GEORISORSE PER L’INDUSTRIA VETRARIA

GEORISORSE PER L’INDUSTRIA VETRARIA Produzione annuale di vetro Unione Europea 21 Mt/anno (66% contenitori; 22% lastre piane o finestre) USA 15Mt/anno Giappone 13Mt/anno Il vetro più diffuso è quello a base di silice, ossido di calcio e ossido di sodio; poiché gli ultimi due componenti sono introdotti come carbonati la produzione di vetro comporta il rilascio di CO2 Vetri speciali (Pyrex, Vycor), per ottica, fibre di vetro, rinforzi e isolanti, fibre ottiche, vetroceramiche, ecc.) Il prodotto da realizzare determina le caratteristiche alle quali devono rispondere le materie prime impiegate per la sua produzione Boro (resistere a stress termici); Piombo (lavorazioni artistiche); Al2O3 (resistenza termica e agli attacchi chimici); fluoruri (vetri opachi); Litio (può agire da fondente negli impasti); altri componenti sono aggiunti per influenzare l’indice di rifrazione o la colorazione STRUTTURA E PROPRIETA’ DEL VETRO Il vetro è un materiale amorfo Deriva da un liquido che non avuto il tempo di organizzarsi in un reticolo cristallino a causa di un raffreddamento improvviso Non tutti i liquidi sono vetrogeni I liquidi vetrogeni hanno un’elevatissima viscosità in prossimità del punto di fusione* dovuta all’elevato grado di polimerizzazione della struttura, che ne impedisce o ne rallenta la riorganizzazione nelle disposizioni proprie della struttura cristallina *La silice fusa (1720°C) una viscosità 109 volte quella dell’acqua a 20°C La struttura del vetro: unità tetraedriche centrate da un atomo di Si e quattro ossigeni vertici; i tetraedri sono collegati fra loro attraverso gli atomi di ossigeno A differenza delle strutture cristalline (sin.) nel vetro gli angoli fra i tetraedri sono variabili (dx.) Disposizione dei tetraedri in un cristallo di quarzo e in un vetro di silice Tale variabilità implica una forza di legame differente da punto a punto: ciò spiega l’assenza di un netto punto di fusione del vetro e il progressivo passaggio allo stato liquido per una graduale diminuzione di viscosità Formatori di reticolo Oltre a SiO2 anche GeO2 e P2O5 vetrificano dando strutture tetraedriche mentre B2O3 e As2O3 hanno unità strutturali costituite da triangoli Modificatori di reticolo Na2O , K2O , Li2O , MgO , CaO , BaO e ZnO La loro introduzione può provocare variazioni nella continuità del reticolo L’interruzione della struttura reticolare determina variazioni nelle proprietà fisiche dei vetri di silice: in particolare diminuisce la viscosità*, migliorando la lavorabilità del vetro a temperature inferiori che consentono anche un risparmio in termini energetici *Viscosità esprime la resistenza di un fluido allo scorrimento in risposta ad una sollecitazione applicata tangenzialmente; è espressa in Pa.s (N s/m2) o in Poise ( Pa.s = 10 P ) BeO , Al2O3 , TiO2 e ZrO2 agiscono da formatori o da modificatori in funzione del tipo di ossidi quali sono aggiunti Esempio: l’allumina in un vetro di silice agisce solo come modificatore, mentre in un vetro sodico-calcico si comporta da formatore di reticolo Partendo dallo stato fuso la viscosità aumenta il raffreddamento P.to di rammollimento: T alla quale il vetro scorre ancora sotto l’azione del proprio peso Intervallo termico ampio: vetri “lunghi”, “corti” nel caso opposto P.to di lavorazione: T alla quale è possibile Iniziare la formatura PROPRIETA’ MECCANICHE, TERMICHE, CHIMICHE ED OTTICHE DEL VETRO A temperatura ambiente è elastico e fragile Ha durezza nella scala di Mohs E’ un cattivo conduttore di calore; gli sbalzi termici possono indurre al suo interno delle tensioni La resistenza agli acidi è generalmente elevata Si possono ottenere vetri di elevata resistenza chimica riducendo la quantità di alcali e introducendo come formatore di reticolo oltre alla silice del B2O3 La resistenza del vetro comune agli alcali è meno buona: questi infatti sono in grado di spezzare il reticolo in corrispondenza degli ossigeni ponte La trasparenza è la proprietà ottica più importante dei vetri I vetri opachi si ottengono introducendo delle sostanze finemente disperse che restano insolubili nel vetro fuso, e avendo indice di rifrazione diverso disperdono la luce compromettendo la trasparenza del vetro L’indice di rifrazione di un vetro comune è n=1,51 e aumenta in funzione del tipo e della quantità dei modificatori introdotti I veri colorati si ottengono introducendo percentuali anche minime di sostanze che assorbono determinate lunghezze d’onda, rendendo apprezzabile il colore complementare Il colore dipende dallo stato di ossidazione dello ione, dal numero di ossigeni cui si coordina e dagli altri componenti presenti nella miscela LE MATERIE PRIME PER LA PRODUZIONE La più importante è costituita da sabbia silicea elevato grado di purezza; le sabbie idonee sono relativamente rare (le migliori sono quelle francesi della zona sud-est del bacino di Parigi: Nemours, Fontainebleau) In Italia vengono usate sia sabbie (es.: Priverno, Roccastrada e Florinas) che quarziti (presenti nella provincia di Cuneo), tuttavia la richiesta nazionale è tale che già nel 1994 sono state importate 1.144.930 t di sabbie di buona qualità La granulometria deve essere fra 125 e 500 μm Ematite e cromite devono essere assenti: colorazioni e punti di fragilità (cromite) Per stabilire il campo d’impiego di una sabbia è quindi necessario eseguire analisi chimiche, mineralogiche e fisiche Le sabbie utilizzate nell’industria vetraria hanno un costo per tonnellata relativamente basso, conseguentemente vanno cercate a distanze non elevate dal luogo di consumo (da 150 a 200 km); le sabbie particolarmente pure possono subire trasporti fino a 800-1500 km I giacimenti di norma sono coltivati a cielo aperto; spessore minimo del deposito >2m Lo stripping ratio va da 1/2 a 1/3 (si può arrivare a 2/1 : Gran Bretagna, sabbie cretaciche in livelli spessi fra e 7.5m una copertura di 10m; sono piuttosto pure, bianche, e sciolte) Questi litotipi si trovano, sia sciolti (preferibili) che debolmente consolidati, in ambienti deposizionali di origine marina, lacustre, fluviale o eolica; la loro età può essere varia Isola Fraser – Australia Durante gli anni ’70 l’isola fu contesa dalle compagnie di estrazione di sabbia Le sabbie non idonee per i vetri possono essere impiegate come “sabbie da fonderia” (molding sands) Prezzi al 1993: per vetri: 10-15 sterline/t; per fonderia 12-17 sterline/t; per l’edilizia sterline/t se lavate e vagliate, 2-3 sterline/t se tal quali Il carbonato di calcio deve essere di elevata purezza: il contenuto di Fe deve essere molto basso, e la percentuale di Mg deve essere accuratamente determinata Per stabilire il campo d’impiego di un calcare l’analisi chimica costituisce il criterio selettivo più importante I depositi di calcare - roccia sedimentaria - sono spesso stratificati e notevole continuità laterale, ma si trovano anche come scogliere dovute a biocostruzione da parte di coralli e/o alghe, o ancora come accumuli clastici I calcari di scogliera rappresentano spesso sorgenti di materiale di elevata qualità, soprattutto se si sono formati in mare aperto Esempi di situazioni indesiderate Impurità primarie: componenti clastiche (possono introdurre silice, allumina, ferro, ecc); ceneri vulcaniche Processi diagenetici (formazione di noduli di selce; dolomitizzazione) Processi idrotermali (solfuri o fluoruri) Processi di metamorfismo di contatto (silicati di calcio dispersi nel calcare) I calcari hanno elevato place value, solo quelli particolarmente puri, come quelli richiesti in campo vetrario (e chimico) possono giustificare trasporti più lunghi, comunque mai superiori 1000 km I giacimenti devono essere sfruttabili a cielo aperto, stripping ratio da a 1/2; la dimensione minima del giacimento dovrebbe essere Mt I calcari servono anche per la produzione del carbonato di sodio il metodo Solvay La scoperta e lo sfruttamento di enormi depositi naturali (di natura evaporitica) di carbonato di sodio sotto forma di vari sali*, rende la produzione di questo sale antieconomica in molti paesi, ma non in Europa * dawsonite nahcolite natron thermonatrite trona wegscheiderite NaAlCO3(OH)2 NaHCO3 Na2CO3.10H2O Na2CO3.H2O Na3H(CO3)2.2H2O Na5H3(CO3)4 TRONA Na3(HCO3)(CO3)·2(H2O) PM=226.03g 30.51 % Na 15 cm 2.23 % H 10.63 % C 56.63 % O Ambiente di formazione: Depositi evaporitici continentali Alterazione in nahcolite Provenienza: Searles Lake, San Bernardino County, California, USA NAHCOLITE (o bicarbonato di sodio) NaHCO3 PM=84.01g 27.37 % Na 1.20 % H 14.30 % C 57.14 % O Ambiente di formazione: Depositi evaporitici continentali Provenienza: Searles Lake, San Bernardino County, California, USA 2.1 cm Il più grande deposito di minerali contenente carbonati di sodio sotto varie forme è nel Wyoming (Green River Formation) Questo tratto origine da un grande lago alcalino intra-continentale di età eocenica Le riserve stimate sono pari a 100 miliardi di tonnellate di Na 2CO3 Il trona forma livelli di elevata purezza spessi fino a 11m ed estesi anche 2250km2; tali livelli sono alternati ad halite (NaCl), sedimenti clastici e livelli argillosi contenenti oli minerali Nel Wyoming le operazioni di estrazione avvengono in sotterraneo, a profondità fino a 520 m Altri depositi di carbonati di sodio si trovano in laghi alcalini come quelli della Sierra Nevada (es.: Searles Lake) ed i laghi legati al Rift Africano (es.: Magadi Lake) Questi depositi sono legati a sorgenti alcaline che nel Rift Africano sono associate ad un tipo di vulcanismo (carbonatitico) piuttosto raro In questi contesti vi sono singoli livelli di trona che raggiungono i 35m di spessore; l’attuale formazione di trona nei laghi alcalini è dimostrata nel Lago Magadi, dove l’evaporazione annuale porta alla precipitazione di livelli di trona spessi da a cm Lago Magadi –Kenya Le venature diversamente colorate (lick) denotano zona ad elevata salinità La Magadi Soda Company (la più antica società mineraria del Kenya) fu fondata per lo sfruttamento dei depositi naturali di carbonati di sodio Lago Logipi –Kenya Esempio di lago alcalino: notare la fascia biancastra di carbonato di sodio lungo la riva Lago d’Assal – Gibuti (Africa Orientale) Ambiente evaporitico: la concentrazione del sale è tale che si formano delle croste sulla superficie del lago ... corrispondenza degli ossigeni ponte La trasparenza è la proprietà ottica più importante dei vetri I vetri opachi si ottengono introducendo delle sostanze finemente disperse che restano insolubili... estrazione di sabbia Le sabbie non idonee per i vetri possono essere impiegate come “sabbie da fonderia” (molding sands) Prezzi al 1993: per vetri: 10-15 sterline/t; per fonderia 12-17 sterline/t;... per una graduale diminuzione di viscosità Formatori di reticolo Oltre a SiO2 anche GeO2 e P2O5 vetrificano dando strutture tetraedriche mentre B2O3 e As2O3 hanno unità strutturali costituite