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14.5 : Forstérite synthétique - Géosciences

14.5 : Forstérite synthétique - Géosciences


Bien que la forstérite existe dans la nature, elle ne convient pas pour être taillée en pierres précieuses. Depuis 1999, des forstérites synthétiques de grande taille ont été créées en Russie par la technique de tirage de Czochralski.
En raison de propriétés physiques et optiques proches de la tanzanite, ce synthétique est principalement utilisé pour imiter la tanzanite.

Composition chimique

mg2SiO4, silicate de magnésium.
La forstérite est l'un des membres terminaux du groupe isomorphe auquel appartient le péridot (olivine) (série fayalite-forstérite).

Diagnostique

L'une des techniques les plus simples et les plus importantes pour séparer la forstérite synthétique de la tanzanite consiste à observer le "doublement des arêtes de la facette arrière" (double réfraction) en raison de la biréfringence élevée de la forstérite synthétique. Cette caractéristique est facilement visible à l'examen dans diverses directions à l'aide d'une loupe.
La tanzanite avec une biréfringence de 0,008 à 0,013 ne montrera pas un effet de doublement aussi fort.

Filtre Tanzanite Hanneman

Une autre méthode rapide pour séparer la forstérite synthétique de la tanzanite consiste à utiliser un filtre Hanneman Tanzanite. Il s'agit d'un filtre qui combine le filtre Hanneman Aquamarine avec un dichroscope de Londres.
La forstérite synthétique apparaîtra verte à travers la partie filtrante, tandis que la tanzanite présentera une couleur orange-rosé.

Réfractomètre

Les indices de réfraction de la forstérite synthétique sont inférieurs à ceux de la tanzanite.
1,634-1,670 (tanzanite : 1,685-1,707).
La biréfringence de la forstérite est bien supérieure à celle de la tanzanite : 0,033 - 0,038 pour la forstérite, 0,008 - 0,013 pour la tanzanite.

Le caractère optique de la forstérite pure est biaxial avec un signe optique positif (le même que la tanzanite). On lit parfois que la forstérite est biaxiale - cependant, si l'olivine est constituée de 100 à 85 % de forstérite (0 à 15 % de fayalite) elle est biaxiale +.
En pratique, la forstérite synthétique sera biaxiale avec un signe optique positif.

Fluorescence

La forstérite synthétique présentera un jaune verdâtre faible sous SW-UV et un jaune orangé crayeux sous LW-UV. La tanzanite est inerte pour les deux.

Mettre à jour

De la forstérite naturelle incolore a été trouvée à Mogok, en Birmanie (Myanmar) au début de 2008. Considérée à l'origine comme un membre du groupe des humites, des tests effectués au GIT et au laboratoire GIA de Bangkok ont ​​confirmé que les pierres étaient de la forstérite.

Les références

  • Gemmologue initié : Quelles sont les caractéristiques d'identification de la tanzanite et comment se distingue-t-elle des imitations ? (2004) - GIA
  • Gemmes leurs sources, descriptions et identification 4e édition (1990) - Robert Webster (6e éd.)
  • Introduction à la minéralogie optique 3e édition (2003), Prof. W.D. Nesse
  • Données des fabricants de forstérite synthétique - fournies par Morion Company

Trémolite synthétique et naturelle en équilibre avec forstérite, enstatite, diopside et fluide

L'équilibre suivant entre la trémolite, la forstérite, le diopside et l'enstatite orthorhombique a été étudié en utilisant soit de la trémolite synthétique ou de l'amphibole naturelle dans les matériaux de départ : Ca2mg5Si8O22(OH)2+Mg2SiO4 =2 CaMgSi2O6+5MgSiO3+H2O Une augmentation significative de la stabilité des réactifs a été observée avec la trémolite naturelle plutôt que synthétique. Par exemple, dans presque pur H2O avec le H2 contenu du fluide tamponné par le nickel-bunsénite à un kilobar (10 8 pascals), la rupture de l'assemblage avec l'amphibole synthétique se produit à 708±20° C. La rupture de l'assemblage avec l'amphibole naturelle, Ca2.16mg4.94Fe0.03Si7.92 Al0.01O22(OH)2F0.03 se produit à 841 ± 47°C. Le décalage de la courbe de claquage est attribué à la variation des propriétés des amphiboles puisque tous les autres facteurs étaient communs dans les expériences. Les réactions ont également été étudiées avec la fugacité de l'hydrogène définie par le tampon méthane et le tampon NB, OH (XG, COH). L'analyse des données expérimentales par programmation linéaire indique que l'enthalpie de réaction est fortement limitée lorsque l'entropie déterminée par colorimétrie de 160,92 joules/degré est utilisée. L'enthalpie de réaction résultante est de 113,96 ± 1,82 kilojoules avec l'amphibole naturelle et de 104,83 ± 0,12 kilojoules avec la trémolite synthétique. La déviation de l'amphibole naturelle par rapport à la formule idéale de la trémolite ainsi qu'un plus grand nombre de défauts et de dislocations dans l'amphibole synthétique peuvent avoir contribué au changement de stabilité.

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Titre : Inclusions fluides synthétiques de H sub 2 O-CO sub 2 dans des hôtes spontanément nucléés de forstérite, d'enstatite et de diopside : la méthode et les applications

Cet article décrit une technique expérimentale pour la production de H synthétique primaireO-CO et HO-CO-Les inclusions fluides de NaCl dans les hôtes de forstérite, d'orthopyroxène et de clinopyroxène se sont spontanément nucléées lors de la dissolution incongrue de la trémolite. Les réactions de production d'hôtes impliquent la complexation et le transport de Ca, Mg et SiO aux phases de croissance du produit dans lesquelles les inclusions sont hébergées. Cette technique permet donc d'étudier les effets d'une réaction complexe de production d'hôte sur la composition des fluides piégés en tant qu'inclusions primaires dans la phase hôte en croissance. En plus de fournir un modèle pour le piégeage des inclusions fluides primaires, les réactions fournissent un excellent modèle du début du métamorphisme du faciès des granulites où, dans la nature, les compositions des inclusions fluides sont généralement en déséquilibre avec les assemblages minéraux dans lesquels elles sont hébergées.


Titre : Synthèse à l'échelle nanométrique des minéraux silicatés complexes forstérite et enstatite

L'olivine est une famille relativement courante de minéraux silicatés dans de nombreux environnements terrestres et extraterrestres, et est également utile comme céramique réfractaire. Une capacité à synthétiser de fines particules d'olivine permettra des études supplémentaires sur la réactivité de surface dans des conditions géologiques pertinentes. Cet article présente une méthode pour la synthèse d'échantillons nanocristallins de l'élément terminal en magnésium, la forstérite (Mg2SiO4) en lots relativement importants (15-20 g) en utilisant une approche sol-gel/tensioactif. Le méthoxyde de magnésium et l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) sont chauffés au reflux dans un mélange toluène/méthanol en utilisant de la dodécylamine comme tensioactif et de la tert-butylamine et de l'eau comme agents d'hydrolyse. Ce matériau est ensuite nettoyé et séché, puis cuit à 800 °C. Une réaction de post-cuisson dans du peroxyde d'hydrogène a été utilisée pour éliminer le tensioactif organique résiduel. La diffraction des rayons X a montré qu'il en résultait un matériau pur, avec une surface spécifique BET allant jusqu'à 76,6 m 2 /g. Enfin, les résultats d'une tentative préliminaire d'utiliser cette approche pour synthétiser l'orthopyroxène à l'échelle nanométrique (MgSiO3) sont également signalés.


3. Méthodes spectroscopiques dans l'infrarouge moyen

3.1. Émission thermique

[9] Les spectres d'émissivité thermique ont été acquis à l'installation de vol spatial de Mars de l'Université d'État de l'Arizona (ASU). Le laboratoire ASU héberge un spectromètre interférométrique Nicolet Nexus 670 FTIR qui a été modifié pour les mesures d'émission en retirant la source SiC et en plaçant une boîte à gants fermée et des miroirs pliants à l'extérieur du boîtier du spectromètre pour permettre l'énergie d'un échantillon chauffé dans une chambre d'échantillon dans la boîte à gants pour entrer dans le rayon pour la mesure. La chambre est refroidie à l'eau pour maintenir la température ambiante. L'atmosphère est lavée de CO2 et H2O pour éliminer ces raies spectrales des données d'échantillon. Le spectromètre est équipé d'un détecteur de sulfate de triglycine deutéré thermoélectriquement stabilisé (DTGS) et d'un séparateur de faisceau CsI qui permet une mesure de qualité du rayonnement émis dans le domaine infrarouge moyen de 2000 à 240 cm -1 (5 à 42 μm) [par exemple, Ruff et al., 1997 ].

[10] Pour chaque mesure, la pastille d'olivine a été placée dans une coupelle d'échantillon en cuivre, peinte avec de la peinture noire brillante Aeroglaze® Z302 et chauffée et maintenue à un point de consigne de 80°C pendant la durée des mesures. Les 160 scans de chaque échantillon ont été acquis à une résolution spectrale ∼4 cm -1 (échantillonnage spectral ∼2 cm -1 ) et les spectres de scan individuels ont été moyennés ensemble. Ce spectre de luminance de l'échantillon résultant a été calibré selon la procédure discutée en détail par Ruff et al. [1997] et converti en émissivité spectrale. Aucun filtrage spectral supplémentaire n'a été effectué.

[11] Le Fo60 l'échantillon de pastille était trop petit pour être mesuré par la technique d'émission thermique, il n'est donc pas discuté plus en détail concernant l'émissivité de l'échantillon. Onze des 13 échantillons restants étaient très petits (<5 mm de diamètre) et la taille du spot du spectromètre (>∼1 cm de diamètre) était plus grande que les échantillons, il était donc nécessaire de soustraire une grande fraction du spectre d'émissivité d'un coupe d'échantillon (un blanc) à partir du spectre d'émissivité calibré de ces échantillons pour renvoyer un spectre minéral représentatif. Deux échantillons (Fo70 et Fo89.5) étaient de plus grand diamètre (∼1 cm synthétisé et pastillé plus tard) et nécessitaient moins de correction de l'émissivité de la coupelle de l'échantillon. Pour les 13 échantillons utilisables, des spectres d'émissivité thermique de qualité suffisante ont été acquis (Figure 1). Les positions des bandes spectrales (tableau 1) ont été déterminées en localisant la valeur du nombre d'ondes de chaque minimum d'émissivité de bande locale. Les spectres d'émissivité sont disponibles sur http://speclib.asu.edu.

Goûter Numéro de bande et position dans cette étude ( (cm −1 )
1 [1] 2 (1) [2] 3 (2) 4 (3) [3] 5 (4) [4] 6 (5) [5] 7 [5a] 8 (6) [6] 9 (7) [7] 10 [8] 11 12 [9] 13 [10] 14 [11] 15 [12] 16 [13]
Fo100 1033 988 914 836 619 530 507 471 447 sh 420 401 383 sh 359 291
Fo89.5 1031 980 951 watts 900 832 613 542 w 527 503 468 445 419 393 372 347 286
Fo80 1024 974 sh 902 833 607 538 watts 523 498 411 389 sh 364 346 284 b b Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
Fo75 1023 974 sh 879 833 600 536 sh 523 497 411 348 286
Fo70 1017 972 899 829 594 523 493 446 407 382 sh 363 watts 343 289 b b Les données sont bruyantes, donc la position est incertaine.
Fo65 1008 966 938 sh 882 831 588 519 492 400 360 watts 345 272
Fo55 1007 962 932 sh 885 831 586 515 486 395 342 286 b b Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
Fo50 1009 959 930 sh 892 830 587 514 480 432 watts sh 389 340 284 b b Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
Fo40 1000 959 sh 891 830 580 515 480 432 watts 386 361 w 337 278 watts
Fo30 997 954 sh 886 829 578 513 477 415 381 332 278 watts
Fo20 988 951 884 828 576 501 476 411 375 320
Fo10 987 948 883 825 562 505 sh 473 403 365 315 254 b b Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
Fo0 985 947 885 825 563 505 sh 472 363 sh 305 247 b b Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
w
Δbande 48 41 29 11 57 29 35 57 54 44
R 2 0.97 0.96 0.42 0.85 0.95 0.92 0.95 0.99 0.91 0.73
2σ 11.06 12.16 45.45 23.35 13.54 16.87 13.65 6.73 17.60 30.81
  • a Les affectations de bande entre parenthèses proviennent de Duc et Stephens [1964] ceux entre parenthèses sont de Hamilton [2010] suite Brûlures et étreintes [1972] les abréviations sont sh, épaule w, faible Δbande, différence maximale de position de bande (en nombre d'onde).
  • b Les données sont bruyantes, donc la position est incertaine.

3.2. Réflectance spéculaire

[12] Spectres de réflectivité spéculaire (de 4000 à 100 cm −1 2,5 à 100 μm) des pastilles (moins le trop petit Fo60 échantillon) ont été acquises à l'Université d'État de New York à Stony Brook à l'aide d'un accessoire de réflectance spéculaire Nicolet FT-30 avec des angles d'incidence et de réflexion de 30°. Ces spectres de résolution 4 cm -1 (échantillonnage 2 cm -1 ) ont été acquis en deux parties : de 4000 à 400 cm -1 en utilisant un détecteur DLaTGS non refroidi avec une fenêtre KBr et un séparateur de faisceau KBr et de 600 à 200 cm -1 en utilisant un séparateur de faisceau Nicolet Solid Substrat et un détecteur DTGS avec une fenêtre en polyéthylène. Plusieurs corrections ont été appliquées afin d'épisser les spectres. Premièrement, la « fonction de réflectance » de l'accessoire de réflectance et de l'étalon ont été caractérisées par l'acquisition d'un spectre de fond sans l'accessoire dans le spectromètre. L'accessoire a ensuite été inséré dans le spectromètre avec l'étalon de réflectance, et un spectre a été collecté. Ce spectre représentait la réflectance combinée des miroirs de l'accessoire de réflectance et de l'étalon de réflectance. Étant donné que les pastilles d'olivine sont petites par rapport à la taille du faisceau incident (∼1 cm), cette procédure tient compte des propriétés de réflectance du masque d'ouverture sur lequel les pastilles reposent. Le bas du masque était recouvert de noir de carbone pour réduire autant que possible la réflectance du masque. Suite à la collecte des spectres des pastilles d'olivine, un spectre du masque d'ouverture « vierge » a été acquis pour caractériser sa réflectance. Les spectres du culot d'olivine et du blanc ont été divisés par le spectre de la fonction de réflectance. Le spectre à blanc a ensuite été soustrait des spectres des pastilles.

[13] Les spectres IR moyen et lointain ont été épissés près de 500 cm -1 pour produire un spectre unique couvrant la gamme de 2000 à 100 cm -1 selon Glotch et al. [2007] . Le processus de pressage utilisé pour fabriquer les petites pastilles (mentionné dans la section 2) a produit des surfaces planes à partir desquelles des réflexions spéculaires uniques sont supposées dans les gammes spectrales de l'IR moyen et lointain [par exemple, Roush et al., 1991 Glotch et al., 2004 ]. À des nombres d'ondes supérieurs à ∼2000 cm -1 , l'hypothèse d'une réflexion spéculaire unique sans diffusion devient moins valable, de sorte que les analyses de réflectance spéculaire des pastilles pressées ont été confinées à la région <2000 cm -1. Pour les 13 échantillons utilisables, des spectres de réflectivité spéculaire de qualité suffisante ont été acquis (figure 2) pour permettre d'identifier les positions des bandes (tableau 2). Les positions des bandes spectrales ont été déterminées en localisant la valeur du nombre d'ondes de chaque minimum de bande locale. Les spectres de réflectivité spéculaire sont disponibles sur http://aram.ess.sunysb.edu/tglotch/spectra.html.edu.

Goûter Numéro de bande et position dans cette étude (cm −1 )
1 [1] 2 (1) [2] 3 (2) 4 (3) [3] 5 (4) [4] 6 (5) [5] 7 [5a] 8 (6) [6] 9 (7) [7] 10 [8] 11 12 [9] 13 [10] 14 [11] 15 [12] 16 [13]
Fo100 1034 988 961 w 914 838 621 531 507 471 448 sh 421 402 383 360 295
Fo89.5 1030 981 953 876 835 605 sh 528 505 470 419 sh 375 watts 351 287
Fo80 1028 976 948 900 835 607 540 watts 525 499 416 351 285 c c Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
sh
Fo75 1020 974 sh 880 834 601 523 498 414 353 282
Fo70 sh 970 876 832 593 523 498 403 351 276 c c Les données sont bruyantes, la position est donc incertaine.
Fo65 sh 968 939 sh 877 833 587 519 492 397 351 279
Fo55 sh 963 933 sh 874 830 584 515 486 392 344 277
Fo50 sh 961 930 sh 875 829 577 514 485 391 341 271 w
Fo40 sh 959 sh 879 829 574 512 482 416 384 337
Fo30 sh 956 sh 885 829 573 513 479 413 382 332 260 watts
Fo20 sh 953 sh 884 827 572 509 476 415 376 326 250 watts
Fo10 sh 949 sh 874 826 562 506 474 sh 364 315 251
Fo0 sh 947 881 826 563 500 471 365 sh 310 248
Δbande 41 40 12 59 31 36 57 50 47
R 2 b b Les parenthèses indiquent R 2 et 2σ déterminé à partir de seulement 4 points.
(0.84) 0.97 0.18 0.94 0.92 0.97 0.97 0.97 0.94 0.97
2σ b b Les parenthèses indiquent R 2 et 2σ déterminé à partir de seulement 4 points.
(7.56) 10.25 54.08 14.99 16.59 10.54 9.92 10.80 14.63 10.46
  • a Les affectations de bande entre parenthèses proviennent de Duc et Stephens [1964] ceux entre parenthèses sont de Hamilton [2010] suite Brûlures et étreintes [1972] les abréviations sont sh, épaule w, faible Δbande, différence maximale de position de bande (en nombre d'onde).
  • b Les parenthèses indiquent R 2 et 2σ déterminé à partir de seulement 4 points.
  • c Les données sont bruyantes, donc la position est incertaine.

3.3. Réflectance diffuse

[14] Les spectres de réflectivité diffuse dans l'infrarouge moyen ont été acquis pour les pastilles pressées et les poudres libres au laboratoire NASA/Keck Reflectance Experiment (RELAB) à l'Université Brown [ Pieters et Hiroi, 2004 ] dans un environnement purgé (CO2- et H2sans O) à l'aide d'un accessoire à réflectance diffuse Pike adapté à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier Thermo-Nicolet Nexus 870 (FTIR) avec une géométrie de visualisation biconique hors axe (30 ± 30 degrés dans les angles d'incidence et d'émergence). Les spectres ont été collectés à une résolution de 4 cm -1 (intervalles de 2 cm -1 ) à l'aide d'un séparateur de faisceau KBr et d'un détecteur DTGS (de ∼7700 à 400 cm -1 1,3-25 μm) ou une lame séparatrice Nicolet Substrat Solide et un détecteur DTGS avec fenêtre en polyéthylène (de 625 à 100 cm −1 16–100 μm). La taille du spot de l'instrument est de ∼2 mm de diamètre. Les spectres bruts ont été rapportés à un étalon de référence d'or diffus, puis mis à l'échelle aux spectres bidirectionnels VNIR de ces échantillons près de 2,5 μm pour fournir des valeurs de réflectance absolues. Seules les données mid-IR sont présentées ici, les données de réflectance VNIR ne sont pas abordées dans cet article.

[15] Le Fo60 l'échantillon de pastille s'est effondré et était trop petit pour être mesuré à l'aide de la réflectance diffuse, cependant, cet échantillon a été rebroyé et mesuré sous forme de poudre à l'aide de la technique de réflectance diffuse. C'est la seule technique présentée dans ce travail par lequel le Fo60 échantillon a pu être mesuré (et uniquement sous forme de poudre). Pour les 13 échantillons de pastilles utilisables, des spectres de réflectivité diffuse de qualité suffisante ont été acquis (figure 3) permettant d'identifier les positions de bande (tableau 3). Les spectres de réflectivité diffuse des poudres sont illustrés à la figure 4, et leurs positions de bande sont définies dans le tableau 4 (y compris le Fo60 goûter). Les positions des bandes spectrales ont été déterminées en localisant la valeur du nombre d'ondes de chaque minimum de bande locale (comme on le voit sur les figures 3 et 4). Les spectres de réflectivité diffuse sont disponibles sur http://www.planetary.brown.edu/relab.

Goûter Numéro de bande et position dans cette étude (cm −1 )
1 (1) 2 (1) [2] 3 (2) 4 (3) [3] 5 (4) [4] 6 (5) [5] 7 [5a] 8 (6) [6] 9 (7) [7] 10 [8] 11 12 [9] 13 [10] 14 [11] 15 [12] 16 [13]
Fo100 1053 989 961 w 930 838 625 535 509 473 449 sh 426 403 383 sh 361 295
Fo89.5 1055 982 955 925 836 621 548 529 506 470 445 sh 423 394 sh 375 watts 354 289
Fo80 1047 978 950 887 834 604 542 525 499 413 351 279 sh
Fo75 1030 975 sh 883 833 604 525 498 415 353 281
Fo70 1046 972 921 831 611 541 524 497 413 353 279
Fo65 1026 971 887 833 599 523 495 411 351 279 watts
Fo55 1022 964 sh 894 832 593 523 489 394 350
Fo50 1018 962 931 sh 888 830 588 518 486 391 345
Fo40 1007 959 sh 889 830 584 516 483 sh 388 339
Fo30 999 956 sh 890 829 577 512 478 411 384 335 264 watts
Fo20 999 953 sh 890 829 576 511 476 411 378 326 sh
Fo10 1000 951 sh 887 826 561 507 472 369 316 248
Fo0 sh 948 887 826 567 506 471 367 sh 310 249
Δbande 56 41 43 12 64 29 38 59 51 47
R 2 0.91 0.97 0.37 0.92 0.95 0.98 0.99 0.97 0.92 0.97
2σ 16.36 10.05 47.58 16.77 13.33 9.52 7.18 9.95 16.25 11.08
  • a Les affectations de bande entre parenthèses proviennent de Duc et Stephens [1964] ceux entre parenthèses sont de Hamilton [2010] suite Brûlures et étreintes [1972] les abréviations sont sh, épaule w, faible Δbande, différence maximale de position de bande (en nombre d'onde).
Goûter Numéro de bande et position dans cette étude (cm −1 )
1 [1] 2 (1) [2] 3 (2) 4 (3) [3] 5 (4) [4] 6 (5) [5] 7 [5a] 8 (6) [6] 9 (7) [7] 10 [8] 11 12 [9] 13 [10] 14 [11] 15 [12] 16 [13]
Fo100 1074 994 970 948 856 617 554 532 507 471 449 sh 419 400 377 360 293
Fo89.5 1062 982 953 854 613 549 528 504 468 447 sh 417 389 sh 374 339 285 sh
Fo80 1057 977 952 850 607 544 525 497 464 watts 439 sh 411 387 watts 371 w 327
Fo75 1061 w 972 949 w 850 604 520 watts 491 watts 401 323
Fo70 1042 971 850 watts 603 540 522 495 412 347 watts 317 watts 280
Fo65 1038 969 937 w 848 600 540 521 493 408 398 347 watts 315 watts
Fo60 1051 979 930 612 537 517 watts 494 407 394 watts 349 273 watts
Fo55 1035 962 935 watts 847 593 529 watts 515 watts 478 392 349 watts
Fo50 1032 961 929 846 591 520 479 390 314
Fo40 1014 961 923 892 845 584 522 479 386 331
Fo30 1017 957 923 294 845 583 522 513 watts 478 385 334 253 watts
Fo20 1007 953 918 sh 888 845 577 512 474 sh 379 324 241
Fo10 1000 951 916 sh 892 845 573 512 468 440 sh 374 331 303 240
Fo0 1013 951 905 865 sh 843 sh 581 502 470 watts 431 366 330 sh 297 227
Δbande 74 43 65 83 13 44 30 39 18 53 47 63 66
R 2 0.87 0.87 0.96 0.78 0.86 0.87 0.90 0.90 0.93 0.47 0.98
2σ 18.85 21.58 14.80 33.87 22.71 20.87 19.42 18.57 14.86 45.26 9.97
  • a Les affectations de bande entre parenthèses proviennent de Duc et Stephens [1964] ceux entre parenthèses sont de Hamilton [2010] suite Brûlures et étreintes [1972] les abréviations sont sh, épaule w, faible Δbande, différence maximale de position de bande (en nombre d'onde).

3.4. Réflectance totale atténuée

[16] Les données de réflectance totale atténuée (ATR) ont été acquises à l'Université de Stony Brook sur un spectromètre Nicolet 6700 FTIR purgé de CO2 et H2O et en utilisant les mêmes combinaisons de détecteur et de séparateur de faisceau décrites pour les mesures de réflectance spéculaire. L'accessoire à réflectance totale atténuée est une fixation SmartOrbit ATR avec un élément ATR en diamant de type IIA, avec des angles d'entrée et d'émergence de 45°. La taille de spot mesurée sur l'élément en diamant est ∼1 mm. Les spectres ont été collectés à une résolution de 4 cm -1 entre 1200 et 300 cm -1 . Un total de 512 scans a été moyenné pour créer chaque spectre. Les spectres de réflectivité totale atténuée sont référencés à un spectre standard acquis sans aucun échantillon sur l'élément ATR en diamant. Ce spectre de référence est l'équivalent du spectre de fond de miroir d'or acquis pour les mesures de réflectance spéculaire.

[17] Le Fo60 l'échantillon était trop petit pour être mesuré par la réflectance totale atténuée car il s'est brisé en petits morceaux et une partie de l'échantillon a été perdue, de sorte que l'échantillon n'est pas discuté plus avant.Les spectres de réflectance totale atténuée des poudres d'olivine synthétiques sont représentés sur la figure 5, et leurs positions de bande sont définies dans le tableau 5. Les positions de bande spectrale ont été déterminées en localisant la valeur du nombre d'ondes de chaque maximum d'absorbance locale. Les spectres de réflectivité totale atténuée sont disponibles sur http://aram.ess.sunysb.edu/tglotch/spectra.html.

Goûter Numéro de bande et position dans cette étude (cm −1 )
1 [1] 2 (1) [2] 3 (2) 4 (3) [3] 5 (4) [4] 6 (5) [5] 7 [5a] 8 (6) [6] 9 (7) [7] 10 [8] 11 12 [9] 13 [10] 14 [11] 15 [12] 16 [13]
Fo100 sh 984 958 sh 867 835 610 520 sh 501 474 410 391 381 342 280
Fo89.5 1003 979 953 sh 865 834 606 518 sh 495 468 sh 390 374 340 271
Fo80 1000 973 948 sh 864 833 601 516 sh 490 397 388 332 243
Fo75 1000 971 866 834 600 515 sh 490 389 326 237
Fo70 997 969 sh 864 833 598 514 sh 486 392 327 231
Fo65 990 967 870 834 596 514 w 488 389 318
Fo55 983 w 960 854 828 584 509 w 476 382 312
Fo50 981 w 958 sh 856 828 583 509 w 475 382 309 221
Fo40 w 954 sh 853 826 574 499 watts 470 420 378 w
Fo30 w 950 sh 851 825 571 w 466 413 372 w w
Fo20 w 948 sh 856 825 567 w 466 410 365 w
Fo10 w 945 sh 849 823 561 499 watts 462 360
Fo0 w 942 sh 852 823 554 499 watts 460 357
Δbande 42 18 12 56 21 41 34
R 2 0.93 0.98 0.62 0.91 0.99 0.90 0.96 0.91 0.92 0.92
2σ 6.61 8.12 34.90 17.78 6.86 18.01 11.63 18.04 8.63 7.89
  • a Les affectations de bande entre parenthèses proviennent de Duc et Stephens [1964] ceux entre parenthèses sont de Hamilton [2010] suite Brûlures et étreintes [1972] les abréviations sont sh, épaule w, faible Δbande, différence maximale de position de bande (en nombre d'onde).

14.5 : Forstérite synthétique - Géosciences

Cette application est une continuation de l'application américaine Ser. No. 07/839 508 déposé le 21 février 1992 maintenant U.S. Pat. n° 5 374 593.

1. Composition synthétique de sable réfractaire riche en forstérite destinée à être utilisée comme sable réfractaire de buse de trou de coulée pour un système de vanne coulissante d'une poche en acier, ladite composition synthétique de sable riche en forstérite comprenant un mélange, ledit mélange comprenant :

a) un agent de pontage carboné, ledit agent de pontage carboné étant présent dans ledit mélange en une proportion de 5 à 15 pour cent en poids dudit mélange et

b) un sable synthétique riche en forstérite, ledit sable synthétique riche en forstérite étant à écoulement libre, ayant un MgO:SiO2 rapport pondéral d'au moins 1,2, une densité d'environ 3 g/cm 3 , un volume de vide inférieur à environ 50 pour cent en volume dudit sable synthétique riche en forstérite, et un point de fusion d'au moins 1610°C,

i) au moins 50 pour cent en poids dudit sable synthétique riche en forstérite est de la forstérite, et

ii) de 8 à 27 pour cent en poids dudit sable synthétique riche en forstérite est de la maghémite.

2. Composition de sable réfractaire synthétique riche en forstérite selon la revendication 1, dans laquelle ledit MgO:SiO2 le rapport pondéral est de 1,27 à 1,48.

3. Composition de sable réfractaire synthétique riche en forstérite selon la revendication 1, dans laquelle ledit agent de pontage de carbone est du carbone graphitique.

4. Composition de sable réfractaire synthétique riche en forstérite selon la revendication 1, dans laquelle 11 à 20 pour cent en poids dudit sable synthétique riche en forstérite est de la maghémite.

CONTEXTE DE L'INVENTION

La présente invention concerne des matériaux réfractaires produits à partir de résidus de mines d'amiante. Plus spécifiquement, cette invention produit de tels matériaux réfractaires qui sont appropriés pour des applications métallurgiques à forte intensité de chaleur, comme par exemple dans les buses de trou de coulée des systèmes de vannes coulissantes dans les poches d'aciérie.

2. Description de l'art antérieur

Les dépôts d'amiante se produisent normalement dans certains types de roches silicatées qui ne contiennent qu'environ 5 à 10 % en volume de fibres d'amiante. Par conséquent, la séparation des fibres du minerai d'amiante laisse de grandes quantités de résidus indésirables qui s'accumulent sur ou à proximité des sites d'extraction ou de traitement. Il existe donc un besoin de trouver de nouvelles applications commerciales pour ces sous-produits des opérations d'extraction et de raffinage de l'amiante.

Les résidus d'amiante chrysotile contiennent normalement une proportion substantielle de silicates de magnésium hydratés appelés serpentine. D'autres composants qui se produisent avec la roche serpentine sont la brucite Mg(OH)2 et hématite-magnétite (Fe2 O3 -Fe3 O4). Des dépôts de nickel peuvent également se produire dans la roche. Les utilisations potentielles connues des résidus d'amiante comprennent l'utilisation des résidus comme source de nickel extrait par séparation magnétique des composants magnétiques riches en nickel et en fer la transformation des résidus en laine minérale par fusion avec du carbone et formation de fibres en soufflant de l'air à travers le le silicate fondu résultant et l'utilisation des résidus comme source de magnésium et/ou de composés de magnésium obtenus par lixiviation acide et cristallisation.

Il est également connu de calciner la serpentine afin de produire des granulés de forme angulaire frittés utiles comme matériau de sablage ou d'accumulation de chaleur, ou pour produire des produits granulaires utiles comme sables de moule de fonderie. Cependant, les méthodes de calcination classiques présentent un certain nombre d'inconvénients. Par exemple, le procédé classique de calcination de la serpentine conduit à la production d'une harzburgite synthétique riche en pyroxène du groupe silicate et communément appelée enstatite. L'enstatite est subdivisée en protoenstatite et clinoenstatite en fonction de sa structure cristallographique résultante. Cependant, ces produits ont des points de fusion ou de ramollissement relativement bas (inférieurs à 1600°C), et ne sont donc pas utiles comme matériaux réfractaires pour des opérations à température particulièrement élevée, par ex. dans la production d'acier qui implique une exposition à une température voisine de 1700°C pendant plusieurs heures.

Les procédés connus de calcination de la serpentine impliquent normalement le chauffage de la serpentine à une température d'environ 1 300°C, moyennant quoi les réactions chimiques suivantes auraient lieu :

(i) déshydratation rencontrée entre 600 et 780°C pour former un silicate de magnésium anhydre : (ii) conversion du silicate de magnésium anhydre en forstérite (Mg2 SiO4) et de la silice libre (SiO2), qui commence à se produire vers 800 à 900°C : (iii) réaction de la forstérite avec la silice libre au-dessus de 1000°C formant ainsi l'enstatite (MgSiO3): ##STR3##

Comme indiqué précédemment, de tels produits riches en enstatite peuvent trouver une application comme, par exemple, les sables de moulage de fonderie ou les mélanges de sable de support. Cependant, le produit ne convient pas aux applications à haute température dans lesquelles le produit doit avoir des propriétés réfractaires supérieures, par exemple, dans l'acier ou d'autres opérations de fusion à haute température. Plus spécifiquement, les produits riches en enstatite ne conviennent pas comme sables de poche et de buse de poche actuellement utilisés, par exemple, dans les aciéries et les fonderies parce que le produit est incapable de supporter les températures et les temps de maintien nécessaires impliqués.

Les sables actuellement utilisés dans les poches d'aciérie sont principalement à base de silice, de zircon et de chromite. Bien que ces produits aient une bonne granulométrie, densité de tassement et pureté, ils sont coûteux à produire. De plus, nombre de ces produits présentent divers degrés de toxicité. En effet, la manipulation et l'utilisation d'un grand nombre de ces produits provoquent la libération de poussières siliceuses qui sont connues pour engendrer chez les travailleurs la maladie grave connue sous le nom de silicose.

Pour produire une olivine synthétique à partir de résidus d'amiante adaptée à des applications à très haute température, il est théorisé qu'une forte proportion de forstérite (Mg2 SiO4) doit être produit dans le produit final. Cela est dû aux propriétés réfractaires favorables de la forstérite par rapport à l'enstatite et parce que le point de fusion de la forstérite est beaucoup plus élevé que celui de l'enstatite. Aitcin, en Am. Société de céramique Bull., Vol. 61, n° 8 (1982) pages 857 à 860, enseigne la calcination et le frittage de parties non magnétiques de résidus d'amiante pour produire un produit réfractaire. Un procédé est décrit dans lequel de fins résidus d'amiante sont cuits à 1 550 °C. Cependant, le produit réfractaire obtenu est riche en enstatite. La teneur en forstérite du produit réfractaire sera fonction de l'indice de basicité (MgO:SiO2) des résidus d'amiante. Par conséquent, la teneur en forstérite du produit final est limitée par l'indice de basicité de la matière première. Par exemple, un produit de fusion typique de résidus d'amiante calcinés est constitué de 33 % en volume de forstérite et de 54 % en volume d'enstatite, le reste étant essentiellement de l'hématite (Fe2 O3).

Par conséquent, il reste un besoin de réaliser un procédé efficace de production d'une composition d'olivine synthétique à partir de résidus d'amiante pour des applications telles que, par exemple, des sables de buse de poche à haute température, lequel procédé surmontera les inconvénients de l'art antérieur.

Un premier objet de la présente invention est de proposer un procédé de traitement des résidus d'amiante afin de convertir ces résidus en un produit commercialement utile.

Un deuxième objet de l'invention est de fournir un procédé de production, à partir de résidus d'amiante ou d'autres minerais de composition similaire, de sables synthétiques à olivine présentant de bonnes caractéristiques réfractaires à très hautes températures, telles que celles rencontrées lors de la fabrication et du traitement de l'acier en aciérie fonderies.

Un autre objet de l'invention est de produire un produit riche en forstérite à partir d'un minéral de serpentine ou à partir d'un minéral de serpentine préalablement calciné contenant de l'enstatite.

Un autre objet de l'invention est de fournir un nouveau matériau réfractaire adapté à une utilisation à très haute température.

Encore un autre objet de cette invention est de proposer un nouveau sable non toxique présentant un caractère réfractaire plus élevé, une densité plus élevée et un coefficient de dilatation thermique plus faible que de nombreux sables de fonderie à haute température conventionnels.

Selon un aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de production de matériau réfractaire à haute teneur en forstérite, qui comprend : le chauffage de résidus d'amiante contenant de la serpentine, ou d'un produit contenant de l'enstatite produit en calcinant des résidus d'amiante contenant de la serpentine, avec du magnésium ou un précurseur d'oxyde de magnésium à une température d'environ 1200°C ou plus pendant une durée suffisante pour former ledit produit riche en forstérite.

L'invention concerne également les nouveaux matériaux réfractaires produits par le procédé ci-dessus et les utilisations de tels matériaux.

On notera que la présente invention peut être utilisée pour produire un matériau réfractaire à point de fusion élevé soit à partir de résidus d'amiante contenant de la serpentine, soit à partir d'un produit préalablement calciné à partir de tels résidus qui contient de l'enstatite et a un point de fusion relativement bas (température de fusion) d'environ 1600°C ou moins.

Le produit de la présente invention est une olivine synthétique qui contient de préférence au moins 40 % en volume de forstérite, plus préférentiellement au moins 60 % en volume de forstérite, et qui se compose de manière optimale presque entièrement de forstérite avec très peu ou pas d'enstatite (de préférence moins plus de 10 % en volume). Le produit a de préférence un point de fusion (fusion) d'environ 1660°C ou plus, et de préférence supérieur à environ 1700°C.

Un avantage particulier de l'olivine synthétique de l'invention est qu'elle est facilement utile dans une variété d'applications où d'autres sables réfractaires ne peuvent pas supporter les températures de fonctionnement, les contraintes mécaniques ou les temps de maintien requis. L'olivine synthétique de cette invention est également exempte de fibres d'amiante et est essentiellement non toxique.

DESCRIPTION BRÈVE DES DESSINS

FIGUE. 1 est une représentation schématique de l'appareil utilisé conformément à cette invention

FIGUE. 2 est un exemple de four rotatif qui peut être utilisé pour réaliser la présente invention

FIGUE. 3 est une représentation graphique d'analyses et d'indices de basicité des sables à olivine synthétiques obtenus lors d'essais effectués conformément à la présente invention

FIGUE. 4 est une représentation graphique de l'effet des tailles de particules sur les points de fusion des sables d'olivine synthétiques obtenus conformément à cette invention

FIGUE. 5 est une représentation graphique de l'effet des indices de basicité sur les points de fusion des sables à olivine synthétiques obtenus conformément à la présente invention

FIGUE. 6 est une coupe transversale schématique d'une application possible des sables d'olivine synthétiques de cette invention dans un environnement industriel

FIGUE. 7 est un exemple schématique d'une coupe transversale des sables à olivine synthétiques de la Fig. 6 au cours d'un processus de fusion.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION ET DES MODES DE REALISATION PREFERES

Dans la présente invention, un composé de magnésium est utilisé pendant la calcination des résidus miniers d'amiante, ou pendant le chauffage d'un produit synthétique contenant de l'enstatite préalablement produit par calcination de ces résidus, à une température d'environ 1200°C ou plus, afin produire un composé synthétique d'olivine riche en forstérite (Mg2 SiO4) plutôt qu'enstatite (MgSiO3). De préférence, comme indiqué ci-dessus, ce composé synthétique d'olivine contiendra plus de 60 % en volume de forstérite et moins de 10 % en volume d'enstatite.

Sans vouloir être lié à une théorie particulière, on pense que, lors de l'étape de chauffage ou de calcination, la présence du composé de magnésium ajouté empêche la forstérite résultant de la réaction (ii) ci-dessus de se dégrader, par réaction chimique avec de la silice libre, en enstatite par réaction (iii). En variante, la silice libre produite par la réaction (ii) peut être amenée à réagir avec le composé de magnésium ajouté au lieu de réagir avec la forstérite selon la réaction (iii). Par conséquent, un composé riche en forstérite est obtenu. En d'autres termes, on pense qu'un équilibre chimique riche en forstérite est obtenu lorsque la réaction du silicate de magnésium anhydre en enstatite est dépassée par la réaction de la silice libre avec le magnésium. Ceci est indiqué par la réaction (iv) ci-dessous :

(iv) réaction de la silice libre au-dessus de 1200°C environ avec l'oxyde de magnésium :

En variante, pour obtenir des résultats similaires, des résidus d'amiante préalablement calcinés, riches en enstatite, peuvent être chauffés à une température d'environ 1200°C ou plus en présence de quantités appropriées d'oxyde de magnésium ou d'un précurseur de celui-ci. On en déduit qu'une partie de l'enstatite réagit en forstérite et que la silice libre réagit avec le magnésium pour former de la forstérite supplémentaire.

La composition précise du produit obtenu conformément à la présente invention dépendra normalement de l'indice de basicité initial (MgO:SiO2 rapport pondéral, appelé "Ib") du lot de serpentine utilisé, la quantité d'oxyde ou de précurseur de magnésium, les températures de calcination, et la granulométrie des réactifs.

Le tableau 1 ci-dessous présente les compositions typiques des résidus de mines d'amiante dans la province de Québec, Canada, et montre l'indice de basicité (Ib) de ces matériaux.

TABLEAU 1
______________________________________
Chimie typique des résidus de l'analyse des mines de chrysotile (% en poids) Échantillon Ib MgO SiO2 FeO, Fe2 O3 Al2 O3 LI*
______________________________________

Mine 1 0,89 42,8 47,9 4,8 -- 13,0
Mine 2 0,90 35,2 39,2 8,8 1,2 12,1
Mine 3 1,22 41,4 34,0 9,2 0,4 15,0
Mine 4 1,25 41,6 33,2 9,1 0,7 13,8
Exemple 1
0.99 37.2 37.7 7.5 0.8 13.7
au dessous de
Théorique
1.00 43.6 43.4 -- -- 13.0
Serpentin
______________________________________

La quantité d'oxyde ou de précurseur de magnésium nécessaire pour assurer un pourcentage élevé de forstérite dans le produit dépend du rapport Ib initial, qui peut aller d'environ 0,8 à 1,2. En théorie, 100 g de serpentine pure produiraient 10,8 g de silice selon la réaction (ii) ci-dessus, ce qui nécessiterait la présence de 14,5 g d'oxyde de magnésium pour une réaction complète avec la silice selon la réaction (iv). Si un excès d'oxyde de magnésium est prévu, celui-ci n'est pas nocif car il n'a pas réagi dans le produit sous forme de périclase qui a elle-même une température de fusion élevée. En général, par conséquent, la quantité requise de MgO se situe dans la plage de 10 à 25 % en poids, et est plus préférablement d'au moins 15 % en poids, sur la base de la quantité de résidus d'amiante. Une autre manière d'exprimer la quantité de MgO requise est d'indiquer que l'Ib des matériaux de départ (serpentine et MgO ou précurseur) doit de préférence être compris entre 1,34 et 1,68.

Dans la mise en oeuvre du présent procédé, il n'est pas essentiel d'utiliser de l'oxyde de magnésium en tant que tel puisque tout composé de magnésium qui donne de l'oxyde de magnésium dans les conditions de réaction (c'est-à-dire un précurseur d'oxyde de magnésium) peut être utilisé, comme par exemple l'hydroxyde de magnésium, le carbonate de magnésium, sulfate de magnésium ou d'autres équivalents chimiques de l'oxyde de magnésium. Naturellement, lorsqu'un précurseur d'oxyde de magnésium est utilisé, sa quantité relative doit être calculée en oxyde de magnésium.

A un MgO:SiO donné2 (Ib), la température de fusion du produit calciné augmente en proportion directe de la finesse des particules de la serpentine de départ, peut-être du fait d'une meilleure diffusion de l'oxyde de magnésium dans les grains de la serpentine (ou de la forstérite-enstatite, si la réaction est effectuée sur un résiduel préalablement calciné). La gamme de taille préférée de la serpentine (ou forstérite-enstatite) est de -1,68 mm de diamètre. Si nécessaire, le matériau de départ serpentin peut être soumis à une étape de broyage préliminaire pour réduire la taille des particules selon les besoins.

La taille des particules de MgO ou du précurseur n'est pas critique, mais ces particules sont de manière souhaitable de taille similaire aux particules de serpentine afin d'assurer une bonne répartition et un bon mélange des deux types de matériaux.

Il est préférable de former des agglomérats granulaires des particules de résidus et des particules d'oxyde de magnésium (ou précurseur) en mélangeant ces matériaux avec de l'eau et un liant qui reste présent à température raisonnablement élevée afin de former une pâte puis de fabriquer des granulés de la pâte. Le liant empêche la désintégration des granules pendant l'étape de calcination, ce qui pourrait entraîner une perte de la poussière d'oxyde de magnésium du calcinateur et un rapport inégal de MgO à SiO2 dans les granulés chauffés. La taille et la résistance des granulés peuvent être contrôlées par la quantité et le taux de dilution du liant dans la solution aqueuse. Habituellement, environ 3 à 10 % en poids de la solution de liant sont nécessaires pour former des granulés appropriés, et une quantité d'environ 5 % est normale, selon le liant choisi. Un exemple d'une solution de liant appropriée est une solution aqueuse de MgSO4 ayant l'avantage d'être une source de MgO.

Le mélange de matières premières utilisé dans la présente invention est chauffé à une température d'au moins 1200°C, et de préférence à une température comprise entre 1200°C et 1500°C, pendant une durée nécessaire à la réactions souhaitées pour atteindre l'équilibre. Idéalement, la température de calcination est d'environ 1460°C et le temps de réaction est habituellement d'au moins environ une heure.

Les produits résultants, en particulier ceux ayant des rapports Ib supérieurs à environ 1,2, ont des caractéristiques appropriées en ce qui concerne la distribution granulométrique, la capacité de tassement, la résistance thermique et les propriétés de frittage pour une utilisation comme sable de poche ou pour des utilisations réfractaires similaires.

Il est particulièrement souhaitable de mélanger le produit réfractaire de l'invention avec du graphite (ou un autre agent dit de pontage approprié) avant l'utilisation du matériau dans des applications réfractaires en particulier pour une utilisation comme sable de buse de coulée de poche d'acier. Le graphite aide le matériau réfractaire à former une croûte frittée protectrice à faible conductivité thermique lorsqu'il est exposé à des températures élevées. La quantité de graphite ou d'un autre agent de pontage est habituellement de l'ordre de 5 à 15 % en poids du mélange résultant, et plus habituellement de 5 à 10 % en poids.

Les principales propriétés requises pour les applications de sables de coulée sont la réfractarité, la distribution granulométrique, un degré élevé de tassement, une faible dilatation thermique et la capacité de former une croûte appropriée dans la buse supérieure. Les sables conventionnels les plus couramment utilisés comme matériaux de buse sont la silice, l'olivine naturelle et le zircon avec des points de fusion allant de 1 430 °C à 1 760°C, 1 540 °C à 1 760°C et 2 040°C à 2 220 °C. , respectivement. Les olivines produites par calcination de serpentine avec MgO selon la présente invention ont des points de fusion allant vers le haut de 1610°C à plus de 1680°C selon la nature de la composition, et notamment du MgO:SiO2 (Ib) rapport. De préférence, les points de fusion sont supérieurs à 1660°C.

La résistance thermique élevée de l'olivine synthétique produite selon la présente invention en présence d'acier liquide la rend également appropriée pour d'autres applications dans la fabrication de l'acier, à savoir dans les bétons, les briques plastiques et réfractaires, et les matériaux de projection et de pilonnage résistant à des températures supérieures à 1650. °C

Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre en continu dans un appareil du type représenté schématiquement à la fig. 1. Dans cet appareil, les résidus d'amiante (préalablement broyés à une taille de particule souhaitée) sont acheminés d'une trémie 10 via une vanne de régulation de débit 11 à une bande transporteuse 12. La bande transporte ensuite les particules de serpentine sous un flux d'oxyde de magnésium ou de particules précurseurs. de la trémie 14. Le mélange de poudre résultant est ensuite transporté sous un courant d'une solution aqueuse d'un liant inorganique du réservoir 15. Le mélange pâteux résultant est déposé dans un mélangeur (granulateur) 16 et les granulés émergents sont introduits dans l'entrée d'un four rotatif 17 incliné vers le bas dans lequel a lieu la calcination requise.

Le four 17 est représenté plus en détail sur la Fig. 2. Les granulés du mélangeur 16 sont introduits dans l'entonnoir d'entrée 21, dans la zone d'alimentation 22 et passent à une zone de préchauffage 23. La déshydratation de la serpentine commence dans la zone de préchauffage 23. Le matériau préchauffé passe ensuite à un zone de calcination et de frittage au four statique 24 où elle atteint une température souhaitée dans la gamme de 1200 à 1500°C. La matière calciné atteint alors une zone de refroidissement 25, à partir de laquelle le produit final est récupéré. Le matériau a un temps de séjour dans le four 17 d'environ une heure.

L'invention est illustrée par les exemples suivants mais ne doit pas être considérée comme limitée à ceux-ci.

Un test a été réalisé pour déterminer l'effet de la taille des particules de serpentine brute et de la quantité de MgO ajoutée à la serpentine sur le point de fusion des produits calcinés.

Des traitements thermiques de diverses matières premières ont été effectués dans un four rotatif du type représenté à la Fig. 2, en soumettant les matières premières à une température croissante de l'ambiante à 800°C dans un premier temps, puis en poursuivant le chauffage jusqu'à 1350°C dans un four statique. Le temps de rétention total était de 2 heures. Dans chaque essai, la granulation du mélange serpentine-MgO a été utilisée pour empêcher la perte au four pendant l'étape de calcination. La taille et la résistance des pastilles étaient contrôlées par la quantité et le taux de dilution d'un liant sulfate de magnésium dans la solution aqueuse.

Le tableau 2 présente la composition des mélanges serpentine-MgO testés, ainsi que les analyses chimiques des produits calcinés correspondants et leur température de fusion (TF). Les températures de calcination ont atteint environ 1350°C dans le four statique sauf indication contraire dans le tableau 2. Les températures de fusion ont été mesurées avec un microscope chauffant calibré à une lecture maximale de 1680°C. Le MgO:SiO2 Le rapport (Ib) a été calculé avant et après le traitement thermique. Les valeurs de rapport sont tracées sur le graphique représenté sur la Fig. 3 ainsi que des résultats analytiques comparatifs.

TABLEAU 2
__________________________________________________________________________
Composition de l'aliment et des produits de calcination SERPEN- SERPENTINE-MgO MÉLANGES ALIMENTAIRES PRODUITS OLIVINE Test Taille % % % % N° (mm) MgO* SiO2 * Ib MgO SiO2 * IbTF
__________________________________________________________________________

1 -3.36 41.1
34.9
1.18
48.5
39.62
1.24
1610
2 -1.68 41.6
34.2
1.22
48.6
39.0
1.25
1670
3 -0.84 41.9
35.4
1.18
46.2
38.0
1.22
1680
4 -1.68 39.9
34.9
1.14
48.9
42.7
1.15
1625
5 -1.68 44.0
36.3
1.21
49.4
40.4
1.22
1660
6 -1.68 46.5
35./5
1.31
51.1
38.9
1.31
>1680**
7 -1.68 47.0
34.6
1.36
52.3
38.3
1.37
>1680**
8 -1.68 48.0
33.2
1.44
56.9
36.9
1.51
>1680
9 -1.68 50.8
31.3
1.62
59.1
35.0
1.69
>1680***
10 -1.68 53.6
29.5
1.82
62.6
31.1
2.01
>>1680****
11 -1.68 47.6
32.1
1.48
51.0
34.7
1.47
>1680
12 -1.68 50.5
30.3
1.67
51.7
33.0
1.57
>1680
13 -1.68 53.3
28.6
1.86
59.3
30.2
1.96
>>1680
__________________________________________________________________________

*Calculé à partir des analyses de tête du mélange de serpentine et d'oxyde de magnésium. **Ces deux produits ont commencé à ramollir à 1680°C. ***Température de calcination atteignant 1425°C. ****Température de calcination atteignant 1460°C.

FIGUE. 4 montre la relation entre la taille des particules de serpentine et la température de fusion des produits résultants. Le graphique montre que, à un MgO:SiO donné2 rapport (1,2 dans ce cas), la température de fusion du produit calciné augmente avec la finesse de la serpentine brute.

Puisque la forstérite pure a un MgO:SiO2 rapport de 1,34 avec une température de fusion de 1890°C, il est significatif que toute composition ayant un MgO:SiO plus élevé2 ont des températures de fusion résultantes supérieures à 1680°C (qui était la limite détectable la plus élevée du microscope chauffant utilisé dans cet exemple).

L'effet des quantités d'ajouts de MgO sur les températures de fusion des produits est illustré graphiquement sur la Fig. 5.

Cet exemple montre le test d'olivine synthétique riche en forstérite produite selon la présente invention sous forme de sable de poche pour un système de vanne coulissante en acier.

Trois produits de mélange d'olivine synthétique selon l'invention ont été préparés et testés pour leur résistance thermique à l'acier liquide à haute température pendant des périodes prolongées. Ces produits sont identifiés dans le tableau 3 avec l'indice de basicité correspondant et les principaux composants minéralogiques.

TABLEAU 3
__________________________________________________________________________
Produits mélangés à tester en tant que mélange de sable à la poche MgO:SiO2 TF Minéraux Produit Source Identifiée** (Ib) °C. (Contenu approximatif)
__________________________________________________________________________

N ° 1
Essais 2 et 5
1.22 1665 Principal :
Forstérite (Mg2 SiO4)
Majeur:
Enstatite (MgSiO3)
Mineur:
Oxydes de fer*
Magnésioferro peroxène
(Fe, Mg)SiO3
N ° 2
Épreuves 6, 7,
1,39 >1680
Principal:
Forstérite
8 et 11 Mineur :
Oxydes de fer*
Magnésioferro peroxène
Enstatite
Périclase (MgO)
n ° 3
Épreuves 9 et 12
1.64 >>1680
Principal:
Forstérite
Majeur:
Périclase (MgO)
Mineur:
Oxydes de fer*
Magnésioferro peroxène
__________________________________________________________________________

* Maghémite (Y--Fe2 O3), hématite (Fe2 O3), magnésioferrite (MgFe2 O4) **Les numéros de test se réfèrent aux numéros de test de l'exemple 1. Remarque : pas de silice (SiO2) a été identifié dans les produits.

Une bonne distribution granulométrique assure un tassement élevé. Le sable doit donc rapporter sur plusieurs tamis successifs afin d'éviter trop d'interstices entre les grains. Le tableau 4 montre une comparaison de la taille des olivines forstéritiques de cette invention avec d'autres types de sables.

TABLEAU 4
__________________________________________________________________________
Tests comparatifs de tamis de poche de sable Taille Wt Tamis US 16 20 30 40 50 70 100 200 -200 % mm 1,18 0,84 0,60 0,42 0,30 0,21 0,15 0,08 0,08
__________________________________________________________________________

SABLE DE SILICE
15 53 31 3 -- -- -- -- --
NATUREL -- -- -- -- 26 35 26 9 4
OLIVINE -- -- -- 3 3 4 47 41 1
SABLE ZIRCON
NUMÉRO DE PRODUIT 1
19 20 15 12 9 8 8 6 3
NUMÉRO DE PRODUIT 2
27 23 13 11 8 6 7 3 2
NUMÉRO DE PRODUIT 3
20 18 14 16 11 7 5 5 4
__________________________________________________________________________

D'autres caractéristiques physiques des sables à olivine assurent de bonnes qualités de tassement. Ces caractéristiques sont à savoir la densité, la densité apparente et le pourcentage de volume de vide. Le tableau 5 présente ces caractéristiques physiques pour chacune des olivines synthétiques.

TABLEAU 5
______________________________________
Propriétés physiques des sables synthétiques riches en forstérite Produit de vide spécifique Gravité Densité apparente Volume %
______________________________________

N° 1 2,93 1,46 (91 lb/pi 3 )
50.2
N° 2 2,86 1,56 (99 lb/pi 3 )
49.8
N° 3 2,82 1,40 (87 lb/pi 3 )
46.8
______________________________________

A la fois la densité relativement élevée et une forme semi-angulaire des produits d'olivine ont abouti à un bon matériau à écoulement libre.

Enfin, deux autres facteurs rendant les nouveaux sables adaptés à la buse de trou de coulée sont un faible coefficient de dilatation thermique (1,09 × 10 -5 ) et une dureté élevée (5,5 sur l'échelle de Mohs) pour les trois produits d'olivine.

Au contact de l'acier liquide, un sable de poche satisfaisant doit former une couche de faible conductivité thermique, appelée croûte, au sommet de la buse. Cette croûte est brisée par la pression statique de l'acier lorsque la porte coulissante est ouverte pour taper le four. Le frittage est obtenu soit à partir d'un phénomène naturel, comme par exemple par la présence de feldspath dans les sables de silice, soit en réalisant des mélanges à cet effet, par ex. via des additifs tels que graphite à chromite, silice à zircon, etc. Cette dernière combinaison produit un pont vitreux vers 1540°C par fusion de silice libre et décomposition du zircon en zircone et silice.

Comme illustré sur la Fig. 6, pour évaluer l'adéquation des produits d'olivine synthétiques en tant que sables de poche, des tests ont été effectués dans un four à induction électrique 60 n'ayant pas de trou de coulée au fond. Un moule réfractaire 61, rempli d'un mélange olivine-graphite 62 (contenant 10 % de carbone graphitique), a été installé en fond de four et a été entouré de mullite piqué 63 (pour éviter les transferts thermiques latéraux). Le moule réfractaire 61 avait une section conique 64 dans sa section supérieure et le sable était entassé dans une garniture de "pot de fleurs" 65 dans cette section conique. La surface supérieure du sable était protégée par une plaque d'acier 66 sur laquelle était placé un lingot d'acier de 25 kg 67.

Le métal a été fondu et maintenu à des températures présélectionnées, c'est-à-dire 1600°C, 1650°C et 1700°C, pendant des durées variant de 1 à 2 heures comme illustré schématiquement sur la Fig. 7.

Puisque l'épaisseur d'une croûte 70 formée au sommet du lit réfractaire 62 dépendait de la température de l'acier liquide 72 et de la période de contact entre le métal liquide et le sable de coulée, les deux facteurs ont été étudiés simultanément en augmentant à la fois la température et la durée indiquée dans le tableau 6.

TABLEAU 6
______________________________________
Conditions de test de la buse avec l'olivine forstéritique Produit de contact Acier liquide Période n° °C. heure
______________________________________

1 1600 1
2 1650 11/2
3 1700 2
______________________________________

Une fois l'essai terminé, le four 60 a été basculé et l'acier liquide 72 a été coulé. La croûte réfractaire 70 formée à l'interphase entre le sable d'olivine-graphite 74 et l'acier liquide 72 était suffisante pour retenir le sable d'olivine-graphite non altéré 74 dans le moule, qui a été retiré pour examen. Il a été constaté dans chaque essai que la croûte 70 était suffisamment mince pour être facilement brisée par une petite tige. Cela indiquait que la couche frittée se briserait sous la pression de l'acier liquide dans un système industriel de portes coulissantes.

Cinq tests ont été effectués dans lesquels les résidus de serpentine ont été chauffés avec des précurseurs de magnésie MgCO3 et MgSO4. Les conditions et les résultats sont présentés dans les tableaux 7 et 8 ci-dessous.

TABLEAU 7
__________________________________________________________________________
Granulométrie, composition et indice de basicité de la serpentine, additifs et mélanges résultants Additifs (poids) % Serpentine-MgO-- Amiante MgO MgSO4 Mélanges Échantillons Résidus présents MgO : granulo- Test Analyse (sec) % en MgSO4 Analyse (sec) % SiO2 métrique n° MgO SiO2 Fe2 O3 Ib MgCO3 Solution MgO SiO2 Fe2 O3 (Ib)
__________________________________________________________________________

(-1,68 mm)
12 39.0
39.0
5.9 1.00
12.2 5.0 46.5
34.2
5.2 1.36
13 39.0
39.0
5.9 1.00
16.6 5.0 49.1
32.5
4.9 1.51
14 39.0
39.0
5.9 1.00
21.3 5.0 52.0
30.7
4.6 1.69
15 39.0
39.0
5.9 1.00
16.6 5.0 49.1
32.5
4.9 1.51
16 39.0
39.0
5.9 1.00
16.6 5.0 49.1
32.5
4.9 1.51
__________________________________________________________________________

TABLEAU 8
__________________________________________________________________________
Conditions de traitement thermique, analyse du produit olivine à la mesure des températures de contrôle Echantillon Calcination Olivines Produits granulés Test Température (°C.) Analyse (%) Températures (°C.) lométrie N° Etape I Etape 2 MgO SiO2 FeO3 Ib Adoucissant Fusion
__________________________________________________________________________

(-1,68 m)
12 800 (1h)
1350 (1h)
47.7
37.6
8.0 1.27
1680
>1680
13 800 (1h)
1350 (1h)
48.6
35.0
7.6 1.39
>1680
>1680
14 800 (1h)
1350 (1h)
50.0
33.7
7.5 1.48
>1680
>1680
15 800 (1h)
1405 (1h)
49.4
36.0
6.8 1.37
>1680
>1680
16 800 (1h)
1460 (1h)
50.8
35.0
6.0 1.46
>1680
>1680
__________________________________________________________________________

Sept échantillons ont été produits selon le procédé de l'invention et analysés pour la teneur en différentes phases minérales. Les résultats sont présentés dans les tableaux 9 et 10 ci-dessous.

TABLEAU 9
______________________________________
Les analyses des diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre donnent les compositions non corrigées suivantes (exprimées en pourcentages volumiques) : Phase ICDD # 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
______________________________________

forstérite 3-189 87 86 96 97 93 91 86
enstatite 31-634 -- -- 11 14 9 51 34
périclase 4-829 40 59 91 32 26 -- 21
maghémite-C 39-1346 49 72 34 26 16 44 80
protoenstutite
3-523 15 14 -- -- -- -- --
silicate de magnésium
11-273 -- -- -- -- -- 41 --
quartz 5-490 -- -- -- -- -- -- 9
______________________________________

Correction de ces chiffres pour les I/I respectifsc ratios, et la normalisation, donne les compositions quantitatives suivantes:

TABLEAU 10
__________________________________________________________________________
Phase ICDD # 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
__________________________________________________________________________

forstérite
34-189
65 58 66 75 81 52 54
mg2 SiO4
enstatite 31-634
-- -- 5 7 5 19 14
(Fe,Mg)SiO3
périclase 4-829
8 10 16 7 6 -- 4
MgO
maghémite-C
39-1346
20 26 13 11 8 14 27
Fe2 O3
protoenstatite
3-523
8 6 -- -- -- -- --
MgSiO3
silicate de magnésium
11-273
-- -- -- -- -- 15 --
MgSiO3
quartz 5-490
-- -- -- -- -- -- 1
SiO2
100 100
100 100
100 100
100
rapport Ib 1,27
1.39
1.48
1.48
1.48
1.48
1.48
__________________________________________________________________________

De nombreuses modifications et variantes de la présente invention peuvent être apportées, à la lumière des enseignements ci-dessus, sans s'écarter de l'esprit de base de la présente invention. Par conséquent, il sera apprécié par l'homme du métier que, dans le cadre des revendications annexées, l'invention peut être mise en pratique autrement que comme spécifiquement décrit ici.


Contributeurs et attributions

Les composés connus sous le nom de traceurs radioactifs peuvent être utilisés pour suivre les réactions, suivre la distribution d'une substance, diagnostiquer et traiter des conditions médicales, et bien plus encore. D'autres substances radioactives sont utiles pour lutter contre les parasites, visualiser les structures, fournir des avertissements d'incendie et pour de nombreuses autres applications. Des centaines de millions de tests et de procédures de médecine nucléaire, utilisant une grande variété de radio-isotopes avec des demi-vies relativement courtes, sont effectués chaque année aux États-Unis. La plupart de ces radio-isotopes ont des demi-vies relativement courtes, certains sont suffisamment courts pour que le radio-isotope doive être fabriqué sur place dans des installations médicales. La radiothérapie utilise des rayonnements à haute énergie pour tuer les cellules cancéreuses en endommageant leur ADN. Le rayonnement utilisé pour ce traitement peut être délivré en externe ou en interne.


14.5 : Forstérite synthétique - Géosciences

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Division des sciences physiques Faits saillants de la recherche


Cette recherche a fait la couverture de Microscopie et microanalyse. Crédit d'image : Microscopy and Microanalysis, Microscopy Society of America et Cambridge University Press. Agrandir l'image.

Résultats: Capturer le dioxyde de carbone et le stocker dans des formations rocheuses souterraines est une solution proposée pour atténuer le changement climatique. De nouvelles connaissances sur les réactions chimiques entre le dioxyde de carbone stocké et la forstérite (Mg2SiO4) aide à déterminer le degré de confiance que l'on peut accorder à l'utilisation de roches ignées avec des olivines riches en magnésium pour la séquestration du carbone à long terme. Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory ont déterminé que le dioxyde de carbone et la forstérite réagissent pour former la dypingite hydratée [(Mg5(CO3)4&taureau5H2O)], qui précipite de la solution.

Les précipités de dypingite hydratée croissent par des mécanismes différents et avec une morphologie différente selon que la phase de départ est la forstérite synthétique ou la forme naturelle. Dans la forstérite synthétique, les solutions de magnésium se sont infiltrées dans les pores où l'évaporation a laissé des rosettes de dypingite. Sur la forstérite naturelle, des précipités de dypingite se sont formés uniquement en surface et dans des structures en forme de bâtonnets. Cette découverte, rendue possible par l'imagerie multimodale à haute résolution et l'analyse spectroscopique, donne un nouvel aperçu de la géochimie du stockage de dioxyde de carbone supercritique. Les images de cette recherche ont orné la couverture de Microscopie et microanalyse.

Pourquoi est-ce important: La production d'électricité à partir du charbon et d'autres combustibles fossiles représente un peu plus de la moitié des émissions de dioxyde de carbone d'origine humaine de la planète. Les émissions de dioxyde de carbone contribuent aux changements des conditions météorologiques qui affectent les cultures, la disponibilité de l'eau et la qualité de l'air. La capture et la séquestration du dioxyde de carbone pourraient atténuer ses effets, mais des questions fondamentales doivent être posées sur les réactions qui se produiraient pendant le stockage. En comprenant les interactions de base entre le dioxyde de carbone et les minéraux dans les situations de faible niveau d'eau sur les sites de séquestration, les scientifiques peuvent informer les ingénieurs, les décideurs et autres sur les différentes options.

Méthodes : Pour stocker les déchets de dioxyde de carbone, tels que ceux issus du traitement industriel, ils devraient être capturés, condensés sous haute pression et haute température, et convertis en dioxyde de carbone supercritique, un fluide aux propriétés gazeuses et liquides qui pourrait ensuite être injecté profondément sous terre. Les chercheurs ont imité ces conditions souterraines profondes, en incubant le dioxyde de carbone dans un environnement très humide avec de la forstérite. Ils ont utilisé l'imagerie, y compris la microscopie à ions hélium, ainsi que des techniques d'analyse chimique à l'EMSL pour étudier les changements dans la chimie du système ex situ.

Critique pour leurs études, l'équipe de recherche a développé un nouveau protocole de préparation d'échantillons pour préserver les produits de réaction très fragiles qui se sont formés dans les conditions expérimentales à haute pression et à haute température.

Et ensuite ? S'appuyant sur près de 50 ans d'expertise du laboratoire dans la science du sous-sol, l'équipe continue d'explorer les réactions qui se produiraient entre le dioxyde de carbone et différents minéraux trouvés en profondeur.

Remerciements :

Facilité utilisateur : Des analyses de microscopie à ions hélium, de microscopie électronique à balayage par faisceau d'ions focal, de microscopie électronique à transmission, de spectroscopie de diffraction électronique et de spectroscopie Raman ont été effectuées à l'EMSL.

Zone de recherche: Science du sous-sol

L'équipe de recherche: Bruce W. Arey, Libor Kovarik, Odeta Qafoku, Zheming Wang, Nancy J. Hess et Andrew R. Felmy, PNNL

Référence: Arey BW, L Kovarik, O Qafoku, Z Wang, NJ Hess et AR Felmy. 2013. "Etude des transformations minérales dans le CO supercritique humide2 par microscopie électronique." Microscopie et microanalyse 19(2):268-275. DOI : 10.1017/S1431927612014171


*Shogo TACHIBANA 1 , Aki TAKIGAWA 2 (1.Dept.Sciences d'histoire naturelle, Université Hokkaido, 2.Département des sciences de la Terre et des planètes, Université de Kyoto)

Mots clés : forstérite, condensation, cinétique, poussière, disque protoplanétaire

Les calculs de condensation d'équilibre fournissent un ensemble de minéraux stables dans certaines conditions physiques et chimiques, la condensation ne se produit pas nécessairement à l'équilibre dans les systèmes circumstellaires variables dans le temps, où la pression, la température et la chimie des gaz varient avec le temps. Il est donc important de comprendre l'aspect cinétique des processus de formation des poussières, en particulier la cinétique de croissance de vapeur des poussières. Dans cette étude, nous rapportons une estimation quantitative du coefficient de condensation, paramètre sans dimension représentant l'obstacle cinétique pour la condensation, pour la croissance de vapeur de forstérite dans des conditions de disque protoplanétaire dans le système de H2?H2O?forstérite.

Un four infrarouge sous vide a été utilisé dans cette étude. Un mélange gazeux d'hydrogène et de vapeur d'eau a été introduit dans le système à un débit contrôlé pour maintenir une pression constante. De la poudre de forstérite synthétique dans un creuset en iridium a été chauffée comme source de gaz. Une partie des gaz évaporés a été condensée sur un substrat de maille de platine situé dans une région plus froide de la chambre. Les conditions de pression et de température au cours de l'expérience étaient proches de celles des disques protoplanétaires. La pression totale du système a été maintenue à 5,6 Pa et la température du substrat a été

1235 K. Le rapport H2O/H2 gazeux a été fixé à

15 fois plus grand que le rapport solaire H2O/H2. La durée expérimentale variait de 5 à 115 heures.

Le maillage en platine était entièrement recouvert de condensats de taille submicronique à micrométrique. Les compositions chimiques des condensats correspondaient à celles de la forstérite stoechiométrique. Une variété de modèles EBSD correspondant à la forstérite cristalline ont été obtenus à partir des condensats. Nous concluons ainsi que les condensats sont un film mince de forstérite polycristalline.

Le rapport SiO/H2 gazeux dans le flux sur le substrat a été estimé à 5,5 x 10-7, ce qui correspond à 7,7 x10-3 du rapport SiO/H2 solaire. Le rapport de sursaturation pour la présente expérience était

230. Sur la base du flux entrant de SiO sur le substrat et du flux d'évaporation idéal, le coefficient de condensation de la forstérite a été évalué à 0,038 +/- 0,005 à 1235 K et le rapport de sursaturation de 230.

Le coefficient de condensation à 1235 K est bien cohérent avec le coefficient d'évaporation de la forstérite dans l'hydrogène gazeux et est inférieur à celui du fer métallique. La différence des coefficients de condensation et d'évaporation pour les ions métalliques et la forstérite peut être attribuée à la différence des liaisons atomiques du fer métallique (liaisons métalliques) et des silicates (liaisons ioniques et/ou covalentes). Cette différence implique que la croissance de la poussière de forstérite, par exemple les AOA dans les chondrites, se produit moins efficacement que celle de la poussière de fer métallique dans les environnements circumstellaires bien qu'ils aient des températures de condensation d'équilibre similaires.


Voir la vidéo: Granite