Добування азбесту

а) Характеристика азбестової руди

Азбест – природний мінерал, що володіє здатністю розщеплюватися на найтонші гнучкі і міцні волокна, які представляють собою кристали рулонної або трубчастої структури. Азбест є природним різновидом гідросилікатів з хімічною формулою 3MgO×2SiO₂ і структурною формулою Mg₃[Si₂O₅](OH)₄ або Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈. Волокна азбесту еластичні, теплостійкі, проявляють значну адсорбційну активність, високу механічну міцність, добре змочується водою. Рідке поєднання перелічених корисних якостей зумовило широке використання азбестів в сучасній промисловості.

В природі азбестові мінерали зустрічаються в вигляді серпентинів і амфіболів. До групи серпентинів відноситься тільки один вид азбесту – хризотиловий, до групи амфіболів – п’ять видів: крокідоліт, амозит, антрофіліт і тремоліт, актиноліт. Промислову цінність азбестових мінералів визначають наступні їх властивості: довжина волокна, еластичність, міцність, здатність при механічному впливі розпадатися на тонкі волокна, здатність витримувати без суттєвої зміни фізичних властивостей високі температури, хімічна стійкість.

Волокниста будова найбільш яскраво виражено в азбесті серпентинової групи (хризотил-азбеста), тому він використовується найбільш серед всіх видів. Група амфіболів характеризується високою стійкістю азбестових волокон до дії кислот. В промисловості велике використання знаходить крокідоліт-азбест. Його волокна дуже міцні, а середня довжина перевищує довжину волокон хризотил-азбесту, також вони більш жорсткі та міцніше зв’язані один з одним, а тому важче розпушується.

Хризотил-азбести – мінерали волокнистої будови. Вони складаються з тісно упакованих тетраедрів з іоном кремнію в середині і чотирма іонами кисню зовні, утворюючи іонну решітку з чотирма вільними валентностями.

Основу кристалохімічної структури хризотил-азбесту складають кремнекисневі аніони типу здвоєних ланцюжків або стрічок. Безперервні кремнекисневі ланцюги (SiO₂ ) ^2- з’єднуючись попарно, утворюють стрічки або шари з кремнекисневих аніонів, що мають гексагональні комірки. Після утворення сітки валентності кисневих іонів, що входять до її складу, все ще будуть не повністю насичені. В подвоєних ланцюгах, які є основою структури хризотил-азбесту, комплексний кремнекисневий аніон має вигляд (Si₄O₁₁) ^6-. У такому аніоні тетраедри SiO₄ ^4- віддають три іона кисню на зв’язок з собі подібними тетраедрами SiO₄ ^4- в стрічці і лише один іон кисню залишається вільним. Цими вільними іонами кисню одна кремнекиснева стрічка може з’єднуватися з іншою собі подібною стрічкою, утворюючи шарову структуру типу плоских пакетів. Вільні іони кисню в двох суміжних шарах звернуті один до одного (рисунок 1). Зв’язок двох кремнекисневих шарів в решітці кристалів хризотил-азбесту здійснюється через шар складу Mg(OH)₂.

Структурний пакет в кристалах хризотил азбесту двошаровий: він складається з кремнекисневого та бруситового шарів. Пакет, що складається з двох сіток і активного шару між ними, являє собою іонну структуру з міцними ковалентними зв’язками, валентності іонів котрої насичені. Такі пакети можуть поєднуватися один з одним тільки слабкими Ван-дер-Вальсовими силами, тому шаруваті силікати відносно легко розщеплюються на окремі шари. До шаруватих силікатів, зі структурою, як на Рис. 1, відноситься підгрупа серпентинів – серпентин, хризотил-азбест, антигорит. Проте серед вказаних мінералів, не звертаючи увагу на однаковий хімічний склад, тільки хризотил-а збест має волокнисту будову.

Рис. 1. – Елементи кристалохімічної структури азбестів.

а) – гексагональна сітка кремнекисневих радикалів Si₄O₁₁ утворюючи нескінченний шар (проекція по осі «С»);

б) – переріз шаруватого пакету, який складається з двох кремнекисневих шарів і заключного між ними шару Mg(OH)₂ (проекція по осі «А»).

Високу адсорбційну активність азбестового волокна зумовлює його велика питома поверхня. Більш активно адсорбуються гідроокиси лужноземельних металів. За здатністю до адсорбції на азбесті вони розташовуються в наступному ряду: Са(OH)₂> Ва(OH)₂> NaOH>КОН.

Розпушка збільшує адсорбційну активність азбесту в результаті утворення дислокації в зовнішніх шарах фібрилу. Хризотил-азбест набухає після його витримування в воді та слабких розчинах. Набухання збільшується зі зменшенням довжини волокон. Адсорбційна здатність азбесту після набухання збільшується. У воді хризотил-азбест створює лужну реакцію з рН = 10,33 (0,5% суспензія). Це обумовлено розчиненням деякої кількості Mg(OH)₂ . У чистій воді і лужному водному розчині фібрили хризотилу набувають негативного поверхневого заряду, а в кислому водному розчині – позитивного. Негативний заряд обумовлений адсорбцією на поверхні фібрилгідроксильних іонів ОН-, а позитивний – видаленням іонів не тільки з поверхні волокон, та і з їх поверхневого шару, що зумовлює надлишок в останньому позитивно заряджених іонів Мg²⁺.

На відмінну від амфіболових азбестів, хризотил-азбест – не кислотостійкий, але вельми лугостійкий. Останнє важливо для його застосування в азбестоцементних композитах. Термічна стійкість хризотилу значна, проте під дією високих температур його кристали зазнають глибокі й незворотні зміни. На термограмі хризотилу чітко виражені два ефекти: ендотермічний при 600-770 ° С, обумовлений видаленням кристалохімічної води, і екзотермічний при 800-820 ° С, викликаний кристалізацією мінералу форстерита (2MgO×SiO₂ ). Іноді екзотермічний ефект не проявляється. Це пов'язують з одночасним протіканням процесів розпаду решітки хризотилу і кристалізації форстерита і накладенням екзо- і ендотермічних ефектів з переважним вираженням останнього. Температура плавлення хризотилу 1450-1550 ° С. Волокна хризотилу, що втратили адсорбційну воду, після їх гідратації, коли знову поглинають молекули води, відновлюють частину втраченої міцності. Волокна, з яких видалена кристалохімічна вода, безповоротно втрачають властивості міцності.

Хризотил-азбест володіє високою міцністю на розрив по осі волокнистості. Межа міцності на розтяг недеформованих волокон азбесту змінюється в залежності від діаметру і довжини зразка (для азбестів різних родовищ) в межах 3200 - 5400 МПа (320-540 кгс/мм²). Модуль пружності недеформованого хризотилу складає 175-185 ГПа (1,75-1,85-104 кгс/мм²), тобто азбест веде себе як істинно пружний матеріал, добре чинить опір ударним навантаженням. Граничне подовження до 2,5%. Після деформації вигину або скручування механічна міцність волокон істотно змінюється: нормальне волокно зберігає значну частку початкової міцності, ламке ж волокно або руйнується, або стає дуже низько міцне. Причиною зниження міцності зразків хризотилу після їх розпушки є втрата агрегатної зв'язаності між елементарними волокнами в їх пучками (зростками). В результаті різнорідності волокон у пучку зовнішнє навантаження, що розриває, розподіляється між ними нерівномірно, що і приводить до зниження міцності та модуля пружності деформованих зразків, тобто спочатку рвуться слабкі волокна, а потім послідовно більш міцніші.

Залежність міцності волокон азбесту від їх діаметра, що показує значний розкид значень міцності для різних зразків, показана на Рис. 2.

Зі зменшенням діаметра волокон міцність їх різко зростає, оскільки

тонкі волокна містять відносно менше дефектів, ніж товсті.

1 - хризотил;

2 - антофіліт;

3 – крокідоліт

Рис. 2. – Залежність міцності волокон різних азбестів від їх діаметра.

б) Добування та виготовлення азбесту

Розроблюють родовища азбесту високопродуктивним відкритим способом. У породі азбест утворює прожилки товщиною 5-8 мм, це 3-8% від всієї кількості волокон. Довжина волокон основної маси азбесту 1-5 мм, менше волокон довжиною 5-20 мм і зовсім мало довжиною до 75 мм. Переробляють азбестовмісну руду на азбестозбагачувальних фабриках. Спочатку вона піддається триразовому послідовному дробленню до шматків розмірами 25-30мм, а потім сушці. Висушену руду дроблять далі в чотири - шість стадій, причому після кожної стадії відокремлюють азбест, що вивільнився з руди. Витяг азбесту з маси подрібнений руди відбувається методом відсмоктування на установці, принципова схема якої показана на Рис. 3.

1, 5, 10 – стрічкові конвеєри;

2 – вентилятор;

3 – циклон; 4 – азбест;

6 – труба для відсмоктування азбесту;

7 – бункер з подрібненої рудою;

8 – хитний гуркіт;

9 – привід гуркоту;

11 – бункер для руди;

12 – дробарка наступної стадії дроблення.

Рис. 3. – Принципова схема установки для вилучення з роздробленої руди азбесту.

Сортують азбест по довжині волокон за допомогою циліндричних сит. Упаковують товарний азбест в чотирьох-п'яти-шарові паперові мішки на пакувальних машинах. Товарний хризотил-азбест складається із суміші волокон різної довжини та їх агрегатів, в ньому містяться також дрібні включення супутньої породи. Агрегати азбесту з недеформованими волокнами, поперечний розмір яких не менше 2 мм, умовно називають кусковим азбестом, при менших розмірах – голками. Розпушеним називають азбест з тонкими, деформованими і переплутаними волокнами. Частинки супутньої породи з поперечним розміром в 0,25 - 4,8 мм називають «галію». Частинки супутньої породи і азбестове волокно, що пройшли через сито з розмірами сторони осередку 0,25 мм, називають пилом, а що залишилися на ситі з розміром осередку 4,8 мм - сторонніми домішками.

в) Сорти азбесту

Азбест хризотиловий в залежності від довжини волокна і вмісту пилу і галі підрозділяють на вісім сортів: від нульового до сьомого, а в залежності від текстури (ступеня збереження агрегатів волокон) на чотири групи (ГОСТ 12871-67): жорстку (Ж), проміжну (ПРЖ), напівжорстку (П) і м'яку (М).

Азбест в залежності від групи і сорту випускають декількох марок. Середня довжина волокон безперервно підвищується від нульової марки 7-го сорту до вищої марки нульового сорту. В позначеннях марок азбесту букви означають текстуру (групу) волокна, перша цифра – сорт азбесту, останні цифри – гарантований мінімальний залишок волокна в % для азбесту даної марки на основному ситі контрольного апарату, а для азбесту 7-го сорту – об’ємну масу.

Для виробництва азбестоцементних виробів використовують 3–6-й сорт азбесту. Довговолокнистих азбест 1-го і 2-го сорту в азбестоцементній промисловості не застосовують через його високу вартість, а також через те, що після розпушки азбесту утворюється войлокоподібна маса, в якій волокна зігнуті і переплетені, що знижує їх армуючу роль в азбестоцементі. Азбест 7-го сорту містить волокна довжиною менше 1 мм, багато пилу і галі, що знижують його армуючі властивості, тому його практично не застосовують для виробництва азбестоцементних виробів.

г) Вплив мінеральних включень в азбесті

Основні мінеральні включення в азбесті: кальцит, магнетит і піроксен. Мінеральні включення в азбесті негативно впливають на якість як волокон, так і азбестоцементного виробу. Гострі грані мінеральних частинок при розпушені азбесту розрізають волокна, зменшуючи їхню довжину, або частково їх деформують, що приводить до зниження міцності. Маючи високу седиментаційну здатністю, мінерали осідають з азбестоцементної суспензії на дно голендера, мішалок і ванн сітчастих циліндрів, ускладнюючи роботу цих апаратів. Крім хризотил-азбесту в промисловості також використовуються амфіболові азбести. Азбести цієї групи у вітчизняній азбестоцементної промисловості не використовують. В деяких країнах як добавку до хризотил-азбесту застосовують крокідоліт-азбест. Завдяки більшій, ніж у хризотил-азбесту, жорсткості волокна крокідоліт покращує фільтруючі властивості азбестоцементних шарів, що дозволяє інтенсифікувати процес формування виробів.

Багато країн не зупиняються в пошуках замінників дорогого та рідкісного природного азбесту. Повна заміна азбесту волокнами іншої речовини, звертаючи увагу на його унікальні властивості, не представляється можливим, тому мова може йти лише про його часткову заміну. Були спроби в якості замінників азбесту використовувати базальтове мінеральне волокно, скловолокно, органічні волокна. Багато років вчені працюють над отриманням синтетичного хризотил-азбесту. Дослідження показали, що хризотил синтезується в гідротермальних умовах в широких межах зміни температури і тиску. Всі властивості синтетичного азбесту наближаються до природного хризотилу. Дослідження тривають в напрямку розробки промислової технології виробництва синтетичного хризотилу.