Vermiculit: Eigenschaften, Produktion und Anwendungen

Hintergrund

Vermiculit ist eine Gruppe hydratisierter lamellarer Magnesium-Aluminium-Eisen-Silikate, die sich beim Erhitzen in lange, wurmähnliche Stränge ausdehnen. Diese Expansion, bekannt als Exfoliation, erzeugt ein Material mit außergewöhnlich niedriger Dichte und Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen expandierten Vermiculit wertvoll als leichten Bauzuschlagstoff, Wärmedämmfüllstoff, Bodenverbesserer und chemischen Absorber. Fein gemahlen dient er als Füllstoff in Druckfarben, Farben, Kunststoffen und anderen Produkten.

Geschichte

Thomas H. Webb dokumentierte 1824 erstmals Vermiculits einzigartige Eigenschaften und bemerkte sein wurmähnliches Aussehen beim Erhitzen. Das Mineral blieb eine wissenschaftliche Kuriosität bis zum frühen 20. Jahrhundert, als praktische Anwendungen kommerzielles Interesse weckten. Der erste Bergbauversuch begann 1915 in Colorado, schloss aber kurz darauf. Erfolg kam 1923, als die Zonolite Company ein Bergwerk in Libby, Montana eröffnete, das bis 1990 betrieben wurde. Heute ist die weltweit größte Vermiculit-Operation im Phalaborwa-Distrikt Südafrikas. Weitere große Produzenten sind USA, China, Russland, Brasilien, Japan, Simbabwe und Australien.

1999 betrieben die USA drei aktive Minen – zwei in South Carolina und eine in Virginia – und lieferten Konzentrat an Exfoliationsanlagen landesweit. Diese importierten zudem ca. 77.000 Tonnen (70.000 metrische Tonnen) konzentrierten Vermiculit aus Südafrika.

Rohstoffe

Vermiculits charakteristische Eigenschaften stammen aus seiner geschichteten Kristallstruktur und dem internen Wassergehalt. Die Schichten scharnieren sich wie ein Akkordeon; beim Erhitzen verdampft das eingeschlossene Wasser zu Dampf und treibt die Schichten auseinander. Kommerzieller Vermiculit wird typischerweise aus biotit- und eisenhaltigem Phlogopit-reichen Gesteinen gewonnen. Verwitterung dieser Gesteine ermöglicht Wassereintritt und chemische Reaktionen, die Vermiculit produzieren.

Eine typische kommerzielle Vermiculitzusammensetzung ist 38–46% Siliciumdioxid (SiO₂), 16–35% Magnesiumoxid (MgO), 10–16% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 8–16% Wasser, mit geringeren Mengen anderer Oxide. Wenn expandiert, sind die Granulate goldbraun und haben eine Schüttdichte von 4–10 lb/ft³ (64–160 kg/m³), abhängig von der Korngröße.

Der Herstellungsprozess

Bergbau

• Gestein wird in Tagebauen abgebaut. Überdecke wird mit Schaufeln oder Schiebern entfernt, und Gesteinsschichten werden gebohrt und mit Sprengstoff gesprengt.
• Das resultierende Erz wird per LKW oder Bahn zu einer Aufbereitungsanlage transportiert.

Konzentration

• Erz wird zerkleinert und gesiebt, um die Größe zu reduzieren, dann durch Schaumflotation, Gravitationstrennung, Winden oder elektrostatische Methoden vom umgebenden Material getrennt, was etwa 90% reinen Vermiculit-Flocken ergibt.
• Flocken aus verschiedenen Abschnitten können gemischt werden, um einheitliche Qualität zu gewährleisten.

Klassierung

• Flocken werden nach Größe mittels Sieben oder eines geschlossenen Lufttunnels sortiert. Schwerere, größere Flocken fallen zuerst aus; der Prozess kann Qualitäten von 0,63 Zoll (16 mm) bis 0,02 Zoll (0,8 mm) erzeugen.
• Große Flocken können leicht zerkleinert (Debooking) werden, um die Exfoliation zu beschleunigen.
• Sortierte Flocken werden in Großbehältern für den Transport zu Exfoliationsanlagen verpackt.

Exfoliation

• Flocken werden in überdachten Anlagen gelagert, um sie trocken zu halten. Feuchtigkeitsaufnahme würde den Energiebedarf für die Expansion erhöhen.
• Sie werden auf Förderbänder geladen und in einen 6–7,6 m hohen senkrechten Ofen mit keramischer Auskleidung fallen gelassen. Erdgasbrenner heizen auf 540–810 °C, wodurch das interne Wasser verdampft und die Flocken zu wurmähnlichen Partikeln expandieren.
• Partikel rutschen eine geneigte Rinne hinunter, was weitere Erwärmung für vollständige Expansion ermöglicht.

Klassifizierung

• Heißer expandierter Vermiculit wird durch Vakuum nach oben gezogen. Schwerere Verunreinigungen fallen aus, während feine Partikel durch den Luftstrom gekühlt werden.
• Falls eine bestimmte Korngröße erforderlich ist, kann der Vermiculit gemahlen und entsprechend gesiebt werden.
• Klassifizierte Granulate werden in Trichtern gelagert und dann in 0,10–0,15 m³ Papier- oder Kunststoffbeutel für den Einzelhandel oder 1,3 m³ Säcke für den gewerblichen Gebrauch verpackt. Beutel werden versiegelt, etikettiert und aus Lagern versandt.

Gesundheitsaspekte

Vermiculiterz kann Glimmer, Quarz, Feldspat und in manchen Lagerstätten Spuren von Asbest enthalten. Diese Bestandteile werden über Material Safety Data Sheets (MSDS) reguliert. Die bedeutendste berufliche Gefahr ist kristalliner Quarz. Feiner Quarzstaub kann Silikose verursachen, daher sind Staubkontrolle und persönliche Schutzausrüstung beim Mahlen und Sieben obligatorisch. Verbraucherexposition gegenüber Quarzstaub aus fertigen Vermiculitprodukten ist vernachlässigbar und stellt kein Gesundheitsrisiko dar.

Große Produzenten zertifizieren, dass die in ihren Betrieben genutzten Erzlagerstätten bei Verarbeitung gemäß MSDS-Richtlinien kein Asbestrisiko darstellen. Ein EPA-Bericht von 2000 kam zu dem Schluss, dass als Bodenverbesserer verkaufter Vermiculit für Verbraucher wenig bis kein Asbestrisiko birgt.

Die Zukunft

Trotz verfügbarer Alternativmaterialien halten Vermiculits ultraniedrige Dichte und Wärmeleitfähigkeit es in vielen Märkten wettbewerbsfähig. Globale Reserven werden auf rund 55 Millionen Tonnen (50 Millionen metrische Tonnen) geschätzt. Fortgesetzte Innovation in Verarbeitung und Anwendung wird seine Relevanz erhalten.