«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

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.