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Kaolinite

La kaolinite ( / ˈk eɪ.ələˌn aɪt , -lɪ- / KAY -ə-lə-nyte, -⁠lih- ; également appelée kaolin ) [ est un minéral argileux , de composition chimique Al2Si2O5 ( OH ) 4 . C'est un mi...

La kaolinite ( / ˈk eɪ.ələˌn aɪt , -lɪ- / KAY -ə-lə-nyte, -⁠lih- ; également appelée kaolin ) [est un minéral argileux , de composition chimique Al2Si2O5 ( OH ) 4 . C'est un minéral silicate stratifié , avec une feuille tétraédrique de silice ( SiO4 ) liée par des atomes d' oxygène à une feuille octaédrique d' alumine ( AlO6 ) . []

La kaolinite est un minéral tendre, terreux, généralement blanc ( argile phyllosilicate dioctaédrique ), produit par l'altération chimique de minéraux de silicate d'aluminium comme le feldspath . Sa capacité de rétraction-gonflement est faible et sa capacité d'échange de cations est faible (1–15 meq/100 g).

Les roches riches en kaolinite et en halloysite sont connues sous le nom de kaolin ( / ˈ k . ə l ɪ n / ) ou kaolin . Dans de nombreuses régions du monde, le kaolin est coloré en rose-orange-rouge par l'oxyde de fer , ce qui lui donne une teinte rouille distincte . Des concentrations plus faibles d'oxyde de fer donnent les couleurs blanches, jaunes ou orange clair du kaolin. On trouve parfois des couches alternées plus claires et plus foncées, comme au Providence Canyon State Park en Géorgie, aux États-Unis.

Le kaolin est une matière première importante dans de nombreuses industries et applications. Les qualités commerciales de kaolin sont fournies et transportées sous forme de poudre, de morceaux, de nouilles semi-séchées ou de boue . La production mondiale de kaolin en 2021 a été estimée à 45 millions de tonnes, avec une valeur marchande totale de 4,24 milliards de dollars américains.

Noms

Le nom anglais kaolin a été emprunté en 1727 aux rapports français de François Xavier d'Entrecolles de 1712 sur la fabrication de la porcelaine de Jingdezhen . D'Entrecolles transcrivait le terme chinois高嶺土, maintenant romanisé en gāolǐngtǔ en pinyin , tiré du nom du village de Gaoling (« Haute Crête ») près d'Ehu dans le comté de Fuliang , qui fait maintenant partie de la préfecture de Jingdezhen de la province du Jiangxi . La zone autour du village était devenue la principale source de kaolin de Jingdezhen au cours de la dynastie Qing . Le suffixe minéralogique -ite a été ajouté plus tard pour généraliser le nom afin de couvrir des minéraux presque identiques provenant d'autres endroits.

La kaolinite est également parfois évoquée sous les noms archaïques lithomarge et lithomarga du latin lithomarga , une combinaison de litho- ( grec ancien : λίθος , líthos , « pierre ») et margamarne »). Dans un usage moderne plus approprié, lithomarge fait désormais spécifiquement référence à une forme compacte et massive de kaolin.

Chimie

Notation

La formule chimique de la kaolinite telle qu'elle est écrite en minéralogie est Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , cependant, dans les applications céramiques , la même formule est généralement écrite en termes d'oxydes, donnant ainsi Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O .

Structure

Structure de la kaolinite, montrant les liaisons hydrogène inter-couches

Comparée à d'autres minéraux argileux, la kaolinite est chimiquement et structurellement simple. Elle est décrite comme un minéral argileux 1:1 ou TO car ses cristaux sont constitués de couches TO empilées . Chaque couche TO est constituée d'une feuille tétraédrique ( T ) composée d'ions silicium et oxygène liés à une feuille octaédrique ( O ) composée d'ions oxygène, aluminium et hydroxyles. La feuille T est ainsi appelée car chaque ion silicium est entouré de quatre ions oxygène formant un tétraèdre. La feuille O est ainsi appelée car chaque ion aluminium est entouré de six ions oxygène ou hydroxyles disposés aux coins d'un octaèdre. Les deux feuilles de chaque couche sont fortement liées entre elles par des ions oxygène partagés, tandis que les couches sont liées par une liaison hydrogène entre l'oxygène sur la face extérieure de la feuille T d'une couche et l'hydroxyle sur la face extérieure de la feuille O de la couche suivante.

  • Vue de la structure de la feuille tétraédrique (T) de la kaolinite
    Vue de la structure de la feuille tétraédrique ( T ) de la kaolinite
  • Vue de la structure de la feuille octaédrique (O) de la kaolinite
    Vue de la structure de la feuille octaédrique ( O ) de la kaolinite
  • Structure cristalline de la kaolinite vue le long des couches
    Structure cristalline de la kaolinite vue le long des couches

Une couche de kaolinite n'a pas de charge électrique nette et il n'y a donc pas de gros cations (tels que le calcium, le sodium ou le potassium) entre les couches comme c'est le cas de la plupart des autres minéraux argileux. Cela explique la capacité d'échange d'ions relativement faible de la kaolinite. La liaison hydrogène étroite entre les couches empêche également les molécules d'eau de s'infiltrer entre les couches, ce qui explique le caractère non gonflant de la kaolinite.

Lorsqu'ils sont humidifiés, les minuscules cristaux en forme de plaques de kaolinite acquièrent une couche de molécules d'eau qui les fait adhérer les uns aux autres et confère à l'argile kaolinique sa cohésion. Les liaisons sont suffisamment faibles pour permettre aux plaques de glisser les unes sur les autres lors du moulage de l'argile, mais suffisamment solides pour maintenir les plaques en place et permettre à l'argile moulée de conserver sa forme. Lorsque l'argile est séchée, la plupart des molécules d'eau sont éliminées et les plaques se lient directement les unes aux autres, de sorte que l'argile séchée est rigide mais toujours fragile. Si l'argile est à nouveau humidifiée, elle redeviendra plastique.

Transformations structurelles

Les argiles du groupe kaolinite subissent une série de transformations de phase lors du traitement thermique à l'air à pression atmosphérique.

Fraisage

Le broyage à haute énergie du kaolin entraîne la formation d'une phase mécanochimiquement amorphisée similaire au métakaolin , bien que les propriétés de ce solide soient assez différentes. Le processus de broyage à haute énergie est très inefficace et consomme une grande quantité d'énergie.

Séchage

En dessous de 100 °C, l'exposition à un air à faible humidité entraînera une lente évaporation de l'eau liquide contenue dans le kaolin. À faible teneur en humidité, la masse peut être qualifiée de cuir sec , et à près de 0 % d'humidité, elle est qualifiée d' os sec .

Au-dessus de 100 °C, l'eau libre restante est perdue. Au-dessus de 400 °C environ, les ions hydroxyles (OH - ) sont perdus de la structure cristalline de la kaolinite sous forme d'eau : le matériau ne peut plus être plastifié par absorption d'eau. Ce phénomène est irréversible, tout comme les transformations ultérieures ; on parle alors de calcination .

Métakaolin

La déshydratation endothermique de la kaolinite commence à 550–600 °C, produisant du métakaolin désordonné , mais une perte continue d'hydroxyle est observée jusqu'à 900 °C (1 650 °F). Bien qu'historiquement, il y ait eu beaucoup de désaccords concernant la nature de la phase métakaolin, des recherches approfondies ont conduit à un consensus général selon lequel le métakaolin n'est pas un simple mélange de silice amorphe ( SiO 2 ) et d'alumine ( Al 2 O 3 ), mais plutôt une structure amorphe complexe qui conserve un certain ordre à plus longue portée (mais pas strictement cristallin ) en raison de l'empilement de ses couches hexagonales.

Al2Si2O7 + 2 H2O Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 Al 2 Si 2 O 7 + 2 H 2 O { displaystyle { ce {Al2Si2O5 (OH) 4 -> Al2Si2O7 + 2 H2O}}} Al2Si2O7 + 2 H2O}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e9a9c08b0154c7597b8f7a0d72ac4c851ab30db3">

Spinelle

Un chauffage supplémentaire à 925–950 °C convertit le métakaolin en un spinelle aluminium-silicium qui est parfois également appelé structure de type alumine gamma :

Si3Al4O12 + SiO2 2 Al 2 Si 2 O 7 Si 3 Al 4 O 12 + SiO 2 { displaystyle { ce {2 Al2Si2O7 -> Si3Al4O12 + SiO2}}} Si3Al4O12 + SiO2}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6534f90ccd3d229845ed8cdd1ef9bea1ad20d623">

Mullite plaquettaire

Lors de la calcination au-dessus de 1050 °C, la phase spinelle se nucléise et se transforme en mullite plaquettaire et en cristobalite hautement cristalline :

2 (3 Al2O3 . 2 SiO2) + 5 SiO2 3 Si 3 Al 4 O 12 2 ( 3 Al 2 O 3 2 SiO 2 ) + 5 SiO 2 { displaystyle { ce {3 Si3Al4O12 -> 2 (3 Al2O3 . 2 SiO2) + 5 SiO2}}} 2 (3 Al2O3 . 2 SiO2) + 5 SiO2}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f6577ab878887f07021aef68530b2012f1296996">

Aiguille de mullite

Enfin, à 1400 °C, la forme « aiguille » de la mullite apparaît, offrant des augmentations substantielles de la résistance structurelle et de la résistance à la chaleur. Il s'agit d'une transformation structurelle mais non chimique. Voir grès pour plus d'informations sur cette forme.

Occurrence

Mine de kaolin en République tchèque

La kaolinite est l'un des minéraux les plus courants ; elle est extraite, sous forme de kaolin, en Australie , au Brésil , en Bulgarie , en Chine , en République tchèque , en France , en Allemagne , en Inde , en Iran , en Malaisie , en Afrique du Sud , en Corée du Sud , en Espagne , en Tanzanie , en Thaïlande , au Royaume-Uni , aux États -Unis et au Vietnam .

Les manteaux de kaolinite sont fréquents en Europe occidentale et septentrionale. Leur âge s'échelonne du Mésozoïque au Cénozoïque précoce.

L'argile kaolinique est présente en abondance dans les sols formés par l' altération chimique des roches dans les climats chauds et humides , par exemple dans les zones de forêt tropicale humide. En comparant les sols le long d'un gradient vers des climats progressivement plus froids ou plus secs, la proportion de kaolinite diminue, tandis que la proportion d'autres minéraux argileux tels que l'illite (dans les climats plus froids) ou la smectite (dans les climats plus secs) augmente. Ces différences liées au climat dans la teneur en minéraux argileux sont souvent utilisées pour déduire les changements de climats dans le passé géologique, où des sols anciens ont été enfouis et préservés.

Une usine de traitement du kaolin

Dans le système de classification de l'Institut National pour l'Étude Agronomique au Congo Belge (INEAC), les sols dont la fraction argileuse est majoritairement kaolinite sont appelés kaolisol (issu du kaolin et du sol).

Aux États-Unis, les principaux gisements de kaolin se trouvent dans le centre de la Géorgie , sur un tronçon de la ligne de chute de la côte atlantique entre Augusta et Macon . Cette zone de treize comtés est appelée la ceinture de « l'or blanc » ; Sandersville est connue comme la « capitale mondiale du kaolin » en raison de son abondance de kaolin. À la fin des années 1800, une industrie minière de surface active du kaolin existait dans l'extrême sud-est de la Pennsylvanie, près des villes de Landenberg et Kaolin , et dans ce qui est aujourd'hui la réserve de White Clay Creek. Le produit était acheminé par train jusqu'à Newark, dans le Delaware , sur la ligne Newark-Pomeroy , le long de laquelle on peut encore voir de nombreuses mines d'argile à ciel ouvert. Les gisements se sont formés entre la fin du Crétacé et le début du Paléogène , il y a environ 100 à 45 millions d'années, dans des sédiments dérivés de roches ignées et de métakaolin altérées. La production de kaolin aux États-Unis en 2011 était de 5,5 millions de tonnes.

Un séchoir Buell au Royaume-Uni, utilisé pour sécher le kaolin traité

Au cours du maximum thermique du Paléocène-Éocène, les sédiments déposés dans la région d'Espluga Freda en Espagne ont été enrichis en kaolinite provenant d'une source détritique en raison de la dénudation .

Synthèse et genèse

Français On rencontre des difficultés lorsqu'on essaie d'expliquer la formation de la kaolinite dans des conditions atmosphériques par extrapolation de données thermodynamiques provenant de synthèses à haute température les plus réussies. La Iglesia et Van Oosterwijk-Gastuche (1978) pensaient que les conditions dans lesquelles la kaolinite se nucléera peuvent être déduites des diagrammes de stabilité, basés comme ils le sont sur des données de dissolution. En raison d'un manque de résultats convaincants dans leurs propres expériences, La Iglesia et Van Oosterwijk-Gastuche (1978) ont dû conclure, cependant, qu'il y avait d'autres facteurs, encore inconnus, impliqués dans la nucléation à basse température de la kaolinite. En raison des taux de cristallisation très lents observés de la kaolinite à partir d'une solution à température ambiante, Fripiat et Herbillon (1971) ont postulé l'existence d'énergies d'activation élevées dans la nucléation à basse température de la kaolinite.

A haute température, les modèles thermodynamiques d'équilibre semblent satisfaisants pour la description de la dissolution et de la nucléation de la kaolinite , car l'énergie thermique suffit à surmonter les barrières énergétiques impliquées dans le processus de nucléation . L'importance des synthèses à température ambiante et à pression atmosphérique pour la compréhension du mécanisme impliqué dans la nucléation des minéraux argileux réside dans le dépassement de ces barrières énergétiques. Comme l'ont indiqué Caillère et Hénin (1960) les processus impliqués devront être étudiés dans des expériences bien définies, car il est pratiquement impossible d'isoler les facteurs impliqués par simple déduction à partir de systèmes physico-chimiques naturels complexes tels que l' environnement du sol . Fripiat et Herbillon (1971), dans une revue sur la formation de la kaolinite, ont soulevé la question fondamentale de savoir comment un matériau désordonné (c'est-à-dire la fraction amorphe des sols tropicaux) pourrait être transformé en une structure ordonnée correspondante. Cette transformation semble avoir lieu dans les sols sans changements majeurs de l'environnement, dans une période de temps relativement courte et à température (et pression ) ambiantes.

La synthèse à basse température des minéraux argileux (par exemple la kaolinite) comporte plusieurs aspects. En premier lieu, l'acide silicique à apporter au cristal en croissance doit être sous forme monomérique, c'est-à-dire que la silice doit être présente en solution très diluée (Caillère et al., 1957 ; Caillère et Hénin, 1960 ; Wey et Siffert, 1962 ; Millot, 1970 ). Afin d'éviter la formation de gels de silice amorphes précipitant à partir de solutions sursaturées sans réagir avec les cations aluminium ou magnésium pour former des silicates cristallins , l' acide silicique doit être présent à des concentrations inférieures à la solubilité maximale de la silice amorphe. Le principe qui sous-tend cette condition préalable se retrouve en chimie structurale : « Comme les ions polysilicates ne sont pas de taille uniforme, ils ne peuvent pas s'arranger avec les ions métalliques dans un réseau cristallin régulier. » (Iler, 1955, p. 182 )

Le deuxième aspect de la synthèse à basse température de la kaolinite est que les cations aluminium doivent être hexacoordonnés par rapport à l'oxygène (Caillère et Hénin, 1947 ; Caillère et al., 1953 ; Hénin et Robichet, 1955 ). Gastuche et al. (1962) et Caillère et Hénin (1962) ont conclu que la kaolinite ne peut se former que lorsque l'hydroxyde d'aluminium est sous forme de gibbsite . Sinon, le précipité formé sera un « gel mixte alumino-silicique » (comme le dit Millot, 1970, p. 343). Si c'était la seule exigence, de grandes quantités de kaolinite pourraient être récoltées simplement en ajoutant de la poudre de gibbsite à une solution de silice. Il ne fait aucun doute qu'un degré marqué d'adsorption de la silice en solution par les surfaces de gibbsite aura lieu, mais, comme indiqué précédemment, la simple adsorption ne crée pas le réseau de couches typique des cristaux de kaolinite.

Le troisième aspect est que ces deux composants initiaux doivent être incorporés dans un cristal mixte avec une structure en couches. D'après l'équation suivante (donnée par Gastuche et DeKimpe, 1962) pour la formation de la kaolinite

Si2O5 . Al2(OH)4 + 5H2O 2 Al ( OH ) 3 + 2 H 4 SiO 4 Si 2 O 5 Al 2 ( OH ) 4 + 5 H 2 O {\displaystyle {\ce {2Al(OH)3 + 2H4SiO4 -> Si2O5 . Al2(OH)4 + 5H2O}}} Si2O5 . Al2(OH)4 + 5H2O}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0f28292eb8b216236fe1f4ea6e8e8f49436d850b">

On peut voir que cinq molécules d'eau doivent être éliminées de la réaction pour chaque molécule de kaolinite formée. Des preuves de terrain illustrant l'importance de l'élimination de l'eau de la réaction de la kaolinite ont été fournies par Gastuche et DeKimpe (1962). En étudiant la formation du sol sur une roche basaltique au Kivu ( Zaïre ), ils ont noté comment la présence de kaolinite dépendait du « degré de drainage » de la zone concernée. Une distinction claire a été établie entre les zones à bon drainage (c'est-à-dire les zones avec une différence marquée entre les saisons humides et sèches) et les zones à mauvais drainage (c'est-à-dire les zones marécageuses en permanence ). La kaolinite n'a été trouvée que dans les zones avec des alternances saisonnières distinctes entre humides et sèches. L'importance possible de l'alternance des conditions humides et sèches sur la transition de l'allophane en kaolinite a été soulignée par Tamura et Jackson (1953). Le rôle des alternances entre mouillage et séchage sur la formation de kaolinite a également été noté par Moore (1964).

Synthèses en laboratoire

Les synthèses de kaolinite à haute température (plus de 100 °C [212 °F]) sont relativement bien connues. On peut citer par exemple les synthèses de Van Nieuwenberg et Pieters (1929) ; Noll (1934) ; Noll (1936) ; Norton (1939) ; Roy et Osborn (1954) ; Roy (1961) ; Hawkins et Roy (1962) ; Tomura et al. (1985) ; Satokawa et al. (1994) et Huertas et al. (1999). Relativement peu de synthèses à basse température sont connues (cf. Brindley et DeKimpe (1961) ; DeKimpe (1969) ; Bogatyrev et al. (1997) ).

Français Des synthèses de kaolinite en laboratoire à température ambiante et à pression atmosphérique ont été décrites par DeKimpe et al. (1961). partir de ces tests , le rôle de la périodicité devient clairement évident. DeKimpe et al. (1961) ont utilisé des ajouts quotidiens d' alumine (sous forme d' AlCl3 ·6H2O ) et de silice (sous forme de silicate d'éthyle ) pendant au moins deux mois. De plus, des ajustements du pH ont été effectués chaque jour par ajout d' acide chlorhydrique ou d'hydroxyde de sodium . De tels ajouts quotidiens de Si et d'Al à la solution en combinaison avec les titrages quotidiens avec de l'acide chlorhydrique ou de l'hydroxyde de sodium pendant au moins 60 jours auront introduit l'élément nécessaire de périodicité. Ce n'est qu'à présent que le rôle réel de ce qui a été décrit comme le « vieillissement » ( Alterung ) des alumino-silicates amorphes (comme par exemple Harder, 1978 l'avait noté) peut être pleinement compris. En tant que tel, le temps n'entraîne aucun changement dans un système fermé à l'équilibre ; mais une série d'alternances de conditions changeantes périodiquement (par définition, se produisant dans un système ouvert) entraînera la formation à basse température de plus en plus de phase stable de kaolinite au lieu d'alumino-silicates amorphes (mal définis).

Applications

Principal

En 2009, jusqu'à 70 % du kaolin était utilisé dans la production de papier . Suite à la baisse de la demande de l'industrie du papier, résultant à la fois de la concurrence des minéraux et de l'effet des médias numériques, en 2016, la part de marché était la suivante : papier, 36 % ; céramique, 31 % ; peinture, 7 % et autres, 26 %. Selon l' USGS , en 2021, la production mondiale de kaolin était estimée à environ 45 millions de tonnes.

  • Les applications papier nécessitent des kaolins à haute brillance, à faible abrasion et délaminage. Pour les revêtements de papier, il est utilisé pour améliorer la brillance, la brillance, la douceur et la réceptivité aux encres ; il peut représenter 25 % de la masse du papier. En tant que charge de papier, il est utilisé comme extenseur de pâte et pour augmenter l'opacité ; il peut représenter 15 % de la masse.
  • Dans les pâtes céramiques blanches , le kaolin peut constituer jusqu'à 50 % des matières premières. Dans les pâtes non cuites, il contribue à la résistance à l'état vert, à la plasticité et aux propriétés rhéologiques, telles que la vitesse de coulée. Pendant la cuisson, il réagit avec d'autres composants de la pâte pour former les phases cristalline et vitreuse. Avec des programmes de cuisson appropriés, il est essentiel à la formation de mullite . Les qualités les plus prisées ont de faibles teneurs en oxydes chromophores, de sorte que le matériau cuit présente une blancheur élevée. Dans les glaçures, il est principalement utilisé comme agent de contrôle de la rhéologie, mais contribue également à une certaine résistance à l'état vert. Dans les glaçures et les frittes, il apporte du SiO2 comme formateur de réseau de verre, et de l'Al2O3 comme formateur de réseau et modificateur.

Autres industries

Médical

Produits de beauté

  • Comme agent de remplissage dans les cosmétiques .
  • Pour les masques faciaux ou le savon.
  • pour les soins corporels en spa, tels que les enveloppements corporels, les cocons ou les soins localisés.

Archéologie

Géophagie

  • Les humains mangent parfois du kaolin pour le plaisir ou pour calmer la faim, une pratique connue sous le nom de géophagie . En Afrique, le kaolin utilisé à ces fins est connu sous le nom de kalaba (au Gabon et au Cameroun ), calaba et calabachop (en Guinée équatoriale ). La consommation est plus importante chez les femmes, en particulier pendant la grossesse, et son utilisation est parfois considérée par les femmes de la région comme une habitude analogue au tabagisme chez les hommes. Cette pratique a également été observée au sein d'une petite population de femmes afro-américaines du sud des États-Unis , en particulier en Géorgie , probablement amenées avec les traditions des Africains susmentionnés via l'esclavage . Là-bas, le kaolin est appelé terre blanche , craie ou argile blanche .

Ingénierie géotechnique

  • Les résultats de la recherche montrent que l’utilisation de la kaolinite dans l’ingénierie géotechnique peut être remplacée par de l’illite plus sûre, surtout si sa présence est inférieure à 10,8 % de la masse rocheuse totale.

Utilisations à petite échelle

Rendement de production

La production mondiale de kaolin par pays en 2012 a été estimée à :

Propriétés typiques

Certaines propriétés typiques sélectionnées de divers kaolins de qualité céramique sont :

Sécurité

Le kaolin est généralement reconnu comme étant sans danger , mais il peut provoquer une légère irritation de la peau ou des muqueuses. Les produits à base de kaolin peuvent également contenir des traces de silice cristalline , un cancérigène connu en cas d'inhalation.

Aux États-Unis, l' Administration de la sécurité et de la santé au travail (OSHA) a fixé la limite légale ( limite d'exposition admissible ) pour l'exposition au kaolin sur le lieu de travail à 15 mg/m3 d' exposition totale et 5 mg/m3 d' exposition respiratoire sur une journée de travail de 8 heures. Le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) a fixé une limite d'exposition recommandée (REL) de 10 mg/m3 d' exposition totale TWA et 5 mg/m3 d' exposition respiratoire sur une journée de travail de 8 heures.

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