent utiliser des configurations de four différentes, mais la séquence générale des opérations est similaire.

Classement

• 9 Les particules de vermiculite chaudes et expansées sont ensuite aspirées dans un tube vertical par le vide. Les petites pierres ou autres contaminants solides sont trop lourds pour être transportés vers le haut par le léger flux d'air et tombent du fond du tube. Le flux d'air agit également pour refroidir la vermiculite chaude.
• 10 Si un client ou une application nécessite des particules fines, la vermiculite peut être broyée et tamisée pour produire une taille spécifique ou une gamme de tailles avant d'être emballée pour l'expédition. Dans certaines usines d'exfoliation, les plus grosses particules peuvent également être tamisées ou triées en différentes tailles, en fonction de l'utilisation finale.
• 11 Les particules de vermiculite triées ou classées sont ensuite déposées dans des trémies de stockage, où elles sont distribuées dans des sacs individuels en papier ou en plastique de 4 à 6 pieds cubes (0,10 à 0,15 m3) pour la vente au détail ou placées dans de plus grands 50 cu sacs de 1,3 m3 pour une utilisation dans diverses applications commerciales. Les sacs sont scellés, étiquetés et déplacés vers un entrepôt pour expédition.

Aspects de santé

Les gisements de minerai de vermiculite peuvent également contenir une variété d'autres matériaux tels que le mica, le quartz et le feldspath. Ces gisements varient d'un site minier à l'autre. Au cours du processus de fabrication, certains de ces matériaux peuvent présenter des risques potentiels pour la santé des travailleurs. Aux États-Unis et dans de nombreux autres pays, ces dangers sont définis dans des fiches signalétiques (MSDS), qui identifient le danger et fournissent des informations sur la manipulation et l'élimination en toute sécurité du matériau.

L'un des risques pour la santé les plus courants lors du traitement de la vermiculite provient du quartz, qui est de la silice cristalline. Il n'est généralement présent que sous forme de particules plus grosses, mais lorsqu'il est broyé en particules plus fines, la poussière peut être inhalée et provoquer une maladie pulmonaire appelée silicose. En conséquence, des mesures strictes de contrôle de la poussière et de protection individuelle sont intégrées dans les zones de l'opération de traitement de la vermiculite où les matériaux sont broyés, tamisés et ensachés. Au niveau du consommateur, l'exposition aux poussières de silice est négligeable et ne présente pas de danger pour la santé.

Dans certains gisements de minerai de vermiculite, il peut également y avoir certaines quantités de diverses formes d'amiante. Aucun des corps minéralisés actuellement utilisés par les principaux producteurs de vermiculite ne présente de risque pour la santé de l'amiante pour les travailleurs lorsque le matériau est traité conformément à la fiche signalétique applicable. En août 2000, l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a publié un rapport concernant la vermiculite vendue comme amendement de sol. Dans le rapport, ils ont conclu qu'il y avait peu ou pas de risque pour les consommateurs de l'amiante.

Le futur

Bien qu'il existe plusieurs autres matériaux qui peuvent être utilisés comme substitut de la vermiculite, la densité et la conductivité thermique extrêmement faibles de la vermiculite continuent de la rendre attrayante pour de nombreuses applications. En 1999, on estimait qu'il y avait environ 55 millions de tonnes (50 millions de tonnes métriques) de réserves de vermiculite dans le monde.