Rikastusprosessit

Tämä sivu on ensyklopedia-artikkeli. Sivutunniste: Op_fi3487
Moderaattori:Jmakinen (katso kaikki) Sivun edistyminen: Täysluonnos. Arvostuksen määrää ei ole arvioitu (ks. peer review).
Lisää dataa {{#opasnet_base_link:Op_fi3487}}

Mekaaninen rikastustekniikka

Vaahdottaminen

Periaatteena on tuottaa vaahdotuskemikaaleilla ja voimakkaalla ilmavirran dispersiolla lietteen yläosaan vaahto, johon poistettavat mineraalipartikkelit tarttuvat pintajännityksen vaikutuksesta. Ilmakuplat tuotetaan elektolyysillä, syöttämällä mekaanisesti tai paineella ilmaa seokseen tai saturoimalla prosessivirrasta otettu neste kaasufaasilla. Kaikki mineraalit ovat hydrofiilisia ja vaahdotuksessa tietyt mineraalipartikkelit muutetaan kokoojakemikaalien avulla hydrofobisiksi, jolloin ne tarttuvat vaahtoon jatkokäsittelyä varten. Säännöstelevillä kemikaaleilla säädellään kokoojan kiinnittymistä selektiivisesti eri mineraalien pintaan. Aktivoijalla pyritään mineraalin pinta aktivoimaan kokoojakemikaalia varten, ja painajalla deaktivoimaan, jolloin mineraali poistuu prosessista. Mikäli vaahdottamisen tarkoituksena on poistaa harmemineraalit arvomineraalien joukosta, puhutaan käänteisestä vaahdotuksesta. Vaahdotuksen jälkeen arvomineraaleja sisältävä aines pestään ja kuivataan

Kuva 1.

Kuva 1. Flotaatiolaitteistojen lajittelu (Mukaeltu, Perry & Green 1997).

Kuva 2.

Kuva 2. Elektoflotaatiolaitteen toimintakaavio. Sähkön kulutus on n 0.5 – 0.7 kW/m2, kuplien koko 10 – 50 µm ja syntyvän vety ja happikaasun määrä n 50 – 60 l/h/m2 (Perry & Green 1997, Autio 2010).

Kuva 3.

Kuva 3. Paineflotaatiolaitteen toimintakaavio. Liuos saturoidaan ilmalla, joka purkautuu suspensioon kuplina. Menetelmää soveltuu ainekseen, jonka kiintoainespitoisuus on pieni. Kuplien koko on tällöin 20 – 100 µm, ja vaahdotusreagensseja ei välttämättä tarvitse lisätä prosessiin (Perry & Green 1997, Autio 2010).

Kuva 4.

Kuva 4. Flotaatiokolonnin toimintaperiaate. Paineilmaa syötetään vaahdotuslaitteeen alaosaan, josta kuplat kohoavat suspension vastavirtaan ja keräävät rikastettavat mineraalit pinnalleen. Hydrofobisten mineraalien talteenotto tapahtuu keräysvyöhykkeessä (Perry & Green 1997, Autio 2010).

Kuva 5.

Kuva 5. Jameson_kenno, jossa kolonnin ja kennoston ominaisuudet on yhdistetty. Ilma ja liete virtaavat kolonnia pitkin alaspäin kennoon, josta vaahto erotetaan (Perry & Green 1997, Autio 2010).

Kuva 6.

Kuva 6. Mekaaninen_flotaatiokenno, jossa ilmaa syötetään sekoittimen ympärillä olevan putken avulla (Perry & Green 1997, Autio 2010).

Tiheyseroihin perustuvat menetelmät

Menetelmä perustuu mineraalien tiheyseroihin. Käytetyimpiä menetelmiä ovat sink-float-erotus, hytkytys, tärypöytärikastus ja kierukkarikastus.

Sink-float menetelmässä raskaat komponentit painuvat kohti säiliön pohjaa ja kevyet kohti pintaa. Väliaineena käytetään yleisimmin mineraali-vesisuspensiota, jonka tiheyttä voidaan säädellä mineraalin määrää muuttamalla. Tässä vaiheessa mahdollisesti käytetään flokkulantteja veden selkeyttämiseksi. Väliaineen tiheys säädetään arvo- ja harmemineraalien välille. Väliaineena käytetään esim. piirautaa, magnetiittia tai lyijyhohdetta. Väliaineen avulla toimivat erottimet voidaan jakaa kahteen ryhmään. 1) erotuskartiot ja 2) mekaaniset erottimet.

Erotuskartiossa raskas tuote vajoaa kartion pohjalle tai mikäli aines saatetaan kiertoliikkeeseen, jolloin kevyt aines jää putken ulommalle kehälle ja raskas aines putken sisäpinnalle.

Tärypöytärikastuksessa mineraaliaines johdetaan veden mukana tärypöydälle, jossa raskaimmat mineraalit vajoavat pöydässä oleviin uurteisiin ja liikkeen vaikutuksesta kulkeutuvat pöydän eri osaan kuin kevyemmät mineraalit.

Kuva 7.

Kuva 7. Hytkytin. raskaat ja kevyet partikkelit erotetaan sykkivässä liikkeessä olevassa malmipatjassa. Edestakainen liike laitteeseen saadaan aikaan männän avulla, joka työntää lietettä ylöspäin ja vetää alaspäin (Laukka 2009). Väliaineena voi olla joko ilmaa, vettä tai halutun ominaispainon omaavaa kiintoainesta. Hytkytystä käytetään mm. kromimalmin, kullan ja timanttien erotuksessa.

Magneettiset rikastusmenetelmät

Magneettiset erottimet voidaan jakaa heikkomagneettisiin ja vahvamagneettisiin erottimiin ja edelleen kuiva- ja märkämenetelmin. Tyypillinen magneettinen erotin on pyörivä rumpu, jossa erotettava materiaali syötetään vesilietteenä. Rummun sisällä on magneetit ja ulkopuolella kaukalossa on erotettava materiaali. Tällaisessa märkäerottimessa liete voidaan syöttää laitteeseen joko vasta- tai myötävirtaan rummun pyörimissuuntaan nähden. Kuivaerottimia voi olla esimerkiksi hihnakuljettimen päässä oleva vetotela, jonka sisällä magneetit ovat. Toinen mahdollinen kuivaerotin on rumputyyppinen erotin, jossa syöte tulee rummulle ylhäältä päin. Rumpuun tarttuva materiaali kulkee rummun mukana kun taas muu aines putoaa alas. Heikkomagneettisia erottimia käytetään lähinnä magnetiittimalmien rikastamiseen. Vahvamagneettinen erotus perustuu samaan tekniikkaan kuin heikkomagneettinenkin, mutta tässä tapauksessa magneettivuon tiheys on luokkaa 0,1-1 Tesla tai suurempi. Prosessissa, jossa käytetään vahvamagneettista erotusta, täytyy poistaa hematiitti ja metallinen rauta ennen varsinaista vahvamagneettista erotusprosessia, sillä nämä tarttuvat lujasti vahvamagneettiseen erottimeen (Lukkarinen 1987).

Elektrostaattiset rikastusmenetelmät

Menetelmä perustuu mineraalien erilaiseen sähkönjohtavuuteen: metallit > sulfidit > oksidit > karbonaatit > fosfaatit > silikaatit. Mineraalien rikastaminen tapahtuu syöttämällä aines suurjännitekenttään (staatinen tai ionisaatiokenttä), jolloin eri mineraalit käyttäytyvät sähkönjohtokykynsä mukaisesti. Merkittävää on, että rikastettavan aineksen täytyy olla täytyy olla täysin kuivaa ja että erotuskapasiteetti pienenee, jos raekoko on < 75 µm (Laukka 2009).

Kemialliset rikastusmenetelmät

Kemiallisia rikastusmenetelmiä on perinteisesti käytetty Au:n ja U:n rikastamiseen, mutta viime aikoina kemiallisia menetelmiä on lisääntyvässä määrin sovellettu myös sulfidimalmien rikastamiseen. Periaatteena on saada arvometalleja sisältävät mineraalit liukoiseen muotoon, jonka jälkeen metallien erotus tapahtuu saostamalla kemiallisesti tai elektrolyyttisesti. Metallien uutto voidaan suorittaa joko täysin kemikaalien avulla (leaching) tai hyödyntämällä bakteerikatalyysiä (bioleaching). Bioliuotus perustuu mikro-organismien toimintaan mineraalien pinnalla. (http://wiki.biomine.skelleftea.se). Koska orgaaninen aines on bakteereiden kannalta toksista, ei rikastusprosessissa käytetyt mikro-organismit muodosta riskiä ihmisten tai eläinten terveydelle. Reaktiosysteemi on perustaltaan melko yhdenmukainen, sillä mikro-organismit katalysoivat pyriitissä olevan ferroraudan ja rikin hapettumista tuottaen ferrirautaa ja rikkihappoa:

Fe²⁺ + 1/4O₂ → Fe³⁺ + 1/2H₂O

S + 3/2O₂ + H₂O → H₂SO₄

Ferrirauta reagoi edelleen monosulfidimineraalien kanssa tuottaen ferrorautaa ja rikkiä, jolloin vapautuu metalleja:

MS + 2Fe³⁺ → M²⁺ + 2Fe²⁺ + S

Sulfidimalmien rikastuksessa thiobacillus-bakteerit reagoivat kiisun kanssa, jolloin metalleja vapautuu yhdessä muodostuvan rikkihapon kanssa. Au:n rikastamisessa bioliuotuksessa hajotetan refraktori Au:n sitova aines 45 – 55 ^oC lämpötilassa, koska Au ei liukene (biohapetus). Bakteeritoiminta tarvitsee toimiakseen happea, hiiilidioksidia ja ravinteita (N, P, K, Mg), joiden syötöllä voidaan kontrolloida reaktion voimakkuutta. pH säädetään rikkihapon ja kalsiumkarbonaatin avulla välille 1 – 2. Vaikka päähuomio on kiinnittynyt sulfidisen aineksen hajottamiseen, heterotrofiset mikro-organismit pystyvät myös hajottamaan myös oksideja, silikaatteja, karbonaatteja ja hyroksimineraaleja.

Bioliuotus voidaan toteuttaa kahdella tavalla: 1) kasaliuotuksena tai 2) jatkuvatoimisena reaktiona. Jatkuvatoiminen reaktio on huomattavasti kasaliuotusmenetelmää nopeampi mutta kiintoainespitoisuus pitää olla < 20 % (Laukka 2009).

Kullan rikastamisessa voidaan käyttää monia mekaanisten ja kemiallisten menetelmien yhdistelmiä. Esim. Kittilässä kullantuotanto on kaksivaiheinen. Ensin malmi rikastetaan vaahdotusmenetelmällä, jonka tuloksena rikasteen kultapitoisuus nousee noin kymmenkertaiseksi malmiin verrattuna. Toisessa vaiheessa sulfidit hapetetaan autoklaavissa 190 – 200 ^oC lämpötilassa ja käynnistyttyään eksoterminen reaktio tuottaa itse tarvitsemansa lämmön. Tämän jälkeen kulta erotetaan rikastetusta malmista hapetuksen, syanidiliuotuksen ja aktiivihiilen avulla. Kulta otetaan sen jälkeen talteen sekä liuotuksen että sähkösaostuksen kautta ja sulatetaan harkoiksi, joiden kultapitoisuus on 90-95 prosenttia (Materia 2009).

Suomessa esiintyvien uraanimalmien rikastus tapahtuu murskatusta ja hienonnetusta aineksesta uuttamalla. Esivaahdotusta käytetään vain poikkeustapauksissa. Uraani liuotetaan malmista joko happamassa tai emäksisessä liuoksessa ja talteenotto tapahtuu ioninvaihto- tai nesteuuttomenetelmällä. Rikastamisen jälkeen aines pestään, kuivataan ja sijoitetaan teräsastioihin kuljetusta varten.

Uraaniin liittyvät riskit johtuvat säteilystä ja kemiallisesta toksisuudesta. Aineksen säteilyriski johtuu gammasäteilystä, radonkaasusta ja prosessissa olevien muiden ainesten radioaktiivisuudesta. Uraanimalmin jauhatuksessa ja rikastuksessa radonpäästöt moninkertaistuvat koska kaasu pystyy tällöin vapautumaan ilmakehään esteettä. Uraani on toksinen alkuaine, koska elimistöön joutuessaan se syrjäyttää luustoon sitoutuneen Ca:n.

Rikastuskemikaalien käyttö

Rikastuskemikaalien käytön perusteella rikastusprosessit voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään. Sellaisiin, joissa ei käytetä merkittävissä määrin rikastuskemikaaleja ja niihin, joissa rikastuskemikaaleja käytetään. Menetelmiä, joissa ei juurikaan tarvita kemikaaleja, ovat mm. mineraalien magneettisuuteen ja tiheyseroihin perustuvat menetelmät. Kemikaali-intensiivisempiä menetelmiä ovat vaahdotus ja liuotus. .

Vaahdotus

Taulukko 1. Esimerkkejä sulfidimalmien vaahdotuksessa yleisimmin käytettävistä kemikaaleista. .

Kemikaaliryhmä	Esimerkkikemikaaleja
Kokoojakemikaalit	Ksantaatit, kemiallinen yleiskaava R-O-CS2-Me, jossa hiilivetyryhmä yleensä etyyli-, isopropyyli-, isobutyyli-, tai amyyliryhmä ja metalliryhmänä Na tai K Ditiofosfaatit, kemiallinen yleiskaava (RO)2 = P = S2-M, esim. Danafloat Ditiofosfinaatit, kemiallinen yleiskaava esim. Aeorphine (C4H9)2-P-(S)-S-Na
Vaahdotteet	Terpeeniyhdisteet, joita saadaan puunjalostusteollisuudesta terpeenin tislausprosessista sivutuotteena (esim. Sylvapine) Pitkäketjuiset alkoholit, esim. Montanol Eetterit, esim. Dowfroth vaahdotteet kuten esim. polypropyleeni-glykooli-metyylieettereitä [CH3- (OC3H6)n -OH]
pH:n säätäjät	Rikkihappo (H2SO4) Kalkki joko hienokalkkina Ca(OH)2 tai poltettuna kalkkina CaO
Redox-potentiaalin säätäjät	Rikkihappo, jolla potentiaalia säädetään positiiviseen suuntaan (hapetus) Natriumsulfidi, jolla potentiaalia säädetään negatiiviseen suuntaan (pelkistys)
Aktivaattorit	Aktivaattorit Kuparisulfaatti, jota käytetään sinkkivälkkeen ja rautakiisujen aktivointiin
Painajat	Sinkkisulfaatti, jota käytetään erityisesti sinkin painamiseen kuparivaahdotuksessa CMC eli karboksimetyyliselluloosa, jota käytetään silikaattimineraalien painamiseen sulfidien vaahdotuksessa Tärkkelys, jota käytetään silikaattimineraalien painamiseen sulfidien vaahdotuksessa Na-dikromaatti, jota käytetään esim. lyijyn painamiseen kupari-lyijyerotuksessa (voimakas ja myrkyllinen hapettava kemikaali) Natriumsyanidi, jota käytetään esim. sinkin painamiseen kuparivaahdotuksessa. Käyttö perustuu sen taipumukseen muodostaa helposti kompleksiyhdisteitä. Kullan rikastuksessa syanidi toimii kullan liuottimena (erittäin myrkyllinen kemikaali)
Apuaineet	Flokkulantit, joita käytetään sakeutuksen ja selkeytyksen apuaineina (esim. polyakryyliamidit) Vaahdonestoaineet, joita käytetään vaahdon tappamiseen esim. pumpuilta Suodatuksen apuaineet (yleisin Al-sulfaatti)

Liuotusmenetelmät

• Bioliuotus
• Kemiallinen liuotus
• Hapot tai syanidi

Kulkeutuminen ympäristöön

• Kokoojat

  

Ksantaatit ovat sulfidimineraalien tärkeimpiä kokoojia ja niitä on käytetty jo yli 80 vuotta . Ksantaatteja käytetään vaahdotusprosessissa veden kanssa noin 10% pitoisuutena. Noin 1% vaahdotusprosessissa käytetystä ksantaatista päätyy rikastushiekka-alueelle. Rikastushiekka-alueella ksantaatit hajoavat hydrolyyttisesti rikkihiileksi (CS2) joka haihtuu ilmaan. Päästölaskennassa voidaan olettaa että kaikki rikkihiilipäästöt tapahtuvat ilmaan. Lämpö ja alhainen pH kiihdyttävät prosessia.

Katso myös

Muita Minera-projektin tuotoksia

Minera-mallin sovelluksia	· Luikonlahden tapaustutkimus · Luikonlahden sienitutkimusraportti
Muut	· Metallimalmikaivostoiminnan parhaat ympäristökäytännöt · Minera-hanke · MINERA Loppuseminaari · Kauppila T, Makkonen S, Komulainen H, Tuomisto JT: Metallikaivosalueiden ympäristöriskinarviointiosaamisen kehittäminen: MINERA-hankkeen loppuraportti. · Lehdistötiedote 15.4.2013 · Kohdekohtainen esimerkki · Lyhenteet ja määritelmät · Loppuraportti kokonaismalli · Kaivostoiminnan ympäristöterveysriskien arviointi (suojattu sivu) · Mallinnusohjelmat päästöjen arvioinnissa · Viitearvot · Talvivaaran kaivoksen terveysvaikutukset · Loppuraportti · Raportti · Yaran tapaustutkimus
Muita kaivostoimintaan liittyvää	· Vesijalanjälki · Hyvä kaivos pohjoisessa · Yhteiskuntatieteellinen kaivostutkimus Itä-Suomen yliopistossa · Teemasivu:Kaivostoiminnan vaikutusarviointi

Viitteet

Autio, A. 2010. Prosessijätevesien puhdistaminen flotaation avulla. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu, opinnäytetyö.

Laukka, A. 2009. Mineraalien rikastusmenetelmät: nykytila. B.Sc thesis. Department of Process and Environmental Engineering, Oulu.

Lukkarinen, T. 1987. Mineraalitekniikka osa II – Mineraalien rikastus.Insinööritieto Oy.

Perry, R. & Green, D. 1997. Perry's Chemical Engineers' Handbook 7th Edition. New York: McGraw-Hill.