Metody laboratorního výzkumu hornin a minerálů Dr. Petr Sulovský, Dr. Jiří Faimon
Úkoly ¾ separace minerálů ¾ identifikace minerálů – podle fyzikálních vlastností – podle struktury – podle chemického složení
¾
charakterizace minerálů – – – –
fyzikální vlastnosti charakteristika morfologie a povrchu chemické složení (mikroprvky, nehomogenity) časové změny vlastností, povrchu, složení
Charakterizace hornin
fyzikální vlastnosti (Ö petrofyzika) chemické složení minerální složení vztahy mezi složkami (Ö rheologie)
Separace minerálů Rozvolňování hornin: – drcením – dispergací – rozpouštěním Drcení: • U soudržných hornin (vyvřelé, metamorfované, chemické sedimenty). • Pro účely separace minerálů se drtí tak, aby se v drti vyskytovalo co nejméně agregátů více fází. Velikost výsledného zrna by neměla být výrazně menší než přirozená velikost zrna v hornině.
Mletí D pro účely homogenizace na chemickou, rtg-difrakční či jinou analýzu Přístroje a nástroje • čelisťové drtiče • kruhové mlýny • kulové mlýny a mlýnky • hmoždíř, mechanický hmoždíř • svěrák • třecí misky, mechanická třecí miska
NEBEZPEČÍ KONTAMINACE!
Čelisťové drtiče
Materiály čelistí: Nerez ocel, manganová ocel, kalená ocel, wolframkarbid, oxid zirkoničitý
Diskový mlýnek
Miskové mlýnky
Prstencový (planetový) mlýnek
Materiál: achát, nitrid křemíku, sintrovaný korund, kalená chromová ocel, nerez ocel, ZrO2, polyamid
Rozvolňování hornin Provádí se u klastických sedimentů ¾ prostým naložením do vody ¾ naložením do petroleje (12 - 24 h) a následně do vody (12 24h): desagregace hornin s jílovitým tmelem, jílová frakce zůstává) ¾ "krystalizační" desintegrace: přesycený roztok octanu sodného, var, vhodit krystal sirnatanu nebo octanu sodného ¾ mrazová dezintegrace ¾ ultrazvuková dezintegrace ¾ povařením s dispergačním (peptizačním) činidlem (hexametafosforečnan sodný ap., „Calgon“)
KVARTOVÁNÍ Příprava průměrného vzorku z většího množství materiálu, reprodukovatelné zmenšování velikosti vzorku. kvartovacím přístrojem ruční - v laboratoři metoda kolo - kužel
Rotační dělič sypkých vzorků a suspenzí
SÍTOVÁNÍ • Separace podle velikosti zrna za sucha za mokra
Sítování za mokra
SEPARACE MINERÁLŮ 1. 2. 3. 4.
Plavení a rýžování Chemická disagregace Separace v těžkých kapalinách, suspenzích a taveninách Magnetická separace permanentním magnetem elektromagnetem 5. Elektrostatická separace 6. Dielektrická separace 7. Elektrochemická separace 8. Flotace 9. Elutriace (soupádnost - hustota+velikost / tvar) 10. Selektivní rozpouštění 11. Magnetohydrodynamická separace
Plavení a rýžování
Rozpouštění (chemická desagregace) Provádí se u všech typů hornin 1. kyselina chlorovodíková ¾ horniny s vápnitým tmelem, karbonáty, karbonatity: 0,03- 0,05 M za studena ¾ horniny obs. dolomit, siderit, železitý tmel: 0,05 - 0,1M za tepla ¾ částečně rozpouští: apatit, monazit, thorit, titanaugit, chlorit, olivín, magnetit 2. kyselina octová (5 - 7% roztok) ¾ rozpouštění šetrnější, ale trvá déle ¾ horniny s vápnitým tmelem za studena ¾ horniny s železitým tmelem za tepla
3. kyselina šťavelová ¾ K desagregaci hornin s železitým tmelem (mj. k odstranění limonitických povlaků na opakních min.). Vařit 15 - 20 min v 0,2 - 0,05 M s kouskem hliníku. Zhoršuje výsledky dělení v TK. 4. kyselina dusičná (0,1 M, za tepla) ¾ horniny s pyritovým tmelem (separace zlatinek) 5. kyselina fluorovodíková ¾ zředěná HF (1: 5 - 1 : 10), za stálého míchání, P : K = 1 : 10; k rozpuštění jílovitého tmelu; zůstanou zachovány i v HF snadno rozpustné minerály. ¾ koncentrovaná HF (45 - 50%), za studena, P : K = 1 : 5 - 10; dlouhodobá; nutno rozpustit sekundární produkty fluorokomplexy (teplem, roztoky citronanu amonného a chloridu hlinitého)
Pěnová flotace • většina minerálů jsou látky hydrofilní (vodou smáčitelné) • lze je převést na hydrofobní (odpuzující vodu) změnou kvality povrchu použitím heteropolárních organických látek (sběrače) • polární skupina „přilne“ k povrchu zrna; hydrofobní nepolární skupina „přilne“ k rozhraní voda-vzduch • nejpoužívanější sběrače - xantogenáty
• sběrače jsou selektivní (fungují takto jen u určitých minerálů, které pak lnou k bublinám pěny) • účinnost flotace lze zlepšit přidáním aktivátorů (zlepšují flotovatelnost vybraných minerálů) a / nebo depresorů (zabraňují flotaci hlušiny) • třídění je sice méně „ostré“, ale lze rychle vytřídit velká množství • Flotace je průmyslově užívaná metoda úpravy nerostných surovin, a jiných suspenzí (kaly z čistíren odpadních vod, mladina aj.); též laboratorní separace.
Průmyslový flotátor
Flotace – pokrač. Provedení: 20-30%-ní suspenze minerální drti (normálně 350 – 10 mikronů) + pěnidlo (kresol, pinol, vyšší alkokoly) + sběrač (xantogenáty) + aktivátor / depresor
Elutriace, plavení Dekantace (třídění jílových minerálů) Kopeckého plavicí přístroj Vzdušná elutriace
Stokesův zákon V = (2gr²)(d1-d2)/9µ kde V = rychlost pádu (cm sec-¹), g = gravitační zrychlení (cm sec-²), r = "ekvivalentní" průměr částice (cm), dl = měrná hmotnost částice (g cm -³), d2 = měrná hmotnost kapaliny (g cm-³), µ = viskozita kapaliny (µ vody = 8.904x10-4 kg m-1 s-1 (při 25oC)
Separace v těžkých kapalinách Požadavky na „ideální“ těžkou kapalinu: • • • • •
Chemická stálost Průhlednost Malá viskozita Nejedovatost Dobrá mísitelnost s některým běžným rozpouštědlem • Inertnost k minerálům • Cenová dostupnost
Bromoform (CHBr3 ) • • • • • •
ρ = 2,89 g.cm-3 (při t = 20 oC) Je těkavý (tenze par 5.9 mm Hg při 25oC) Relativně stálý, světlý Nízká viskozita (1.8 cP) Cena 80 USD/kg Je jedovatý: kromě vdechování se i vstřebává kůží. Limit 7 mg/m3 pro dlouhodobou expozici. • Způsobuje podráždění dýchacího ústrojí, očí, slzení, poškození ledvin a jater, podezřelý z karcinogenity
Acetylentetrabromid (1,1,2,2tetrabromoethan; C2H2Br4) Vyšší hustota: ρ = 2,95 g.cm-3 (při t = 20 oC) Menší těkavost (tenze par 0.02 mm Hg při 25oC) Vyšší viskozita (9 cP) Cena cca 80 USD/kg Menší jedovatost (limitní průměrná koncentrace 14 mg/m3 pro dlouhodobou expozici). • Způsobuje bolesti hlavy, podráždění očí, kůže a dýchacího ústrojí, nevolnost, poškození ledvin a jater, podezřelý z karcinogenity
• • • • •
Metylenjodid, dijodmetan • Vysoká hustota (ρ = 3.31 g/cm-3) • Vyšší těkavost (tenze par 1.2 mm Hg při 25oC) • Nízká viskozita (2.6 cP)
Polywolframany • Polywolframan sodný 3Na2 WO4 - 9WO3 - H2O • Cena cca 285 USD/kg • Hustota 2,9 g.cm-3 • Netoxický • Vyšší viskozita (nad 20 cP)
Metawolframan lithný Na6[H2W12O40] • Cena cca 290 USD/kg • Hustota 2.9 g/cm-3 • Viskozita 27 cP (při hustotě 2,9 g.cm-3)
Heteropolywolframan lithný (LST) •Cena cca 185 USD/kg •Hustota 2.9 g/cm-3 •Viskozita 12 cP (při hustotě 2,9 g.cm-3)
•Závislost hustoty na teplotě u SPT (polywolframanu sodného) a LST (heteropolywolframanu lithného) • Závislost hustoty a viskozity u SPT (polywolframanu sodného) a LST (heteropolywolframanu lithného)
•http://www.heavyliquids. com/product_LST/lsta.gif
