Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Ιωάνης Μήτσης, Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος, Ε.Κ.Π.Α.
Μιχαήλ Σταματάκης Καθηγητής Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος Ε.Κ.Π.Α.
Παναγιώτης Βουδούρης Καθηγητής Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος Ε.Κ.Π.Α.
Περίληψη:
Τα πολύμορφα ορυκτά της ομάδας του κυανίτη βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στη
βιομηχανία πυρίμαχων υλικών χάριν των εξαιρετικών φυσικοχημικών ιδιοτήτων που
εμφανίζουν σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον η ιδιότητά τους να μετατρέπονται σε μουλλίτη μέσω θερμικής επεξεργασίας τα καθιστά ιδανικά για την επένδυση φούρνων υψηλών θερμοκρασιών στις βιομηχανίες μετάλλων, τσιμέντου κ.α. Ωστόσο η καταλληλότητα των πολύμορφων του κυανίτη ως προς τη χρήση τους σε πυρίμαχες εφαρμογές καθορίζεται από βιομηχανικές προδιαγραφές συγκεκριμένων στοιχειομετρικών ορίων. Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διατριβή Ειδίκευσης αφορά τον χαρακτηρισμό του κυανίτη της Νάξου ως προς την αξιοποίησή του με σκοπό τη χρήση του σε πυρίμαχες εφαρμογές. Για την επίτευξη του στόχου αυτού πραγματοποιήθηκαν: (α) ο εντοπισμός και η χαρτογράφηση των περιοχών εμφάνισης των κυανιτοφόρων πετρωμάτων και η ανάκτηση αντιπροσωπευτικών δειγμάτων, (β) ο ορυκτολογικός και ιστολογικός χαρακτηρισμός του κυανίτη και των κυανιτοφόρων πετρωμάτων, (γ) η παραγωγή εμπλουτισμάτων κυανίτη και ο προσδιορισμός του ποσοστού περιεκτικοτήτων των κυανιτοφόρων σχιστολίθων, (δ) η χημική/ορυκτολογική ανάλυση των κυανιτικών εμπλουτισμάτων και (ε) ο έλεγχος της πυρίμαχης συμπεριφοράς των κυανιτικών εμπλουτισμάτων και της ιδιότητας αυτών να μετασχηματίζονται σε συσσωματώματα μουλλίτη μέσω δοκιμών θερμικής επεξεργασίας.
Στις περιοχές Μονή, Σίφωνες και Σκαδό εντοπίστηκαν κυανιτοφόροι ορίζοντες
μαρμαρυγιακών σχιστολίθων, ενώ στην περιοχή Απόλλωνας παρατηρήθηκαν
συσσωματώματα κρυστάλλων κυανίτη τα οποία φιλοξενούνται από ευμεγέθεις χαλαζιακές φλέβες. Συνολικά ελήφθησαν 21 δείγματα τα οποία αναλύθηκαν μέσω p-XRD, ενώ κατασκευάστηκαν λεπτές τομές ώστε να μελετηθούν ιστολογικά χαρακτηριστικά μέσω οπτικού και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου από όπου ελήφθησαν πάνω από 400 φωτογραφίες συνολικά. Η ορυκτολογική παραγένεση των σχιστολιθικών δειγμάτων αποτελείται από τα ορυκτά: χαλαζίας, βιοτίτης, μοσχοβίτης, πλαγιόκλαστο, κυανίτης ± σιλλιμανίτης. Δευτερεύοντα ορυκτά που εντοπίστηκαν είναι: αλμανδίνης, απατίτης, ζιρκόνιο, μοναζίτης, ξενότιμο, ιλμενίτης, ρουτίλιο και γκαιτίτης, τα οποία δεσμεύουν πόρους, κενά λόγω σχιστότητας ή ρωγμές, εντός της μάζας των κύριων ορυκτών ή κατά μήκος της επαφής αυτών. Πραγματοποιήθηκαν ακόμη 331 σημειακές αναλύσεις (EDS) μέσω των οποίων διαπιστώθηκε η απουσία χημικών προσμίξεων στο κρυσταλλικό πλέγμα του κυανίτη. Παρατηρήθηκαν ωστόσο ορισμένες εξαιρέσεις στις οποίες κρύσταλλοι κυανίτη περιείχαν μικρά εγκλείσματα ορυκτών όπως αλμανδίνης, απατίτης, ζιρκόνιο, μοναζίτης και ξενότιμο. Επιπλέον διαπιστώθηκε στενή γενετική σχέση των μαρμαρυγιών: βιοτίτη και μοσχοβίτη, με τον κυανίτη. Σε αρκετές περιπτώσεις κρύσταλλοι κυανίτη «πλεόυν» εντός μαρμαρυγιακών ζωνών. Επιπλέον εξαλλοιωμένοι κρύσταλλοι κυανίτη έχουν αντικατασταθεί από μοσχοβίτη ή περιέχουν στη μάζα τους, εντός κενών λόγω σχισμού, εγκλείσματα βιοτίτη. Ακόμη κρύσταλλοι κυανίτη έχουν ψευδομορφωθεί μερικώς από χαλαζία. Η κοκκομετρία απελευθέρωσης του κυανίτη (500-280 μm) επιλέχθηκε βάσει μικροσκοπικών παρατηρήσεων και βιβλιογραφικών αναφορών. Ο σχεδιασμός της μεταλλουργικής επεξεργασίας των σχιστολιθικών δειγμάτων με σκοπό την ανάκτηση κυανιτικών εμπλουτισμάτων προέβλεπε θραύση των δειγμάτων, κοσκίνιση στην επιλεγμένη κοκκομετρία και βαρυτομετρικό διαχωρισμό με χρήση του βαρέος υγρού Sodium Metatungstate. Η μέση περιεκτικότητα κυανίτη των σχιστολιθικών πετρωμάτων είναι 8.5% με σημαντική διακύμανση τιμών (2.1% - 18.7%) ανάλογα με την περιοχή μελέτης. Επιπλέον παρατηρήθηκαν ελεύθεροι κόκκοι των εμπλουτισμάτων μέσω SEM-EDS, πραγματοποιώντας 334 φωτογραφίσεις και 214 σημειακές αναλύσεις, ώστε να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητα της επιλεγμένης κοκκομετρίας θραύσης και του εμπλουτισμού. Τα εμπλουτίσματα στα οποία παρατηρήθηκαν οι περισσότερες περιπτώσεις συσσωματωμάτων κυανίτη/στείρων ορυκτών προέρχονται από την περιοχή της Μονής. Η πλειοψηφία των συσσωματωμάτων αποτελούνται από τα ορυκτά βιοτίτης/κυανίτης, τα οποία σχημάτιζαν εναλλαγές κρυσταλλικών στρώσεων σε μορφή “sandwich-like”. Παρατηρήθηκαν ακόμη συσσωματώματα κυανίτη/αλμανδίνη, κυανίτη/απατίτη και
κυανίτη/γκαιτίτη. Το μεγαλύτερο ποσοστό ελεύθερων κόκκων των εμπλουτισμάτων
αποτελούνται από ακαίρεους κυανιτικούς κόκκους, ωστόσο παρατηρήθηκε ότι στο
κοκκομετρικό κλάσμα (-212μm, +150μm) το ποσοστό της περιεκτικότητας των ελεύθερων κόκκων κυανίτη αυξάνεται.
Ο χαρακτηρισμός των κυανιτικών εμπλουτισμάτων και του φλεβικού κυανίτη από
τον Απόλλωνα, που αφορά στο ποσοστό περιεχομένου κυανίτη και στη χημική τους
σύσταση, έγινε μέσω ανάλυσης XRD/Rietveld και XRF αντίστοιχα. Η περιεκτικότητα των
εμπλουτισμάτων σε κυανίτη σύμφωνα με την ανάλυση Rietveld βρίσκεται υψηλά για τα
εμπλουτίσματα από τις περιοχές Σκαδό (81.5%), Σίφωνες (78.7%) όπως και για το κυανιτικό συσσωμάτωμα του Απόλλωνα (76.7%), ενώ χαμηλότερα βρίσκεται η περιεκτικότητα του εμπλουτίσματος της Μονής (65.2%). Τα αποτελέσματα της χημικής ανάλυσης XRF χαρακτηρίζουν «αποδοτικό» τον εμπλουτισμό των δειγμάτων από την περιοχή Σκαδό και Σίφωνες, ικανοποιώντας τις βιομηχανικές προδιαγραφές πυρίμαχου κυανίτη, ενώ αντιθέτως το εμπλούτισμα από την περιοχή της Μονής δεν πληροί τα όρια που αφορούν τα οξείδια του αργιλίου και του σιδήρου. Το φλεβικό συσσωμάτωμα κυανίτη από την περιοχή του Απόλλωνα βρίσκεται οριακά εκτός προδιαγραφών αφού το Al2O3 είναι κατά 0.11% κάτω από το όριο (54,5%), το Fe2O3 είναι 0.08% πάνω από το όριο (1.5%) και το άθροισμα των αλκαλίων υπερβαίνει το όριο (0.5%) των προδιαγραφών κατά 0.85%.
Τελικά ελέγχθηκε η συμπεριφορά των κυανιτικών εμπλουτισμάτων και κυανιτικού
συσσωματώματος κάτω από το θερμοκρασιακό όριο θερμικής αποσύνθεσης του κυανίτη
(1350οC) και πάνω από αυτό. Στο πρώτο στάδιο έψησης (1300οC) διαπιστώθηκε, μέσω
ανάλυσης XRD, η διατήρηση της κρυσταλλικότητας του κυανίτη και η παρουσία ιχνών
μουλλίτη, ενώ στο δεύτερο στάδιο (1450οC) πραγματοποιήθηκε η ολική αποσύνθεση των δειγμάτων του πρώτου σταδίου ενώ παράλληλα εκτιμήθηκε το ποσοστό περιεχομένου μουλλίτη (Rietveld) το οποίο είναι υψηλό (>90%) για όλα τα δείγματα.
Λέξεις-κλειδιά:
κυανίτης, πυρίμαχα, Νάξος, βαρυτομετρικός διαχωρισμός, SEM, EDS, XRF, Rietveld, μουλλιτίωση, επίπλευση, κοκκομετρία απελευθέρωσης
