Глины и каолины

Глинами называются тонкодисперсные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов и обладающие свойством пластичности. К глинистым минералам относятся различные водные алюмосиликаты: аллофан, каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит. Под пластичностью понимается способность глин давать с водой тесто, принимающее под давлением любую необходимую форму и сохраняющее эту форму при снятии давления и сушке, а после обжига приобретающее прочность камня.

По гранулометрическому составу в глинах преобладают частицы с размерами меньше 0,01 мм.

Минеральный состав глин, как правило, неоднороден, чаще всего они являются полиминеральными, реже — близкими к мономинеральным. Во всех случаях в составе глин глинистые минералы резко преобладают.

Наряду с глинистыми минералами в составе глин в подчиненных количествах обычны также обломочные зерна кварца, полевых шпатов, карбонатов, чешуйки слюд, обломки различных горных пород, окислы и гидроокислы железа и марганца.

Главными химическими компонентами глин являются SiO₂ (30—70%), А1₂0₃ (10—40%) и Н₂0 (5—15%). В подчиненных количествах присутствуют Ti0₂, Fe₂0₃, FeO, МпО, MgO, CaO, K₂0, Na₂0, Из других компонентов в связи с наличием неглинистых минералов-примесей в химическом составе глин содержатся обычно S0₃, CO₂, Р₂0₅, S, С. По преобладанию того или иного глинистого минерала или комплекса минералов выделяют следующие минеральные типы глин: каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые, каолинит-гидрослюдистые, монотермитовые, бейделлитовые и др. Минеральный состав вместе с гранулометрическим составом определяют их технологические свойства.

Метаморфизованные глинистые породы, не обладающие пластичностью и не размокающие в воде, называются аргиллитами, глинистыми сланцами. Наряду с глинами эти породы используются в разных отраслях промышленности. Особое место среди них занимают так называемые сухарные глины, или «сухари», используемые как исключительно ценный и богатый глиноземом материал для производства огнеупоров.

Каолином называют практически мономинеральные глинистые породы, состоящие из каолинита или минералов каолинитовой группы. Вместе с каолинитом и другими глинистыми минералами в составе каолина участвуют преимущественно минералы группы кремнезема — кварц, опал, халцедон, полевых шпатов, чешуйки слюд и зерна других минералов. Прочие минералы-примеси те же, что и в глинах, но присутствуют они в ничтожных количествах.

По химическому составу чистый каолин близок к теоретическому каолини ту, в котором содержание SiO₂ составляет 46,54%, А1₂0₃39,50% и Н₂0 13,96%. Содержание Fe₂0₃, Ti0₂, CaO и К₂0 не превышает 0,5—0,7% (каждого компонента). Важной особенностью каолинов является высокое содержание глинозема.

Все важнейшие физико-химические и технологические свойства глин и глинистых пород зависят главным образом от их минерального, гранулометрического и химического состава. К ним относятся:

• — пластичностьспособность при смешивании с ограниченным количеством воды давать тесто, принимающее под давлением любую форму и сохраняющее её при сушке. Пластичность обусловлена минеральным составом, степенью дисперсности и свойственна монтмориллонитовым глинам, в меньшей степени — каолинитовым. Степень пластичности определяют по их связующей способности, т. е. свойству связывать частицы непластичных («тощих») материалов в достаточно прочную однородную массу. Выделяют пластичные, тощие и непластичные глины.
• — набухание — свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Наибольшим набуханием обладают монтмориллонитовые и бейделлитовые, наименьшим — каолинитовые глины.
• — усадка — уменьшение объема глины при сушке или обжиге. Чем выше пластичность, тем больше усадка. Для уменьшения усадки в глины добавляют тощие материалы.
• — спекаемость — способность при обжиге спекаться в камнеподобное твердое тело (черепок) с высокой механической прочностью, химической стойкостью, диэлектрическими и другими ценными свойствами.
• — огнеупорность — способность черепка из глин и каолинов выдерживать высокие температуры без размягчения и плавления. Глины делятся на огнеупорные (температура плавления 1700 — 1580 С, тугоплавкие (1580 — 1350 С), и легкоплавкие (ниже 1350 С) Наиболее огнеупорныкаолины, легкоплавкие — монтмориллонитовые и бейделлитовые глины.
• — вспучивание при обжиге — увеличение объема и уменьшение плотности глинистого материала. При вспучивании из легкоплавких (монтмориллонитовых и гидрослюдистых) глин, аргиллито и глинистых сланцев получается прочный пористый материал (керамзит, аглопорит).
• — адсорбционные (поглотительные) свойства — способность поглощать и удерживать на своей поверхности ионы и молекулы различных веществ. Наивысшей адсорбционной способностью обладают монтмориллонитовые и бейделлитовые глины.
• — водоупорность
• — относительная химическая инертность.

Применение в промышленности

Выделяется 4 наиболее важные промышленные группы:

К строительным и грубокерамическим относятся легкоплавкие, в меньшей степени тугоплавкие глины. Применяются в обожженном виде для производства строительной (кирпич, черепица) и грубой керамики: клинкерного кирпича, дренажных труб, метлахской плитки, глиняной посуды, при ускоренном обжиге — для получения керамзита и аглопорита. В необожжённом видекак строительный, связующий, водонепроницаемый (при возведении плотин) материал.

Огнеупорные и тугоплавкие глины применяются для внутренней облицовки доменных печей, для производства кислотоупорных изделий, тонкой керамики, как формовочный материал в литейном деле.

Каолины и каолинитовые глины относятся к высокоогнеупорным и используются для производства тонкой керамики. Это фарфоровые и фаянсовые изделия, предметы санитарно-технического и медицинского оборудования, бытовая и химическая посуда. В качестве наполнителя — в бумажной, химической, стекольной, парфюмерной промышленности.

Бентониты — тонкодисперсные глины с высокой связующей способностью, адсорбционной и каталитической активностью. Они применяются для изготовления промывочных жидкостей (в т.ч. буровых растворов), производства железорудных окатышей, получения керамзита, в качестве адсорбентов в нефтеперерабатывающей, пищевой (очистка вин, соков), текстильной промышленности, в сельском хозяйстве.

Генетические типы промышленных месторождений

Остаточные месторождения. Месторождения связаны с корами выветривания различных пород и представлены каолинитовыми, монтмориллонитовыми и гидрослюдистми глинами. Из них большое практическое значение имеют месторождения первичных каолинов. Наиболее однородные и тонкодисперсные каолины возникают при выветривании гранитов, аплитов, пегматитов. Окраска таких каолинов обычно белая, огнеупорность достигает 1750—1780° С. Каолины легко обогащаются. Залежи имеют плащеобразную форму и непостоянную мощность, достигающую нескольких десятков метров; с подстилающими материнскими породами они связаны постепенными переходами. К этому типу относятся многочисленные месторождения первичных каолинов Украины (Глуховецкое и Просяновское месторождения), восточного склона Южного Урала, некоторые месторождения Сибири, Казахстана (Алексеевское) и Приморья.

Каолины возникают также при выветривании слюдяных и глинистых сланцев, мергелей и мергелистых известняков, но обладают они худшим качеством.

Осадочные месторождения глин возникают в результате переотложения и диагенетического изменения продуктов размыва кор выветривания. По условиям накопления глинистого вещества осадочные месторождения разделяют на континентальные, лагунные и морские. Среди континентальных в свою очередь различают аллювиальные, озерно-болотные и озерные (пресноводные и засолоненные), ледниковые, флювиогляциальные, эоловые, среди лагунных — месторождения опресненных и осолоненных лагун, а среди морских— месторождения прибрежной и удаленной от берега частей шельфа.

Легкоплавкие глины образуются во всех перечисленных случаях, тугоплавкие и огнеупорные — в озерно-болотных бассейнах и опресненных лагунах.

Вторичные каолины являются продуктами переотложения первичных.

Месторождения наиболее ценных огнеупорных глин формируются путем отложения глинистого материала на дне озер опресненных лагун в некотором удалении от берега. Залежи имеют форму линз и пластов; по простиранию они прослеживаются на несколько километров при мощности от нескольких метров до первых десятков метров. К этому типу относится Часовъярско-Дружковская группа месторождений в Украине, Латнинские — в Воронежской области и Боровичское и Любытинское месторождения Новгородской области.

Осадочные месторождения качественных бентонитов, образуются в морских условиях. Щелочная среда водоемов (рН 7—9) способствует преобразованию хлоритгидрослюдистых продуктов выветривания и раскристаллизации гелей в монтмориллонит. Залежи имеют пластообразную форму, выдержаны по простиранию на площадях в десятки и сотни (до тысяч) квадратных километров; мощность от метров до десятков метров. Запасы большие — миллионы, иногда десятки миллионов тонн. Бентониты щелочноземельные, нередко обогащены органикой. Месторождения этого типа развиты в Поволжье, Средней Азии, на Украине (Черкасское месторождение).

Вулканогенно-осадочные месторождения глин возникают путем подводного разложения (гальмиролиза) вулканических пеплов и туфов, отложенных в водных бассейнах (морях, озерах). В условиях щелочной среды богатые стеклом вулканические породы изменяются до монтмориллонита и бейделлита, образуются мощные скопления весьма ценных щелочных и щелочноземельных бентонитовых глин. Залежи имеют форму пластов и линз, размеры которых варьируют в пределах от нескольких десятков квадратных метров до многих сотен квадратных километров по площади и от нескольких сантиметров до 40—45 м по мощности. В СНГ эксплуатируются месторождения Гумбри (Грузия), Ханлар (Азербайджан), Огланлы (Туркмения), Азкамар (Узбекистан) и ряд других.

Гидротермальные месторождения глинистых пород возникают в связи с воздействием горячих жидких растворов магматического происхождения на разнообразные вулканогенные породы — андезиты, порфириты, альбитофиры, туфы и др. Преобразования исходных пород происходят метасоматическим путем и в зависимости от кислотности — щелочности растворов заключаются в изменениях, приводящихк возникновению скоплений глинистых минералов, т. е. образованию глинистых пород моноили полиминерального состава.

Важное промышленное значение среди них имеют месторождения щелочных бентонитов. Они немногочисленны, но бывают крупными и отличаются очень хорошим качеством сырья. Мировой известностью пользуются месторождения высших по качеств у беложгущихся натриевых бентонитовых глин острова Понца в Италии.

Гидротермальные каолины имеются в Казахстане, Узбекистане, Закавказье, Закарпатье, на Алтае и Дальнем Востоке. В Приморье изучено и разрабатывается Гусевское месторождение фарфорового камня, образованного гидротермальным путем по кислым эффузивам.

Метаморфизованные месторождения представлены скоплениями непластичных глинистых пород — аргиллитов и глинистых сланцев. Образуются они в результате уплотнения, дегидратации, цементации и неполной перекристаллизации глинистых осадков в процессе диагенеза и эпигенеза или в начальные стадии метаморфизма глин. Промышленные месторождения многочисленны и известны в ряде районов (Донбасс, Кузбасс, Урал и др.).

Мировые разведанные ресурсы бентонитовых глин оцениваются в 2000млн.т., в т. ч. в США -800 млн.т. Мировая добыча в 2000 году составила 9,3 млн.т., из них на долю США приходится 3,8 млн.т., Греции- 0,95 млн. т., Германии, Турции, Италиипо 0,5 млн.т. В России произведено всего 0,37млн.т., что не обеспечивает внутренних потребностей, и означает полную зависимость от импорта, особенно в щелочных бентонитах. Около 70% запасов высококачественных бентонитов бывшего СССР остались за пределами России (на Кавказе и в Средгей Азии).

Мировая добыча каолина в 2010 году составила 39,8 млн.т., из них в США- 9,45 млн.т., Чехии -2,9 млн.т., Великобретании -2,3млн.т., Ю. Корее -2,2 млн.т.В России — 0,04млн.т., этого крайне недостаточно и Россия зависит от импорта, в частности с Украины и Казахстана.