Vermiculite : propriétés, production et applications

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Contexte

La vermiculite est un groupe de silicates hydratés laminaires de magnésium-aluminium-fer qui s'expansent en longs filaments vermiculaires lorsqu'ils sont chauffés. Cette expansion, appelée exfoliation, produit un matériau à densité et conductivité thermique exceptionnellement faibles. Ces traits font de la vermiculite expansée un agrégat de construction léger, un isolant thermique, un amendement de sol et un absorbant chimique précieux. Lorsqu'elle est broyée en poudre fine, elle sert de charge dans les encres, peintures, plastiques et autres produits.

Histoire

Thomas H. Webb a documenté pour la première fois les propriétés uniques de la vermiculite en 1824, notant son apparence vermiculaire quand chauffée. Le minéral est resté une curiosité scientifique jusqu'au début du 20e siècle, quand des applications pratiques ont suscité un intérêt commercial. La première exploitation minière a commencé en 1915 au Colorado, mais a fermé peu après. Le succès est venu en 1923 quand la Zonolite Company a ouvert une mine à Libby, Montana, opérant jusqu'en 1990. Aujourd'hui, la plus grande exploitation de vermiculite au monde se trouve dans le district de Phalaborwa en Afrique du Sud. Autres grands producteurs : États-Unis, Chine, Russie, Brésil, Japon, Zimbabwe et Australie.

En 1999, les États-Unis exploitaient trois mines actives — deux en Caroline du Sud et une en Virginie — expédiant le minerai concentré vers des usines d'exfoliation à travers le pays. Ces installations importaient également environ 70 000 tonnes métriques de vermiculite concentrée d'Afrique du Sud.

Matières premières

Les propriétés distinctives de la vermiculite découlent de sa structure cristalline en couches et de sa teneur en eau interne. Les couches s'articulent comme un accordéon ; quand chauffées, l'eau piégée se transforme instantanément en vapeur, forçant les couches à s'écarter. La vermiculite commerciale est généralement extraite de roches riches en biotite et phlogopite ferrugineuse. L'altération de ces roches permet l'infiltration d'eau et des réactions chimiques qui produisent la vermiculite.

Une composition typique de vermiculite commerciale est de 38-46 % de dioxyde de silicium (SiO₂), 16-35 % d'oxyde de magnésium (MgO), 10-16 % d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) et 8-16 % d'eau, avec de plus petites quantités d'autres oxydes. Une fois expansée, les granulés sont dorés-bruns et ont une densité en vrac de 64-160 kg/m³, selon la taille des particules.

Le processus de fabrication

Extraction minière

• Les roches sont extraites de mines à ciel ouvert. Le sterile est enlevé avec des pelles ou des scrapers, et les couches de roche sont forées et dynamitées.
• Le minerai résultant est transporté par camions ou rail vers une usine de traitement.

Concentration

• Le minerai est concassé et criblé pour réduire la taille, puis séparé du matériau environnant par flottation par mousse, séparation par gravité, vannage ou méthodes électrostatiques, produisant environ 90 % de paillettes de vermiculite pures.
• Les paillettes de différentes sections peuvent être mélangées pour assurer une qualité uniforme.

Calibrage

• Les paillettes sont triées par taille à l'aide de tamis ou d'une tunnel à air clos. Les paillettes plus lourdes et plus grosses tombent en premier ; le processus peut produire des calibres de 16 mm jusqu'à 0,8 mm.
• Les grosses paillettes peuvent être légèrement concassées (débouchage) pour accélérer l'exfoliation.
• Les paillettes triées sont conditionnées en conteneurs vrac pour le transport vers les usines d'exfoliation.

Exfoliation

• Les paillettes sont stockées dans des installations couvertes pour les garder sèches. L'absorption d'humidité augmenterait l'énergie nécessaire pour l'expansion.
• Elles sont chargées sur des bandes transporteuses et déversées dans un four vertical de 6-7,6 m tapissé de briques céramiques. Des brûleurs au gaz naturel portent la température à 540-810 °C, provoquant la vaporisation de l'eau interne et l'expansion des paillettes en particules vermiculaires.
• Les particules glissent sur un toboggan incliné, permettant un chauffage supplémentaire pour atteindre l'expansion complète.

Classification

• La vermiculite expansée chaude est aspirée vers le haut par le vide. Les contaminants plus lourds tombent, tandis que les fines particules sont refroidies par le flux d'air.
• Si une taille de particule spécifique est requise, la vermiculite peut être broyée et criblée en conséquence.
• Les granulés classés sont stockés dans des trémies puis emballés dans des sacs papier ou plastique de 0,10-0,15 m³ pour le détail, ou de 1,3 m³ pour l'usage commercial. Les sacs sont scellés, étiquetés et expédiés depuis les entrepôts.

Aspects sanitaires

Le minerai de vermiculite peut contenir de la mica, du quartz, du feldspath et, dans certains gisements, des traces d'amiante. Ces constituants sont réglementés sous les Fiches de Données de Sécurité (FDS). Le risque professionnel le plus significatif est la silice cristalline (quartz). La fine poussière de quartz peut causer la silicose, donc le contrôle des poussières et l'équipement de protection individuelle sont obligatoires lors des opérations de broyage et criblage. L'exposition des consommateurs à la poussière de silice provenant de produits de vermiculite finis est négligeable et ne présente aucun risque pour la santé.

Les grands producteurs certifient que les corps de minerai utilisés dans leurs opérations ne présentent aucun risque d'amiante lorsqu'ils sont traités selon les directives FDS. Un rapport de l'EPA en 2000 a conclu que la vermiculite vendue comme amendement de sol présente peu ou pas de risque d'amiante pour les consommateurs.

L'avenir

Malgré la disponibilité de matériaux alternatifs, la densité ultra-faible et la conductivité thermique de la vermiculite la maintiennent compétitive sur de nombreux marchés. Les réserves mondiales sont estimées à environ 50 millions de tonnes métriques. L'innovation continue dans le traitement et les applications soutiendra sa pertinence.