Etsi vastauksia "mintec"

GTK Mintecille esitetään lisärahoitusta valtion lisätalousarviossa

Ehdotettu lisärahoitus tukee osaltaan erinomaisesti GTK:n strategian toteutumista. GTK:n tavoitteena on uudistaa ja kehittää GTK Mintecin kotimaista ja kansainvälistä elinkeinoelämää ja tutkimusta palvelevaa digitaalista laboratorio- ja koetehdaskokonaisuutta vuosien 2020–2025 aikana. Tavoitteena on olla maailman johtava kiertotalouden ja mineraaliprosessoinnin pilotointi- ja tutkimusalusta.

GTK Mintecin koetehdas ja tutkimuslaboratoriot ovat erikoistuneet palvelemaan etenkin kaivannais-, metalli- ja kemianteollisuuden sekä kiertotalouden eri toimijoita.

Lisätietoa:
Pääjohtaja Mika Nykänen, mika.nykanen@gtk.fi, 029 503 2200
Kiertotalouden ratkaisut -yksikön päällikkö Jouko Nieminen, jouko.nieminen@gtk.fi, 029 503 2180

Outokummun koetehdas ja laboratoriot – GTK Mintec

Tutkimusyksikön tärkeimmät asiakkaat ovat kaivos-, kemian- ja metalliteollisuus. Olennainen osa tutkimustyötä on ekologian vaatimusten huomioiminen prosessin eri vaiheissa.

Palvelut kattavat koko mineraalien tuotantoprosessin

Outokummun koetehdas ja laboratoriot tarjoavat asiakkailleen palvelukokonaisuuden, jossa koko mineraaliesiintymän hyödyntämiseen tarvittava tuotantoprosessi pystytään testaamaan tutkimusongelman edellyttämässä mittakaavassa.

Palveluitamme ovat:

  • Mineraloginen tutkimus 
  • Laboratoriomittakaavan bench scale -rikastuskokeet 
  • Jatkuvatoimiset minipilot- ja pilot-mittakaavan koeajot 
  • Yksikköprosessien testaus koetehtaassa 
  • Kokonaisprosessin testaus koetehtaassa 
  • Mineraaliesiintymän kaupallisen potentiaalin rikastustekninen arviointi koetulosten perusteella 
  • Ympäristö- ja kierrätystutkimukset

Mineraloginen analyysi toimii pohjana rikastusmenetelmien kehittämiselle

Outokummun tutkimusyksikön mineralogisen tutkimuksen pääpaino on prosessimineralogiassa. Mineralogisista analyyseistä on kehittynyt oleellinen työkalu kehitettäessä mm. mineraalien rikastusmenetelmiä. Erityisesti nykyaikainen Mineral Liberation Analyser (MLA) on avannut uusia mahdollisuuksia karakterisoida malminetsinnän, kaivostoiminnan ja rikastusprosessien tuotteita sekä erilaisia sekundäärisiä materiaaleja ja ympäristönäytteitä. 

Laboratoriotutkimuksen avulla tuotannon vaiheita pystytään testaamaan pienemmässä mittakaavassa

Prosessilaboratoriossa on valmiudet tehdä murskaus-, jauhautuvuus- ja rikastustutkimuksia. Eniten käytetty rikastusmenetelmä on vaahdotus. Tämän lisäksi voidaan tehdä painovoima- ja magneettierotuksia, sekä hydrometallurgisia liuotustutkimuksia. Prosessikemiaan liittyen on mahdollista tehdä erilaisia mittauksia kuten redox-, hydrofobisuus- ja elektrodipotentiaalimäärityksiä.  

Laboratoriomittakaavassa tehtävän tutkimusvaiheen avulla saadaan alustava käsitys eri yksikköprosessien sekä niiden yhdistelmien toiminnasta ja soveltuvuudesta tutkittavalle syötemateriaalille. Tarvittava näytemäärä on tyypillisesti 30-300 kg riippuen tutkimuksen laajuudesta. 

Laboratoriossa kehitettyjen bench scale –mittakaavan tutkimusten jälkeen rikastusprosessimenetelmien toimivuutta voidaan testata edelleen jatkuvatoimisissa minipilot- ja pilot tutkimuksissa. Minipilot-tutkimuksessa syöttökapasiteetti on tavallisesti 10-50 kg/h ja tarvittava näytemäärä on 400-2000 kg. 

Koetehtaalla  pystymme testaamaan joustavasti rikastuksen kokonaisprosessia tai optimoidaan jotakin sen osaprosessia

Koetehdaskokonaisuus sisältää useita erilaisia yksikköprosesseja, jotka ovat helposti yhdistettävissä toimivaksi ja asiakastarpeeseen soveltuvaksi kokonaisprosessiksi. Prosessinohjaus ja siihen liittyvä tiedonkeruu tapahtuvat uudenaikaisella prosessinohjausjärjestelmällä. 

Koetehdastutkimuksen päätavoitteina on varmentaa laboratoriokokeiden pohjalta suunniteltu prosessi jatkuvatoimisessa tuotantoympäristössä sekä tuottaa tietoa prosessiparametreista laitemitoitusta ja rikastamosuunnittelua varten. 

Tärkeimmät yksikköprosessit

  • Murskaus 
  • Jauhatus 
  • Luokitus 
  • Painovoimaerotus 
  • Raskasväliaine-erotus  
  • Magneettierotus 
  • Vaahdotus 
  • Vedenpoisto 

Koeajojen näytemäärä on tyypillisesti välillä 20 – 300 tonnia ja syöttökapasiteetti 0,2 – 1,5  t/h, erityistapauksissa jopa 5 t/h.  

Mineraaliesiintymän kaupallinen arvo ja prosessitehokkuus selviävät ajotuloksista

Koetehtaan ajotulosten perusteella saadaan kuva todellisen mittakaavan rikastusprosessin tehokkuudesta ja koetuloksia voidaan käyttää osana arvioitaessa mineraaliesiintymän kaupallista hyödynnettävyyttä. Koetehdastutkimuksista saadaan myös prosessien väli- ja lopputuotteita, kuten rikastetta ja rikastushiekkaa, jatkotutkimuksia varten. 

Tutkimusyksikkö palvelee kiertotaloudelle keskeisten ratkaisujen kehittämisessä

Mineraalitekniikan menetelmien soveltuvuus erilaisten primääri- ja sekundaarimateriaalien prosessointiin on todennettu useissa tutkimusprojekteissa. Samat prosessit, joita hyödynnetään mineraalien erottamiseen, soveltuvat myös esimerkiksi kierrätyskelpoisten metallien erottamiseen erilaisista teollisuuden jäte- ja sivuvirroista.  

SMARTT – Älykäs rikastushiekkalaitos

SMARTT (Smart Tailings Facility) -projektin tavoitteena on kehittää GTK Mintecin nykyisestä rikastushiekkalaitoksesta instrumentoitu ja älykäs laitos, jonka suorituskyky vastaa tulevaisuuden tarpeisiin. Samanaikaisesti kehitetään uusia lähestymistapoja ja tuotteita, jotka perustuvat SMARTT-laitoksessa pitkällä aikavälillä suoritettuun instrumentoituun kaivosjätteiden ja kaivosrakenteiden testaukseen (WP2). Lisäksi kehitetään uusia ja parempia maksullisia tuotteita rikastushiekan hallintaan ja optimointiin, prosessivesien kierrätykseen, jätevesien käsittelyyn, prosessimineralogiaan sekä prosessien kehittämiseen (WP3). Projektissa tutkitaan rikastushiekan sopivuutta käytettäväksi 3D-tulostamiseen sekä kehitetään uusia, geomateriaalien innoittamia mineraalipohjaisia tuotteita ja tulostusmateriaaleja 3D-tulostamiseen (WP4). Kaikki työpaketit (WP) ovat osa GTK Mintecin tuote- ja prosessikehitystä ja askel kohti SMARTT-laitoksen täysimääräistä hyödyntämistä, ja niissä käytetään hyödyksi GTK Mintecin kehittyvää tutkimusinfrastruktuuria. SMARTT liittyy läheisesti projektiin, jossa digitalisoidaan tietovirtoja ja prosesseja SMARTT-laitoksessa kehitettyjä uusia tuotteita varten. Digitalisointiprojekti myös tukee tiedonkeräystä ja tiedonhallintaa sekä integroi ne osaksi SMARTT-laitosta.

SMARTT kehittää maksullisia tuotteita, jotka auttavat tekemään GTK:sta kansainvälisesti tunnetun ratkaisutarjoajan mineraalien kestävään käyttämiseen raaka-aineena, minkä vuoksi SMARTT on osa GTK:n kiertotalouden fokusalueen toimintoja ja siihen liittyvää T&I-tiekarttaa. Nämä tuotteet ja palvelut ovat kaikki yhteydessä digitalisaatioon, materiaalien laadunvalvontaan, jätehuoltoon ja vesienhallintaan.
GTK:n omarahoitteinen projekti.

Älykkäät vaahdotuskennot

Hankkeen tavoitteena on hankkia GTK Mintecin koetehtaalle Outokumpuun uudet vaahdotuskennot. Vaahdotuskennojen hankinta on osa GTK Mintecin palveluiden modernisointia ja laajennusta, joka tämän projektin osalta perustuu vahvaan automatisaatioon ja uusiin menetelmiin prosessin mittaamiseen, ohjaukseen ja säätöön liittyen. Uudet vaahdotuskennot mahdollistavat rikastustutkimusten paremman seurannan ja prosessisuunnittelun. Tutkimusympäristön päivittäminen nykyaikaisiin vaahdotuskennoihin älykkäine mittauslaitteineen on tarpeellista toimintaympäristön kehittymisen vuoksi.

Hanke on hankintaprojekti ja ainoa toteuttaja on GTK.

Hankkeen toteutusaika on 1.8.2019-31.12.2021 ja kokonaisbudjetti on 900 000 €.

Kriisi korostaa mineraalien tärkeyttä – nouseeko raaka-ainenationalismi?

Uudistaessaan strategiaansa viime vuonna Geologian tutkimuskeskus tunnisti merkittäviä tulevaisuuden skenaarioita. Vastauksena tulevaisuuden tarpeisiin GTK määritteli fokusalueita ja kasvavan vaikuttavuuden alueita. Keskiöön nousivat mm. akkumineraalit ja kriittiset mineraalit.

Akkumineraalien kysyntä kasvaa lähivuosina maailmassa merkittävästi. Suomi on niiden osalta hyvässä asemassa, sillä kallioperässämme on mm. grafiittia, kobolttia, kuparia, litiumia ja nikkeliä. Niitä tarvitaan valtavat määrät liikenteen sähköistyessä ja uusiutuvan energian investoinneissa. Akkumineraaleja tarvitaan vähähiilisyyden ja ilmastotavoitteiden toteuttamisessa.

EU on määritellyt kriittisiksi useita raaka-aineita, jotka kytkeytyvät mm. elektroniikkateollisuuden ja korkeatasoisten teknologiaratkaisujen toteuttamiseen. Niiden osalta Suomi ja EU ovat erittäin tuontiriippuvaisia, mikä on suuri haaste ja riski. Monet teolliset klusterit ja jalostusketjut ovat täysin riippuvaisia sujuvasta maailmankaupasta ja varmoista toimituksista. Kierrätystä on tehostettava, mutta muuttuviin raaka-ainetarpeisiin vastaaminen edellyttää pitkäjänteistä tutkimusta ja kestävää primäärituotantoa.

Akkumineraalit ja kriittiset mineraalit kytkeytyvät teknologian kehittymiseen sekä vähähiilisten ratkaisujen kehittämiseen ja kiertotalouden uusiin ratkaisuihin. GTK on investoinut vahvasti oman kyvykkyytensä ja tutkimusinfrastruktuurin vahvistamiseen mm. investoimalla mineraaliprosessoinnin koetehtaan GTK Mintec:n kehittämiseen Outokummussa sekä avaamalla Espoon Otaniemessä sijaitsevan Circular Raw Material Hub -yhteislaboratorion yhdessä Aalto-yliopiston ja VTT:n kanssa. Lisäksi perustutkimuksena tehtävä akkumineraalihanke etenee.

Kriisi on nostanut esille mineraalien saatavuuteen liittyvät epävarmuudet. Aikaisemmin kauppapolitiikkaan ja suurvaltojen omien intresseihin liitetyt riskit ovat kasvaneet. Nykyinen koronakriisi on nostanut mineraalien tuotannon ja saatavuuden varmistamisen yhä vahvemmin osaksi koko hyvinvoinnin ja teollisen tuotannon ylläpitämistä. Tämän ovat todenneet useat viimeaikaiset raportit ja selvitykset mm. maaliskuussa julkaistu valtioneuvoston teettämä raportti Suomen mineraaliklusterista.

Mineraalien saatavuuden rinnalla korostuu tuotannon hyväksyttävyys, sillä mineraalit ja metallit tulisi tuottaa mahdollisimman kestävällä tavalla. GTK panostaa myös tähän tutkimukseen mm. BATTRACE -projektilla, jossa kehitetään metallien jäljitettävyyttä yhdessä VTT:n ja teollisten toimijoiden kanssa.

Koronakriisin jälkeen maailma näyttää erilaiselta kuin ennen kriisiä. Teollisia klustereita ja korkeatasoisiin teknologisiin ratkaisuihin perustuvia jalostusketjuja arvostetaan enemmän. Tämä todennäköisesti nostaa myös mineraalien saatavuuden strategista arvoa. Korkeatasoinen huippututkimus osana koko mineraaliklusteria tuottaa yhä enemmän lisäarvoa.

On todennäköistä, että merkittäviin tulevaisuuden tarpeisiin herääminen luo myös riskejä kehittyviin maihin kohdistuvaan raaka-ainekolonialismiin ja sisäänpäin kääntyvään raaka-ainenationalismiin. Molempia on ennalta ehkäistävä tukemalla kansainvälistä sopimusjärjestelmää ja luomalla pitkäjänteisellä ja tavoitteellisella toiminnalla lisää mineraalipotentiaalia.

Suomessa on omiin vahvuuksiin perustuvia mahdollisuuksia. Teknologiaratkaisut sekä kehittyvä tutkimus mineraalien hyödynnettävyyden ja saatavuuden varmistamiseksi on myönteinen mahdollisuus.

Mika Nykänen
Pääjohtaja

Science Blog: Studying the graphitization temperature and degree of graphite crystallinity with Raman spectroscopy

Figure 4. Optical images (a,c) and Raman spectra (b,d) obtained for polished thin sections of selected representative samples RTL_PH3_52.95 and N4442018R30_54.05. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.
Figure 4. Optical images (a,c) and Raman spectra (b,d) obtained for polished thin sections of selected representative samples RTL_PH3_52.95 and N4442018R30_54.05. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.

Introduction

Previous studies have demonstrated that Raman spectroscopy is an excellent tool for studying the degree of graphitization of carbonaceous material (CM), a method that in the case of metamorphic processes is independent of pressure but strongly dependent on temperature. Recently, natural graphite has come to be considered as a promising anode material for lithium ion batteries due to its high reversible capacity, appropriate charge/discharge profile and low cost. This text focuses on Raman measurements of graphite with examples from Rautalampi and Käpysuo, Central Finland. It briefly comprises the experimental background, an evaluation of the Raman data and the calculated graphitization degrees, which can be used to estimate the metamorphic crystallization temperatures of CM in the rocks.

The highest potential for finding flake graphite, which is the economically most valuable form of graphite, is restricted to areas of high metamorphic grade, such as upper amphibolite and granulite facies terrains. The best locality to study the setting of the graphite deposits is the enclosing schist and gneiss rocks in Rautalampi and Käpysuo areas, which are situated in the Savo Schist Belt (SSB), and adjacent to the Archean craton (Lahtinen, R. 1994).

The Raman spectra were obtained from 35 petrographic thin sections of graphite-bearing rocks and 6 polished sections of cleaned graphite flotation concentrate. It was therefore possible to perform in situ point measurements and detailed studies on the textural relationships between graphite flakes and the surrounding mineral matrix. Raman investigations of graphite flakes were performed using a Renishaw inVia Qontor confocal Raman microscope w/ Leica DM 2500M 5x, 20x, 50x, 100x, equipped with a multiline argon-ion laser (785/532 nm) at the GTK Mintec mineral processing laboratory, Outokumpu (Fig. 1). Spectra were collected using the 532 nm laser at room temperature in backscattering geometry with a laser power of about 5 mW (to avoid graphite damage) and a spectral resolution of approximately 2 cm-1. Spectra were calibrated using the 520.6 cm-1 line of a silicon wafer.

Rock specimens were also studied using optical microscopy, scanning electronic microscopy (SEM), X-ray powder diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF). The graphite flotation was carried out by combining a simple rougher flotation step with five stages of cleaning in the laboratory of the Geological Survey of Finland (GTK) at Outokumpu. Figure 2 illustrates the experimental procedure of graphite mineralogy and the beneficiation process.

Graphite Mineralogy

Graphite was found in two main rock types in the sampling area: quartz-mica schist and feldspathic biotite gneiss (Fig. 3a, b). The petrography studies indicate that the graphite-bearing rocks consist of quartz, feldspar and graphite with biotite. The feldspar is variably retrogressed to sericite, and biotite is retrogressed to chlorite (Fig. 3c–f). The graphite flakes vary in size and are up to 1.2 mm in length (Fig. 3c, d). The flakes are both evenly distributed in the rock and concentrated in fractures and along the foliation. Three graphite morphologies were observed: (1) euhedral to subhedral, large (>1 mm) and tabular flakes (Fig. 3c); (2) subhedral, small (0.2–1 mm) deformed graphite flakes intergrown with chlorite (Fig. 3d, e); and (3) fine-grained, or less commonly, acicular, highly lustrous graphite grains (Fig. 3d). The first two morphologies locally have alkali feldspar reaction rims in contact with plagioclase and quartz, and commonly have biotite intergrowths (Fig. 3c, d). The fourth morphology is non-pleochroic and oriented parallel to the foliation (Fig. 3d). The SEM images also demonstrate that all the samples consist of flaky graphite, i.e., that each graphite flake consists of several layers, with regular and irregular flake edges and clean flake surfaces (Fig. 3e, f).

Figure 1. Raman microscope laboratory at GTK Mintec, Outokumpu.

X-ray diffraction data on flake graphite from Rautalampi and Käpysuo yielded interlayer spacings between successive carbon layers (d002) very close to that of the ideal hexagonal graphite structure. XRD results indicated minor differences in the interlayer spacing of graphite, ranging from 3.352 to 3.357 Å depending on the crystal morphology. From these values, the crystallite sizes along the stacking direction of the carbon layers within the structure are in the range of 1200 to 750 Å.

The X-ray fluorescence (XRF) analysis for the raw ore and contents of the gangue minerals is presented in Table 1, showing that the main compositions are SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, K2O, MgO, SO3 and Na2O. In addition, the raw ore was analysed to have carbon content of 15.5%.

Table 1. Chemical and mineralogical composition of the raw ore (wt%).

Composition SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 K2O TiO2 P2O5 BaO MgO CaO
Content/% 54.5 13.1 6.13 7.4 1.94 0.6 0.3 0.05 2.73 1.7
Composition Na2O SrO Cr2O3 ZrO2 CuO ZnO Y2O3 C  
Content/% 1.5 0.02 0.03 0.015 0.013 0.007 0.002 15
Mineral Quartz Feldspar Mica Carbonate Pyrite Chlorite Apatite Graphite Others
Content

%

35.4 25.4 15.5 4.3 4.5 1.1 0.6 12.5 0.5

Figure 2. Experimental procedure of graphite mineralogy and the beneficiation process.

Figure 3. Samples of graphite-bearing rocks: (a) quartz-mica schist, (b) feldspathic biotite gneiss. (c, d) Reflected light photomicrographs (plane-polarized light) of graphite flakes and rock-forming minerals from the Rautalampi deposit. (e, f) Selected graphite flakes as seen in SEM. Gph graphite, Po pyrrhotite, Rut rutile, Qz quartz, Pl plagioclase, Bt biotite, Chl chlorite.

Raman microscopy

The Raman shift for graphite is divided into first- and second-order regions after Reich &Thomsen (2004). The first-order region lies in the range of 1100 to 1800 cm-1, and the main graphite band, the G band, is at ~1582 cm-1. This band is inherent in graphite lattices. For more poorly crystalline graphite, additional bands are recognizable at ~1355 cm-1 and ~1622 cm-1. The band at ~1355 cm-1 is referred to as the main defect band (D1 band). This band occurs when defects are present in the carbon aromatic structure (Beny-Bassez & Rouzaud, 1985). It is also sensitive to graphite intercalations (Dresselhaus et al., 1988). The D2 band at ~1622 cm-1 appears as a shoulder peak of the G band and is also absent in highly crystalline graphite (Beyssac et al., 2002).

The second-order region from 2200 to 3400 cm-1 includes several bands at ~2400 cm-1, ~2700 cm-1 and ~2900 cm-1, depending on the degree of graphite crystallinity. The S1 band at ~2700 cm-1 splits into two bands at high crystallinities. It is therefore the most important indicator band for graphite crystallinities in the second-order region.

In general, Raman spectra for well-crystallised graphite include the existence of D1 and D2 bands in the first-order region (Wopenka & Pasteris, 1993). Thus, the relative intensity ratio of D and G bands (R1 = D1/G) can be used as an indicator of the degree of graphite crystallinity, and these values can be applied to calculate the La value of the crystal size (Tuinstra & Koenig, 1970; Pimenta et al., 2007). To estimate the peak of the metamorphic temperature, Beyssac et al. (2002) employed the parameter R2, defined as the area ratio (R2 = D1 ⁄ (G + D1 + D2), and proposed the formula TGr (°C) = −445 x R2 + 641 as a thermometer for Raman spectroscopy of carbonaceous material (RSCM) for regional metamorphic rocks in the range of 330–640 °C. Spectral parameters were determined by a background fitting process and the corresponding data are presented in Figures 4 and 5 and Table 2. The dataset of Table 2 includes mean values for the centre position, the FWHM of the D1 and G bands, values for the D1/G intensity and peak area (D1⁄ (G + D1 + D2) ratios, the La value and the calculated graphitization temperature.

The average intensity (R1) and peak area (R2) ratios for the studied graphite flakes in more than 50 graphite-bearing rocks range from 0.09 to 0.90 for R1 and 0.18 to 0.48 for R2. As the degree of graphitization increases, the graphite band (G band) in the Raman spectra becomes sharper and the disorder band (D band) derived from turbostratic graphite structures becomes weaker relative to those of low-grade graphite (Nakamura & Akai, 2013; Bernard et al., 2010). Temperature estimates for the studied graphite flakes from the “graphitic schists” of the Rautalampi and Käpysuo areas in Central Finland range from 430–560 °C. In sample RTL_PH3_52.95, with the highest temperature of 560 °C, the Raman spectra of graphite flakes show a strong G band with quite a broad D1 band and an almost undetectable D2 band, implying that the graphite flake is well crystalline, and both R1 and R2 ratios show decreased values (0.09 and 0.18, respectively). We refer to this type of graphite metamorphosed at around 450 °C to 560 °C as high grade (Fig. 4a,b).

The shapes of the Raman spectra of graphite flakes for sample RTL_PH6_127.6 (Fig. 5) are very similar to those of high-grade graphite samples, but exhibit high intensities of D1 and D2 bands,  while both the D1/G intensities and area ratios (R2) show abrupt increases (Fig. 5a, b). These results are in agreement with the suggestion above that the values of the D1/G intensity (R1) and area ratios (R2) display parallel trends, which increase along with the decreasing metamorphic temperature from 0.60 to 0.90 and 0.42 to 0.48, respectively. We refer to this type of graphite metamorphosed at around 450 °C to 430 °C as medium-grade graphite.

Figure 5 shows the relationships between Raman spectrum parameters, R1 and R2 ratios and the estimated temperature, with the R2 ratios having a decreasing trends with temperature. This indicates that the values of the D1/G intensity and area ratios show parallel trends, which decrease as a function of increasing metamorphic temperature from 0.9 to 0.09 and 0.48 to 0.18, respectively (Fig. 6a). It also implies that the graphitization temperature tends to increase as the graphite crystallinity increases. The values of the centre positions of the D1 and G bands slightly decrease with increasing metamorphic temperature from 1352 to 1348 cm−1 and 1581 to 1579 cm−1 (Fig. 6b).

Table 2. Average parameters obtained from the Raman spectra of thermochemically extracted graphite cuboids from different localities. R1 = D1/G peak intensity (i.e., peak height) ratio, R2 = D1/(G + D1+D2) peak area ratio, TGr (°C)= 445 x R2 + 641 (Beyssac et al., 2002).

Samples Peak Position FWHM R1 R2 La(Å)* TGr (°C)*
D1 G D1 G
RTL_PH3_52.95_2 1352 1580 37 14 0.09 0.18 476 560
M2143_98_R330_67.3_2 1350 1580 40 16 0.29 0.29 153 515
RTL_PH11_58.85_4 1350 1580 41 16 0.3 0.3 148 505
N4442017R27_102.3_2 1349 1581 40 17 0.63 0.42 85 453
RTL_PH9_187.0_2 1349 1580 41 17 0.6 0.42 74 453
RTL_PH13_175.6_2 1349 1580 40 16 0.63 0.43 70 450
RTL_PH6_127.6_2 1351 1580 41 17 0.64 0.44 70 446
RTL_PH3_152.0_3 1349 1580 42 17 0.9 0.48 50 429
RTL_PH3_152.0_1 1350 1580 42 17 0.85 0.48 53 427

*La (Å) and TGr (°C) are calculated by ID/I= C(λ)La (nm) (Tuinstra and Koenig equation) and the thermometer following Beyssac et al. (2002), respectively.

Figure 4. Optical images (a,c) and Raman spectra (b,d) obtained for polished thin sections of selected representative samples RTL_PH3_52.95 and N4442018R30_54.05. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.
Figure 4. Optical images (a,c) and Raman spectra (b,d) obtained for polished thin sections of selected representative samples RTL_PH3_52.95 and N4442018R30_54.05. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.

Figure 5. An optical image (a) and Raman spectra (b) obtained for the graphite-bearing sample RTL_PH6_127.6. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.
Figure 5. An optical image (a) and Raman spectra (b) obtained for the graphite-bearing sample RTL_PH6_127.6. The colour of the Raman spectrum corresponds to the colour of the spot where the Raman spectrum was acquired.

Figure 6. Results of Raman spectroscopy measurements for graphite flakes as a function of the estimated temperature. (a) Intensity ratio (R1) and area ratio (R2); (b) D1 and G band positions.

Conclusions

The modified RSCM thermometer is a promising method that can be readily applied to obtain metamorphic temperature estimates. Beyssac et al. (2202) established that the thermometer is relatively insensitive to the thermal resetting and provides reliable estimates of peak metamorphic temperatures. In the Raman spectra of most of the studied samples, the highly crystallized graphite flakes (R1 = 0.1–0.4) with a high temperature range of c. 480–560 °C are characterized by a low intensity of the D1 band. By comparison, the intensity of this band in low crystallized graphite flakes (R1 = 0.5–0.9) is significantly higher, with a medium temperature range of c. 430–470 °C, being comparable with that of the G band. The FWHM values of the G bands (FWHMG = 16 cm-1) of the graphite flakes are roughly two times lower than those of the D1 bands (FWHMG = 40 cm-1). This evidence clearly indicates that most of the studied graphite is of high crystallinity, irrespective of the degree of hydrothermal alteration.

References

Beny-Bassez, C. & Rouzaud, J. N. 1985. Characterization of carbonaceous materials by correlated electron and optical microscopy and Raman microspectroscopy. Scanning Electron Microscopy 1985(1), 119-132. https://www.researchgate.net/publication/279904217

Bernard S., Beyssac O., Benzerara K., Findling N., Tzvetkov G., and Brown G.E., Jr. 2010. XANES, Raman and XRD study of anthracene-based cokes and saccharose-based chars submitted to high-temperature pyrolysis. Carbon 48:2506–2516. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622310001892

Beyssac, O., Goffe, B., Chopin, C., Rouzaud, J.N. 2002. Raman spectra of carbonaceous material from metasediments: A new geothermometer. J. Metamorph. Geol., 20, 859–871. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1046/j.1525-1314.2002.00408.x

Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G., Sugihara, K., Spain I. L. and Goldberg, H. A. 1988. Graphite Fibers and Filaments, Vol. 5 of Springer Series in Materials Science, Springer-Verlag, Berlin.

Lahtinen, R. 1994. Crustal evolution of the Svecofennian and Karelian domains during 2.1-1.79 Ga, with special emphasis on the geochemistry and origin of 1.93-1.91 Ga gneissic tonalities and associated supracrustal rocks in the Rautalampi area, central Finland. In: Lahtinen, R. Crustal evolution of the Svecofennian and Karelian domains during 2.1−1.79 Ga, with special emphasis on the geochemistry and origin of 1.93-1.91 Ga gneissic tonalites and associated supracrustal rocks in the Rautalampi area, central Finland. Geological Survey of Finland, Bulletin 378, 1–128. Available at: http://tupa.gtk.fi/julkaisu/bulletin/bt_378.pdf

Nakamura, Y. & Akai, J. 2013. Microstructural evolution of carbonaceous material during graphitization in the Gyoja-yama contact aureole: HRTEM, XRD and Raman spectroscopic study, · Journal of Mineralogical and Petrological Sciences, 108(3), 131-143. DOI:10.2465/jmps.120625

Pimenta, M.A., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M.S., Cançado, L.G., Jorio, A. and Saito, R. 2007. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy. Physical chemistry chemical physics, 9, 1276-1291.

Reich, S. & Thomsen, C. 2004. Raman spectroscopy of graphite. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical & Engineering Sciences, November 15, 2004, vol. 362, no. 1824, pp. 2271-2288(18). https://www.ifkp.tu-berlin.de

Tuinstra, F. and Koenig, J.L. 1970. Raman Spectrum of Graphite. Journal of Chemical Physics, 53, 1126-1130. http://dx.doi.org/10.1063/1.1674108

Wopenka, B. & Pasteris, J. D. 1993. Structural characterization of kerogens to granulite-facies graphite; applicability of Raman microprobe spectroscopy. American Mineralogist 78(5-6), 533-557.

Text: Thair Al-Ani and Akseli Torppa

Thair Al-Ani completed his Ph.D. in geochemistry and mineralogy at the University of Baghdad in 1996. He has worked as a senior scientist at the Geological Survey of Finland (GTK) since September 2003. Dr Thair Al-Ani has over 14 years of experience of academic teaching at Tripoli University, Libya (1997–2001) and Baghdad University, Iraq (1988–1997). Currently, he is engaged in many projects focusing on GTK strategies relating to graphite, lithium and cobalt as raw materials in lithium-ion battery technologies and other applications for renewable energy.

Akseli Torppa completed his M.Sc. in geology and mineralogy at the University of Helsinki in 2003. He has worked at the Geological Survey of Finland (GTK) since June 2008. Akseli Torppa has 16 years of research experience in mineralogy, geochemistry, isotope geochemistry, Precambrian and applied geology, and mining environmental issues. Since 2018, he has worked as a member of the mineralogy research group at GTK Mintec in Outokumpu, using advanced research instruments and software such as MLA, XRD and Raman. A. Torppa’s current research interests include environmental geology and process mineralogy.

FAME

Fame-hankkeessa kehitetään erityisesti pienen mittakaavan mineraaliesiintymien hyödyntämistä helpottavaa joustavaa, mobiilia ja ympäristöystävällistä mineraalien prosessointitekniikkaa. Tarkoituksena on taata EU:n omavaraisuus parantamalla alhaisen pitoisuuden ja hankalasti rikastettavien esiintymien kestävää hyödynnettävyyttä. Hankkeen painopiste on nykyään vain vähän hyödynnetyissä karsissa, greisenissä ja pegmatiitissa. Syynä niiden vähäiseen hyödyntämiseen on monimutkaisuus prosessoinnin kannalta sekä esiintymien pienuus ja vaihtelevat arvoainepitoisuudet. Erityisen kiinnostaviksi edellä mainitut esiintymätyypit tekee se, että ne sisältävät pieniä pitoisuuksia kriittisiä arvomineraaleja.

Nelivuotisessa FAME-hankkeessa (Flexible and Mobile Economic Processing Technologies) on 16 kumppania yhteensä seitsemästä maasta. Suomesta on mukana GTK:n lisäksi kaivosyhtiö Keliber Oy. Hankkeessa tutkimuskeskukset, korkeakoulut ja teollisuus yhdistävät osaamisensa muun muassa geologiassa, prosessitekniikassa, metallurgiassa ja ympäristötieteissä.

GTK Mintec keskittyy hankkeessa pääasiassa Keliberin Läntän ja Syväjärven pegmatiittiesiintymien prosessikehitykseen. Tarkoituksena on edistää prosessissa syntyvien arvometalleja sisältävien sivutuotteiden hyödyntämistä, esimerkiksi niobin ja tantaalin talteenottoa. Lisäksi GTK Mintec osallistuu yhdessä hankkeessa toimivien kansainvälisten partnerien kanssa karsikiviesiintymien tutkimukseen.