Evaluierungseinblicke in die Tonvorkommen von Abu Zenima als potenzielle Rohstoffquelle für die Keramikindustrie: Fernerkundung und Charakterisierung

Sep 30, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 58 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die rasante Entwicklung und die Mutationen haben die Keramik-Industrialisierung beschleunigt, um den Bedarf der Länder weltweit zu decken. Daher ist die kontinuierliche Erkundung neuer Reserven möglicher Keramikrohstoffe erforderlich, um die gestiegene Nachfrage der Keramikindustrie zu decken. In dieser Studie wurde eine umfassende Eignungsbewertung potenzieller Anwendungen für Tonvorkommen aus der Oberkreide (Santonia) im Gebiet Abu Zenima als Rohstoffe in der Keramikindustrie durchgeführt. Fernerkundungsdaten wurden genutzt, um die Kaolinit-führende Formation zu kartieren und das zusätzliche Vorkommen von Tonvorkommen im untersuchten Gebiet zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wurden zehn repräsentative Tonmaterialien aus der Matulla-Formation beprobt und auf ihre mineralogischen, geochemischen, morphologischen, physikalischen, thermischen und plastischen Eigenschaften untersucht. Die mineralogische und chemische Zusammensetzung der Ausgangstonmaterialien wurde untersucht. Die physikalisch-chemischen Oberflächeneigenschaften des untersuchten Tons wurden mithilfe von SEM-EDX und TEM untersucht. Die Partikelgrößenanalyse bestätigte die geeigneten Eigenschaften der Proben für die Herstellung von weißem Keramiksteinzeug und Keramikfliesen. Die technologischen und Eignungseigenschaften der untersuchten Tonvorkommen bewiesen die industrielle Eignung von Abu Zenima-Ton als potenziellen keramischen Rohstoff für verschiedene Keramikprodukte. Das Vorhandensein hoher Kaolinreserven in angemessener Qualität und Quantität im untersuchten Gebiet ist von regionaler Bedeutung. Dies würde erheblich dazu beitragen, die Herstellungskosten zu senken und den hohen Verbrauch zu kompensieren. Von den Keramikherstellern in den untersuchten Gebieten wird erwartet, dass sie langfristig stabile Produzenten in die Branche bringen, um von den Vorteilen kostengünstiger Rohstoffe, Arbeitskräfte und Fabrikbau zu profitieren.

Natürliche Tone sind im Allgemeinen reichlich vorhandene und bekannte alte Materialien, die von Menschen verwendet wurden und immer noch in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet sind. Insbesondere Tone werden in verschiedenen Branchen hervorragend eingesetzt, beispielsweise in der Bauziegel-, Infrastruktur-, Insektizid-, Wasserfilter-, Gummi-, Pharma- und Körperpflegebranche. Darüber hinaus wurden Tone in jüngster Zeit an der Gestaltung neuer Materialien und Verbundwerkstoffe für verschiedene Entwicklungszwecke beteiligt, wie z. B. traditionelle und technische Keramik1, leichte Zuschlagstoffe2, hybride Metallkeramik-Verbundwerkstoffe3, Geopolymere4, Adsorptionsmittel5, leichte syntaktische Schaumverbundstoffe6, Lipidkonservierung7, zementäre Konstruktion Materialien8, kostengünstige Keramikmembranen9 und pharmazeutische Träger in Arzneimittelverabreichungssystemen10.

Tone bestehen von Natur aus aus Tonmineralien, nicht tonigen Sedimenten und einer bestimmten Menge Feuchtigkeit. Tone sind in der Regel eine Kombination aus hydratisierten Alumosilikaten mit Schichtstruktur und einem Verhältnis von Siliziumdioxid (SiO2)/Aluminiumoxid (Al2O3) von 2,0/1,0 bis (4,0–5,0)/1,01. Tone können in mehrere Kategorien unterteilt werden, darunter Montmorillonit-, Kaolinit-, Illit- und Chlorit-reiche Tone. Die Auswahl geeigneter Tone als Primärrohstoff für tonbasierte Keramikprodukte kann anhand ihrer mineralogischen, chemischen, physikalischen und Partikelgrößeneigenschaften bestimmt werden11. Weltweit sind kaolinitreiche Tone die am häufigsten vorkommenden und am häufigsten verwendeten Alumosilikatmineralien, insbesondere in Ägypten12. Kaolinit (\({\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\cdot 2{\mathrm{SiO}}_{2}\cdot 2{\mathrm{H}} _{2}\mathrm{O}\)) gilt als das in der Erdkruste am häufigsten vorkommende Mineral. Daher werden kaolin- und kaolinitreiche Tone häufig bei der Herstellung traditioneller Keramik verwendet. Historisch gesehen waren Kaolinvorkommen ursprünglich der erste Rohstoff, der in der Keramikindustrie verwendet wurde, und sind bis heute die bekannteste industrielle Anwendung von Kaolinvorkommen. Die wichtigsten natürlichen Eigenschaften von Kaolin für keramische Zwecke sind Plastizität, Partikelgröße und Brennfarbe. Darüber hinaus gibt es verschiedene Arten von Tonen, die in der Keramikindustrie verwendet werden, wie z. B. weißbrennende plastische Tone (Kugelton)13, weißbrennende Tone mit mittlerer bis geringer Plastizität14, rotbrennende plastische Tone15 und rotbrennende Tone mit Karbonaten16. Keramische Tone könnten sich im ursprünglichen Ablagerungszustand befinden oder einer Vergrabung unterzogen worden sein, mit den damit verbundenen Auswirkungen der Diagenese. Diese Bedingungen könnten zu einer fortschreitenden Konsolidierung des Sediments (d. h. von Ton über Tonstein zu Schiefer) bis hin zur Lithifizierung (Schiefer) mit daraus resultierenden Änderungen der mineralogischen Zusammensetzung (d. h. Illit-Smektit-Interschichtung > Illit > Serizit) und der physikalischen Eigenschaften führen ( insbesondere Plastizität und Mahlbarkeit). Keramikanlagen können von unverfestigten Sedimenten zu mäßig verfestigten Tonmaterialien verarbeiten, stark verfestigter Tonstein muss jedoch normalerweise als „harte Materialien“ (d. h. Feldspatgesteine) behandelt werden16,17.

Die wachsende Bevölkerung ist einer der Hauptfaktoren für das Wachstum der Nachfrage auf dem Keramikmarkt. Darüber hinaus hat die Bevölkerungsverschiebung vom Land in städtische Gebiete dramatisch zugenommen. Diese Veränderung des Lebensstandards erfordert verbesserte sanitäre Einrichtungen und Hygiene. Darüber hinaus hat COVID-19 aufgrund von Lockdowns schwere Auswirkungen auf die Baubranche. Infolgedessen besteht eine ständig steigende Marktnachfrage nach Kaolinmineralien, Baumaterialien und Keramikprodukten. Daher ist die kontinuierliche Erkundung neuer Kaolinvorkommen erforderlich, um die gestiegene Nachfrage der Keramikindustrie und die Ressourcenknappheit zu bewältigen.

Die vorliegende Studie zielte darauf ab, die ungenutzten, kaolinitreichen Tone aus der Gegend von Abu Zenima, Süd-Sinai, Ägypten, für verschiedene Keramikanwendungen zu bewerten. Zunächst wurden Fernerkundungstechniken eingesetzt, um die Kaolinreserven im Untersuchungsgebiet für die regionale Abgrenzung kaolinithaltiger Formationen zu bewerten. Anschließend wurden die geologischen Gegebenheiten und lithologischen Einheiten des Abu-Zenima-Gebiets intensiv diskutiert. Darüber hinaus sieht der Versuchsaufbau Folgendes vor: (1) Ermittlung der Hauptmerkmale der gesammelten Tonproben in Bezug auf physikalische, chemische, thermische, Phasen- und Mikrostruktureigenschaften, einschließlich Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) und Röntgenbeugung (XRD), Kationenaustauschkapazität (CEC), Fourier-Transformations-Infrarotanalyse (FT-IR), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskop (TEM), energiedispersives Röntgenspektrometer (EDX), Stickstoffadsorptions-/Desorptionsmessungen und thermogravimetrische (TG) und differenzielle thermische (DTA) Analyse; (2) Die Korngrößenanalyse mit zwei unterschiedlichen Methoden wurde ebenfalls untersucht; (3) Die Plastizitäts-, Bigot-Kurven- und Granulometrieuntersuchungen wurden präzise angewendet, um Einblick in die Eignung der untersuchten Tonproben für die Herstellung von Keramikprodukten zu erhalten. und (4) die regionale Bedeutung der vorliegenden Studie wurde dargestellt. Folglich kann diese Studie die Lücke in der Untersuchung von Tonvorkommen in der Region des Nahen Ostens erfolgreich schließen und die lokale Wirtschaft durch die Anziehung verbrauchender Industrien unterstützen.

Das Gebiet von Abu Zenima ist einer der wichtigsten Standorte Ägyptens für sedimentäre Kaolinitressourcen. Es verfügt über die höchste Kaolinitqualität und -reserven in Ägypten, die auf etwa 120 Millionen Tonnen geschätzt werden18,19. Die lithologischen Oberflächeneinheiten im Gebiet Abu Zenima reichen vom präkambrischen Grundgestein bis zu den quartären Ablagerungen (Abb. 1). Die Grundgesteine ​​bestehen hauptsächlich aus metamorphen Schiefern, Gneisen und Migmatiten, zusätzlich zu älteren Granitoiden, in die jüngere Granite und Gänge unterschiedlicher Zusammensetzung eindringen, die in Sedimentfolgen eindrangen, die mit verschiedenen tektonischen Ereignissen einhergingen20,21,22.

Die geologische Karte des Untersuchungsgebiets wurde entlang der Ostseite des Golfs von Suez erstellt (modifiziert nach Moustafa (1993)22 (Genehmigungsnummer # 5437641072307) unter Verwendung von CorelDraw 0T102134, Copernicus Open Access Hub; https ://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home), verarbeitet mit Envi 5.4 (Testversion, https://www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Die Sedimentgesteine ​​sind ein interessanter Teil der Kaolinit-Exploration, insbesondere aus dem Karbon und der Kreidezeit18. Der beträchtliche Aufschluss kaolinithaltiger Elemente im Untersuchungsgebiet gehört zur Matulla-Formation aus der Oberkreide (Santonia), die am Ende des Wadi Khaboba und nördlich der El-Markha-Ebene freigelegt ist (Abb. 1). Diese Formation besteht aus eingelagerten Ton-, Mergel- und Sandsteinen mit einer Dicke von 60 m23,24. Das heutige Gebiet war im Laufe der geologischen Zeitalter aufeinanderfolgender Tektonik ausgesetzt, die eine Reihe von Verwerfungen unterschiedlicher Richtung (NNW-SSE, NE-SW und E-W) hinterließ25. Abbildung 1 zeigt die räumliche Verteilung der lithologischen Einheiten im Untersuchungsgebiet.

Für die Kartierung der kaolinithaltigen Formation wurden multispektrale (Sentinel-2A MSI) Fernerkundungsdaten verwendet; Dieses Produkt verfügt über eine radiometrische 12-Bit-Auflösung, die eine seltene Bandsättigung auf stark reflektierenden Oberflächen ermöglicht26. Die Sentinel-2A MSI L1C-Datensätze wurden vom Copernicus Open Access Hub (https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home) erworben. Es verfügt über 13 verschiedene Spektralbänder, die den sichtbaren und kurzwelligen Infrarot-Wellenlängenbereich abdecken. Die Variation der räumlichen Auflösung für Spektralbänder hat zur Verwendung dieser Daten in verschiedenen Anwendungen geführt (Tabelle 1). Der Sentinel-2A MSI L1C-Datensatz wird mithilfe radiometrischer und geometrischer Korrekturmethoden aus dem MSI L1B-Produkt extrahiert. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften der Sentinel-2A MSI-Spektralbänder.

Sentinel-2A-MSI-Daten wurden mit der atmosphärischen Korrekturmethode vorverarbeitet, die mit dem Dark Object Subtraction (DOS1)-Algorithmus erstellt wurde, der vom Semi-Automatic Classification Plugin27 für QGIS Version 7.6.1 bereitgestellt wurde. Alle Bänder des Oberflächenreflexionsdatensatzes wurden gestapelt und unter Verwendung der bilinearen und einer Mittelwertmethode auf eine räumliche Auflösung von 10 m neu abgetastet; Anschließend wurde es mithilfe von SNAP (Version 7.0) räumlich dem interessierenden Bereich zugeordnet.

Für die Kartierung bestimmter Kaolinitmineralien wurden Verarbeitungsmethoden mit Bandverhältnis (BR) und Hauptkomponentenanalyse (PCA) verwendet. Zunächst wurde die Bandverhältnistechnik angewendet, um potenzielle Kaolinablagerungen anzuzeigen, indem Verhältnisse verwendet wurden, die die spektralen Eigenschaften von signifikantem Oberflächenmaterial hervorheben und die anderen unterdrücken28,29,30,31. Das Kaolinitmineral zeigt eine ausgeprägte spektrale Reflexionsreaktion für sichtbare und kurzwellige Bereiche des elektromagnetischen Spektrums32. Die Hauptabsorptionsmerkmale der Kaolinit-Spektralkurve liegen bei 1, 2, 10 und 12 Banden, basierend auf verschiedenen Ionen und ionischen Gruppen33. Folglich sind die in dieser Studie zur Unterscheidung kaolinithaltiger Formationen verwendeten Verhältniskombinationen B8/B4, B4/B2 und B11/B12 als RGB (Abb. 2a). Die Grenze zwischen Sedimentgestein (gelbgrüne und violette Farben) und Grundgestein (dunkelblaue Farbe) wird im resultierenden BR-Bild abgegrenzt.

Veranschaulicht (a) RGB-Farbkompositionsbild der Verhältnisse B8/B4, B4/B2 und B11/B12, (b) Kaolinit-Mineralindex basierend auf dem Bandenverhältnis (B4/B8)*(3 + 4)/11 (rote Pixel siehe). zur Matulla-Formation und gelbe Pixel beziehen sich auf die anderen tonigen geologischen Einheiten) und (c) RGB-Farbkompositionsbild von PC1, PC2 und PC3 zeigt das Vorkommen des Kaolinit-Minerals an (Tonmineralien: gelbe Pixel). Diese Zahlen wurden aus dem Sentinel-2A-MSI-Bild (S2A_MSIL1C_20190220T081951_N0207_R121_T36RWT_20190220T102134, Copernicus Open Access Hub; https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home) mithilfe von Envi 5.4-Verarbeitungs- und Analysetools (Testversion, https:// www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Da die kaolinithaltige Formation nicht deutlich sichtbar ist (sehr hellviolette Farbe), wurde das Verhältnis ((B4/B8) * (3 + 4)/11) verwendet, um den Kaolinitindex besser darzustellen34. Die Kaolinitpixel wurden für die Entstehung des Kreidezeitalters ausgeschnitten und zur einfacheren Verdeutlichung über einem Graustufenbild dargestellt (Abb. 2b). Darüber hinaus wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) auf Sentinel-2A-MSI-Bänder angewendet, die die Korrelation zwischen Spektralbändern und Datenvarianzberechnungen nutzte, um die Abgrenzung der lithologischen Einheiten und der Kaolinit-führenden Formation zu bestätigen. Die drei hohen Prozentsätze der Datenvarianz PC1, PC2 und PC3 haben sich als einflussreich bei der Unterscheidung des Vorkommens des Kaolinitminerals (gelbe Pixel) in der Matulla-Formation (Kreidezeit) von den anderen tonigen geologischen Elementen (rote Pixel) in der Untersuchungsregion erwiesen (Abb. 2c). Offensichtlich wurde die interessante Formation auch in anderen verstreuten Regionen beobachtet, beispielsweise im Norden und in den mittleren Teilen (Abb. 2).

Unter Berücksichtigung der vorherigen geologischen Karte und der Ergebnisse der Verarbeitungsschritte auf Sentinel-2A MSI wurden Proben aus der kaolinithaltigen (Matulla) Formation entnommen, insbesondere im südlichen Teil der untersuchten Region (Symbol S; in Abb. 1 dargestellt). um ihre Eigenschaften zu untersuchen. Dieser ausgewählte südliche Teil gilt in anderen Vorkommen als Leitgebiet für diese Formation.

Zehn repräsentative Tonproben wurden aus dem Aufschluss kaolinithaltiger Mitglieder der Matulla-Formation im Gebiet Abu Zenima, Süd-Sinai, Ägypten, entnommen. Die Probenahme erfolgte an zehn Standorten im untersuchten Gebiet (gekennzeichnet als AZ01-AZ010). Jede gekennzeichnete Probe (Gewicht etwa 15,0 kg) stellt drei Unterproben (Gewicht etwa 5,0 kg) dar, die aus der obersten, mittleren und unteren kaolinitischen Tonaufschlussschicht entnommen wurden. Anschließend wurden die gesammelten drei Teilproben gemischt und geviertelt, um an jedem Standort eine repräsentative und statistisch gültige Tonprobe sicherzustellen. Anschließend wurden die gesammelten Proben separat 36 Stunden lang bei 60 ± 1 °C im Ofen getrocknet. Anschließend wurde jedes Aliquot manuell zerkleinert und mit einer Labor-Achatkugelmühle gemahlen und anschließend durch 63-μm-Siebe geleitet.

Die mineralogische Analyse der untersuchten Tonproben wurde mittels XRD (Bruker D8 Discover Diffraktometer) mit einer Beschleunigungsspannung von 40 kV, einem Strom von 30 mA und einer Cu-Kα-Strahlungswellenlänge (λ = 1,5418 Å) bewertet. Das Scannen wurde in einem 2θ-Winkelbereich von 3° bis 80° durchgeführt. Die RFA-Analyse wurde durchgeführt, um Einblick in die chemische Zusammensetzung der untersuchten Tonproben zu erhalten (Philips PW 2400 WXRF-Spektrometer). Die Fourier-Transformations-Infrarotanalyse (FT-IR) der untersuchten AZ04-Probe wurde mit einem Bruker Vertex-70 IR-Spektrometer (Deutschland), ausgestattet mit einem Festkörper- und Diamantkristall-Interferometer, bei Raumtemperatur durchgeführt. Die FT-IR-Spektren wurden mit 256 Scans pro Probe bei einer Auflösung von 4 cm−1 in einem Wellenlängenbereich von 4000–400 cm−1 erhalten. Die Beurteilung der Partikeloberflächenmorphologie der untersuchten AZ04-Probe wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) bei einem Vergrößerungsbereich von 5–20 kx und einem Beschleunigungspotential von 20 kV unter Verwendung eines JEOL JSM-6610LV SEM in Verbindung mit einem energiedispersiven Röntgenspektrometer untersucht (EDX; Oxford Energy Dispersive X-Max 20 mm2). Für die internen strukturellen und morphologischen Merkmale der untersuchten AZ04-Probe wurde ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) mit einem Vergrößerungsbereich von 20–50 kx (FEI, Tecnai G2 F20, 80–300 kV) durchgeführt. Die Stickstoffadsorptions-/Desorptionsmessungen wurden auch für die untersuchte AZ04-Probe durchgeführt, um die spezifische Oberfläche und Porengröße (Barrett-Joyner-Halenda (BJH), Langmuir und Brunauer-Emmett-Teller (BET)) mithilfe eines Micromeritics zu bestimmen ASAP 2020 bei 77 K. Die thermogravimetrische (TG) und differenzielle thermische (DTA) Analyse wurden mit TGA PT 1000 (250/2500 μV, Linseis, Deutschland) mit einer Heizrate von 10 °C/min im Bereich von 30 °C untersucht C bis 1000 °C. Darüber hinaus wurde die Kationenaustauschkapazität (CEC) der untersuchten AZ04-Probenproben auf der Grundlage der ASTM C 837–81-Methode5 geschätzt.

Die Korngrößenanalyse von Tonproben wurde mit zwei Methoden basierend auf der Größenfraktion durchgeführt: Nasssiebung und Pipettensedimentationsmethode35,36. Die Plastizitätsparameter wurden durch Atterberg-Grenzwertbewertungen (ASTM, D 4318-10) bestimmt, einschließlich Kunststoffindex (PI), Kunststoffgrenzwert (PL) und Flüssigkeitsgrenzwert (LL). Allerdings wurden LL und PL auf der Grundlage der Methode von Casagrande37 durchgeführt und die Differenz zwischen LL und PL zur Berechnung der PI-Werte (PI = LL – PL)11,38 verwendet. Der Index der Zusammensetzungsvariabilität (ICV; Gleichung 1) und der chemische Veränderungsindex (CIA; Gleichung 2) wurden anhand der folgenden Gleichungen bestimmt:

Die Bigot-Kurven wurden unter Raumtemperaturbedingungen mit einem Adamel-Barelattographen erhalten. Während des Trocknens wurde die lineare Trocknungsschrumpfung aus Bigot-Kurven abgeleitet und der Trocknungsempfindlichkeitskoeffizient (DSC) wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet: DSC = [(Wassergehalt der Kunststoffprobe) – (Wassergehalt bei konstanter Schrumpfung)]/(Wasser Gehalt bei konstanter Schrumpfung)35,39,40. Kurz gesagt wurde der untersuchte Ton zerkleinert und auf eine grobe Korngröße von 1 mm gewalzt. Zum Formen des Tons ist eine bestimmte Menge Wasser in Stücke mit den Maßen 15 × 15 × 30 mm erforderlich (um das Gewicht und die Länge nasser Stücke zu messen). Diese Stücke wurden im Gerät von Adamel Barellatograph unter Freiluftbedingungen getrocknet. Dieses Gerät kann die Trocknungskurve entsprechend dem Massenverlust verfolgen und verfolgen. Am Ende des Trocknens wurden die Stücke gewogen und 24 Stunden lang bei 110 °C im Ofen getrocknet, um das Endgewicht und die Trockenlängen zu messen. Diese Parameter ermöglichen die Messung der Trocknungsschrumpfung und des Wasserbedarfs für die Formgebung, Interpositionierung und Kolloidbildung.

Die quantitativen mineralogischen Analysen der untersuchten Massentonproben aus dem Aufschluss kaolinithaltiger Elemente der Matulla-Formation im Gebiet Abu Zenima wurden durchgeführt und in Tabelle 2 aufgeführt. Das erhaltene Ergebnis zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den gesammelten Tonproben in der mineralogischen Zusammensetzung. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass Kaolinit und Quarz die vorherrschenden Bestandteile aller Proben sind, mit geringen Anteilen an Illit, Hämatit und Feldspat. Die Kaolinitmengen in den untersuchten Proben variierten von 63,00 Gew.-% in Probe AZ08 bis 71,00 Gew.-% in Probe AZ04. Allerdings lagen die Quarzmengen in den untersuchten Proben zwischen 27,00 Gew.-% wie in Probe AZ02 und 34,00 Gew.-% in den Proben AZ05, AZ06 und AZ08 (Tabelle 2). In den meisten Proben mit Ausnahme der Proben AZ02, AZ07, AZ08 und AZ09 wurden geringe Mengen Illit (bis zu 2,00 Gew.-%) nachgewiesen. Darüber hinaus wurden in einigen Proben auch Spuren von Hämatit (bis zu 3,00 Gew.-%) und Feldspat (1,00 Gew.-%) festgestellt. Abbildung 3a zeigt das orientierte XRD-Muster der ausgewählten repräsentativen Probe (AZ04). In der repräsentativen Probe wurden drei einzigartige Hauptphasen nachgewiesen: Kaolinit, Quarz und Illit. Die markanten Kaolinit-Peaks wurden durch die charakteristischen Reflexionen bei 2θ = 12,24° (001), 20,18° (Mehrfachreflexionen) und 26,15° (002)41 identifiziert und bestätigt. Gemäß dem Braggschen Gesetz wurde festgestellt, dass der berechnete Zwischenschichtabstand der Hauptreflexionen des Kaolinits d(001) = 0,72 nm und d(002) = 0,34 nm beträgt. Die Hauptreflexe des Quarzes wurden bei 2θ = 20,9 und 26,6° gefunden, was durch die in Tabelle 2 angegebenen Werte belegt wird. Darüber hinaus bewies der kleine Reflex bei 2θ = 16,9° das Vorhandensein von Spuren von Illit. Das Vorhandensein der oben genannten Mengen an Illit und Kaolinit sind günstige Eigenschaften für die Verwendung in Keramik42. Abbildung S2 vergleicht die XRD-Muster aller untersuchten Proben (Ergänzungsmaterial).

Zeigt die untersuchte Probencharakterisierung: (a) XRD-Muster, (b) FT-IR-Spektren, (c) N2-Adsorptions-Desorptions-Isotherme und (d) DTA/TG-Kurven.

Abbildung 3b zeigt FT-IR-Banden der untersuchten Tonprobe (AZ04). In diesem IR-Muster sind mehrere Absorptionsbanden dargestellt, die der Schwingung verschiedener funktioneller Gruppen entsprechen. Im Allgemeinen umfasst Kaolinit vier verschiedene Hydroxylgruppen43. Die Absorptionsbanden dieser vier Hydroxylgruppen wurden in einem Wellenlängenbereich zwischen 3500 und 3800 cm−1 nachgewiesen. Bei diesen Hydroxylgruppen handelt es sich um absorbiertes Wasser-Hydroxyl (3619 cm-1), Innenoberflächen-Hydroxyl (3669 cm-1), Innen-Hydroxyl (3647 cm-1) und Außenoberflächen-Hydroxyl (3698 cm-1)44. Darüber hinaus wurden die beobachteten Banden bei 1121, 1030 und 1003 cm−1 den asymmetrischen Streckschwingungen von Si-O-Bindungen zugeschrieben. Die Bande bei 528 cm−1 wurde jedoch der Al-O-Si-Bindung im Kaolinit zugeschrieben41. Die Banden bei 910 und 790 cm−1 zeigen die Schwingungen von Si-O-Si bzw. die Streckschwingung von Al-OH-Gruppen an. Darüber hinaus wurde die Bande bei 751 und 683 cm−1 Si-O-Streckschwingungsbanden zugeordnet. Die Bande bei 528 cm−1 wurde der O-Al-O-Biegung und der Al-O-Verformung zugeschrieben46. Die Bande bei 460 cm−1 wurde Si-O-Biege-/Deformationsbanden zugeordnet. Die Si-O-Si-Streckschwingungsbande wurde erneut bei 421 cm−1 beobachtet. Die erhaltenen FT-IR-Ergebnisse und betrachteten Banden bestätigten das Vorhandensein von Kaolinit und Quarz in der untersuchten Probe.

Abbildung 3c zeigt die N2-Adsorptions-Desorptions-Isothermen der untersuchten Tonprobe (AZ04). Gemäß der IUPAC-Klassifizierung folgt die untersuchte Tonprobe einer Isotherme vom Typ IV47. Die Isotherme vom IV-Typ ist speziell für mesoporöse Materialien charakteristisch und typisch für Materialien mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 2–50 nm. Dieses Ergebnis bestätigt den mesoporösen Charakter der untersuchten Tonproben. Darüber hinaus wurde in der untersuchten Probe die H3-Hystereseschleife festgestellt, was auf die Nutzung und Evakuierung der Mesoporen durch Kapillarkondensation hinweist43. Die Ergebnisse zeigten, dass die untersuchte Tonprobe eine BET-Oberfläche, ein Gesamtporenvolumen und einen mittleren Porendurchmesser von 8,63 m2 g−1, 0,05 cm3 g−1 bzw. 23,40 nm aufweist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Langmuir-Oberfläche und die BJH-Oberfläche 6,64 bzw. 11,01 m2 g−1 betragen. Darüber hinaus wurde gemäß der ASTM C 837-81-Methode festgestellt, dass der CEC der untersuchten Probe 11 meq/100 g betrug. Um einen Einblick in die Oberflächenladung der untersuchten Tonprobe zu erhalten, wurde außerdem der Punkt der Nullladungen (pHpzc) bestimmt, wie in Abbildung S1 (Ergänzungsmaterial) dargestellt. Der pHpzc wurde mit der zuvor berichteten pH-Drift-Methode48,49 bestimmt und betrug für Probe AZ04 5,31. Die Bestimmung des pHpzc ist für die Keramikindustrie von entscheidender Bedeutung, wenn chemische Modifikationen für das Rohmaterial Ton verwendet werden.

Die thermogravimetrische Analyse und die Differentialthermoanalyse (TG-DTA) wurden durchgeführt, um Einblicke in die physikalisch-chemischen Variationen während der endo- und exothermen Effekte zu erhalten. Abbildung 3d zeigt die TG-DTA-Kurven der untersuchten Tonprobe in einem Temperaturbereich von 30–1000 °C. Abbildung 3d zeigt einen erheblichen Gewichtsverlust in der AZ04-Probe mit zunehmender Heiztemperatur. Aus der DTA-Kurve sind vier aufeinanderfolgende endotherme Peaks hervorgegangen. Allerdings konnte im Temperaturbereich kein exothermer Peak festgestellt werden. Der erste endotherme Peak wurde in einem Temperaturbereich von 70 bis 90 °C beobachtet. Dieser endotherme Peak könnte auf die Eliminierung von hydroskopischem Wasser oder die Dehydrierung des Zwischenschichtwassers der vorhandenen Tonmineralien zurückzuführen sein (Abb. 3d). Der Gewichtsverlust für den ersten endothermen Peak bei dieser Temperatur betrug 2,1 %. Mit zunehmender Temperatur wurde der zweite endotherme Peak in einem Temperaturbereich von 310 bis 350 °C festgestellt. Der endotherme Peak in diesem Temperaturbereich ist charakteristisch für Goethit. Beim zweiten endothermen Peak betrug der Massenverlust etwa 1,0 %. Der dritte endotherme Peak, ein breiter endothermer Peak, erschien und lag bei einem Temperaturwert von 528 ° C (Abb. 3d). Das Auftreten dieses großen Peaks könnte auf die Dehydroxylierung von strukturellem OH aus dem Kaolinit zurückzuführen sein. Genauer gesagt geschah diese Dehydroxylierung durch die Umstrukturierung der oktaedrischen Kaolinitschicht in eine atetraedrische Konfiguration in Metakaolinit50. Darüber hinaus findet im gleichen Temperaturbereich auch die Umwandlung von \(\alpha\)-Quarz in die \(\beta\)-Quarzphase statt51. Der entsprechende Gewichtsverlust für diesen endothermen Peak betrug 11,7 %. Der letzte endotherme Peak wurde bei 870 bis 950 °C festgestellt (Abb. 3d). Das Vorhandensein dieses Peaks bestätigt das Vorhandensein von gut kristallisiertem Kaolinit, und dieser endotherme Peak ist auf den Abbau von Metakaolinit zurückzuführen52. Es wurde festgestellt, dass das erhaltene Ergebnis mit dem XRD-Ergebnis übereinstimmt.

An der untersuchten Tonprobe wurden REM, TEM und EDX durchgeführt, um Einblicke in die Oberflächenmorphologie, die innere Struktur bzw. die Zusammensetzung zu erhalten. Abbildung 4a–c zeigt die REM-Aufnahmen der untersuchten Probe (AZ04) bei verschiedenen Vergrößerungen. Die Kaolinitoberfläche wies eine komplexe Morphologie auf und zeigte zufällig angeordnete kleine Plättchen im Bereich von 0,5 bis 2,0 μm (Abb. 4a). Andererseits zeigten einige Kaolinitpartikel sechseckige Ecken und Kanten in ihrer Struktur (Abb. 4b). Darüber hinaus wies Kaolinit in der untersuchten Probe zufällig verstreute Partikelversetzungen in gestapelten Schichten auf (Abb. 4c). Diese Versetzungen könnten entlang der Y-Achse und Vielfachen von b0/346 auftreten. Abbildung 4d–f zeigt die TEM-Bilder von AZ04 in verschiedenen Vergrößerungen. Die TEM-Analyse wurde durchgeführt, um die internen Strukturmerkmale der untersuchten Probe aufzudecken. Der Kaolinit wies gut kristallisierte und gut zusammengesetzte Partikel auf, die eine typische hexagonale und euhedrale Morphologie aufwiesen (Abb. 4d, e). Darüber hinaus wurden große Einheiten als Büchlein oder Plattenmorphologie beobachtet (Abb. 4f). Diese Ergebnisse weisen auf die pseudohexagonale Struktur der Kaolinitschichten hin. Die Kaolinitpartikel sind größtenteils anisometrisch und weisen im Vergleich zu ihren anderen Abmessungen eine winzige Dicke (entlang der Z-Achse) auf. Die chemischen Bestandteile auf den Oberflächen der Tonprobe wurden durch EDX-Analyse bewertet (Abb. 4g). Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die am häufigsten vorkommenden Bestandteile in der untersuchten Probe O, Si und Al waren. Darüber hinaus wurden auch minimale Mengen an Ti und Fe nachgewiesen. Die EDX-Ergebnisse bestätigten die XRD- und chemische Zusammensetzungsanalyse und zeigten, dass Kaolinit und Quarz die vorherrschenden Bestandteile in der untersuchten Tonprobe sind.

Zeigt die morphologische Analyse der untersuchten Tonprobe: (a–c) REM-Aufnahmen, (d–f) TEM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen und (g) EDX-Spektren.

Die Analyse der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Massenproben wurde durchgeführt und ist in Tabelle 3 dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass SiO2 und Al2O3 die am häufigsten vorkommenden Oxide in allen Proben waren, zusammen mit Spuren der anderen in Tabelle 3 aufgeführten Oxide. Die Ergebnisse Die Gehalte an SiO2 und Al2O3 stimmten mit der mineralogischen Zusammensetzung der untersuchten Tonproben überein. Die vorhandenen Hauptoxide (SiO2 und Al2O3) waren überwiegend mit vorhandenen Tonmineralien und Quarz in den Proben verbunden (bestätigt durch XRD) (Tabelle 2). Die anderen Oxide wie MgO, K2O, CaO, Na2O und P2O5 waren jedoch in geringen Mengen in allen Proben vorhanden. Der Wertebereich von SiO2, Al2O3 und Fe2O3 in den untersuchten Proben betrug 53,28–56,07, 26,84–28,43 bzw. 1,45–3,51 Gew.-%. Die Werte dieser drei Oxide bestätigen, dass diese Tone für Keramikprodukte wünschenswert sind53. Darüber hinaus ist der Quarzgehalt in den untersuchten Proben tolerierbar, da diese Mengen durch die Glasströmung beim Brennen einfach aufgeschlossen werden können42. Im Allgemeinen ist Fe2O3 (Gesamteisenoxid) der Hauptfarbstoffbestandteil in tonigen Materialien. Darüber hinaus reagieren die vorhandenen Mengen an Fe2O3 empfindlich auf das Brennen (verantwortlich für die rötliche Farbe nach dem Brennen) und führen normalerweise zu unerwarteten Ergebnissen in der Textur und Farbe gebrannter Tone54,55. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten einen hohen Fe2O3-Gehalt in den Proben AZ01, AZ02, AZ08 und AZ09 (Tabelle 3). Diese Ergebnisse könnten auf das Vorhandensein von Hämatit- und Illitmineralien in den oben genannten Proben zurückzuführen sein (Tabelle 2). Dennoch ist der Fe2O3-Gehalt im Ton ein verantwortlicher Faktor für die Färbung von Keramikwaren und das Vorhandensein anderer Bestandteile wie TiO2, MgO, CaO, MnO und kann die Farbe von gebranntem Ton erheblich beeinflussen52. Darüber hinaus können andere Faktoren die Farbe gebrannter Tonprodukte beeinflussen, wie z. B. die Brenntemperatur, die Ofenatmosphäre und der Al2O3-Gehalt im Ton. Nach Piltz (1964) wurden die für die Farbe wichtigen Oxide (Al2O3, CaO und Fe2O3) zu 100 % berechnet und das Ternärdiagramm erstellt, das die Farbe der untersuchten Tonproben zeigt (Abb. 5a)56. Darüber hinaus lässt die negative Korrelation zwischen Al2O3 und entweder TiO2 oder Fe2O3 in den untersuchten Proben (Tabelle 3) darauf schließen, dass Al in der Kaolinitstruktur der tonigen Proben durch Fe und Ti ersetzt werden könnte. Der Gehalt an CaO und MgO (Erdalkalioxiden) war gering, mit Werten von weniger als 0,13 bzw. 0,38 Gew.-% (Tabelle 3). Diese Gehaltswerte deuteten darauf hin, dass in den Proben keine Karbonate (nicht kalkhaltiger Ton) vorhanden waren57. Der geringe Gehalt an Erdalkalioxiden trägt wesentlich dazu bei, das Schwinden von Rohziegeln zu verhindern58. Darüber hinaus war die Menge an Alkalioxiden wie K2O und Na2O in den untersuchten Tonproben relativ gering (weniger als 0,24 Gew.-%) (Tabelle 3). Tatsächlich fungieren die alkalischen Oxide (dh K2O und Na2O) als Flussmittel, die kaolinitischen Tone weisen jedoch von Natur aus eine relativ geringe Menge an Flussoxiden auf52,59. Die Flussoxide (2,49–3,36 Gew.-%; Tabelle 3) wie TiO2, Fe2O3, K2O, MgO und CaO sind beim Brennen wichtig, da sie das Schmelzen von Silikaten unterstützen und auch die Tonpartikel miteinander verbinden58. Die Glühverlustwerte (LOI) der untersuchten Proben lagen im Bereich von 11,36–14,50 Gew.-% (Tabelle 3). Diese erhaltenen LOI-Werte könnten auf das Vorhandensein von organischem Material, wesentlichen flüchtigen Stoffen, Dehydroxylierung der Tonmineralien und/oder Zersetzung von Carbonaten zurückgeführt werden. Diese Ergebnisse stimmten mit denen anderer Forscher überein, die verschiedene Arten von Ton untersuchten57,60,61,62. Diese Ergebnisse wurden zuvor durch thermische Analyse der untersuchten Proben bestätigt, wie in Abb. 3d dargestellt.

Veranschaulicht: (a) Das Dreikomponentendiagramm, das die Farbunterschiede gebrannter Ziegel zeigt (nach (Piltz (1964)56), (b) CIA-Ternärdiagramm (nach Nesbitt und Young (1982, 1984)63,64), (c) Textural Klassifizierung der untersuchten Tonsedimente nach der Beziehung zwischen Sand-, Schluff- und Tonbestandteilen und deren Kontrolle über Porosität und Durchlässigkeit (nach Shepard (1954)70).

Ursprünglich betrug das Massenverhältnis von SiO2/Al2O3 in reinem Kaolinit und Montmorillonit 1,18 bzw. 2,3611. Das SiO2/Al2O3-Verhältnis in den untersuchten Tonproben lag im Bereich von 1,90–2,06. Die erhaltenen Werte sind höher als der ursprüngliche Wert von reinem Kaolinit und niedriger als der von Montmorillonit, was das Vorhandensein von Quarz in den untersuchten tonigen Proben bestätigt.

Darüber hinaus wurden zwei verschiedene Indizes, nämlich der chemische Veränderungsindex (CIA) und der Index der Zusammensetzungsvariabilität (ICV), verwendet, um das Ausgangsgestein und die Paläoverwitterung der untersuchten Tonproben abzuleiten. Der ursprünglich von Nesbitt und Young (1982, 1984) vorgeschlagene CIA wurde üblicherweise zur Klassifizierung des Grades der chemischen Verwitterung von Quellgesteinen verwendet63,64. Die CIA-Werte der untersuchten Tonproben lagen im Bereich von 98,07 bis 98,65. Die Werte deuten darauf hin, dass alle Tonproben aus dem untersuchten Gebiet intensiven chemischen Verwitterungsbedingungen ausgesetzt waren (Tabelle S1). Außerdem führten die intensiven Witterungsbedingungen zu einer Anreicherung Al-reicher Produkte. Die hohen CIA-Werte zeigten die Reife der Tonvorkommen von Abu Zenima an und bestätigten, dass diese Tonvorkommen kaolinitreiche Resttone enthielten (Abb. 5b)65. Das ICV, ursprünglich von Cox et al. vorgeschlagen. (1995) wurde verwendet, um die Zusammensetzungsreife und Häufigkeit von Aluminiumoxid im Vergleich zu den anderen vorhandenen Hauptkationen in den untersuchten Proben zu messen66. Bei einem ICV-Wert von \(\ge \hspace{0,17em}\)1,0 deuten diese Werte auf unreife Schlammgesteine ​​in ihrer Zusammensetzung und das Vorhandensein einer großen Menge an Nicht-Ton-Silikatmineralien hin. Im Gegenteil, wenn der ICV \(<\) 1 ist, zeigt dies, dass die Probe hauptsächlich aus Tonmineralien besteht und in der Zusammensetzung ausgereift ist. Für die untersuchten Proben lagen die ICV-Werte zwischen 0,15 und 0,18. Die sehr niedrigen ICV-Werte bestätigen, dass es sich bei den Proben größtenteils um Kaolinit handelte, das in kratonischen Umgebungen angesammelt wurde und das Gebiet tektonisch ruhig war67,68.

Die Partikelgrößenverteilung toniger Materialien ist ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung ihrer Eignung für verschiedene Anwendungen, insbesondere in der Keramikindustrie. Tatsächlich spielt die Partikelgrößenverteilung toniger Materialien während des Trocknungs- und Brennprozesses eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung der Eigenschaften von Suspensionen und Grünpasten (d. h. Viskosität und Plastizität)69. In diesem Zusammenhang wurde die Granulometrieanalyse durchgeführt, um Einblicke in die verschiedenen Partikelgrößen und deren Menge (Gew.-%) für die untersuchten Tonproben zu erhalten (Tabelle 4). Die erhaltenen Ergebnisse der Granulometrieanalyse zeigten, dass die drei Hauptgrößenkategorien (Sand, Schluff und Ton) in allen untersuchten Tonproben vorhanden waren. Der Tonanteil (Partikel < 2 µm) war in den untersuchten Proben die vorherrschende Größe und lag im Prozentbereich von 47,7–61,7 %. Das Vorhandensein von Tonfraktionen mit hohen Werten ist für die Keramikindustrie günstig. Die Schlufffraktion (Partikelgröße 2–60 µm) stellte nach der Tonfraktion den zweithöchsten Anteil (26,8–38,8 %) dar (Tabelle 4). Eine kleine Menge der Sandfraktion (Partikel ˃ 60 µm) wurde ebenfalls nachgewiesen und lag in einem Bereich von 10,4–13,7 %. Insgesamt weisen die analysierten Tonproben eine geringe Variationsbreite in der Partikelgrößenverteilung auf. Das größte Problem für die keramische Industrie ist jedoch die grobe Sandfraktion (Partikel ˃ 60 µm). Dieses Problem kann einfach durch Mahlen und Sieben gelöst werden und ist dann für Keramikprodukte geeignet. Die erhaltenen Ergebnisse der Partikelgrößenanalyse wurden weiter im Ternärdiagramm von Shepard (1954) dargestellt (Abb. 5c)70. Shepards Klassifizierung legt nahe, dass es sich bei der untersuchten Tonprobe um schlammigen Ton handeln könnte. Darüber hinaus bewertete das Ternärdiagramm auch die Beziehung zwischen Ton-, Schluff- und Sandanteil und deren Kontrolle über Durchlässigkeit und Porosität (Abb. 5c). Gemäß der Klassifizierung von Shepard wurden die untersuchten Proben in den Feldern mit geringer Porosität und geringer Permeabilität (dem gleichen Klassifizierungsbereich) aufgetragen. Die Porosität und Permeabilität der untersuchten Proben wurden auch durch die Klassifizierung und Interpretation von McManus (1988)71 bestätigt.

Die Plastizität gilt als wichtigster Parameter für die Herstellung traditioneller Keramik und tonhaltiger Produkte. Die Plastizität liefert die erforderlichen Informationen über die Verarbeitbarkeit eines beliebigen Materials unter Belastung, ohne zu brechen, und über den Einfluss auf die erzeugte Form nach Aufhebung dieser Belastung. Mit anderen Worten: Die Plastizität kann Informationen über die Nutzung mechanischer Eigenschaften und des Drucks bei der Herstellung von Tonkörpern und Keramik liefern72. Die Plastizität toniger Materialien kann durch ihre Partikelgrößenverteilung, Morphologie, den Ursprung der geologischen Formation, die mineralogische Zusammensetzung und Verunreinigungen (d. h. organische Stoffe und Nichttonmineralien) beeinflusst werden54. Darüber hinaus ist die Plastizität von Ton direkt proportional zu seinem Wassergehalt, insbesondere bei plättchenförmigen Tonmineralien73. Tabelle 4 zeigt die Konsistenzgrenzen aller untersuchten Proben, einschließlich LL, PL und PI. Die LL- und PL-Werte der untersuchten Tonproben lagen im Bereich von 40,0–53,0 % bzw. 24,0–28,0 %. Folglich lagen die PI-Werte im Bereich von 14,0–28,0 %. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass neben der mineralogischen Zusammensetzung wie dem Quarzgehalt auch der in der Probe vorhandene Tonanteil ein wesentlicher Faktor sein könnte, der die Plastizität beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass diese Ergebnisse mit denen anderer Autoren übereinstimmen, die die Plastizität anderer Tonvorkommen untersuchten42,72. Anschließend wurden die berechneten Werte der Konsistenzgrenzen (LL und PI) (%) im Diagramm von Holtz und Kovacs (1981) aufgetragen (Abb. 6a)74. Dieses Diagramm wurde ursprünglich erstellt, um die Position der Tonmaterialien in den drei Plastizitätsstufen zu bestimmen. Gemäß dem Holtz- und Kovacs-Diagramm fallen die untersuchten Tonvorkommen in die Region mit mäßig plastischem Ton, mit Ausnahme der Proben AZ01 und AZ02 (blauer Stern), die in der Region mit hohem plastischem Ton zu finden sind (Abb. 6a). Der Standort dieser Proben (AZ01 und AZ02) könnte auf den hohen LL-Prozentsatz und die hohe Menge an Ton- (Partikel < 2 µm) und Schlufffraktionen (Partikelbereich 2–60 µm) in diesen Proben zurückgeführt werden. Im Allgemeinen zeigten die erhaltenen Ergebnisse in Tabelle 4, dass die PI-Werte erheblich durch Schwankungen der LL-Werte beeinflusst werden. Die LL-Werte der untersuchten Proben lagen im akzeptablen LL-Bereich (30–60 %; basierend auf der Keramikliteratur) für die Keramikproduktion69. Andererseits können bei Keramikanwendungen hohe PL-Werte von tonhaltigem Material für Produktionsschwierigkeiten wie Trocknungs-, Mahl- und Brennschritte verantwortlich sein. Außerdem ist eine höhere mechanische Festigkeit immer mit Materialien mit höherer Plastizität verbunden53. Insgesamt bestätigen die ausgewerteten Konsistenzgrenzen der untersuchten Tonproben, dass die meisten dieser Tonlagerstätten für verschiedene keramische Anwendungen geeignet sind.

Zeigt: (a) Die Position der untersuchten Tonproben im Holtz- und Kovacs-Diagramm (nach Holtz und Kovacs (1981)74) und (b) Bigot-Kurven der Tonprobe.

Um einen Einblick in das Verhalten der untersuchten Tonablagerungen beim Trocknen zu erhalten und auch die Fähigkeit des Tons, Wasser auszutreiben oder zurückzuhalten, zu bewerten, wurde die Bigot-Kurve erstellt. Bigot-Kurven sind nützliche Charakterisierungswerkzeuge, die häufig in der Keramikherstellung auf Tonbasis verwendet werden, um die Trocknungsfähigkeit von Tonen und Pasten zu untersuchen69. Darüber hinaus sind Bigot-Kurven ein hilfreiches Hilfsmittel bzw. vorläufiger Indikator für die Auswahl geeigneter Materialien für Keramikprodukte. Abbildung 6b zeigt die Bigot-Kurve der untersuchten Tonprobe (Trocknungsschrumpfung vs. Gewichtsverlust). Das aus der Bigot-Kurve beim Trocknen bei Raumtemperatur erhaltene Ergebnis impliziert, dass die untersuchte Probe etwa 6,47 % Feuchtigkeitsgehalt an Wasser enthält. Darüber hinaus betrug die maximale Trocknungsschrumpfung der Tonprobe 6,81 %, was auf einen mäßigen Trocknungscharakter hinweist.

Basierend auf der mineralogischen Zusammensetzung, der Partikelgrößenverteilung, der chemischen Analyse und der Materialcharakterisierung kann die Eignungsbeurteilung des untersuchten Tonrohmaterials über verschiedene Diagramme erfolgen. Fiori et al. (1989) erstellten ein ternäres Diagramm basierend auf den mineralogischen Parametern (Tonminerale, Quarz + Feldspäte und die Gesamtheit der anderen vorhandenen Komponenten (Fe-Oxide, Carbonate und Zubehör)) des Zieltonmaterials (Abb. 7a)75. Diese Diagramme gelten als praktische Klassifizierung von Tonkörpern auf Keramikbasis und sind eine nützliche Referenz für die Fliesenproduktion. Die aufgezeichneten Daten der untersuchten Proben wurden in reichhaltigen Tonmineralen gefunden. Nach den Kriterien von Fiori eignet sich die Probe aufgrund des hohen Tonanteils in der Probe für weißes Keramiksteinzeug und Klinker (aufgrund des hohen Anteils an Kaolinitanteil)75. Es wurde festgestellt, dass die mineralogische und chemische Zusammensetzung der untersuchten Tonvorkommen nahe am malaysischen Standardton (BBC) liegt, der üblicherweise als Rohstoff für die Herstellung von Keramikfliesen verwendet wird60. Diese Eigenschaftsnähe bestätigt, dass der untersuchte Ton aus der Region Abu Zenima auch für die Herstellung von Keramikfliesen verwendet werden kann. Darüber hinaus wurde von Fabbri und Fiori (1985) ein weiteres ternäres Diagramm erstellt, das die geochemischen Daten (Siliziumoxid, Aluminiumoxid und einige andere Oxide) der untersuchten Proben nutzte, um Tonmaterialien und industrielle Keramikkörper (mit Keramikreferenzen einiger Länder) zu klassifizieren. 76. Abbildung 7b zeigt die Darstellung der erhaltenen Daten im Ternärdiagramm im Vergleich zum Referenzton der Industriekeramikmassen einiger Länder. Das Diagramm zeigte, dass die untersuchten Proben im weißen Steinzeugfeld aufgetragen waren, das auf deutsche, englische und französische Industriekeramikmassen verwies. Diese Proben waren für Produkte aus rotem Steinzeug (Italien) oder Strukturkeramik (Kambodscha) ungeeignet. Die Darstellungsergebnisse in Abb. 7b bestätigen die zuvor aus dem Ternärdiagramm von Fiori et al. erhaltenen Ergebnisse. (1989)75. Die Ungeeignetheit der untersuchten Tonvorkommen bei der Herstellung von roter Keramik oder rotem Steinzeug kann auf der Grundlage der Annahmen von Fiori et al. erklärt werden. (1989) und Murray (2006)75,77. Basierend auf diesen Annahmen wird tonhaltiges Material mit einem Fe2O3-Gehalt ≥ 5,0 Gew.-% als rotbrennender Ton klassifiziert (Tabelle 3). Allerdings handelt es sich bei den Tonen, die einen Fe2O3-Gehalt zwischen 5,0 und 1,0 Gew.-% enthalten, um braunbrennende B-Tone, und bei den Tonen mit einem Fe2O3-Gehalt < 1,0 % handelt es sich um weißbrennende Tone. Aufgrund des durchschnittlichen Gehalts an Fe2O3 (1,77–3,51 Gew.-%) werden die untersuchten Tone nicht für die Herstellung roter Keramik empfohlen.

Veranschaulicht: (a) Ternäres Diagramm von Fiori et al. (1989)75 zur Klassifizierung der Tonkörper auf Keramikbasis basierend auf den mineralogischen Parametern und (b) Dreiecksdiagramm tonreicher Materialien von Fabbri und Fiori (1985)76 basierend auf den geochemischen Daten.

Anhand der Ergebnisse der Partikelgrößenanalyse lässt sich die Eignung des Tonrohmaterials für unterschiedliche Keramikwaren ermitteln. Abbildung 8a zeigt die Darstellung der gewonnenen Daten im Winkler-Diagramm78. Das von Nyakairu et al. entwickelte Winkler-Diagramm. (2002)79 bewerteten die Eignung des tonreichen Materials auf Basis von Keramikprodukten in drei Gruppen von Kornfraktionen (< 2,0 µm, 2,0–20,0 µm und > 20,0 µm). Das Diagramm ergab, dass alle untersuchten Proben mit Ausnahme der Proben AZ01 und AZ05 für Dachziegel und Mauerziegel geeignet sind (Abb. 8a). Es wurde festgestellt, dass AZ05 besser für Hohlprodukte geeignet ist, was auf die im Vergleich zu den anderen Proben höheren Fraktionen von 2,0–20,0 µm zurückzuführen sein könnte. Die Probe AZ01 erwies sich jedoch als ungeeignet für die Produktspezifikationen im Winkler-Diagramm (Abb. 8a), was vor ihrer Verwendung einen Aufbereitungsprozess erfordern würde.

Zeigt: (a) Korngrößenklassifizierung der tonreichen Materialien nach Winklers Schema (nach Winkler (1954) und Nyakairu et al. (2002)78,79); Felder sind definiert als: (I) gewöhnliche Ziegel, (II) vertikal perforierte Ziegel, (III) Dachziegel und Mauerziegel und (IV) Hohlprodukte und (b) Formungsprognose anhand der Atterberg-Grenzen (Verarbeitbarkeitsdiagramm) (nachfolgend). Bain und Highley (1979) und Hosni et al. (2021)72,80).

Darüber hinaus erstellten Bain und Highley (1979) das Tonverarbeitbarkeitsdiagramm auf der Grundlage des Plastizitätsindex und der Plastizitätsgrenze der untersuchten Tone (Abb. 8b)80. Laut Tonverarbeitbarkeitsdiagramm befanden sich die meisten der untersuchten Tonmaterialien im akzeptablen Extrusionsbereich, mit Ausnahme der Probe AZ08, die im optimalen Formbereich lag. Dieser Befund legt nahe, dass die untersuchten Tonproben in Keramik und Ziegeln verwendet werden könnten. Laut Bain und Highley (1979)80 könnten die Tonproben, die sich sowohl außerhalb des akzeptablen als auch des optimalen Extrusionsbereichs befinden (nicht in der vorliegenden Arbeit), für das Handradwerfen und/oder die Bearbeitung von weichem Schlamm geeignet und verwendet werden.

Ein wichtiger Einflussfaktor für die Eignung von Rohstoffen im industriellen Bereich ist die Nähe und Erreichbarkeit der zu erwartenden Rohstoffvorkommen. Die untersuchten Tonvorkommen im Gebiet Abu Zenima, insbesondere in der Matulla-Formation, sind über die neue Asphaltstraße Suez-Sharm El-Sheikh leicht zu erreichen. Der Standort liegt 130, 210 bzw. 280 km von den Städten Suez, Ain El-Sokhna und Kairo entfernt. Die Nähe des untersuchten Gebietes zu den meisten Industriegebieten erhöht die Eignung unserer erkundeten Tonvorkommen erheblich.

Aufgrund der rasanten Entwicklung und nationaler Bauprojekte hat sich die ägyptische Keramikindustrie erheblich weiterentwickelt und die Nachfrage nach Rohstoffen für die Keramikindustrie ist rapide gestiegen. Heutzutage ist Ägypten einer der bedeutendsten afrikanischen Keramikfliesenproduzenten und mit einem Produktionswert von etwa 300 Millionen m2 pro Jahr der zehntgrößte Hersteller weltweit (mordorintelligence.com). Darüber hinaus ist die Keramikherstellung, einschließlich Industrie-, Haushalts- und Bauprodukten, eine der florierendsten Industrien der ägyptischen Wirtschaft. Darüber hinaus wird erwartet, dass die zunehmende Expansion und die Ausgaben für Infrastruktur, Wohnraum und Urbanisierung den Pro-Kopf-Keramikverbrauch in den kommenden Jahren auf ein höheres Niveau steigern werden. Daher ist die Erkundung neuer Tonvorkommen als Rohstoffe erforderlich, um den gestiegenen Bedarf tonverarbeitender Industrien zu decken. Da es in der Gegend von Abu Zenima, Süd-Sinai, Ägypten, bedeutende Reserven an Tonvorkommen gibt, wurden diese Vorkommen nicht eindeutig untersucht und hinsichtlich ihrer mineralogischen, chemischen und technologischen Eigenschaften für die Keramikindustrie charakterisiert. Darüber hinaus wird von den Keramikherstellern in den untersuchten Gebieten erwartet, dass sie langfristig stabile Produzenten in die Keramikindustrie bringen, um von den Vorteilen kostengünstiger Rohstoffe, Arbeitskräfte und Fabrikbau zu profitieren. Die Kaolinvorkommen sind der wichtigste und teuerste Bestandteil bei der Keramikherstellung. Daher würde das Vorhandensein hoher Kaolinreserven in angemessener Qualität und Quantität im untersuchten Gebiet erheblich dazu beitragen, die Herstellungskosten zu senken und den hohen Verbrauch zu übertreffen. Die hauptsächliche chemische Zusammensetzung und der Kaolinitgehalt des untersuchten Kaolins wurden mit mehreren in der Literatur berichteten ägyptischen Kaolinvorkommen verglichen und in Tabelle 5 aufgeführt. Die in dieser Studie vorgestellten Rohstoffe zeigten, dass sie aufgrund ihrer Zusammensetzung am besten für verschiedene Arten der Keramikindustrie geeignet waren natürliche Zusammensetzung. Die Eignung des untersuchten kaolinitischen Tons für industrielle Anwendungen wurde durch geochemische, granulometrische, keramische und technische Eigenschaften nachgewiesen. Daher werden die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung dazu beitragen, das Wissen über den Kaolinton des Abu Zenima-Gebiets zu verbessern sowie zur Ausbeutung dieser Lagerstätten und zur Optimierung der Keramikherstellung beizutragen.

Diese Studie umfasste eine detaillierte Untersuchung von Tonvorkommen (kaolinitreicher Ton) der Matulla-Formation im Gebiet Abu Zenima unter Verwendung von Fernerkundungsdaten sowie mineralogischen und geochemischen Analysen. Die Fernerkundungsverarbeitungstechniken für Sentinel-2A-MSI-Daten (BR und PCA) ermöglichen eine bessere Genauigkeit bei der Klassifizierung kaolinithaltiger Formationen und der lithologischen Identifizierung auf regionaler Ebene. Die aus der Fernerkundung gewonnenen Daten zeigten, dass das untersuchte Gebiet aufgrund des Vorhandenseins großer Tonvorkommen als vielversprechend gilt. Die Tonvorkommen der Oberkreide (Santonia) (zehn Proben) im Gebiet Abu Zenima wurden mithilfe verschiedener Charakterisierungstechniken umfassend bewertet. Die mineralogische Analyse (XRD) ergab, dass Kaolinit und Quarz die vorherrschenden Bestandteile der untersuchten Tonproben waren, verbunden mit geringen Anteilen an Illit, Hämatit und Feldspäten. Die Oberflächenmessungen ergaben, dass die repräsentative Probe eine BET-Oberfläche, ein Gesamtporenvolumen und einen mittleren Porendurchmesser von 8,63 m2 g−1, 0,05 cm3 g−1 bzw. 23,40 nm aufweist und einer Isotherme vom IV-Typ folgt ( mesoporöse Eigenschaft). Die chemische Analyse der rohen Tonpulver bestätigte, dass Al2O3 und SiO2 in allen Proben die am häufigsten vorkommenden Oxide waren. Die hohen CIA-Werte weisen auf die Reife der Tonvorkommen von Abu Zenima hin und bestätigen, dass die untersuchten Tone reich an Kaolinit sind. Aus technologischer Sicht sind die untersuchten Proben weitgehend für verschiedene keramische Produkte geeignet. Die Tonfraktion mit hohen Werten ist günstig für die Keramikindustrie. Darüber hinaus zeigten die tonigen Materialien eine moderate Plastizität, die für weißes Keramiksteinzeug und Klinker geeignet ist. Der Vergleich der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung der untersuchten Tonvorkommen mit dem standardmäßigen malaysischen Ton zeigte eine hohe Ähnlichkeit und bestätigte seine Eignung als Rohstoff für die Herstellung von Keramikfliesen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass diese Tone aufgrund des durchschnittlichen Gehalts an Fe2O3 für die Herstellung von roter Keramik oder rotem Steinzeug ungeeignet sind. Nach Angaben von Winkler sind die untersuchten Proben für Dachziegel und Mauerziegel geeignet, mit Ausnahme der Proben AZ01 und AZ05, die für Hohlprodukte geeignet sind. Probe AZ01 könnte mit einem Aufbereitungsprozess behandelt werden, um sie für die oben genannten Produkte geeigneter zu machen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verarbeitbarkeit der untersuchten Tonmaterialien im akzeptablen Extrusionsbereich liegt und die Probe AZ08 im optimalen Formbereich liegt. Insgesamt bestätigen die erzielten positiven Ergebnisse und vielversprechenden technologischen Erkenntnisse das Potenzial der Tonvorkommen der Oberkreide (Santonia) als mögliche Rohstoffe für weißes Keramiksteinzeug, Fliesen und Ziegelprodukte sowie ihre Nähe und einfache Zugänglichkeit für den erwarteten Industriesektor.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von der Academy of Scientific Research and Technology (ASRT), Ägypten, finanziell unterstützt (Projekt Nr. 9473). Alle Autoren sprechen den Gutachtern, deren kritische Kommentare die Qualität dieser Veröffentlichung deutlich verbessert haben, ihre Wertschätzung und ihren Dank aus. Dr. Radwan bedankt sich für den Forschungsschwerpunkt Anthropozän im Rahmen des Programms „Exzellenzinitiative – Forschungsuniversität“ an der Jagiellonen-Universität in Krakau.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für Geologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Suez, Postfach 43518, Stadt El Salam, Gouvernement Suez, Ägypten

Ali Maged, Sherif Ahmed Abu El-Magd und Sherif Kharbish

Fakultät für Geographie und Geologie, Institut für Geologische Wissenschaften, Jagiellonen-Universität, Gronostajowa 3a, 30-387, Krakau, Polen

Ahmed E. Radwan

Abteilung für Geologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Zagazig, Stadt Zagazig, 44519, Gouvernement Sharkia, Ägypten

Sara Zamzam

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AM: Konzeptualisierung, Methodik, Validierung, formale Analyse, Datenkuration, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf. SAA: Recherche, Schreiben – Rezension und Bearbeitung. AR: Recherche, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. SK: Supervision, Konzeptualisierung, Untersuchung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. SZ: Konzeptualisierung, Methodik, Datenkuration, Untersuchung, Software, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Ali Maged.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 02. September 2022

Angenommen: 15. Dezember 2022

Veröffentlicht: 02. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26484-5

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