O B L I C Z A N I E S K Ł A D U R A C J O N A L N E G O S U R O W C Ó W M I N E R A L N Y C H

Transkrypt

1 O B L I C Z A N I E S K Ł A D U R A C J O N A L N E G O S U R O W C Ó W M I N E R A L N Y C H opracował : opracowanie zawiera Andrzej Pytliński stron tekstu.18. tablic 2. poz. bibliograf. 6. B o l e s ł a w i e c nr archiw. 1/ /18

2 - 2 - S p i s t r e ś c i. 1. Wprowadzenie 2. Tablica minałów 3. Masy molowe tlenków elementarnych 4. Metodyka obliczeń 5. Przykłady 5.1. Przykład Przykład Przykład Przykład Wykaz piśmiennictwa obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych. 2/18

3 W P R O W A D Z E N I E. Pojęcie składu racjonalnego zostało wprowadzone przez niemieckiego chemika Hermana Bollenbacha pod koniec wieku XIX. Skład racjonalny t.j. skład hipotetycznych minerałów tworzących dany surowiec jest określany na podstawie składu chemicznego przedstawionego w konwencji tlenkowej. Wyliczenie zawartości minerałów w danym surowcu jest możliwe przy następujących założeniach : - że, jakościowy skład minerałów w danym surowcu został określony innymi metodami ; n.p. mikroskopowymi, termicznymi / DTA / dyfrakcją rentgenowską lub innymi. - że, dla każdego minerału przyjmuje się umownie hipotetyczny skład chemiczny, wyrażony w konwencji tlenkowej, stanowiący t. zw. minał czyli formalnie doskonały skład molowy minerału, jednakowy dla wszystkich rzeczywistych minerałów danego typu. W dawniejszych latach, przy małym upowszechnieniu ilościowych oznaczeń składu fazowego, skład racjonalny odgrywał istotną rolę m. in. w ceramice. Aczkolwiek współcześnie zastępuje się pojęcie składu racjonalnego, rzeczywistym składem mineralnym oznaczanym ilościowo metodami analizy fazowej, tradycyjny skład racjonalny według H. Bollenbacha odgrywa ciągle istotną rolę, chociażby jako porównawczy. Podstawą obliczenia składu racjonalnego jest umowne przyjęcie postaci minału Przykładowo dla kaolinitu przyjmowany jest minał o postaci Al Si0 2 2 H 2 0. Żaden rzeczywisty minerał nie spełnia tego składu z bezwzględną dokładnością. Rzeczywiste kaoliny, zawierające duże ilości kaolinitu mają skład na tyle zbliżony, że przyjęcie przytoczonego minału jest powszechnie akceptowane. Dla niektórych minerałów, których składy znacznie różnią się zależnie od ich pochodzenia ustalenie minału jest trudne. Pojawiają się też rozbieżności w postaci minału ustalanego przez różnych badaczy. Wszystko to powoduje, że skład racjonalny nie powinien być utożsamiany ze składem mineralogicznym. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 3/ 18

4 T A B L I C A M I N A Ł Ó W. Kaolinit Al Si0 2 2 H ,51 46,54 13,95 Metakaolinit Al Si0 2 45,92 51,08 Haloizyt Al Si0 2 4 H ,66 40,84 24,50 Pirofyllit Al Si0 2 H ,30 66,70 5,00 Illit 4 Al Si0 2 K H 2 0 minał prof. Mc Kensiego 31,20 50,56 7,21 11,03 3 Al Si0 2 K H 2 0 minał własny CEWAP 24,53 57,81 7,56 10,10 Montmorillonit / sodowy / 5 Al Si0 2 2 Na H ,35 66,02 5,68 4,95 Montmorillonit / wapniowy / bentonit 5 Al Si0 2 2 Ca0 6 H ,48 66,38 5,17 4,97 Ortoklaz / mikroklin / Al Si0 2 K ,32 64,75 16,93 Albit Al Si0 2 Na ,44 68,73 11,82 0bliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 4 / 18

5 - 5 - Petalit Al Si0 2 Li ,65 78,47 4,88 Ortoklaz litowy Al Si0 2 Li ,71 73,22 6,07 Spodumen Al Si0 2 Li ,40 64,57 8,03 Eukryptyt ( zeolit litowy ) Al Si0 2 Li ,46 47,68 11,86 Anortyt Al Si0 Ca0 36,65 43,19 20,16 Celzjan Al Si0 2 Ba0 27,15 32,00 40,85 Muskowit 3 Al Si0 2 K H ,40 45,25 11,83 4,52 Biotyt 2 Al Si0 2 4 Fe0 K H ,91 39,00 26,66 8,74 6,69 Lepidolit / paucilitionit / 5 Al Si0 2 3 Li K H ,37 45,78 5,69 11,58 4,58 Kolemanit 3 B Ca0 5 H ,81 27,28 21,91 obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 5 / 18

6 = 6 - Talk 3 Mg0 4 Si0 2 H ,90 63,35 4,75 Magnezyt Mg0 C0 2 47,81 52,19 Magnezyt uwodniony / hydromagnezyt / Mg0 C0 2 3 H ,11 31,80 Kalcyt, aragonit Ca0 C0 2 56,03 43,97 Dolomit Mg0 Ca0 2 H ,86 30,41 47,73 Syderyt Fe0 C0 2 62,02 37,98 Diaspor Al H ,99 15,01 Boksyt Al H ,89 26,11 Gibbsyt / wodorotlenek glinu / Al H ,35 34,65 Andaluzyt, syllimanit. Al Si0 2 62,93 37,07 obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 6 / 18

7 Mullit Al Si0 2 71,80 28,20 Kordieryt 2 Al Mg0 5 Si0 2 34,84 13,79 51,37 Enstatyt Mg0 Si0 2 40,17 59,8 Gips Ca0 S0 3 2 H ,35 47,60 19,05 Anhydryt Ca0 S0 3 41,19 58,81 Wollastonit Ca0 Si0 2 48,29 51,71 Ilmenit Fe0 Ti ,35 52,65 obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 7 / 18

8 Masy molowe tlenków elementarnych do obliczania minałów w konwencji tlenkowej. H ,016 Li ,88 B ,64 C0 2 44,01 Na ,99 Mg0 40,32 Al ,94 Si0 2 60,06 P ,96 S0 3 80,07 K ,19 Ca0 56,08 Ti0 2 79,90 Mn0 2 86,93 Cr ,02 Fe0 71,85 Fe ,70 Cu0 79,54 Zn0 81,38 Zr ,22 Ag ,76 Cd0 128,41 Sn ,70 Ba0 153,36 Au ,40 Hg0 216,61 Pb ,21 Bi ,00 4. Metodyka obliczeń. Obliczenie składu racjonalnego wymaga znajomości dwóch informacji : - składu chemicznego w konwencji tlenkowej, - jakościowego składu mineralogicznego oznaczonego metodami mineralogicznymi lub fazowymi. Obliczenie rozpoczyna się od wyszukania pierwiastka charakterystycznego dla minerałów występujących w rozważanym surowcu. Przyładowo jeżeli w surowcu ilastym jakościowa analiza fazowa wykazuje występowanie illitu, to pierwiastkiem charakterystycznym będzie potas K, ponieważ potas nie występuje w innych minerałach ilastych. Wiedząc ile potasu zawiera hipotetyczny illit / minał illitu / oblicza się zawartość illitu w rozważanym surowcu ilastym. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 8 / 18

9 - 9 - Z illit = 100 ZK 2 0 : K 2 0 minał gdzie Z illit -- procentowa zawartość illitu w surowcu Z K procentowa zawartość K 2 0 wg analizy chemicznej K 2 0 minał - procentowa zawartość K 2 0 w illicie wg minału. Następnie należy obliczyć ile pozostałych składników wiąże ze sobą oznaczona zawartość illitu. Ilości te są następujące : - tlenek glinu związany z illitem ZZ illit Al = Z illit x Al illit minał : tlenek krzemu związany z illitem ZZ illit Si0 2 = Z illit x Si0 2 illit minbał : strata prażenia związana z illitem ZZ illit STR = Z illit x STR illit minał : 100. gdie ZZ illit Al procentowa zawartość Al związana z z wyznaczoną zawartością illitu, Al 2 0 illit minał - procentowa zawartość Al w illicie wg przyjętego minału, ZZ illit Si0 2 - procentowa zawartość Si0 2 związana z wyznaczoną zawartością illitu, Si0 2 illit minał - procentowa zawartość Si0 2 w illicie wg przyjętego minału, ZZ illit STR - Procentowa wielkość straty prażenia wynikająca z wyznaczonej zawartości illitu, STR illit minał - procentowa strata prażenia illitu wg przyjętego minału. Kolejnym etapem obliczenia jest wyznaczenie zawartości składników / tlenków / pozostałych, po odjęciu składników związanych z illitem. Ilości te są następujące : - pozostały tlenek glinu PAl = ZAl ZZ illit Al pozostały tlenek krzemu PSi0 2 = ZSi0 2 - ZZ illit Si0 2 obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 9 / 18

10 pozostała strata prażenia PSTR = ZSTR - ZZ illit STR gdzie ZAl zawartość Al wg analizy chemicznej surowca, ZSi0 2 - zawartość Si0 2 wg analizy chemicznej surowca, ZSTR - strata prażenia wg analizy chemicznej surowca, PAl pozostały Al po odjęciu Al związanego z wyznaczoną ilością illitu, PSi0 2 - pozostały Si0 2 po odjęciu Si0 2 związanego z wyznaczoną zawartością illitu, PSTR - pozostała strata prażenia po odjęciu straty wynikającej z wyznaczonej zawartości illitu. W prowadzonym tu rozumowaniu strata prażenia traktowana jest jako składnik w składzie chemicznym surowca. Ostatnio wyniki analizy chemicznej podawane są często w stosunku do masy bezwodnej po wyprażeniu w 1000 o C. W takim przypadku dla wykonania obliczeń składu racjonalnego podaną analizę chemiczną należy przeliczyć tak, aby strata prażenia stanowiła składnik w składzie chemicznym oraz aby wszystkie składniki, wraz ze stratą prażenia zamykały się do 100 %. Kolejnym etapem obliczenia składu racjonalnego jest /najczęściej / wyznaczenie zawartości kaolinitu. Dla pozostałych składników pierwiastkiem charakterystycznym jest glin, który po odjęciu illitu występuje już tylko w kaolinicie. Zawartość kaolinitu wyznacza się na podstawie minału kaolinitu Z kao = 100 PZAl : Al 2 0 3minał gdzie Z kao - zawartość kaolinitu w rozważanym surowcu Al 2 0 3minał - zawartość Al w kaolinicie wg przyjęteg0 minału. Kolejnym etapem obliczeń jest określenie ilości składników związanych z wyznaczoną ilością kaolinitu. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 10 / 18

11 Tlenek krzemu związany z kaolinitem ZZ kao Si0 2 = Z kao x Si0 2 kao minał : 100 Strata prażenia związana z kaolinitem ZZ kao STR = Z kao x STR kao minał : 100 gdzie ZZ kao Si0 2 - procentowa zawartość Si0 2 związana z wyznaczoną zawartością kaolinitu, Si0 2 kao minał - procentowa zawartość Si0 2 w kaolinicie wg przyjętego minału, ZZ kao STR - strata prażenia wynikająca z wyznaczonej ilości kaolinitu, STR kao minał - strata prażenia kaolinitu wg przyjętego minału. Na podstawie wyliczonych danych można określić zawartość krzemionki, która pozostała niezwiązana z illitem i kaolinitem. Krzemionka ta stanowi wolny kwarc : KWARC = ZSi0 2 - PSi0 2 - ZZ kao Si0 2 gdzie KWARC - procentowa zawartość kwarcu w rozpatrywanym surowcu, ZSi0 2 - procentowa zawartość krzemionki podana w składzie chemicznym surowca. W analogiczny sposób wyznacza się zawartość substancji palnych / węgla i związków organicznych /: C/Org = STR - PSTR - ZZ kao STR gdzie C/Org - procentowa zawartość substancji palnych, t.j. węgla i substancji organicznych, STR - procentowa wielkość straty prażenia podana w składzle chemicznym surowca. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 11 / 18

12 Przyklady obliczeń 5.1. Przykład 1 W pewnym surowcu ilastym stwierdzono rentgenograficznie występowanie kaolinitu, illitu i kwarcu jako głównych minerałów tego surowca. W charakterystyce tego surowca określono stratę prażenia na 8,85 % oraz podano skład chemiczny masy bezwodnej i odwęglonej po wyprażeniu w 1000 o C jako : Si0 2-67,66% Al ,65 % K 2 0-2,52 % pozostałe - 1,17 % Należy określić skład racjonalny tego surowca. W pierwszej kolejności należy przeliczyć podany skład masy wyprażonej na skład masy suchej. W tym celu wszystkie zawartości tlenkow należy pomnożyć przez wskaźnik e = [100 STR ] : 100. e = [100 8,85 ]: 100 = 0,9115. Skład masy suchej będzie następujący : Si0 2-61,67 % Al ,12 % K 2 0-2,30 % Str. praż. - 8,85 % pozostałe - 1,06% razem - 100,00 % Zamknięcie przeliczenia na 100,00 % jest sprawdzeniem prawidłowości przeliczenia. Pierwiastkiem charakterystycznym jest potas, ponieważ w oznaczonych jakościowo minerałach potas występuje tylko w illicie. Jest więc możliwość obliczenia zawartości illitu z potasu / przyjęto własny minał liitu K 2 0 minał = 7,56 % / Z illit = 100 x 2,30 : 7,56 = 30,4 % obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 12 / 18

13 Illit wiąże ze sobą : tlenku glinu 30,4 x 24,53 : 100 = 7,46 % tlenku krzemu 30,4 x 57,81 : 100 = 17,57 % straty prażenia 30,4 x 7,56 : 100 = 2,30 % Na pozostałe składniki pozostaje tlenku glinu 26,12-7,46 = 18,66 % tlenku krzemu 61,67-17,57 = 44,10 % straty prażenia 8,85-2,30 = 6,55 % Pierwiastkiem charakterystycznym jest teraz glin, ponieważ glin występuje tylko w kaolinicie. Zawartość kaolinitu może nyć więc wyznaczona z Al : Z kao = 100 x 18,66 : 39,51 = 47,23 % Kaolinit wiąże ze sobą tlenku krzemu 47,23 x 46,54 : 100 = 21,98 % straty prażenia 47,23 x 13,95 : 100 = 6,59 % Zawartość kwarcu wynosi : KWARC 61,67-21,98-17,57 = 22,12 % Zawartość węgla i części organicznych wynosi C/ Org 8,85-2,30-6,55 = 0,00 Ostatecznie skład racjonalny rozważanego surowca jest następujący : Kaolinit 47,2 % Illit 30,4 % Kwarc 22,1 % Substancje palne 0,0 % Inne 0,3 % Razem 100, 0 % Przy prawidłowo wykonanej analizie chemicznej w składzie racjonalnym powinien pozostać resztkowy udział na minerały nieoznaczone Zwykle są to minerały żelaza i tytanu, których ilość jest zbyt mała, aby mogły być wykryte w jakościowej analizie mineralogicznej. Przytoczony przykład jest autentyczny i pochodzi z kontroli okresowej rzeczywiście produkowanego surowca ilastego w jednym z zakładów na Dolnym Śląsku. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 13 / 18

14 Przykład 2. Pewna masa porcelanowa została poddana badaniom mineralogicznym i chemicznym. W masie tej stwierdzono występowanie ortoklazu, albitu, kaolinitu i kwarcu. Wynik analizy chemicznej podano dla stanu wysuszonego wraz ze stratą prażenia zamykającą skład do 100 % Si0 2 54,82 % Al ,83 % Na 2 0 2,04 % K 2 0 1,75 % Str. prażenia 8,96 % pozostałe 3,60 % Pierwiastkami charakterystycznymi są sód i potas. Sód występuje tylko w albicie a potas tylko w ortoklazie. Możliwe jest więc wyznaczenie zawartości skaleni. Albit Z Ab = 100 x 2,04 : 11,82 = 17,26 % Ortoklaz Z Or = 100 x 1.75 : 16,93 = 10,34 % Tlenek glinu związany z albitem ZZ ab Al = 17,26 x 19,44 : 100 = 3,36 % Tlenek glinu związany z ortoklazem ZZ Or Al = 10,34 x 18,32 : 100 = 1,88 % Razem tlenek glinu związany ze sakaleniami ZZ sk Al = 3,36 + 1,88 = 5,24 % Krzemionka związana z albitem ZZ ab Si0 2 = 17,26 x 68,73 : 100 = 11,86 % Krzemionka związana z ortoklazem ZZ or Si0 2 = 10,34 x 64,75 : 100 = 6,70 % Razem krzemionka związana ze skaleniami ZZ sk Si0 2 = 11,86 + 6,70 = 18,56 % Skalenie nie są związane ze stratą prażenia. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 14 / 18

15 Pozostały tlenek glinu P Al = 29,83-5,24 = 24,59 % Pozostała krzemionka P Si0 2 = 54,82-18,56 = 36,26 % Pozostała strata prażenia, bez zmian jak w masie pierwotnej P STR = 8,96 % Pierwiastkiem charakterystycznym dla pozostałości po skaleniach jest glin, ponieważ tulko glin wchidzi w skład kaolinitu. Zawartość kaolinitu Z kao = 100 P Al : Al minał Z kao = 100 x 24,59 : 39,51 = 62,24 % Krzemionka związana z kaolinitem ZZ kao Si0 2 = 62,24 x 46,54 : 100 = 28,07 % Strata prażenia związana z kaolinitem ZZ kao STR = 62,84 x 13,95 : 100 = 8,77 % Zawartość kwarcu wynosi KWARC = 36,26-28,07 = 8,19 % Zawartość organicznych substancji palnych i węgla wynosi C/Org = 8,96-8,77 = 0,19 % Ostatecznie skład racjonalny rozpatrywanej masy porcelanowej jest następujący : Kaolinit 62,2 % Ortoklaz 10,3 % Albit 17,3 % Kwarc 8,2 % Substancje organiczne 0,2 % Pozostałe 1,8 % Zwraca uwagę stosunkowo wysoka ilość pozostałych składników. Prawdopodobnie jest to spowodowane pominięciem Ca0 w obliczeniach. Skalenie a szczególnie albit zawiera zwykle domieszkę anortytu. Domieszkę tę można wyznaczyć w obliczeniach racjonalnych przyjmując wapń jako pierwiastek charakterystyczny. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 15/ 18

16 Przykład 3. Pewien surowiec kaolinowy wykorzystywany jest do wytwarzania spieku o składzie mullitu. Dla zapewnienia takiego składu dodawany jest gibbsyt / wodorotlenek glinu / W składzie chemicznym stosowanego kaolinu oznaczono w masie suchej Si0 2-55,6 % Al % K 2 0-0,7 % Stratę prażenia - 11,1 % Wiadomo, ze w kaolinie używanym do wytwarzania palonki, kaolinitowi towarzyszy illit. Należy obliczyć w jakim stosunku wagowym należy mieszać kaolin z gibbsytem. Obliczenie należy rozpocząć od wyeliminowania illitu, który w procesie wytwarzania spieku będzie pełnił rolę mineralizatora. Zawartość illitu wyniesie Z illit = 100 x 0,7 : 7,56 = 9,26 % Tlenek glinu związany z illitem wynosi ZZ illit Al = 9,26 x 24,53 : 100 = 2, 27 % Tlenek krzemu związany z illitem wynosi ZZ illit Si0 2 = 9,26 x 57,81 : 100 = 5,35 % Strata prażenia związana z illitem wynosi ZZ illit STR = 9,26 x 10,10 : 100 = 0,94 % Do syntezy mullitu pozostało Al = 31,50-2,27 = 29,23 % Si0 2 = 55,60-5,35 = 50,26 % STR = 11,1 0-0,94 = 10,16 % Strata prażenia nie bierze udziału w syntezie mullitu a więc, na każde 100 części wagowych surowca, po wyprażeniu do syntezy mullitu pozostanie Al = 29,23 części wagowych Si0 2 = 50,26 części wagowych Glin całkowicie wejdzie w skład mullitu. obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 16 / 18

17 Umożliwi to uzyskanie 100 x 29,23 : 62,93 = 46,45 cz. wag. mullitu Krzemionka związana z mullitem wyniesie ZZ mull Si0 2 = 46,45 x 37,07 : 100 = 17,22 cz. wag. Pozostała niezwiązana krzemionka wyniesie P Si0 2 = 50,26-17,22 = 33,04 cz. wagowe. Na związanie tej krzemionki w mullit potrzeba części wagowych Al = 33,04 x 62,93 : 37,07 = 56,09. Gibbsyt zawiera wg minału 65,35 % Al Aby wprowadzić wymaganą ilość tlenku glinu trzeba wprowadzić gibbsytu 56,09 : 65,35 x 100 = 90,42 części wagowe Ostatecznie : Na każde 100 części wagowych stosowanego kaolinu należy wprowadzić 90,4 części wagowych gibbsytu aby otrzymać spiek o składzie mullitu Przykład 4. W pewnej kopalni gipsu i anhydrytu eksploatowany jest pokład zawierający mieszaninę tych minerałów o zmieniającym się składzie. Zmienność ta utrudnia przeróbkę wydobywanego surowca i wsad do przeróbki wymaga uśredniania. Do tego celu konieczna jest znajomość zawartości gipsu i anhydrytu w każdej partii wydobywczej. Dla pewnej partii wydobywczej surowca wykonano oznaczenie straty prażenia i uzyskano wynik 16,98 %. Należy określić jaka jest procentowa zawartość gipsu i anhydrytu w tej partii surowca do przeróbki. W mieszaninie gipsu i anhydrytu składnikiem charakterystycznym jest strata prażenia, ponieważ stratę prażenia wykazuje tylko gips. Zawartość gipsu może być bezpośrednia wyliczona Z gios = 100 x 16,98 : = 89,13 % Zawartość anhydrytu wyniesie Z anh = ,13 = 10,87 % Eksploatowana partia surowca zawiera 89,1 % gipsu i 10,9 % anhydrytu obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 17 / 18

18 Wykaz piśmiennictwa. 1. Bolewski A, Manecki A - Mineralogia Szczegółowa. Wydawn. PAE Warszawa Borkowska M., Smulikowski K. - Minerały Skałotwórcze. Wydawn Geolog. Warszawa Bolewski A., Parachoniak W. - Petrografia.Wydawn. Geolog. Warszawa Stoch L - Minerały Ilaste Wydawn. Geolog. Warszawa Wyszyńska A. - Chemia Ceramiczna. Wydawn. Szkolne i Pedagog. Warszawa Praca zbiorowa AGH - Encyklopedia Surowców Mineralnych. Wydawn. PAN Kraków K O N I E C obliczanie składu racjonalnego surowców mineralnych 18 / 18

19

20