Metody laboratorního Metody laboratorního výzkumu hornin a výzkumu hornin a

minerálůminerálů

Dr. Petr Sulovský, Dr. Jiří Dr. Petr Sulovský, Dr. Jiří FaimonFaimon

ÚkolyÚkolyseparace minerálůidentifikace minerálů– podle fyzikálních vlastností– podle struktury– podle chemického složení

charakterizace minerálů– fyzikální vlastnosti– charakteristika morfologie a povrchu– chemické složení (mikroprvky, nehomogenity)– časové změny vlastností, povrchu, složení

Charakterizace hornin

fyzikální vlastnosti ( petrofyzika)chemické složeníminerální složenívztahy mezi složkami ( rheologie)

Separace minerálůSeparace minerálůRozvolňování 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 výrazněmenší než přirozená velikost zrna v hornině.

Mletí

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

NEBEZPENEBEZPEČČÍÍ KONTAMINACE!KONTAMINACE!

ČČelisťové drtičeelisťové drtiče

Materiály čelistí: Nerez ocel, manganová ocel, kalená ocel, wolframkarbid, oxid zirkoničitý

Diskový mlýnekDiskový mlýnek

Miskové mlýnkyMiskové mlýnky

Prstencový (planetový) mlýnekPrstencový (planetový) mlýnek

Materiál: achát, nitrid křemíku, sintrovaný korund, kalená chromová ocel, nerez ocel, ZrO2, polyamid

Rozvolňování horninRozvolňování horninProvádí se u klastických sedimentů

prostým naložením do vody

naložením do petroleje (12 - 24 h) a následně do vody (12 -24h): desagregace hornin s jílovitým tmelem, jílová frakce zůstává)

"krystalizační" desintegrace: přesycený roztok octanu sodného, var, vhodit krystal sirnatanu nebo octanu sodného

mrazová dezintegrace

ultrazvuková dezintegrace

povařením s dispergačním (peptizačním) činidlem (hexametafosforečnan sodný ap., „Calgon“)

KVARTOVÁNÍ 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 Rotační dělič sypkých vzorků a suspenzísuspenzí

SÍTOVÁNÍSÍTOVÁNÍ• Separace podle velikosti

zrna- za sucha- za mokra

SítováníSítování za mokraza mokra

SEPARACE MINERÁLŮ

1. Plavení a rýžování2. Chemická disagregace3. Separace v těžkých kapalinách, suspenzích a taveninách4. Magnetická separace

- permanentním magnetem- elektromagnetem

5. Elektrostatická separace6. Dielektrická separace7. Elektrochemická separace8. Flotace9. Elutriace (soupádnost - hustota+velikost / tvar)10. Selektivní rozpouštění11. Magnetohydrodynamická separace

Plavení a rýžování

RozpouRozpouššttěěnníí (chemick(chemickáádesagregacedesagregace))

Provádí se u všech typů hornin

1. kyselina chlorovodíkováhorniny s vápnitým tmelem, karbonáty, karbonatity: 0,03- 0,05

M za studenahorniny obs. dolomit, siderit, železitý tmel: 0,05 - 0,1M za teplačástečně rozpouští: apatit, monazit, thorit, titanaugit, chlorit,

olivín, magnetit2. kyselina octová (5 - 7% roztok)

rozpouštění šetrnější, ale trvá délehorniny s vápnitým tmelem za studenahorniny s železitým tmelem za tepla

3. kyselina šťavelová

K desagregaci hornin s železitým tmelem (mj. k odstraněnílimonitických 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)

horniny s pyritovým tmelem (separace zlatinek)5. kyselina fluorovodíková

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.

koncentrovaná HF (45 - 50%), za studena, P : K = 1 : 5 - 10; dlouhodobá; nutno rozpustit sekundární produkty -fluorokomplexy (teplem, roztoky citronanu amonného a chloridu hlinitého)

PPěěnovnováá flotaceflotace

• 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 nepolárnískupina „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 laboratorníseparace.

Průmyslový flotátor

Flotace Flotace –– pokračpokrač..

Provedení:

20-30%-ní suspenze minerální drti (normálně 350 – 10 mikronů) + pěnidlo (kresol, pinol, vyšší alkokoly) + sběrač (xantogenáty) + aktivátor / depresor

ElutriaceElutriace, plavení, 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 Separace v těžkých kapalináchkapalinách

Požadavky na „ideální“ těžkou kapalinu:

• Chemická stálost• Průhlednost• Malá viskozita• Nejedovatost• Dobrá mísitelnost s některým běžným

rozpouštědlem• Inertnost k minerálům• Cenová dostupnost

Bromoform (Bromoform (CHBrCHBr33 ))

• 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

AcetylentetrabromidAcetylentetrabromid (1,1,2,2(1,1,2,2--tetrabromoethantetrabromoethan; C; C22HH22BrBr44))

• 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

MetylenjodidMetylenjodid, , dijodmetandijodmetan

• Vysoká hustota (ρ = 3.31 g/cm-3)• Vyšší těkavost (tenze par 1.2 mm Hg při

25oC)• Nízká viskozita (2.6 cP)

PolywolframanyPolywolframany

• Polywolframan sodný 3Na2 WO4 - 9WO3 - H2O

• Cena cca 285 USD/kg

• Hustota 2,9 g.cm-3

• Netoxický

• Vyšší viskozita (nad 20 cP)

MetawolframanMetawolframan lithný Nalithný Na66[H[H22WW1212OO4040]]

• 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 (polywolframanusodného) a LST (heteropolywolframanulithného)

• Závislost hustoty a viskozity u SPT (polywolframanusodného) a LST (heteropolywolframanulithného)

•http://www.heavyliquids.com/product_LST/lsta.gif