Industrieminerale - KIT

14. Stunde: Industrieminerale
Steine und Erden: Massenrohstoffe (z.B. Kalkstein, Dolomit, Sand und Kies, Hartgestein
etc.), überwiegend als Baustoffe verwendet.
Industrieminerale: Rohstoffe für die Herstellung industrieller Produkte, z.B.
Rohstoffe für Glas, Keramik, Feuerfestkeramik, Pigmente, Glasuren, Trübemittel (Opacifier)
Metallurgie: Flussmittel, Härter, Legierungskomponenten, Gießereisande, Pelletierung
Kosmetik/Medizin: Trägermaterial, Detergentien, Reiniger, absorbierende Materialien
Landwirtschaft: Düngemittel, Bodenverbesserer (chemisch, physikalisch)
Isolierung: thermisch, akustisch, elektrisch
Papier, Kunststoff, Gummi etc: Füllstoffe, Oberflächenveredler, Pigmente
Wasseraufbereitung: Filtermedien, chemische Zusätze, Flockungsmaterial
Getränkeindustrie: Entfärber, Filtermedien, Flockungsstoffe
Tierhaltung: Futtermittelzusätze, Geruchsabsorber
Ferner als Katalysatoren, Batterierohstoffe, Schleif- und Poliermittel, Brand-Verzögerer (fire
retarder), Gleitmittel, Bremsbeläge, Verdicker, Pyrotechnik etc.
Aufsuche und Untersuchung von Lagerstätten der Industrieminerale und Steine und
Erden
Die Suche nach abbaubaren Vorkommen der Industrieminerale, Steine und Erden durchläuft
die gleichen Erkundungsphasen wie die nach metallischen Rohstoffen, allerdings sind viele
der besprochenen Methoden zur Aufsuche nicht oder nur sehr eingeschränkt brauchbar.
Von den Fernerkundungsmethoden kommt die Satellitenerkundung infrage: als Mittel zur
Kartierung ist sie anwendbar, sofern keine kleinmaßstäblichen geologischen Karten
vorhanden sind. Hydrothermale Veränderungen, die durch Satelliten-gestützte
Spektralaufnahmen identifizierbar wären, sind nur in wenigen Fällen mit der Entstehung von
Industriemineralen verknüpft (z.B. Alunit-Vorkommen, Serpentinite (für Asbest)).
Wichtiger ist die Kartierhilfe mit Luftbildern für die Erstellung großmaßstäblicher Karten
(Lithologie, Form und Ausdehnung der geologischen Einheiten, strukturelle Merkmale etc.).
Geophysikalische Methoden werden nahezu ausschließlich als Bodensurvey angewandt, in
Einzelfällen zum direkten Nachweis des gesuchten Minerals, meist als Informationslieferant
für Fragen der Gewinnung/des Abbaus.
Da Sulfide meist fehlen (Ausnahmen sind z.B. Flussspat-Schwerspat-Quarz-Gänge mit
sulfidischer Vererzung), sind elektrische Methoden für die Suche nach Industriemineralen
selten brauchbar (Ausnahme z.B. Graphit-führende Schichten), eher für die Detailuntersuchung (z.B. Lage des Grundwasserspiegel, allgemein: leitfähige Schichten, z.B.
Tonschichten);
Magnetik: zur Unterscheidung verschiedener Lithologien unter Überdeckung, z.B. für den
Nachweis
von
serpentinisierten
Ultramafititen
(Magnetit-Bildung
durch
Serpentinisierungsprozess) bei der Suche nach Asbest-Vorkommen und für IlmenitVorkommen in Hartgestein.
Gravimetrie: eventuell für massiven, sedimentären Baryt (aber wenig erfolgreich), oder für
große massive Sulfidvererzungen mit Baryt als Gangart (Beispiel Neves Corvo, Portugal).
Seismik: wichtig zur Strukturuntersuchungen bei Kohle- und Erdöl/Erdgas-Exploration, sonst
eher im oberflächennahen Bereich für die Untersuchung einer Mineralisation anwendbar:
brauchbar für die Bestimmung der Lage des Grundwasserspiegels, der Mächtigkeit von
Boden und Verwitterungszone, der Morphologie unter Lockersedimenten, der Stratifizierung
(besonders für Placer/Seifenlagerstätten), Lokalisierung von Störungen, von Tonhorizonten.
Hier ist auch GPR (ground penetrating radar) brauchbar mit bis etwa 10-15 m
Eindringtiefe.
Radiometrie: für die Suche nach Mineralen der Seltenen Erden (REE) im Festgestein und in
Seifenlagerstätten (U, Th in Monazit und Xenotim) als airborne und ground survey
(Seifenlagerstätten), für Phosphatvorkommen (aufgrund ihres U-Gehaltes).
Geochemie: wenig brauchbar, für Flussspat (F im Grundwasser, in Bachsedimenten, im
Boden), eventuell für Gips/Anhydrit (hohe Sulfathärte im Grundwasser), für Baryt (Nachweis
hoher Ba-Gehalte in Bachsedimenten, in Bodenproben oder indirekt über begleitende Sulfide
(Cu, Pb, Zn etc.) in (manchen) Schwerspat-Gangvorkommen), für Suche nach
Manganvorkommen, für Beryllium-Vorkommen (als Bertrandit); am ehesten noch mit
Schwermineral-Survey erfolgreich: Schwerspat; Rutil, Ilmenit, Zirkon, Granat, Al-Silikate,
Staurolith, Xenotim, Monazit etc., falls sie in ungewöhnlich hohen Mengen in Fluss- und
Strandsedimenten vorhanden sind (Suche nach Seifenlagerstätten).
Wesentlich für die Suche: geologische Kartierung, Kenntnis der lokalen Stratigraphie, des
Paläo-Environments, Verständnis der geologischen Entwicklung eines Gebietes, genetische
Modelle für die Entstehung Industrierohstoffen. Die Prospektionsansätze sind sehr
verschieden je nach den Bildungsbedingungen eines gesuchten Rohstoffes.
Schwerpunkt der Erkundung liegt auf der Untersuchung der Qualität und der
Verwendbarkeit des Rohstoffes nach Marktbedarf (Marktsegment, Menge) und jeweiligen
Qualitätsanforderungen. Damit sind zwei Ansätze denkbar: entweder die Untersuchung eines
gefundenen Vorkommens im Hinblick auf industrielle Verwendbarkeit oder die gezielte
Suche nach einem Rohstoff mit bestimmten Qualitätsmerkmalen für einen industriellen
Prozess (z.B. Suche nach hochreinem Quarzsand für qualitativ hochwertiges Glas).
Essentiell: Marktstudie (derzeitige und sich andeutende zukünftige Anwendungsbereiche,
prognostizierter Bedarf, Verbrauchszentren, derzeitige und zu erwartende zukünftige
Produktion, Marktteilnehmer (speziell marktbeherrschende Produzenten), Marktnischen,
Wachstumsbranchen und rückläufiger Verbrauch/Bedarf in Marktsegmenten, Ersatzstoffe für
bestimmte Verwendungsbereiche und deren Marktsituation, etc.). Für die ökonomische
Gewinnung von Industriemineralen sind Marktzugänge/Bedarf und Transportentfernungen
(hohe Kosten, da große Mengen zu transportieren sind bei bedeutend geringerem Wert,
verglichen mit Metallen!) überaus wichtig.
Generell:
- Verglichen mit metallischen Rohstoffen: kaum Anwendungsmöglichkeiten
geophysikalischer und geochemischer Methoden für Prospektion;
- Eingeschränkte Anwendung der Fernerkundung: selten hydrothermale Kennzeichen
von Vorkommen der Industrieminerale; aber wichtig für Erstellung geologischer
Karten regional (Satellitenaufnahmen) und lokal (Luftbildgeologie);
- Geologische Kartierung (nachgewiesene und mögliche Verbreitung eines
Rohstoffes);
- Schürfe oder flache Bohrungen (mechanisierte Auger-Bohrer, Pürckhauer (nur für
geringmächtige Überlagerung) zum Mineral-Nachweis, Mächtigkeit der Bedeckung;
- Bohrungen (Mächtigkeit der Überlagerung, der Verwitterungszone; Kernmaterial zur
Qualitätsbeurteilung mineralogisch, chemisch, physikalisch (Laboraufträge), eventuell
kleiner Versuchsabbau zur Qualitätsuntersuchung), Feststellung nicht brauchbarer
Bereiche (Tektonik, starke Verwitterung, sekundäre Alteration, zu mächtige
Überdeckung)
-
-
Darstellung
der
Ergebnisse
in
Karten
(Verbreitung
und
Grenzen,
Überdeckungsmächtigkeiten in Konturkarten (Isopachen), dto. Mächtigkeitskarten der
Verwitterungszone, Tektonik und in Profilen (Bohrprofile lithologisch, chemisch,
mineralogisch; Mächtigkeitsänderungen in Profilen, eventuell Material- und
Qualitätsunterschiede)
Vorratsabschätzung/-berechnung der vorhandenen Mengen, Beurteilung der Qualität
(eventuell verschiedene Qualitäten) und des (jeweilig) gewinnbaren Anteils (unter
Abschätzung der praktischen Möglichkeiten eines Abbaus),
Hier endet normalerweise die Arbeit des Geologen und wird erst wieder aufgenommen beim
aktuellen Abbau (nach Bedarf).
Metallische Minerale: Gewinnung des Metalls aus Erzmineralen über Aufbereitung
(Konzentrat = Anreicherung der Erzminerale mit u.U. hohen Anteilen von Gangart),
Verhüttung, Raffinierung für erforderliche/gewünschte Reinheit des Metalls. D.h. Extraktion
der metallischen Komponente aus dem Mineral als Endprodukt.
Dagegen Industrieminerale: Gewinnung des Minerals aus Lagerstätte, Aufbereitung zu
möglichst reinem Mineral als Endprodukt. Im Unterschied zum Metall (das aus dem Mineral
gewonnen wird und wo allenfalls die Reinheit des raffinierten Metalls eine Rolle spielt) sind
hier die Eigenschaften des Minerals und eventuelle Verunreinigungen im Konzentrat
entscheidend: Aufbereitung zu Endprodukt/Endprodukten für diverse Verwendungen
entsprechend Produktanforderungen je nach Qualität des Endproduktes. D.h. die Qualität des
Minerals/des erzielbaren Mineralkonzentrates und damit die Verwendbarkeit für bestimmte
Anwendungsbereiche haben entscheidenden Einfluss auf Vermarktungs- und damit
Gewinnungsmöglichkeiten unter ökonomischen Gesichtspunkten (Qualitätsanforderungen
des Marktes). (Ob Zink aus Zinkblende oder Zinkkarbonat gewonnen wird, ist für die
Verwendung unwichtig, das Endprodukt Metall hat eindeutig bestimmte Charakteristika; das
Produkt Mineral/ Mineralkonzentrat, z.B. Schwerspat, kann jedoch verschiedene Qualitäten
haben, die die Verwendungsmöglichkeiten begrenzen).
Einige Industrieminerale werden ausschließlich in Form des Minerals verwendet (Feldspat,
Granat, Gips, Glimmer, Olivin, Graphit, Korund/Smirgel, Pyrophyllit, Staurolith, Diamant,
Talk, Wollastonit, Zeolithe), andere auch oder wesentlich als Ausgangsstoff für die
Herstellung chemischer Verbindungen (Baryt, Bauxit, Antimonit, Beryllium-Minerale,
Calcit, Antimonit, Chromit, Flussspat, Lithium-Minerale, Magnesium-Karbonate, ManganMinerale, Quarz, Zirkon, Titan-Minerale, Selten-Erd-Minerale) und zusätzlich zur
Metallgewinnung (Chromit, Antimonit, Bauxit, Titan-Minerale, Mangan-Minerale,
Beryllium-Minerale, Selten-Erd-Minerale) oder nur als Ausgangsstoff für die Herstellung
chemischer Verbindungen (Borate, Strontium-Minerale, Brom, Jod).
Aufbereitungstechnisch gilt für Industrieminerale, Steine und Erden, dass sich ihre
chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht oder nur in sehr begrenztem Maß
verändern lassen. Beispiele:
- Diatomit: Calcinierung bei 870-1093°C zur Entfernung organischer Bestandteile
(Verbesserung der Helligkeit/brightness), Erhöhung des spez. Gewichtes, Erhöhung
der Härte von 5.5 auf > 6, Verminderung der spez. Oberfläche;
- Kaolin: Delaminierung; Calcinierung für höhere Werte von D, H, Brechungsindex;
- Quarzsand: Oberflächenreinigung (Eisenoxidbeläge etc.) chemisch (durch
Säurebehandlung) oder mechanisch (durch Reibung, „attrition“);
-
Attapulgit, Sepiolit: Erhitzung auf 500°C zur Entfernung von H2O und Kationen in
Hohlräumen und Kanälen zur Verbesserung der Sorptionseigenschaften;
- Bentonit: Austausch von Erdalkalien (Ca2+) gegen Na+ zur Verbesserung der
Quellfähigkeit; Behandlung mit Säuren zum Austausch von Ca2+ gegen H+, zur
Entfernung von Calcit, von Fe-, Al-, Mg-Ionen: Veränderung der Kristallstruktur,
Erhöhung von Porosität und spez. Oberfläche zur Verbesserung der Adsorption.
Im Gegensatz zu metallischen Mineralen, für die nur eine (möglichst hohe) Anreicherung des
Wertminerals als Endprodukt der Aufbereitung gefordert wird, müssen viele Industrieminerale als hochreines Mineralprodukt durch die Aufbereitung hergestellt werden (i.W.
durch quantitative Abtrennung von unerwünschten Mineralen).
Anwendungsbeispiele von Industriemineralen:
Batterien: Antimon, Graphit, Lithium, Mangan, SEE
Brand-Verzögerer: Antimon (Oxid oder Halogen-Verbindung), Borate, ATH (AluminiumTri-Hydrat), Asbest, Brom-Verbindungen, Diatomit, Chromit, Magnesit, Perlit, Phosphate,
Vermiculit, Bims
Trübungsmittel (opacifier): Rutil (synthetisches TiO2 aus nat. Rutil, Ilmenit), Zirkon
Pigmente: Verbindungen von Ti (TiO2), Cr, Fe (Fe-Oxide), Farberden (Umbra, Sienna)
Filtermedien: (Anthrazit, Aktivkohle), Diatomit, Granat, Magnetit, Perlit, Quarzsand,
Ilmenit, Bims
Isolierung: Asbest, Diatomit, Perlit, Vermiculit, Zeolithe, Wollastonit, Bims
Friction material: Asbest, Baryt, Bauxit, Alumina, Tone, Granat, Graphit, Glimmer, Gips,
Pyrophyllit, Quarz, Vermiculit, Wollastonit, Zirkon, Bims
Tierfutter und Ergänzungen: Attapulgit/Sepiolit, Bentonit, Perlit, Talk, Vermiculit, Zeolite,
Dolomit, Kalziumkarbonat, Talk
Adsorbentien: Bentonit, Attapulgit/Sepiolit, Diatomit, Gips, Zeolite
Trägermaterialien: Attapulgit/Sepiolit, Bentonit, Diatomit, Kaolin, Torf, Talk, Pyrophyllit,
Vermiculit, Zeolite, Bims
Verdicker und Gel-Bildner: Attapulgit/Sepiolit, Bentonit
Füllstoffe: ATH, Baryt, Calciumkarbonat, Diatomit, Feldspat, Kaolin, Glimmer,
Nephelinsyenit, Perlit, Talk, Pyrophyllit, mikrokristalliner Quarz, Wollastonit
Glas: Baryt, Strontiumkarbonat, Feldspat, Quarz, Aplit, Kaolin, Nephelin-Syenit, LithiumMinerale, Borate, Wollastonit
Beschwerstoffe: Baryt, Cölestin, Hämatit, Ilmenit
Schleif- und Poliermittel: Bauxit, Korund, Diamant, Diatomit, Feldspat, Granat, Magnetit,
Hämatit, Nephelinsyenit, Olivin, Perlit, Bims, Quarzsand, Staurolith, Tripel, Ilmenit, Diamant
Refraktärmaterial (Feuerfeststoffe): Bauxit, Andalusit/Sillimanit/Disthen, Chromit,
Dolomit, Graphit, Magnesit, Olivin, Pyrophyllit, refraktäre Tone, Quarz, Zirkon
Pelletisierer: Bentonit
Öl-Reiniger: Bentonit, aktivierter Bauxit, Magnesium-Silikate
Legierungen: Be, P (Phosphorbronze)
Reiniger und Detergentien: Borate, Phosphate, Na-Silikat, Zeolite
Chemie und Sanitär: Brom, Chlor und Jod-Verbindungen
Aggregate: Kalkstein, Basalt, Chert, Diabas, Granit, Gneis, Quarzit, Sandstein, Sand und
Kies, Schiefer, etc.
Ferrit-Magnete: Cölestin, Ba, SEE (z.B. Nd-Fe-B-Magnete)
Pyrotechnik: Cölestin, Lithium, Barium
Gießerei-Sande: Chromit, Quarz, Olivin, Zirkon
Wärme- und Schall-Isolierung: Steinwolle, exfoliated Vermiculit, expanded perlite
Keramik: Aplit, Kaolin, Feldspat, Nephelinsyenit, Lithiumminerale, Dolomit, Quarz,
Wollastonit
Flussmittel: Flussspat, Borate, dolomitischer Kalkstein, Olivin, Mangan
Gleitmittel: Glimmer, Graphit, Talk
Foundry/Gießerei: Kaolin, Bauxit, Alumina, Chromit, Olivin, Perlit, Pyrophyllit, Quarzsand,
Vermiculit, Zirkon
Bodenverbesserer: Kaolin, Bentonit, Torf, Diatomit, Gips, Perlit, Vermiculit, Zeolite
Anti-Blockierungsmaterial: calcinierter Kaolin, Diatomit, Talk
Fertilizer: Olivin, Dolomit, Magnesit, Gips, Phosphat
Leichtbaustoffe: Perlit, expanded clays, Bims, Tuff, Zeolite, expanded shale, Vermiculit
Kosmetik und Pharmazie: Kalziumkarbonat, Talk, Magnesit, Zeolite
Zementindustrie: Kalkstein, Ton, Quarz, Fe-Oxid, Gips
Die Liste gibt gleichzeitig Informationen über mögliche Ersatzstoffe/Alternativen zu einem
bestimmten Rohstoff.
1. Beispiel:
Lithium-Minerale
Minerale: Tabelle; kommerziell wichtigste Minerale: Spodumen und Petalit.
Vorkommen:
Zwei prinzipielle Quellen für Li: Minerale in SE-Pegmatiten, speziell der Typ Li-Pegmatit
(Granit-Gebiete), und (zunehmend wichtiger) Salare/Playas mit hochsalinaren
Lösungen/brines (Chile, Argentinien, Bolivien, USA, Tibet, China) und geothermale Wässer
(u.U. ökonomisch (Island)).
Exploration der Pegmatite: übliche geologische Methoden der Kartierung, konzentriert auf
Granitgebiete (bestes Potential: offenbar spät-archaische und früh-proterozoische Gebiete in
Amphibolit-Fazies). In Pegmatitfeldern (mit oft mehreren 100 Pegmatiten): Identifizierung
der SE-Pegmatite und Suche nach Li-Typ. Erkundung hinsichtlich Mächtigkeit, Erstreckung,
Li-Gehalt, Li-Mineralen, potentiell gewinnbaren anderen Wertstoffen.
Exploration der Salare: Drilling über ein größeres Gebiet zur Feststellung der Bereiche mit
hohem Li-Gehalt in brines, Untersuchung der brines chemisch. Produktion aus Salar de
Atacama und Clayton Valley, Nevada (u.a. ?), in Tibet, in Bolivien (Salar de Uyuni)
Gewinnung: Tagebau in Pegmatiten (unter Aushaltung von Alterations-Zonen (Kaolin,
Montmorillonit), selten ökonomisch im Tiefbau. Gewinnung z.T. über Handauslese, aber
meist über Brechen/crushing, Mahlen/grinding, Flotation. (Gewinnung zusätzlicher Produkte
möglich: Quarz, Feldspat, Glimmer, auch Tonminerale (bei stark zersetzten Pegmatiten);
andere seltenere Minerale).
Untersuchung des Spodumens und Petalits:
hier ist der Chemismus der Lithium-Minerale wichtig: Fe-Gehalt als teilweiser Ersatz von Al
(als färbende Komponente) kritisch (Keramik, Glas); Na- und K-Einbau (statt Li) vermindert
den Li-Gehalt.
(Spodumen ((LiAlSi2O6): 4-8%, Petalit (LiAlSi4O10) 3.5-4.9%, Lepidolit (Li-Glimmer) 36.2%, Amblygonit (LiAlPO4(F,OH)2) 8-10.3 % Li2O).
Weder kann der Li-Gehalt im Spodumen erhöht werden noch der Fe-Gehalt vermindert
werden. D.H. manche Li-Vorkommen sind prinzipiell nicht verwendbar (nach den derzeitigen
industriellen Anforderungen an die Qualität).
Verwendung: als Mineral und als chemische Verbindungen, z.B. Li2CO3 bei Al-Schmelze; in
Anti-Depressiva; als Ausgangsstoff für div. chem. Produkte (Acetat, Aluminat, Borat,
Bromid, Chlorid, Fluorid, etc.); für Glasherstellung; für Batterien (Energiespeicher,
wachsender Bedarf); für Glas-Keramik, Glasuren, Email, etc.
Anforderungen:
Spodumen-Konzentrat: high grade: min. 7.5% Li2O, <0.1% Fe2O3, -250 µm;
glass grade: min. 5% Li2O, <0.2% Fe2O3, 0.1% Feuchtigkeit; Korngröße <810/> 150 µm.
Petalit-Konzentrat: min. 4.4% Li2O, max. 0.05 % Fe2O3.
Lepidolit-Konzentrat: min. 4.0% Li2O, max. 0.1% Fe2O3.
2. Beispiel Baryt:
Chemisch: BaSO4, etwas Sr eingebaut, sehr wenig Pb, Ca.
Charakteristika: hohes spez. Gewicht (bis 4.5 g/cm3, meist niedriger durch Einschlüsse, SrAnteil erniedrigt die Dichte); inert; relativ weich (H 2.5 – 3.5); helle Farbe (weiß bis braun,
Färbung durch winzige Einschlüsse, auch organisches Material!), hohes Reflexionsvermögen, niedrige Ölabsorption, Benetzbarkeit, thermische Stabilität (bis 1580°C), niedrige
thermische Leitfähigkeit (6x10-3 cal/cm).
Vorkommen: als hydrothermale Gänge und Hohlraumfüllungen (Karst!) mit Flussspat,
Sulfiden, Quarz, Karbonaten; als linsenförmige Körper (z.B. Außenzone mancher VMSMineralisationen) und als sedimentäre Lagen, ebenfalls mit anderen Mineralen, und als
residuale Vorkommen durch die Verwitterung primärer Vorkommen.
Residuale Vorkommen: oft im residualen Verwitterungslehm über Kalksteinen und
Dolomiten (USA); meist weiß und durchscheinend bis opak; dichte feinkörnige Massen in
Korngrößen von meist 2 bis 15 cm, aber bis mehrere kg. Oft mit Chert, Jasper, drusigem
Quarz; auch etwas Sulfide (PbS, ZnS (mögliches Beiprodukt), Pyrit); Rest: illitischer Ton.
Gehalte sehr variabel, oft nur 10 bis 20 % Baryt (kann bereits ökonomisch sein!); Form der
Lagerstätte reflektiert ursprünglichen Erzkörper: linear bei Spaltenfüllung, rundlich bei
Dolinen-Füllungen.
Lagenförmige Lagerstätten: als Mineral-Zement oder als Hauptkomponente; wichtigster
Typ wegen guter Qualität und großen Vorkommen (bis einige Mt). In sedimentären Abfolgen
mit reichlich Chert, schwarzem siliceous shale und siltstone; meist grauer Baryt (org.
Bestandteile); Alter: präkambrisch bis tertiär. Lagen von einigen cm Dicke bis 30 m
Mächtigkeit;ausgedehnt über viele ha. Massiv bis fein geschichtet, feinkörnig (0.05 bis 1.5
cm). Z.T. 50 bis 90 % Baryt, bei guter Qualität nur Abbau und Aufmahlung und keine oder
nur geringe Aufbereitung nötig.
Verwendungsbeispiele:
Bohrspülung (vor allem bei tiefen Bohrungen zur Stabilisierung der Bohrlochwände);
Anforderungen: spez. Gewicht mind. 4.2 g/cm3; Ca-Gehalt bis 250 ppm, Korngröße 95%
kleiner 45 µm (325 mesh).
Als Füller und zur Gewichtserhöhung: Farben, Papier, Linoleum, Golf- und Tennisbälle,
Klebstoffe, akustisches Dämmmaterial, Oberflächenbehandlung (Glanz), Gummi, UrethanSchaum etc.
Anforderungen: 95% Baryt min., max. 0.05%Fe2O3, max. 2% Fremdmaterial, max. 0.5%
Feuchtigkeit, max. 0.2% lösliche Bestandteile, 99.98% >37µm (400 mesh), Brightness >
80%, Öl-Absorption max. 5 kg/45 kg, pH 6.4.
Glasherstellung: als Ausgangsstoff für BaO (Flussmittel/flux, Oxidationsmittel/oxidiser,
Entfärber/decoloriser): 96-98% Baryt, max. 0.1 – 0.2% Fe2O3, Spuren von Ti, niedriges SiO2
(1.5%) und Al2O3 (0.15%), Korngröße wichtig (zu hoher Anteil von feinem Material: klumpt
zusammen in Schmelze).
Reaktoren und Radiologie: Abschirmung von Strahlung (Ba-Beton bzw. Baryt-Brei)
Chemische Industrie: als Ausgangsmaterial für anorganische Barium-Verbindungen; z.B. als
Bariumkarbonat für TV- und optisches Glas; keramische Glasuren, Porzellan-Email (BariumKarbonat); welding flux, Magnesium-Produktion, Wasser-Behandlung (BaCl2); Dehydrierung
von Ölen, Wachsen, Fetten; Metallurgie (BaO); Feuerwerk (grün), Email (Ba(NO3)2);
Keramik für Elektronik (als Ba-Titanat) etc.
Anforderungen: hochrein, niedriges Al, Si, Fe.
Exploration:
Bei hydrothermalen Vorkommen (Gängen) ähnlich wie für Erzsuche, sofern Sulfide
vorhanden sind (häufig PbS, ZnS, CuFeS2): geochemische Prospektion möglich;
Schwermineralkonzentrate aus Bachsedimenten (optisch eventuell mit UV nachweisbar,
chemisch (Ba)), eventuell Proben aus tiefen Bodenhorizonten (Schwerspat-Fragmente nahe
Ausbiss) bzw. Messung in Bohrlöchern mit XRF-Sonde.
Für schichtförmige Lagerstätten: in VMS-Vererzungen als Nebenprodukt der Erzexploration
erfassbar.
Sedimentäre, nicht an Vulkanite gebundene Mineralisationen: genetisches Modell (gebunden
an sedimentäre silikatische (klastische) Sequenzen mit organischer Substanz und Phosphaten,
in kleinen ozeanischen Becken zwischen Subduktionszone und passivem Kontinentalrand.
Geophysik (Gravimetrie) nicht sonderlich erfolgreich.
Evaluierung: neben den üblichen Charakteristika (Lagerstättentyp, Struktur, Größe, grade,
Mineralogie) besonders chemische Zusammensetzung, Korngröße und Verwachsungen,
Textur für Baryt und Gangarten. Produktqualität und Marktzugang kritisch sowie die
Transportkosten (bulk product!), Landkauf (teuer für flächiges Vorkommen). U.U. schwierige
Vermarktung, wenn Baryt als Beiprodukt (beim Erzabbau) gewonnen wird (Käufer will
Garantie für ständige Lieferung!).
Aufbereitung: brechen, mahlen, waschen, gravitative Anreicherung für residuale
Vorkommen; oft hoher Verlust in tailings (slimes, coarse gangue) bis zu 20 – 30 %.
Bei Gangmineralisationen: Gravitative Trennung nicht ausreichend, stattdessen zusätzlich
Flotation (Trennung von Flussspat, Sulfiden, Gangart).
Bedded barite: oft nur Mahlung erforderlich (drilling mud), häufig aber Anreicherung
notwendig.
3. Beispiel: Granat
Qualität für
- sand blasting: Grenzen für total metal, lösliche Salze (Strandseifen!), Quarz-Anteil < 1%
(Gesundheitsgefährdung); Korngrößen -1/+0.3 mm oder -0.59/+0.31 mm am häufigsten
verwendet.
- Jet-cutting: -0.25/+0.177 mm (Granit, Marmor, Beton, Aluminium, Stahl)
- Als Filtermasse: Kornform (rund im Bereich zwischen 8 und 250 mesh), D, Säurelösliche Gehalte, Schwermetall-Gehalte, Uniformitäts-Koeffizient der Korngröße,
Korngrößenbereich zwischen -4.75 und + 1.41 mm, -0.84 und + 0.3 mm.
- Schleif- und Poliermittel
Vorkommen: metamorphe Gestein, Pegmatite, Eklogite; alluviale Vorkommen wichtig.
Exploration: Untersuchung geeigneter Gesteine; Kartierung, erste Probenahme; Bestimmung
von Größe, Gehalt durch Bohrungen, Schurfgräben (manuell, backhoe, Dozer); bei alluvialen
Vorkommen: Bohrungen (Auger, Bangka), Schurfgräben und Schurfschächte; Bestimmung
von Mächtigkeit, Härte (im Fall einer Zementierung), Korngröße; Lage des
Grundwasserspiegels.
Abbau: aus Festgestein (u.U. als Beiprodukt (bei Pegmatiten)); besonders aus Sanden
(Strand, Fluss; als Haupt- oder Beiprodukt);
Evaluierung des Materials:
- Größe des Vorkommens (Produktion mind. für 10-20 Jahre, d.h. > 2Mt Vorrat; cut-off
bei etwa 20 % Granat im geförderten Material)
- Abbaubedingungen (Sprengung und Förderung; Excavator/Bulldozer in Sanden)
- Qualität: Brauchbarkeit für abrasive Anwendung durch Test; Korngrößen 6-13 mm,
liberation bei – 2mm (für Festgestein und zementierte Sande), keine Einschlüsse (Qz,
Fsp, Hbl, Glimmer), keine Alterationen; Härte und Dichte einheitlich über
Vorkommen, unverwittert, nicht brüchig
- Infrastruktur: Nähe zu Markt, sonst: gute Infrastruktur erforderlich (Transportkosten;
Bahn oder Schiff), Brauch- und Trinkwasser, Arbeitskräfte, Energieversorgung;
- Aufbereitung: brechen (Festgestein) bis dreistufig, sieben, Gewinnung durch
gravitative Verfahren, Flotation, magnet.und elektrostat.Verfahren, Trennung von
Nebengestein mit möglichst wenig Brechen, um Verluste niedrig zu halten.
Untersuchungen an Ausgangsmaterial und Korngrößenfraktionen:
Mineralogisch: Fractures, Schärfe der Bruchkanten, Form, Einschlüsse;
Ferner Härte, friability, scratch hardness (zwischen zwei Glasplättchen);
Chemismus (Almandin-Pyrop (Fe-Al-bzw. Mg-Al-Granat) bevorzugt, Andradit (Ca-FeGranat) als 2. Wahl (geringeres spez. Gewicht)).
Generell:
Für manche Industrieminerale/Konzentrate ist lediglich die chemische Zusammensetzung
ausschlaggebend (z.T. auch mineralogische Charakteristika; Beispiel feinkörniger und grober
Magnesit: verschiedenes Verhalten bei Herstellung von gebranntem Magnesit zu pellets) für
Verwendbarkeit und Anwendungsbereich;
Der weite Bereich der Korngrößenanforderungen z.B. kann durch entsprechende
Aufbereitung erfüllt werden.
Beispiele für Industrieminerale, bei denen im Wesentlichen der Chemismus ausschlaggebend
ist:
Antimon aus Antimonglanz: Chemie (ore concentrate): <0.25% As+Pb; crude oxide ore:
98% Sb2O3; commercial grade: 99.2-99.5% Sb2O3; Metall: max. 0.05% As, 0.1% S, 0.15%
Pb, 0.05% andere;
Chromit (Fe, Mg)(Cr, Al)2O4:
Prospektion für podiforme Chromitite: boulder trains in ultramafischen Gesteinen
(Harzburgite, Lherzolite, Dunite), Drilling; eventuell Tektonik für Fortsetzung der Erzlinsen;
keine Geochemie oder Geophysik anwendbar (bei großen Vorkommen eventuell
Gravimetrie).
Mineralogisch: Korngröße, Silikat-Bestandteile; Magnetit-Ränder, Alteration
Chemisch: Gehalt an Cr2O3, MgO, Al2O3, FeO, Cr/Fe im reinen Chromit
(Qualitätsunterscheidung für chemisch, metallurgisch, feuerfest). Dazu Gehalte an SiO2, CaO,
TiO2, V2O5 im Erz.
Beryllium:
Beryll (Be3Al2(SiO3)6 aus Pegmatiten (Kleinbergbau, Klaubung/handsorting), aus Qz-Gängen
mit Wolframit, Zinnstein, Molybdänglanz; aus rhyolithischen Tuffen (Spor Mountains/Utah)
als Bertrandit (Be4Si2O7(OH)2); silikatische Beryllminerale aus Skarn (Russland).
Prospektion: SE-Pegmatite (Be-Typ; grobe Kristalle), bei feinkörnigen Vorkommen (in
Tuffen z.B.): Nachweis mit Beryllometer (Bestrahlung mit 124Sb-Quelle ergibt Neutronen aus
Be).
Chemisch: Na- und K-Einbau können den BeO-Gehalt im Beryll von 14% auf 9 %
erniedrigen (Qualitätsminderung); da Be aus Lösung gewonnen wird: kaum
Verunreinigungen.
Bauxit:
Prospektion: in Gebieten mit alten, stabilen Landoberflächen (meist mesozoisch bis tertiär) in
humidem Klima für Lateritbauxite (Verwitterungsprodukt aus silikatischem Gestein,
autochton oder umgelagert) und Gebiete mit Karbonatgesteinen und starker Verkarstung unter
tropisch-humidem Klima und bestimmten morphologisch-tektonischen Bedingungen
(Karstbauxite). Bei letzteren: elektrische Leitfähigkeit zur Unterscheidung von Nebengestein
und Bauxit (Abgrenzung der gefüllten Karsttaschen), bei Fe-reichen Bauxiten u.U.
magnetische Messungen.
Ground penetrating Radar zur Bestimmung der Mächtigkeit des Overburdens; ansonsten
Bohrungen im weiten Raster.
Bestimmung: Typ des Al-Minerals, Art und Menge der anderen Minerale (Quarz, Kaolinit,
Hämatit, Goethit, Ti-Oxide etc.); insgesamt etwa 25 Parameter zu bestimmen (einschließlich
chemischer Daten)!
chemisch: Al2O3-Gehalt (min. 45%), SiO2, Fe2O3 und Ti-Oxide (können durch magnetische
Separation getrennt werden), Alkalien und Erdalkalien;
Al2O3/SiO2 (>10:1) und Al2O3/Fe2O3 (2:1) für Al-reichen Zement, Diaspor (Al2O3.H2O)
bevorzugt)
Al2O3/Fe2O3 100:1 (ideal, 23:1 normal), min. 55% Al2O3, 5-10% SiO2; Gibbsit (Al2O3.3H2O)
bevorzugt für chemical grade Bauxit.
Metallurg. Grade: 50-55% Al2O3, 5-30% Fe2O, bis 5% SiO2.
Refractory grade: >83 % Al2O3, < 2.6% Fe2O3, <7.6% SiO2, keine Alkalien und Erdalkalien,
keine Schwermetalle.
Flussspat CaF2:
Prospektion mineralogisch: chemisch stabil, also als Schwerminerale in Böden (residual oder
eluvial nahe dem primären Vorkommen, wenig in Flusssedimenten (Spaltbarkeit!); keine
Geophysik; geochemisch: eventuell F-Gehalte in Wasser (auch Brunnen), in Böden,
Bachsedimenten. Eventuell Analyse von Elementen aus begleitenden Mineralen (Ba, Pb, Zn,
Cu, As etc.)
Mineralogisch: keine speziellen Untersuchungen, meist sehr reines Mineral; Typ der anderen
Minerale, Untersuchung der Aufbereitungsprodukte auf Trennung von anderen Mineralen
(liberation size),
Chemisch: Aufbereitungsprodukte für Qualitätsanforderungen: Säurespat: min 97% CaF2,
<1.50% SiO2, 0.03-0.1% S als Sulfid, < 10ppm As, 100-550 ppm P, Grenzen für Cd, Pb, Be,
CaCO3.
Keramisch: 85-96% CaF2, <2.5-3% SiO2, 0.12% ferric oxide, Grenzen für Calcit, Spuren von
Pb-, Zn-Sulfat
Metallurgisch: 80% CaF2, max. 15% SiO2.
Physikalische Anforderungen:
Für viele andere Minerale sind die physikalischen Eigenschaften für die Verwendbarkeit
ausschlaggebend. Am Beispiel des Bentonits:
Bentonit ((1/2Ca, Na)0.7(Al, Mg, Fe)4(Si, Al)8O20)(OH)4.nH2O (Smektit-Gruppe):
Genese: Umwandlung glasiger Tuffe und Aschen dazitischer bis rhyolithischer
Zusammensetzung im marinen Ablagerungsmilieu (aber auch in nicht-marinem) in u.U.
weiter Entfernung zum Vulkanismus. Alter meist Jura bis Pleistozän. Oft lang aushaltende
Lagen mit Mächtigkeiten im m- bis 10m Bereich (bis etwa 2 m im Bayrischen Raum), aber
auch lateral geringe Ausdehnung möglich.
Mineralogisch: Anteil Smektite dominierend, dazu (möglichst wenig) Kaolinit, Illit, andere
Minerale (aus Verwitterung von Tuffen). Smektite meist als Montmorillonit. Varietäten mit
Kationen Na+ (wichtigster Typ), K+, Ca2+, Mg2+, H+. Bayerische Bentonite: meist Ca-Varietät,
in Ober-Miozän-Molasse
Eigenschaften
Herausragend:
Adsorptionsfähigkeit
und
Ionenaustauschfähigkeit
Tetraederschichten), Plastizität, Quellfähigkeit, thixotropes Verhalten.
(zwischen
Prospektion/Exploration:
Fazies-Untersuchung:
marines
Milieu,
Bereich
der
Feinablagerungen, ruhige Ablagerungsbedingungen, zeitgleicher regionaler dazitischer bis
rhyolitischer Vulkanismus; junge Ablagerungen (Kreide und Tertiär bevorzugt); bei bereits
bekanntem Vorkommen: Stratigraphische Einordnung und Suche nach gleicher
Schichtenfolge in regionalem Rahmen; Berücksichtigung der Paläomorphologie; Erkundung
durch Bohrungen: Mächtigkeit, laterale Ausdehnung; mineralogische Zusammensetzung und
Chemismus der Tonminerale, Qualität des Bentonits (z.B. Anteil anderer Minerale).
Kartographische Darstellung der Felduntersuchungen und der Laborergebnisse: Mächtigkeit,
Qualitätsverteilung, Mächtigkeit der Deckschichten. Reservenberechnung für verschiedene
Qualitäten, Abbaukosten, Transportbedingungen, Entfernung zur Aufbereitung,
Umweltauflagen (Kosten für Rehabilitierung der Abbauflächen) etc.
Verwendung:
Als Bleicherden: hohe Adsorptionsfähigkeit gefordert, erzielbar oder verbesserbar durch
Säurebehandlung, sog. saure Aktivierung: Entfernung von Verunreinigungen, Veränderungen
im Gitteraufbau und Kationenbestand, dadurch Erhöhung der spezifischen Oberfläche, der
Adsorptionskraft; verwendet zur Reinigung und Entfärbung von Ölen, Fetten, Wachsen,
Schönung von Bier, Wein, Säften; Katalysatorträger, Regenerierungsmittel.
Als Bentonit: hochquellfähige und hochplastische Bentonite durch Behandlung mit
Sodalösung: Erdalkalien gegen Alkalien ausgetauscht, auch organisch aktivierte Bentonite
(Alkyl-Amin-Kation, hydrophob); Verwendung als Tiefbohrspülung (Eigenschaften in
Suspension, Viskosität; Nasssiebung: Korngrößen unter 200 mesh); Stützflüssigkeiten im
Tiefbau; Pelettierung von Erzen und Futtermitteln; in Lacken, Farben, Fetten; Gießereisande
zur Formgebung (Formsandbinder); organisch aktiviert: Verdicker und Antiabsetzmittel in
Farben, Lacken, Schmierfetten, Klebstoffen.
Mineralogische und technische Untersuchung: Mineralogie, Chemismus, Partikelgröße und
Partikelform der Tonmineral-Fraktion wichtig für Bestimmung der Verwendbarkeit
(Methoden: XRD, SEM, TEM, IR-Spektroskopie, DTA, optisch), Struktur und Chemie des
rohen Bentonites und der Produkte. Dazu spezifische Oberfläche, Oberflächenchemie,
Korngrößenverteilung. Untersuchung der unerwünschten Mineralanteile. Speziallabors zur
Untersuchung der Eigenschaften und Tests für Anwendungsbereiche.
Kaolin (Al4SiO10(OH)8:
Genese:
Gebiete mit Feldspat-reichen Gesteinen (z.B. Granite, Gneise, Syenite, Feldspat-reiche
vulkanische Aschen) und geeignetem Klima (warm, humid, also tropisch). Primäre
Vorkommen: in situ durch Alteration (Verwitterung) der Feldspäte, mit reliktischem Gefüge
des Ausgangsgesteins; Mächtigkeit durch Tiefe der Verwitterung bedingt (mehrere 10 m in
tropischen Gebieten), besonders Mächtig entlang von Störungen (tiefes Eindringen von
Oberflächenwasser. Sekundäre Vorkommen: durch Auswaschung aus solchen alterierten
Gesteinen und Sedimentation in Süßwasser oder brackischem Wasser (Ausfällung/Flokulation
des Kaolinits durch pH-Änderung bei Eintritt in brackisches Milieu).
Prospektion: Suche nach entsprechenden Gebieten, bevorzugt dort, wo schon KaolinVorkommen bekannt sind. Für sekundäre Vorkommen: Fazieskenntnisse im zu
untersuchenden Gebiet wichtig, ähnlich wie bei Bentonit.
Keine direkten Nachweise durch geophysikalische oder geochemische Verfahren; keine
Identifizierung durch Spektrale Satellitenaufnahmen (Kaolin ist ein ubiquitäres Mineral im
Endstadium der Verwitterung, als solches spektral nachweisbar, aber ohne Möglichkeit,
Vorkommen mit Lagerstättenpotential von allgemeinem Vorkommen zu unterscheiden.
Zudem liegen Kaolinit-Vorkommen inder Regel unter Bedeckung (Laterit, Boden).
Chemie: meist nicht wichtig (nur für Keramik (Farbe im gebrannten Zustand sowie SiO2 und
Al2O3-Gehalt))
Mineralogie: Anteile Quarz, Muskovit, Schwerminerale; im Mikron-Bereich:
Verunreinigungen wie Ti-Oxide, Limonite, Hämatit, Pyrit; ferner org. Bestandteile, Illit,
Montmorillonit.
Verwendung: Anti-Blockierungsmaterial, Trägerstoff und Absorptionsmaterial, Füllstoff (für
Plastik, Papier, Kosmetik, Farbe, Gummi, Klebstoffe, pharmazeutische Produkte etc.),
Oberflächenveredler (Papier), Keramik (Porzellan, Sanitärware, Fliesen etc.), refraktäres
Material (stabil/nicht erweichbar bis 1500°C; fehlgeordneter Kaolin), Fiberglas,
Zementzuschlagstoff, Aluminiumsulfat- und Zeolit-Produktion, Katalysator, Trägermaterial
(z.B. für Insektizide, kosmetische Produkte), Tierfutter-Zuschlagsstoff (Bindemittel).
Wesentlich für die Verwendung in der Papierindustrie: Reflexionsvermögen, Opazität
(Brechungsindex, Partikelgröße, Form), Kristallinität, Farbe, Viskosität (durch Partikelgröße
und Verteilung bestimmt, durch Montmorillonit-Anteile heraufgesetzt (unerwünscht)).
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