«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Самые распространенные элементы в земной коре металл (алюминий) и неметалл (кремний) дают огромное количество сочетаний в виде разнообразных кристаллических структур: от простых глин и горных пород до удивительных минералов с уникальными свойствами — слюд, каолинов, полевых шпатов и т. д. Эти — минералы находят применение не для извлечения содержащихся в них компонентов, а сами по себе, благодаря своим уникальным свойствам.

Минерал в окне

В XVI в. побывавший в России немец Г. Штаден писал: «Камень этот разрывается на тонкие листы, а потом из него делают окна. По-русски это называется слюда». Добывали слюду только крупную, широколистную на Кольском полуострове. Нашли ее и в Сибири за р. Алдан в 1656 г. якутские служилые люди Никита Солдатов и Лука Морозов.

Необыкновенный камень стоил дорого и украшал окна лишь царских дворцов да боярских теремов. Но камни, как и люди, подвержены превратностям судьбы. Мог ли кто подумать еще в конце прошлого века, хоть и богатого научными открытиями, что когда-либо возродится промысел слюды, казалось, навеки погибший по причине появления стекла?

Проходили десятилетия — заброшенные слюдяные выработки заболачивались, затоплялись, копи рушились и зарастали кустарником и лесом. Забыли и в Западной Европе широколистную олонецкую слюду, названную «московитом», затем измененную на «мусковит». Только в архивных документах знаменитого Соловецкого монастыря да в специальной литературе хранилось это слово. На Соловках одна из монастырских башен названа Слюдяной — в ней под семью замками хранился «прозрачный камень».

Мусковит — тяжелый слоистый минерал, способен легко расслаиваться на тонкие листочки слюды. Из этих листочков изготовляют детали необходимой формы для электронных ламп, радиодетали и другие электротехнические приборы и аппараты. Сейчас конденсаторная слюда и коллекторный слюдопласт Петрозаводской фабрики известны всем электротехническим предприятиям страны. Так слюда, пройдя через века, побывав в фаворе и в забвении, вновь предстала перед людьми, обретя новую значимость и новую ценность.

Литийсодержащие слюды — лепидолит и циннвальдит служат источником лития. Известны ванадиевая и хромовая слюда, железистые черные слюды — флогопит и биотит. В строительстве применяется легко вспучивающаяся при нагревании слюда — вермикулит. Он относится к группе гидрослюд, содержащих межслоевую воду. При температуре 900– 1000 °C под действием испаряющейся межслоевой воды объем вермикулита увеличивается в 15–20 раз и образовавшиеся прослойки воздуха обеспечивают низкую плотность, тепло- и звукоизолирующие свойства. Из слюд этого типа получают звукопоглощающие материалы, легкие вермикулитобетоны, штукатурные растворы, наполнители резин, пластмасс и красок. Вермикулит не поддается истиранию и по смазочным свойствам подобен графиту, благодаря чему применяется в антифрикционных материалах.

Крупные кристаллы слюды до последнего времени извлекались вручную. Но есть и механические способы обогащения крупнокусковой слюды. Если поместить слюдяную руду на наклонную плоскость, округлые изометрические куски породы легко скатятся с нее и отлетят далеко, а плоские куски слюды будут медленно скользить и остановятся, как только кончится наклон. Этот процесс разделения интенсифицируется, если наклонная плоскость подвергнута вибрации.

Мелкоразмерные слюдяные частички могут извлекаться в пневматических аппаратах. Песчинки падают в восходящих потоках воздуха, а слюдинки «витают» и отсасываются. Совсем тонкие мелкие частички легко флотируют с применением катионных собирателей типа аминов.

Топкая, даже специально молотая слюда широко применяется в качестве наполнителя при производстве пластмасс, резинотехнических изделий, бумаги, красок, специальных цементов, плиток и других строительных изделий.

…Еще в 40-х годах начали на Алдане добывать слюду высокого качества. Но в последние два десятилетия спрос на продукцию комбината падает. Химия предложила промышленности заменители природной слюды. Спрос на слюду крупных фракций — наиболее дорогую, а значит, и наиболее выгодную — упал. И тогда появилась идея использовать сопутствующую слюде породу[4].

Диопсиды — породы, содержащие слюду. Их и добывали попутно со слюдой. Сегодня 9 млн т этого сырья лежит в отвалах на рудниках комбината. Если расплавить диопсид, из пего можно получить прекрасный утеплитель. Если применить его в сочетании с бетоном, степы домов на Севере «похудеют» в 2,5–3 раза. Из материалов с применением диопсида получают керамическую плитку, каменное литье, минеральную вату, пеностекло. Компоненты из диопсида улучшают качество обмазки сварочных электродов.

На особые свойства диопсида как-то обратили внимание… голуби. Птицы игнорировали кучки других материалов, насыпанных в институтском дворе, а клевали только алданский диопсид. На Тольяттинской птицефабрике диопсид добавляют в корм курам, в результате чего улучшается сохранность поголовья и птицы прибавляют в массе.

В Якутском НИИ сельского хозяйства пробуют добавлять диопсид в минеральные удобрения. Получены опытные партии пенодиопсида.

Множество новых разнообразных материалов можно получить из слюды. Слюда переживает свое третье рождение.

Горная кудель

Существует легенда, о том как промышленник Акинфий Демидов привез в подарок Петру I с Урала чудесную скатерть белого цвета. Во время трапезы лукавый заводчик опрокинул на скатерть тарелку супа и вылил стакан густого заморского ликера. Потом бросил скатерть в камин и, достав ее из огня, показал царю, что на пей пет ни единого пятнышка. Скатерть была соткана из асбеста.

Асбест — тонковолокнистый минерал, водный силикат магния и железа — получил свое название от греческого слова «несгораемый». Хризотил-асбест плавится только при 1500 °C. Зеленовато-серые шелковистые волокна асбеста могут расщепляться до толщины менее микрона, обладая прочностью около 300 кг/мм², т. е. в 1,5–2 раза прочнее стали.

Уникальные свойства асбеста были известны издавна. Древнеримский историк Плиний писал: «Есть камень для ткани, который растет в пустынях Индии, обитаемых змеями, где никогда не падает дождь, и потому он привык к жару. Из него делают погребальные рубашки, чтобы заворачивать трупы вождей при сожжении их на костре; из него делают для пирующих салфетки, которые можно раскалять на огне». В начале XVIII в. из асбеста стали делать фитили для лампад и бумагу в Венгрии, на Пиренеях. В 1785 г. в Швеции проводились опыты по использованию асбеста для строительства огнестойких сооружений.

Красота минерала вызвала восхищение великого скульптора Микеланджело. Когда ему подарили обломок редкого камня, он воскликнул: «Это же настоящие волосы Венеры!» Неизвестно, какое произведение искусства сотворил бы художник Возрождения, если бы получил чудесный материал в достаточном количестве. В 1806 г. итальянка Елена Перпенти получила почетную медаль Общества поощрения промышленности за сотканные ею кружева из чистых асбестовых волокон.

Кроме огнезащитных тканей и строительных деталей, таких, как асбоцементные трубы, шифер, асбест применяется в радиоэлектронике, машиностроении, химической промышленности, как наполнитель пластмасс, резины, специальных сортов бумаги, картона, фильтров и т. д. Асбестовые фильтры, имея 200 млн отверстий на см², способны очищать жидкость даже от бактерий.

На Урале хризотил-асбест был обнаружен в 1720 г. на р. Тагил крестьянином Невьянского завода Сафроном Согрой. Сейчас разработки Баженовского месторождения — одного из крупных в мире — дают почти 40 % мирового производства. Месторождение было открыто в 1885 г. землемером А. П. Ладыжинским при отводе участков для золотых приисков на речке Грязнушке. Здесь, неподалеку от Свердловска, вырос новый город Асбест.

Асбестовую руду добывают в открытом карьере, обогатительная фабрика использует уникальный, единственный в своем роде процесс воздушного обогащения. Руда дробится и подвергается грохочению много раз подряд, и на каждой стадии с поверхности грохота отсасываются распушенные асбестовые волокна. Распушенное волокно имеет плотность менее 1 г/см³, а порода — около 2,5. Обогащение происходит как на грохоте, где длинные волокна остаются на сите, а изометрические частицы породы уходят под решето, так и в воздушном потоке в соответствии с плотностью частиц.

Обогащение по плотности производится в пневматических центробежных сепараторах. Они представляют собой пневмоциклоны, аналогичные гидроциклонам. Кроме того, горизонтальная воздушная струя может выдувать волокна асбеста из вертикально падающей руды — это воздушно-проходные сепараторы.

Все здание фабрики находится под постоянным вакуумом, так как вся пыль и волокно непрерывно отсасываются и осаждаются в пневмоциклонах. Влажность руды, поступающей на обогащение, не более 2 %, так как она высушивается при 500–600 °C. После сушки руда охлаждается на складе несколько суток, чтобы прочность волокон восстановилась после нагрева. Дробление и обогащение производятся в 5–7 стадий. Затем специальные автоматы прессуют и пакуют асбест по сортам (по длине волокон).

Второе по значению месторождение асбеста в СССР Ак-Довурак расположено в Туве. Комбинат Туваасбест дает продукцию высших сортов. Советский асбест экспортируется во многие страны мира.

Сито для молекул

Цеолиты — группа не слишком часто встречающихся в природе минералов-алюмосиликатов — состоят в основном из самых распространенных на земле элементов: кислорода, кремния и алюминия. Их кристаллическая структура образована регулярным сочетанием тетраэдров [SiO₄]^4- и [АlО₄]^5-, соединенных общими кислородными вершинами в трехмерный каркас, пронизанный тончайшими (3–10 А) полостями и каналами. Поскольку заряд алюминия на единицу меньше, чем кремния, компенсация заряда происходит за счет катионов щелочных и щелочноземельных металлов, в основном Na, К, Са, Ba, Mg. Кроме того, в полостях находятся молекулы воды, а также соединения аммония и некоторые его органические производные.

Свойства цеолитов оказались столь важными и ценными, что сейчас уже ведутся работы по специальному синтезу искусственных цеолитов: подбираются специальные катионы, регулируются размеры полостей в сторону их увеличения (до 15–35 А) и количество воды в кристалле.

Свое название цеолиты (в переводе с греческого — «кипящие камни») получили благодаря способности вспучиваться при нагревании из-за «вскипания» расположенной в их полостях воды. Неподвижные кристаллические каркасы «оживают», изменяются углы сочленения тетраэдров, размеры полостей и каналов; ионы, находящиеся не только в полостях, но и в основании каркасов, могут поворачиваться и смещаться в кристалле на 2–3 А. При этом устойчивость каркасной структуры не нарушается. Дегидратация цеолитов обратима: выгнанная нагреванием до 200–400 °C или вакуумированием вода снова жадно поглотится цеолитом после охлаждения. На этом основан метод осушения природного газа и обезвоживания органических жидкостей, например спирта, молекулы которых из-за своей величины не могут проникнуть внутрь молекулярного каркаса.

Четкая повторяемость параметров каркаса придает ему свойство молекулярного сита. На таком сите можно, например, отделить кислород с величиной молекулы 2,8 А от азота, молекула которого чуть потолще — ЗА. Можно отделить и полярный кислород от инертного аргона.

Самое важное свойство цеолитов — способность к обратимому ионному обмену катионов, находящихся в структуре алюмосиликатного каркаса. У каждого цеолита имеется определенный ряд замещения, и это позволяет улавливать достаточно полно и чисто определенные виды ионов из растворов. В том числе радиоактивных ионов.

Цеолиты применяются как селективные адсорбенты и катализаторы, для очистки воды, нефти, газов, осушки фреонов, создания глубокого вакуума. Механизм действия цеолитов был подробно изучен в Институте геологии, геофизики и геохимии СО АН СССР И. А. Белицким и др. При этом обнаружилось еще одно интереснейшее их свойство.

Еще в середине XIX в. сосланный в Сибирь за участие в Польском восстании 1863–1864 гг. геолог А. Л. Чекановский описал странный обычай камчадалов поедать весной «земляную сметану», состоявшую, по его данным, из смеси каолина и цеолита. Обычай есть землю, как оказалось, весьма полезен, особенно после потребления нерпичьего жира, и предохраняет от изжоги.

В 1922 г. сибирский геолог П. Драверт обнаружил и исследовал явление «камнеедения» — литофагии — у маралов, лосей, волков. Первоначально считалось, что звери едят солонцы. Но исследование свыше 300 «солонцов» в тайге показало, что это цеолиты. В местах камнеедения животных, сопоставив старинные якутские названия земель в районе Охотска, такие, как «земляная сметана», «каменное масло», В. И. Бгатов предсказал месторождения цеолитов[5].

В Киргизии Бгатов столкнулся с любопытным фактом. На свиноводческой ферме в Чуйской долине старые заборы — дувалы — заменили современной железобетонной оградой. Вскоре свиньи без видимых причин стали хиреть. Оказалось, глина, из которой сооружали традиционные дувалы, служила им чем-то вроде сорбционного средства. В глине не было соли. Значит, наряду с солонцами, содержащими хлористый натрий, существует и другая «съедобная земля», потребляемая животными. Инстинкт подсказал свиньям один из таких «несоленых» солонцов. Но у диких животных этот инстинкт намного сильнее.

В Приморской тайге охотники и лесники давно приметили любовь оленей к определенным лесным уголкам. Звериная тропа привела на поляну, сплошь «перепаханную» лакомившимися животными. Сантиметров на тридцать земля просто съедена. Исследование показало: в поедаемых оленями неолитизированных туфах количество цеолитов составляет до 70 % массы.

Широкое применение цеолитов в животноводстве обещает значительный эффект. Опыты, проведенные на коровах, свиньях, курах, показали значительный прирост массы, плодовитости и выживаемости животных. Цеолиты могут использоваться при создании грунтов в теплицах, подкормке рыб, очистке питьевой и сточных вод. Не исключено использование цеолитов в медицине.