VERDIKJEDEN FRA MINERALFOREKOMST TIL FOREDLET PRODUKT, MED FOKUS PÅ KVARTS. ET STRATEGISK FORSKNINGSPROGRAM VED NTNU.

Transkript

1 1 VERDIKJEDEN FRA MINERALFOREKOMST TIL FOREDLET PRODUKT, MED FOKUS PÅ KVARTS. ET STRATEGISK FORSKNINGSPROGRAM VED NTNU. Forfattere,Terje Malvik 1, Knut Sandvik 2, Kari Moen 3 Adresse 1, 2, 3, Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU, 7491 Trondheim, Norge SAMMENDRAG Institutt for geologi og bergteknikk (IGB) ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) har fått bevilget 11,8 Mkr fra Norges Forskningsråd (NFR) til et Strategisk Universitetsprogram (SUP) i industrimineraler. Programmet har en varighet på 5 år med oppstart i løpet av 2001, og er et tverrfaglig samarbeide fra basal geologi, via foredling og prosessmineralogi til materialteknologi. Prosjektet vil fokusere på kvarts og kvartsråstoffer som råmateriale for sol-celler. Prosjektet omfatter et samarbeide mellom flere NTNUinstitutter, bergindustrien, SINTEF, NGU og universitetene i Oslo og i Tromsø. Programmet inkluderer fire dr.gradsstudenter og en post.doc. 1. Bakgrunn for programmet 1.1 Behov for kunnskap i mineralbransjen Mineralproduksjon og foredling av mineraler skiller seg ut fra andre industriaktiviteter på flere vis. Mineralindustrien danner basis i verdikjeden og forsyner industrien med råstoffer til produksjon av en lang rekke materialer menneskene bruker i et moderne samfunn. På det viset er dagens samfunn like avhengig av mineralindustrien og de materialene som kommer fra vår berggrunn og løsmasser i dag som steinaldermennesket var i sin tid. Mineralbransjen er derfor langt fra noen død næring, men vil alltid utgjøre et vesentlig fundament for et hvert samfunn. Et gjennomgående typisk trekk ved utvinning og produksjon av mineraler, og som skiller denne industrien fra annnen industri, er behovet for kunnskap om råmaterialene. Videreforedlende industri kan i stor grad spesifisere sine råvarer med hensyn på kjemi, partikkelstørrelse, forurensinger o.a. Dersom råvarene ikke svarer til spesifikasjonene, kan de returneres, eller en forhandler om prisavslag. Mineralindustrien arbeider med naturlige råvarer som alltid vil vise variasjoner i sammensetning og i materialegenskaper. For å møte utfordringene knyttet til råvarekvaliteter og naturlige variasjoner i råvarekvaliteten må en ha kunnskap om råvarene. Det er nødvendig å erkjenne at mineralutvinning og produksjon krever kunnskap om geologiske og mineralogiske faktorer som har betydning for råvarekvalitet, produksjon- og prosessegenskaper, og for kunne vite mulighetene til å framstille salgbare og økonomiske produkt som samfunnet etterspør. En må derfor kunne slå fast et det er behov for tverrfaglig kunnskap og innsikt i flere fagområder for å lykkes i utvinning og produksjon av mineraler. I hovedmålsettingen for programmet er erkjennelsen av dette lagt til grunn.

2 2 1.2 Utviklingen i norsk mineralindustri Norsk bergindustri har vært gjennom en periode med omstrukturering og nedbygging av den tradisjonelle metall-gruveindustrien. Byggeråstoffer, naturstein og spesielt industrimineraler utgjør i dag basisen og fremstår som vekstnæringer. Norsk industrimineralproduksjon er karakterisert både av sin store bredde i antall mineraler som produseres, og av det faktum at Norge er verdens ledende produsent av noen industrimineraler som olivin, nefelin og foredlede karbonatprodukter. Verdien av industrimineral er i stor grad skapt gjennom foredlingen og produksjonen av kompetansekrevende høy-teknologiprodukt. Forskningsaktiviteten innenfor universitets- og instituttsektoren har vært lav. Storparten av forskningen gjøres innenfor de enkelte bedriftene med liten spredning av resultat og kompetanse. Årsakene er flere, men viktigst er liten tilgang på offentlige midler til FoU i Norge, og konkurransehensyn i markedene. Samtidig med denne utviklingen og strukturendringen i bergindustrien har det vært et økende press på universitetsektoren med krav til effektivisering og rasjonalisering. En ad hoc internasjonal evalueringskomité av Geofagene i Norge nedsatt av NFR konkluderte blant annet for IGB: "with their joint expertise, the department is in an excellent position to develop a higly visible research and technology development programme, directed to the basic understanding and the long term use of earth resources in the widest sense". Dette ble fulgt opp i en oppfølgende nasjonal arbeidsgruppe som fikk i oppgave å formulere en plan for norsk geofaglig forskning og utvikling i U&H-sektoren. I en ressursfordeling mellom universitetene ble det slått fast at FoU på mineralråstoffer legges til IGB i Trondheim. Det ble foreslått at et Strategisk Universitetsprogram (SUP) i Mineralråstoffer/mineralproduksjon burde bli lagt til NTNU. I samsvar med anbefalingene fra Fagplanutvalget for geofag ble det utarbeidet en tverrfaglig SUP i industrimineraler. 2. Målsetting for prosjektet Hovedmål for programmet er at en gjennom et tverrfaglig forskningsprogram skal koble geologisk/mineralogisk kunnskap med kunnskap om foredling og produktpotensiale av industrimineraler. Dette er nettopp ut fra den erkjennelsen at framtidige bergingeniører må ha gode kunnskaper både i sitt spesialområde, og innsikt i andre tilgrensende fag. For å oppfylle hovedmålet har en valgt å gi prosjektet et sett av delmål med fokus på konkretiserte problemstillinger tilknyttet mineralet kvarts. Disse er: Utvikle kunnskap om sammenheng mellom kvartsråstoff og produksjon/foredling av kvarts brukt som råmateriale for solcelleproduksjon Finne sammenheng mellom geologiske prosesser dannelse av kvarts og egnethet som råmateriale for solcelleproduksjon Videreutvikle kunnskap i karakterisering og kvantifisering av relevante parametre til industrimineraler 2.1 Hvorfor kvarts er interessant Tradisjonelt har Norge hatt stor produksjon og foredling av kvarts fra flere forekomster (kvartsitter, pegmatitter) og til flere bruksområder. Spesielt kan nevnes Norges store rolle i produksjon av ferrolegeringer, -først og fremst ferro-silisium, videre silisium-carbid og silisium metall. Etter hvert er det også blitt en viktig

3 3 produksjon av rene, til superrene kvartsprodukter som finner stadig flere anvendelsesområder innenfor industrien. I dette brede spekteret av sluttprodukter stilles det vidt forskjellige krav til renhet, kjemiske og fysiske egenskaper av kvartsråstoffet. Kvarts er derfor tradisjonelt et viktig industrimineral for Norge. Gjennom utvikling av solcelleteknologi med basis i kvarts har en imidlertid et stort vekst potensiale i framtida. En ser i dag at kvartsbasert metallurgisk industri i Norge møter stadig sterkere konkurranse i standardproduktsegmentet fra lavkostnadsland i Øst-Europa og fjerne Østen. For å møte dette går metallurgisk industri i retning av mer sofistikerte produkt. Et resultat av en slik utvikling kan bli verdikjeden: kvarts ferroslilisium silisium silgrain wafers solceller Solcelleproduksjon har til nå vært basert på avfall fra halvlederfremstilling, og en tommelfingerregel har vært at solceller tåler 1000 ganger høyere forurensningsnivå enn halvledere. Hvis solceller basert på silisium blir billige nok for generell elektrisitetsforsyning, kan årsbehovet for kvarts av tilstrekkelig renhet etter hvert bli flere hundre tusen tonn bare i Norge. Forutsetningen for et slikt behov er at vi lykkes med å etablere en norsk industri fra mineralsk råvare frem til redusert silisium, ferdig wafers, eller helst funksjonsdyktig solcelle. Foreløpig har Norge produksjon av renset silisium metall og en ekspanderende produksjon av wafers. 3. Delprosjekter Programmet omfatter tre delprosjekter langs verdikjeden mineralforekomst - foredling - produkt. Disse er: Geologiske forutsetninger for dannelse av industriell utnyttbar høyren kvarts i eruptivt og metamorft miljø Foredling av kvarts Avansert karakterisering av industrimineraler og produkt Figur 1 illustrerer strukturen i programmet med delprosjekter og hovedmål. Nedenfor følger en kortfattet beskrivelse av delprosjektene 3.1 Delprosjekt 1. Geologiske forutsetninger for dannelse av industriell utnyttbar høyren kvarts i eruptivt og metamorft miljø. Prosjektleder: Rune Larsen. Naturlig kvarts kvarts inneholder alltid en del urenheter som bare delvis kan fjernes med dagens oppredningsteknikker. Type forurensning kan deles i strukturbundne, molekylære urenheter som sitter som en integrert del av kvartsens krystallgitter - og ikke strukturbundne urenheter, som ble innesluttet under veksten av kvarts. Fra naturens side er kvartsens krystallgitter en særdeles stabil konstruksjon av silisium- og oksygenatomer, som sjeldent aksepterer mere enn 0.01% fremmede grunnstoffer. Det er bare elementer med tilnærmet samme fysiske egenskaper som Si som får plass i krystallstrukturen. Denne typen elementer dekkes av fellesbetegnelsen gitterbundne urenheter og kan for eksempel være aluminium, titan, germanium, jern og fosfor. En annen type strukturbundne urenheter er konsentrert i atomare kanaler som typisk opptrer parallelt med den krystallografiske hovedaksen, eller er konsentrert på steder i krystallgitteret hvor det oppsto bygningsfeil under veksten av kvartskrystallen. Dette er monovalente kationer som balanserer ladningen til gitterbundne urenheter med

4 4 Figur 1. Struktur av det Strategiske Universitetsprogrammet med delprosjekt og hovedmål mindre ladning end silisium, dvs. 4+ og som klassifiseres under fellesbetegnelsen ladnings kompensatorer. Særlig hydrogen, litium, natrium og kalium kan innpasses i disse posisjoner i kvarts strukturen. Endelig er det en helt spesiell type urenheter som representerer en slags overgangs type mellom gitterbundne urenheter og egentlige inneslutninger. Disse er normalt ørsmå atomare akkumuleringer (eng. atomic clusters) som fortrinnsvis konsentreres langs spesifikke vekstretninger under dannelsen av kvarts. Inneslutninger forøvrig kan deles i mineraler, som for eksempel rutil, hematitt og sulfider, og væske- og gassinneslutninger som for eksempel består av saltrike, vannholdige oppløsninger som ble fanget i mikroskopiske hulrom under veksten av kvartskrystallen. De fleste forekomster av super-ren kvarts som utvinnes i dag stammer fra granittiske pegmatitter. Tidligere var hydrotermale kvartsganger også viktige, men etter hvert har de fått mindre betydning. Fordelen med pegmatittisk kvarts er at den er særdeles grovkornig og derfor er relativt lett å opprede. Pegmatittisk kvarts er dannet ved forholdsvis lave temperaturer hvor atomgitteret til kvarts er særlig stabilt og derfor mindre mottakelig for strukturbundne urenheter. Samtidig unngår man tildels den store mengde væskeinneslutninger som gjerne karakteriser hydrotermale kvartsganger. Ulempen med granittiske pegmatitter er at de ofte er forholdsvis små, og at innholdet av urenheter kan variere ganske mye mellom de enkelte pegmatitter i et område, og at en kan ha variasjoner knyttet til soneringer. Dessuten lever pegmatittisk kvarts ikke helt opp til spesifikasjonene for en del produkter. Selv om det er en jevn økning i

5 5 behovet for super-ren kvarts, vil en kunne få en sterkt økning dersom en finner råstoffer/metoder som gjør det mulig å bruke naturlig super-ren kvarts som råvare i produksjonen av solceller. Med bakgrunn i dette vil vi undersøke om kvartsitter kan representere en alternativ ressurs. I utgangspunktet er de fleste kvartsitter ganske urene og vanskelig å opprede. Imidlertid er det en spesiell type kvartsitter i SØ-Norge og i Rogaland som har vært gjennom høy-grads metamorfose. Under disse ekstreme metamorfe betingelser vil kvartsen bli særdeles grovkornig og derfor lettere å opprede. Glimmer mineraler, som tradisjonelt er vanskelige å håndtere vil rekrystallisere til vannfrie grovkrystallinske faser, som for eksempel pyroksen, og kan kanskje lettere fjernes med oppredning. Den største fordelen er imidlertid at kvartsen er rekrystallisert flere ganger under stigende temperaturer til maksimums metamorfose, for deretter igjen å rekrystallisere under fallende temperatur betingelser. Laboratorie eksperimenter har vist at kvartsen blir stadig renere hver gang den rekrystalliserer, og det er kanskje denne raffinerings prosessen som muligens finner naturlig sted under rekrystallissjonen av høy-grads kvartsitter. 3.2 Delprosjekt 2. Foredling av kvarts. Prosjektleder: Knut Sandvik Teknologi for kvartsrensing basert på flotasjon har vært i bruk lenge. Utviklingen skjedde først ved daværende Norfloat, nå North Cape Minerals, Lillesand og senere ved Minorprosjektet i Drag, hvor Norwegian Crystallite etter hvert har videreutviklet prosessen. Begge disse prosesser bygger i utgangspunktet på teknologi utviklet ved alaskittgruvene (alaskitt: pegmatittisk granitt) i Spruce Pine, USA helt fra 1930 tallet. Vi finner i Spruce Pine fremdeles verdens hovedleverandører av superren kvarts. Ved Northe Cape Minerasls, Lillesand, produseres nå en standard kvarts handelsvare basert på pegmatitt, hvor feltspat er hovedproduktet. Norwegian Crystallite, Drag, produserer høyrene spesialprodukterav kvarts med basis i en ren kvarts-pegmatitt forekomst. Hvorfor trengs da videre forskning på oppredning av kvarts? Svaret ligger i at en ser for seg en betydelig vekst i markedet for solceller dersom disse kan bli billigere. Sannsynligvis kan solceller bare bli billige hvis vi har en kort produksjonskjede med relativt billige prosesser og råvarer. Kostnadene ligger stort sett i metallurgiske og kjemiske prosesser for å fjerne skadelige forurensninger som tilføres via råvarer. I dag kommer en del av forurensningen fra kvarts, men minst like mye fra reduksjonsmidler som kull. Baseres produksjonen på kvarts, eller andre silisiumbærende mineraler uten skadelige forurensninger, og rene reduksjonsmidler, kan den metallurgisk-kjemiske del av produksjonskjeden kuttes drastisk ned. Hva tilstrekkelig renhet for solceller er, vites ennå ikke fordi grensene ikke har vært utforsket for de fleste elementer. Den mineralteknologiske utfordringen blir å utvikle en prosess som kan skaffe kvarts ut fra tilgjengelige råmaterialer i riktige mengder og kvaliteter. De forekomster vi i dag driver på er sannsynligvis for små til å gi den tonnasje vi ser for oss, og kvartsen for eksempel fra Lillesand, er ikke ren nok til å oppfylle kvalitetskravene som råstoff for solceller vil stille. Målet er derfor å kunne produsere kvarts, eller silisiumoksid, ut fra hvilken som helst bergart hvor kvartsmineralet er av tilstrekkelig gehalt og renhet. Dagens prosesser er stort sett begrenset til å fjerne feltspat, glimmer og enkelte jernsilikater fra grovkornede pegmatitter/alaskitter, dvs. bergarter med store

6 6 kvartskrystaller. Som nevnt tidligere vil disse krystallene ofte ha urenheter i tilstrekkelig omfang til å ikke oppfylle spesifikasjonskravene, eller de kan være inhomogene. Kan enkelte mer finkrystallinske bergarter, som for eksempel utvalgte granitter ha renere kvarts? Eller meta-sandsteiner, eller andre kvartsrike bergarter? Kravet er at rekrystallisasjonen som har funnet sted gjør at forurensningene er krystallisert ut i spesifikke mineraler slik at de kan fjernes. Det kan for eksempel være av interesse å se om kvartsen i Sydvarangermalmen er av tilstrekkelig renhet etter frimaling. De kvartsråstoffer som produseres i dag ved er valgt fordi: a) de fyller visse krav til metallurgisk råstoff b) det er utviklet en oppredningsteknologi som gir rimelig rene kvarts- og feltspatprodukter. Velges mer utradisjonelle råstoffer er det sannsynligvis nødvendig med en videreutvikling av teknologien som til nå har vært brukt for fremstilling av kvarts. Frimaling av kvarts fra granitt vil sannsynligvis gi mye mer finstoff og dertil hørende problemer enn tilsvarende frimaling fra pegmatitt, metamorfe bergarter kan inneholde mineraler som det ikke har vært aktuelt å skille fra kvarts tidligere o.s.v. Et annet problem er kvalitetskontroll. Det er sannsynlig at kvarts i bergarter av den størrelsesorden og renhet vi diskuterer vil vise betydelige lokale variasjoner. Hva vil dette ha å si for produktkvaliteten? Hvordan kan en ta hensyn til disse variasjonene? En viktig utfordring blir også å presentere produktet i en form som den etterfølgende prosess kan akseptere. Blir prosessen smeltereduksjon i likhet med dagens silisiummetallproduksjon, må kvartsen sannsynligvis pelletiseres uten bruk av skadelige tilsatsstoffer for at den skal kunne tilpasses eksisterende prosesser. I dag er termisk resistent stykkvarts som nevnt under a) utgangspunktet for slik produksjon. Ender man derimot med smelteelektrolyse tilsvarende den en bruker ved aluminiumfremstilling vil det stilles andre krav til det foredlete kvartsproduktet. 3.3 Delprosjekt 3. Avansert karakterisering av industrimineraler og foredlede produkt. Prosjektleder Terje Malvik Formålet er at en med bruk av nytt og avansert laboratorieutstyr skal utprøve og utvikle avanserte teste- og karakteriseringsmetoder for industrimineraler. Arbeidet vil foregå på moderne og siste generasjons Scanning Elektron Mikroskop (lav-vakuum SEM, felt emisjons SEM), røntgen mikroanalysator (EPMA) og eventuelt Transmisjons Elektron Mikroskop (TEM). SEM-instrumenter vil bla. utstyres med moduler for katodeluminiscence, for mikrodiffraksjon, og med muligheter for studier av mineraler under mekaniske og termiske påkjenninger. Overflatestudier og reaktivitet av foredlede mineraler og produkt er eksempel på andre interessante studier som kan bli aktuelle å trekke inn i prosjektet. Prosjektet vil ha en kvalitativ og et kvantitativ dimensjon. Den kvalitative delen vil i stor grad bestå i å tilegne seg kunnskap om forskjellige laboratoriemetoder, og hvordan disse kan anvendes på et utvalg av mineraler for å undersøke, karakterisere og å definere gitte egenskaper. Det vil skje en systematisk kunnskapsoppbygging om ny laboratorieteknologi og bruken av denne i anvendt mineralogi. Ny kunnskap om metodikk vil overføres til undervisningen, grunnforskning og anvendt mineralogisk

7 7 forskning og til bransjen. Kvarts vil naturlig være i fokus, men delprosjektet åpner for muligheter til at andre industrimineraler bli undersøkt. I den kvantitative delen er målsettingen å utvikle og å implementere som en integrert del av SEM-ustyret moduler for automatisk deteksjon av parametre for å kvantifisere mineralsammensetning, tekstur, frimaling, spormineralogi og eventuelt andre interessante faktorer knyttet til produksjon og bruk av industrimineraler. Kravene til renhet av industrimineralprodukt er ofte meget høye, høyere enn de en vanligvis ser ved produksjon av metallmineralkonsentrater. Det er også en klar trend i at spesifikasjonene og kravene til industrimineralprodukt er økende. En forutsetning for å produsere stadig renere rene mineralprodukt er at en vet hvordan mineralene opptrer i produktene. Mer spesifikt må en ha kunnskap om hvor mye av mineralene som opptrer hvordan, dvs. opptreden i helkorn, halvkorn, smittede korn, og en må vite om mineralet opptrer langs overflaten av partiklene, om det er innesluttet i andre mineraler, inneslutningenes kornstørrelse osv. osv. En kan i korthet si at det er nødvendig å kvantifisere mineralinnhold og partikkeltekstur. Mesteparten av dette kan en kvalitativt identifisere i lysmikroskopet. En nøyaktig kvantifisering er imidlertid tidkrevende, og i mange henseender også vanskelig å utføre. Det er derfor utviklet en rekke automatiske bildeanayserende systemer basert på lysmikroskopi og på SEM, og som i dag benyttes til å beskrive noen av disse materialegenskapene. Et særtrekk ved industrimineraler, og spesielt mineralgruppen silikater, er at forskjellige mineraler kan ha tilnærmet lik kjemisk sammensetning. Forskjeller i optiske egenskaper, mineralkjemi eller atomnummer er ikke tilstrekkelig til at mineralene automatisk kan identifiseres enten det er et SEM-basert eller et lysoptisk bildeanalyserende system. Problemstillingen forsterkes ved karakterisering av maleprodukter hvor kornstørrelsen er for liten til at optiske eller kjemiske teknikker kan benyttes. For tiden arbeides det med å implementere et system basert på Elektron Backscattering Diffraction (EBSD) hvor mineralfaser identifiserer og skilles fra hverande ut fra krystallstrukturen. Teknikken går ut på at et diffraksjonsmønster fremkommer når elektroner sendes inn mot en planpolert prøve, tilbakespres og diffrakteres på veg ut av prøven. Diffraksjonsmønsteret avbildes på en fluorescerende skjerm og overføres med kamera. Hvert bånd i diffraksjonsmønsteret representerer et sett av gitterplan i fasen som analyseres, og skjæringspunktene mellom båndene representerer krystallografiske retninger i fasen. Diffraksjonsbildet er derfor karakteristisk for krystallstruktur og romorientering til den gitte fasen (mineralet). Sammen med en database med krystallografiske data for ulike mineraler, kan fasene i prøven identifiseres. Kombinert med bildeanalyse vil denne teknikken utgjøre et nyttig suplement til andre teknikker for å automatisk identifisere forskjellige mineralfaser, og som er en forutsetning for å kvantifisere for eksempel frimalingsgrad. Eksempelvis ser en av undersøkelser så langt at det er fullt mulig å automatisk identifisere olivin fra enstatitt selv om mineralkjemien (og også atomnummerkontrast) er helt lik. Optisk er det også umulig å skille disse mineralene i et maleprodukt ved fine partikkelstørrelser.