text size

Application of Raman spectroscopy for detection of sulfates of self-ignited coal heaps

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Application of Raman spectroscopy for detection of sulfates of self-ignited coal heaps
Title (in czech):
Aplikace Ramanovy spektrometrie pro detekci sulfátů hořících uhelných hald
Type:
Dissertation
Author:
Bc. Filip Košek
Supervisor:
prof. RNDr. Jan Jehlička, Dr.
Opponents:
doc. RNDr. Ivan Němec, Ph.D.
prof. Peter Vandenabeele
Thesis Id:
156289
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Institute of Geochemistry, Mineralogy and Mineral Resources (31-430)
Study programm:
Geology (P1201)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
21/09/2018
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
Ramanova spektrometrie, hořící uhelné haldy, minerály, organické sloučeniny, exobiologie, extrémní geobiologie
Keywords:
Raman spektrometry, burning coal heaps, minerals, organic compounds, exobiology, extreme geobiology
Abstract (in czech):
Abstrakt Tato dizertační práce se zabývala využitím Ramanovy spektroskopie jako hlavní analytické metody pro identifikaci novotvořených minerálů, předně sulfátů, na hořících uhelných haldách. V tomto prostředí ovlivněném podpovrchovou termickou aktivitou vzniká řada neobvyklých či vzácných minerálů, které se vyznačují specifickými vlastnostmi jako je metastabilita, hygroskopie nebo vznik smíšených minerálních agregátů. Z tohoto důvodu je identifikace takových minerálních fází s použitím tradičních laboratorních metod ztížená. Mezi hlavní důvody využití Ramanovy spektroskopie patří nedestruktivnost metody, možnost rozlišení různě hydratovaných sulfátů, žádná nebo téměř žádná příprava vzorků a možnost terénního měření přímo v místě výskytu. Hlavní nevýhodou je nedostatek kompletních a spolehlivých spektroskopických dat studovaných minerálů. Z tohoto důvodu bylo laboratorně připraveno šest bezvodých sulfátů vzácně se vyskytujících v přírodě, u kterých byla laboratorním a přenosným spektrometrem získána Ramanova spektra a porovnána s hydratovanými analogy. Dále byla Ramanova spektroskope využita v kombinaci s dalšími metodami pro celkovou charakterizace dvou přírodních hlinitých sulfátů, alunogenu a khademitu. Jelikož se metastabilní fáze mohou po odběru rehydratovat nebo jinak transformovat, proběhlo testování přenosného spektrometru (785 nm) přímo na hořící haldě. Ačkoli se vykytovaly problémy při identifikaci jemně krystalických smíšených vzorků, testovaný spektrometr celkově poskytl přesvědčivý výkon. Tato práce také obsahuje předběžné výsledky o výskytu převážně sulfátové mineralizace na dvou odlišných termicky aktivních haldách (Ostrava, ČR, a Alsdorf, Německo). Řada vzácných hydratovaných i bezvodých sulfátů a halidů byla identifikována jako součást inkrustací navázaných na výduchy horkých plynů. Kremersit, sabieit, godovikovit, pyracmonit, millosevichit nebo mikasaite byly v přírodě detekovány Ramanovou spektroskopií vůbec poprvé. Nicméně několik sulfátových fází doposud zůstává neidentifikováno. Výsledky laboratorních i terénních měření ukázalo, že Ramanova spektroskopie je vhodnou metodou pro detekci a identifikaci četných sulfátů a jiných minerálů, které vznikají jako důsledek procesů na hořících haldách, včetně sulfátů odlišně hydratovaných sulfátů, chemicky a strukturně příbuzných fází nebo smíšených minerálních agregátů. Na základě této práce taktéž vznikla malá databáze Ramanových spekter minerálů z prostředí horkých výduchů.
Abstract:
Abstract This Ph.D. thesis was focused on the application of Raman spectroscopy as the main analytical method for the characterization of neo-formed minerals, notably sulfates, from burning coal waste dumps. This environment associated with subsurface fires gives rise to a variety of uncommon and rare minerals. The specific features of these minerals (metastability, hygroscopy, mixed aggregates) causes that the mineralogical investigation is a challenging task using traditional laboratory-based techniques. Advantages such as the non-destructive nature, the sensitivity to the changes in the hydration degree of sulfates, little or none pretreatment, and the option of measurements directly in the field were the main reasons for applying this spectroscopy method. The scarce availability of spectroscopic data of most gas-vent minerals can be considered as the disadvantage. Therefore, artificial prepared samples of six anhydrous sulfates, which are rarely found in nature, were analyzed by Raman laboratory spectroscopy and a miniature a Raman spectrometer, and specific Raman features as well the differences with hydrated counterparts are shown. Laboratory investigation of two natural hydrated aluminum sulfates, alunogen and khademite, were carried out using Raman spectroscopy and other methods in order to obtain Raman spectra of well-defined specimens. Since the hydration and other transformation of samples may occur after sampling, the performance of a miniature Raman spectrometer (785 nm) was tested for the detection of gas-vent minerals in the field. Despite the handheld instrumentation did not allow for ideal detection and discrimination of finely crystalline minerals in complex mixture, the general performance of the spectrometer was convincing. This work also reports preliminary results about occurrence and distribution of predominantly sulfates at two different burning coal waste dumps (Ostrava, Czech Republic and Alsdorf, Germany). A number of rare hydrated and anhydrous sulfates and halides were found within gas- vent encrustation. Among others, kremersite, sabieite, godovikovite, pyracmonite, millosevichite, or mikasaite were unambiguously identified by Raman spectroscopy in nature for the first time. However, several sulfate phases have remained unidentified. Results of distinct experiments as well as the application in the real environment of burning heaps carried out in this work proved that Raman spectroscopy is able to detect numerous sulfates and other minerals associated with fumarolic environment, including sulfate phases of the different hydration degree, chemically and structurally related phases, or intimately intergrown aggregates. Based on this work, a Raman spectral database of gas-vent minerals was also created.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Bc. Filip Košek 4.22 MB
Download Attachment to the thesis Bc. Filip Košek 3.28 MB
Download Abstract in czech Bc. Filip Košek 180 kB
Download Abstract in english Bc. Filip Košek 178 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Bc. Filip Košek 465 kB
Download Opponent's review doc. RNDr. Ivan Němec, Ph.D. 118 kB
Download Opponent's review prof. Peter Vandenabeele 1.08 MB
Download Defence's report 1.1 MB