ROVANIEMEN YKSIKÖN SÄHKÖDYNAAMISEN MURSKAIMEN TESTAUS RASKASMINERAALIEN SEPAROINTIA SILMÄLLÄ PITÄEN

Transkriptio

1 RAPORTTITIEDOSTO N:O 4590 Geologian tutkimuskeskus Arkistoraportti M41.1/2002/2 ROVANIEMEN YKSIKÖN SÄHKÖDYNAAMISEN MURSKAIMEN TESTAUS RASKASMINERAALIEN SEPAROINTIA SILMÄLLÄ PITÄEN Matti Vaasjoki ja Kristian Lindqvist Espoon yksikkö Tutkimuslaboratorio

2 1 ROVANIEMEN YKSIKÖN SÄHKÖDYNAAMISEN MURSKAIMEN TESTAUS RASKASMINERAALIEN SEPAROINTIA SILMÄLLÄ PITÄEN Matti Vaasjoki ja Kristian Lindqvist Tutkimuslaboratorio Geologian tutkimuskeskus PL 96, Espoo Johdanto Kivilajeista erotettuja puhtaita mineraalifraktioita tarvitaan erilaisiin tieteellisiin ja teollisiin tarkoituksiin. Tieteelliseen käyttöön vaaditaan erittäin puhtaita mineraalikonsentraatteja, joissa sekä lähtöaineksesta että prosessoinnista johtuvien kontaminaatioiden määrä on minimoitu. Tästä seuraa, että mineraalikonsentraattien preparointi on aina hankalaa ja aikaa vievää, vaatien huomattavan työmäärän. Usein työvoimakustannukset selvästi ylittävät muut, esimerkiksi laitteistojen hankinnasta ja huollosta sekä puhtaiden reagenssien ostamisesta aiheutuvat kulut. Perinteisesti mineraaliseparointiin tarkoitetut kivinäytteet on murskattu ja jauhettu mekaanisesti. GTK:n Espoon yksikössä tähän on käytetty leukamurskainta, jolla nyrkin kokoiset kappaleet on murskattu 5-10 mm karkeiseksi syötteeksi valssimyllylle, jolla näyte on lopullisesti jauhettu µm kokoon. Mikäli tarvittava mineraali on suhteellisen harvinainen (esim. zirkoni tai baddeleyiitti emäksissä kivissä) tai alkuperäinen näyte on hienorakeinen (esim. vulkaaniset kivet), näytteen lähtömäärä voi olla useiden kymmenien kilojen luokkaa. Näissä tapauksissa jauhetun materiaalin esikonsentrointi tärypöydällä on ollut tarpeellinen. Näytteen lähtömäärän pienentämien ja yhden tai useampien askeleiden eiiminointi jauhatus- ja esikonsentrointivaiheesta vähentää selvästi tarvittavan työn määrää erityisesti, jos näin voidaan menetellä säännöllisesti. Eräs mahdollisuus on käyttää murskaukseen sähködynaamista shokkimurskausta. Tällaisia laitteistoja testattiin kesäkuussa 2001 Karlsruhessa (Vaasjoki ja Lindqvist 2001) ja lokakuussa 2001 Rovaniemellä. Tämä raportti käsittelee jälkimmäistä koetta.

3 2 Rovaniemen laitteisto Sähköshokkimurskauksen toimintaperiaatetta on käsitelty Karlsruhen raportissa (Vaasjoki ja Lindqvist 2001), joten siihen ei tässä yhteydessä puututa. Sen sijaan Rovaniemen laitteistosta ja sen taustasta on muutama sana paikallaan. Lähtökohtana Rovaniemen projektille ilmeisesti oli Markku Iljinan vierailu Leobenin kaivosteknilliseen korkeakouluun alkuvuodesta 1997, jonka jälkeen Rovaniemen sähkömurskainhanketta lähdettiin viemään eteenpäin. Suunnittelun alusta koekäyttövaiheeseen meni kolme ja puoli vuotta. Hankkeeseen osallistuivat GTK:n lisäksi Rovaniemen ammattikorkeakoulu ja Avion Oy. Rakennuskustannuksista n. 60% saatiin EU:Ita Tekesin kautta. Laite on Karlsruhen laitteeseen (Franka 0) verrattuna huomattavan kompakti, ja voidaan sijoittaa miltei mihinkä tahansa huonetilaan, jossa on vesi ja viemäri sekä riittävä imukapasiteetti prosessissa syntyvän otsonin poistamiseksi. Mitään erityisiä sähköeristyksiä ei tarvita. Ainoa haittatekijä on sähköiskujen aiheuttama huomattava melu. Näytemateriaali, murskaus ja separoirti Rovaniemellä tehdyissä murskauskokeissa käsiteltiin kaksi näytettä. Ns. normaalitapauksena oli - kuten Karlsruhessakin - näyte A1661-Kaplaskumpu, joka on keskirakeinen tonaliitti. Saman kiven rinnakkaisnäyte on käsitelty Otaniemessä perinteisellä menetelmällä. Vaikeampana tapauksena oli näyte A1666-Kuntivaara, joka on hivenen heterogeeninen, perusmassaltaan tiivis, lähes afaniittinen kvartsi-maasälpäporfyyri. Sen kalimaasälpäköyhä osue, A1666a, on murskattu, jauhettu ja separoitu Otaniemessä tavanomaisin menetelmin. Rovaniemellä käsitelty osanäyte A1 666b on kalimaasälvästä rikkaampi. Murskauksen alkuvaiheessa selvisi, että Rovaniemen laitteen kehittämä sähköimpulssi on heikompi kuin Karlsruhen laitteessa. Yksittäisen murskausjakson pituutena käytettiin 7:ää minuuttia, impulssien tiheys oli 1 n. kolmea sekuntia kohden. Karlsruhen laitteeseen verrattuna läpilyöntejä, ts. varauksen purkaumia runkoon näytteen sijasta, esiintyi enemmän. Läpilyöntien

4 3 määrä kasvoi selvästi kunkin murskausjakson lappua kohden, mikä ainakin osittain johtui otsonin rikastumisesta murskaustilaan. Pienempi teho ilmenee selkeästi murskaustuloksessa: saadut tiheysfraktiot painottuvat karkeampaan päähän (Taulukko 1a, Kuva 1), kun taas Karlsruhen laitteella saatiin parhaassa tapauksessa lähes normaalijakauma. Tätä tulosta voitaneen kuitenkin parantaa kaventamalla murskausastian hahlojen leveyttä (sama havainto koski Karlsruhen laitteen neulaa). Tässä yhteydessä on myös todettava, että vaikean tapauksen kohdalla (Karlsruhessa A1652, Rovaniemellä A1666) ei laitteiden välillä havaittu olennaista eroa. Murskauksen aikana osoittautui, että näytteen syöttö Rovaniemen laitteella vaatii reaktioastian ulos ottamista itse laitteistosta ja kääntämistä; tämä operaatio vie aikaa ja aiheuttaa ylimääräistä työtä isompien näyte-erien kanssa. Mineraaliseparointiin valittiin stereomikroskooppitarkastelun perusteella näytteestä A1661 karkeusfraktio mm, kun taas näytteestä A1666 käsiteltiin sekä hienoin (<0.074 mm, A1666f) ja siitä seuraava ( mm, A1666c) karkeusfraktio. Kaikki kolme fraktiota ovat alkupainoltaan 10 g:n luokkaa (Taulukko 1b, Kuva 2). Raskasnesteseparointi tehtiin ainoastaan metyylidijodidilla (tiheys n. 3.3 g/cm 3 ), mikä todettiin tässä tapauksessa riittäväksi. Kaikissa kolmessa tapauksessa raskas rikaste sisälsi rauta-magnesium-silikaatteja, lähinnä amfibolia ja kiillettä, jotka poistettiin Frantzin magneettisella separaattorilla käyttäen 0.6 A virtaa. Kuvasta 3 käy ilmi, että näytteen A1661 karkeusfraktio mm on erottunut monomineraalisiksi fragmenteiksi, ja tästä johtuu myös sen varsin hyvä separointitulos. Lopullinen raskas, epämagneettinen fraktio koostuu pääosin zirkonista ja pyriitistä. Joukossa on myös jokunen monatsiittirae, mutta kuten odottaa sopii, on suurin osa monatsiitista rikastunut magneettiseen fraktioon. Tärkeä piirre on yksittäisten zirkonikiteiden omamuotoisuus ja kidepintojen puhtaus, ts. zirkoni on erkaantunut muista mineraaleista lähes täydellisesti rajapintojaan myöten. Raskas epämagneettinen fraktio sisältää arviolta ainakin 20 mg zirkonia, mikä on hyvä tulos kun lähtöaineksen määrä on 8.3 g. Näytteen A1666 molemmissa hienoimmissa fraktioissa ovat monomineraaliset fragmentit myös vallitsevia (Kuva 4), minkä seurauksena molempien separoituvuus on hyvä ja ne käyttäytyvät separoinnissa samalla tavalla (yhdensuuntaiset yhdysviivat kuvassa 2). Sekä A1666f:n (<0.074 mm} ja A1666c:n ( mm} raskaat epämagneettiset fraktiot koostuvat pääosin zirkonista, pyriitistä ja apatiitista, sekä aksessorisesta punaisen pigmentin (todennäköisesti ferrooksidin tai hydroksidin) peittämästä faasista. Kummassakin fraktiossa valtaosa zirkoneista on omamuotoisia ja pinnaltaan puhtaita, mutta samalla tavataan myös suhteellisen runsaasti katkeilleita zirkonikiteitä. Molemmat raskaat epämagneettiset fraktiot sisältävät useita milligrammoja zirkonia, mitä voidaan pitää hyvänä tuloksena.

5 4 Tulosten tarkastelu Tehdyt kokeet osoittivat, että Rovaniemellä rakennettu sähköshokkimurskain toimii jo nyt tyydyttävästi, vaikka siinä sekä murskaustehon että helppokäyttöisyyden kannalta on edelleen kehittämisen varaa. Verrattuna tavanomaisiin jauhantamenetelmiin, voimakkaisiin sähköimpulsseihin perustuvaa murskausta voidaan pitää edullisena vaihtoehtona, koska näytteen määrä voidaan pitää suhteellisen pienenä. Tämä yksinkertaistaa maastossa tapahtuvaa näytteen ottoa. Tärkein etu on kuitenkin ristikontaminaatiovaaran olennainen vähentyminen, koska itse murskaimessa ei ole liikkuvia osia, joten puhdistus on yksinkertainen juoksevan veden alla tapahtuva harjaus. Näytteen pienuuden vuoksi tärypöytäkäsittely voidaan kokonaan jättää pois. Tästä aiheutuu olennainen työmäärän väheneminen näytettä kohden tuloksen pysyessä ainakin yhtä hyvänä (ilmeisesti parempana) kuin perinteisin menetelmin. Johtopäätökset Edellä esitetyn perusteella tullaan siihen tulokseen että: 1) voimakkaisiin sähköimpulsseihin perustuva murskausmenetelmä soveltuu hyvin mineralogisten ja isotooppigeologisten näytteiden käsittelyyn. 2) Rovaniemen yksikön sähköshokkimurskain on pienin muutoksin saatettavissa toimivaksi tuotantovälineeksi. Käsityksemme mukaan on ajankohtaista harkita mineralogisten ja isotooppigeologisten näytteiden esikäsittely tapahtuvaksi sähködynaamisella menetelmällä. Tarkemmat perustelut ja esitykset toimenpiteiksi teemme erillisessä muistiossa. Kiitokset. - Kiitämme Markku Iljinaa ja Pentti Kouria laitteen esittelystä ja varsinaisen murskauksen tehokkaasta suorittamisesta Rovaniemellä. Matti Karhunen, Leena Järvinen ja Marita Niemelä Espoon yksikön tutkimuslaboratoriosta hoitivat murskattujen näytteiden jatkokäsittelyn ja separoinnit.

6 5 Viitteet Vaasjoki, M. and Lindqvist, K Electrodynamic fragmentation tests aimed at separation of mineral species for mineralogical and isotopic studies. Geological Survey of Finland, Open File Report M41.1/2001/2.

7 6 Taulukko 1. Rovaniemen sähköshokkilaitteistolla tehdyt koemurskaukset ja saatujen jauheiden separoinnit a) Murskaustulokset: karkeusfraktioiden painot grammoina Näyte >0.315 mm <0.074 mm Hävikki Totaali A A b) Separointitulokset: fraktioiden painot grammoina Näyte Paikka Fraktio Alkupaino d>3.3 g/cm 3 Fr. EM 0.6 A A 1661 Kaplaskumpu A 1666c Kuntivaara A 1666f Kuntivaara <

8 7 Kuva 1. Rovaniemellä tehtyjen sähköshokkimurskauskokeiden tulokset. Kuva 2. Raskasneste ja magneettisen separoinnin tulokset. Pystysuora painoakseli (g) on selvyyden parantamiseksi logaritminen.

9 8 Kuva 3. Epämagneettinen (yllä) ja magneettinen (alla) raskasmineraaliseparaatti näytteestä A1661. Skaala (0.2 mm) oikealla alhaalla. Huomaa zirkonien puhtaat kidepinnat epämagneettisessa fraktiossa.

10 9 Kuva 4. Näytteen A1666 hieno (yllä) ja karkea (alla) raskasmineraaliseparaatti. Huomaa hienon fraktion lukuisammat katkenneet zirkonikiteet.