Phase transitions of ferruginous minerals in the course of thermal processing of feldspar-quartz raw materials from the Sobótka region (Lower Silesia)
E. Lewicka 1  
 
More details
Hide details
1
The Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Krakow, Poland
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2017;33(1):93–110
 
KEYWORDS
ABSTRACT
This paper presents the results of analyses of feldspar-quartz raw materials from deposits of leucogranites located in the Sobótka region. This is a successive stage of research carried out by the author on reasons for colour variation of ceramic materials obtained from them. This step encompassed the firing of sample pairs of analogous chemical composition in different conditions: in a standard cycle lasting more than 2 hours (at a maximum temperature of 1200°C), and a fast one – lasting around 50 minutes (at a max. temperature of 1260°C). The obtained ceramic bodies were analysed using the XRD method, scanning microscopy SEM-EDS and 57Fe Mössbauer spectroscopy at room temperature. The XRD investigations revealed the presence of quartz in both samples, while remnants of sodium feldspar were observed in the one fired in the fast cycle. The scanning microscopy confirmed that the principal component of the examined bodies is the aluminosilicate melt, resulting from the thermal decomposition of mainly feldspars and quartz. Single quartz grains and other minerals of high melting temperatures, i.e. zirconium, were also observed in the course of microscopic examinations. Products of other mineral phases’ transformations at high temperature, such as: titanomagnetite (spinel Fe-Ti), magnetite, biotite, xenotime, sphalerite as well as probably chlorites and garnets, were also relatively frequent. Mössbauer studies demonstrated the presence of three basic components constituting 30% (each) of the spectra, i.e. Fe2O3 (presumably hematite), Fe3+ ions (dispersed in aluminosilicate glassy phase), and nanocrystalline or amorphous oxide phase of iron (Fe-O). Some relatively small amounts (5 and 10%) of mixed valence iron cations (Fe2+/3+) that are not expected to influence the colour difference between samples after firing were also found. A paramagnetic doublet referring to them can be attributed to a titanomagnetite spinel or products of its thermal decomposition. The above-mentioned observations and examinations lead to the finding that the main reason for colour variation in the examined bodies as well as their different microstructure and advancement of phase transitions in the course of firing are different conditions of thermal treatment. These probably also influenced the forms in which iron and other colouring elements occur in the samples studied.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Przemiany fazowe nośników żelaza podczas obróbki termicznej kopalin skaleniowo-kwarcowych z rejonu Sobótki (Dolny Śląsk)
fazy żelaziste, przemiany fazowe, spektroskopia mössbauerowska, kopalina skaleniowo kwarcowa, barwa po wypaleniu
Opracowanie przedstawia wyniki badań kopaliny skaleniowo-kwarcowej pochodzącej ze złóż leukogranitów z rejonu Sobótki. Jest to kolejny etap prowadzonych przez autorkę badań nad wpływem składu chemicznego i mineralnego tych utworów na barwę uzyskanych z nich tworzyw ceramicznych. Obejmował on wypalanie par próbek o analogicznym składzie chemicznym w odmiennych warunkach: w cyklu standardowym, trwającym ponad 2 godziny (w maksymalnej temperaturze 1200°C), oraz szybkim, około 50-minutowym (w maks. 1260°C). Uzyskane tworzywa zostały poddane analizie rentgenowskiej, a także badaniom metodą mikroskopii skaningowej SEM-EDS i spektroskopii mössbauerowskiej w temperaturze pokojowej. Analiza rentgenowska ujawniła obecność kwarcu w obu próbkach, a w przypadku pastylki wypalonej w krótkim cyklu – również reliktów skalenia sodowego. Badania skaningowe potwierdziły, że podstawowym składnikiem badanych tworzyw jest stop glinokrzemianowy, który powstał w wyniku termicznego rozkładu głównie skaleni i częściowo kwarcu. W toku obserwacji stwierdzono obecność pojedynczych ziaren kwarcu oraz innych minerałów cechujących się wysoką temperaturą topienia, takich jak cyrkon. Stosunkowo często obserwowano także produkty przeobrażenia pod wpływem wysokiej temperatury innych faz mineralnych, takich jak: tytanomagnetyt (spinel Fe-Ti), biotyt, ksenotym, sfaleryt oraz przypuszczalnie chloryty i granaty. Badania mössbauerowskie wykazały obecność w tworzywie trzech równorzędnych składowych o względnych zawartościach rzędu 30% każda: Fe2O3 (przypuszczalnie hematyt), kationów Fe3+ (rozproszonych w stopie glinokrzemianowym) oraz słabo krystalicznej względnie amorficznej fazy tlenkowej żelaza (Fe-O). Stwierdzono również występowanie podrzędnej ilości kationów żelaza o mieszanej walencyjności (Fe2+/3+), których względny udział w obu próbkach jest niewielki (10 i 5%) i – jak się przypuszcza – nie może przesądzać o zróżnicowaniu ich zabarwienia. Odpowiadający im dublet paramagnetyczny ma przypuszczalnie związek z obecnością tytanomagnetytu lub produktów jego rozkładu termicznego. Powyższe obserwacje i uzyskane wyniki badań skłaniają do stwierdzenia, że główną przyczyną zróżnicowania barwy próbek są odmienne warunki ich obróbki termicznej, w wyniku czego uzyskano tworzywa różniące się stopniem spieczenia oraz zaawansowania przemian fazowych , co zapewne rzutowało na formę związania żelaza i innych pierwiastków barwiących.
 
REFERENCES (26)
1.
Andji et al. 2009 – Andji, J.Y.Y., Abba Toure, A., Kra, G., Jumas, J.C., Yvon, J. and Blanchart, P. 2009. Iron role on mechanical properties of ceramics with clays from Ivory Coast. Ceramics International 35, pp. 571–577.
 
2.
Bowen, L.H. and De Grave, E. 1995. Mössbauer spectra in external field of highly substituted aluminous hematites. Journal of Magnetism and Magnetic Minerals 139, pp. 6–120.
 
3.
Burkhard, D.J.M. 2000. Iron-bearing silicate glasses at ambient conditions. Journal of Non-Crystalline Solids, 275, pp. 175–188.
 
4.
Burns, R.G. and Dyar, M.D. 1981. Coordination chemistry of iron in natural and synthetic glasses. Geological Society of America Abstracts with Programs, 420.
 
5.
Carty, W.M., and Senapati, U. 1998. Porcelain: raw materials, processing, phase evolution and mechanical behaviour. Journal of American Ceramic Society 81, pp. 3–20.
 
6.
Ding et al. 1997 – Ding, J., McCormick, P.G. and Street, R. 1997. Formation of spinel Mn-ferrite during mechanical alloying. Journal of Magnetism and Magnetic Minerals 171, pp. 309–314.
 
7.
Dyar, M.D. 1985. A review of Mössbauer data on inorganic glasses: the effects of composition on iron valence and coordination. American Mineralogist 70, pp. 304–316.
 
8.
Dziubak, C. 2012. Fizykochemiczne podstawy syntezy ceramicznych pigmentów cyrkonowych. Kraków: Ceramika/Ceramics 112, pp. 179 (in Polish).
 
9.
Ehlers, E.G. 1972. The interpretation of geological phase diagrams. San Francisco: W.H. Freeman and Company.
 
10.
Górnicki et al. 2007 – Górnicki, R., Błachowski, A. and Ruebenbauer, K. 2007. Mössbauer Spectrometer MsAa-3. Nukleonika 52 (suppl.1), S7.
 
11.
Konratowska, A., 2010. Otrzymywanie, właściwości i zastosowanie wybranych tlenków i hydroksytlenków żelaza. Praca doktorska. Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny. Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej i Procesowej (in Polish).
 
12.
Lassinantti et al. 2011 – Lassinantti, G.M., Ramagnoli, M. and Gualtieri, A.F. 2011. Influence of body composition on the technological properties and mineralogy of stoneware: A DOE and mineralogical-microstructural study. Journal of the European Ceramic Society 31, pp. 673–685.
 
13.
Lewicka, E. 2013. Barwa po wypaleniu a skład mineralny kopalin skaleniowych z rejonu Sobótki. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management vol. 29, issue 1, pp. 35–51 (in Polish).
 
14.
Lewicka, E. 2015. Badanie wpływu domieszek żelaza na parametry barwy kopalin skaleniowo-kwarcowych po wypaleniu. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management vol. 31, issue 1, pp. 81–94 (in Polish).
 
15.
Lewicka, E. 2016a. The studies of granitoids from the Sobótka region in light of theories of the origin of colour in minerals. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management vol. 32, issue 1, pp. 55–69.
 
16.
Lewicka, E., 2016b. Origin of colour after firing of feldspar-quartz raw material from the Sobotka region (Lower Silesia, SW Poland). E3S Web of Conferences 8, 01022 (2016), DOI: 10.1051/e3sconf/20160801022, pp. 1–8.
 
17.
Lewicka, E. and Franus, W. 2014. Badania przyczyn niejednorodności surowca skaleniowo-kwarcowego po wypaleniu. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management vol. 30, issue 1, pp. 69–83 (in Polish).
 
18.
Mysen, B.O. 2006. The structural behaviour of ferric and ferrous iron in aluminosilicate glass near meta-aluminosilicate joins. Geochimica et Cosmochimica Acta 70, pp. 2337–2353.
 
19.
Sikora, W. 1974. Żelazo w kaolinach pierwotnych Dolnego Śląska. Prace Mineralogiczne 39. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, p. 76 (in Polish).
 
20.
Sorescu et al. 2012 – Sorescu, M., Xu, T., Wise, A., Diaz-Michelen, M. and McHenry, M.E. 2012. Studies on structural, magnetic and thermal properties of xFe2TiO4-(1-x)Fe3O4 (0 ≤ x ≤1) pseudo-binary system. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324. Elsevier, pp. 1453–1462.
 
21.
Spiering, B. and Seifert, F. A. 1985. Iron in silicate glasses of granitic composition: a Mössbauer spectroscopic study. Contributions to Mineralogy and Petrology. Springer-Verlag, pp. 63–73.
 
22.
Steffen et al. 1984 – Steffen, G., Seifert, F.A. and Amthauer, G. 1984. Ferric iron in sapphirine: A Mössbauer spectroscopic study. American Mineralogist 69, pp. 339–349.
 
23.
Stevens et al. 2005 – Stevens, J.G., Khansanov, A.M., Miller, J.W., Pollak, H. and Li, Z. 2005. Mössbauer Mineral Handbook. Mössbauer Effect Data Center. Asheville (USA).
 
24.
Szumiata et al. 2014 – Szumiata, T., Brzózka, K., Górka, B., Gawroński, M., Gzik-Szumiata, M., Świetlik, R. and Trojanowska, M. Iron speciation in coal-fly ashes – chemical and Mössbauer analysis. Hyperfine Interactions 226, pp. 483–487.
 
25.
Wyszomirski, P. and Galos, K. 2007. Surowce mineralne i chemiczne przemysłu ceramicznego. Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, pp. 283 (in Polish).
 
26.
Zawada, A. 2009. Lokalizacja jonów żelaza w strukturze szkieł krzemianowych. Szkło i Ceramika 60 (5). Warszawa: Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, pp. 25–32 (in Polish).
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953