Alustavia skandiumin rikastustutkimuksia Rautalammin Kiviniemen näytteellä

Transkriptio

1 Itä-Suomen yksikkö C/MT/2010/ Outokumpu Alustavia skandiumin rikastustutkimuksia Rautalammin Kiviniemen näytteellä Tero Korhonen&Raisa Neitola&Pekka Mörsky&Jukka Laukkanen

2 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Tekijät Tero Korhonen Raisa Neitola Pekka Mörsky Jukka Laukkanen Päivämäärä / Dnro 20 joulukuuta 2011 Raportin laji Tutkimusraportti Toimeksiantaja GTK Kuopio Raportin nimi Alustavia skandiumin rikastustutkimuksia Rautalammin Kiviniemen näytteellä Tiivistelmä Laboratoriomittakaavan rikastustutkimuksia Rautalammin Kiviniemen näytteellä tehtiin Geologian tutkimuskeskuksen Mineraalitekniikan laboratoriossa Outokummussa vuosien 2009 ja 2010 aikana. Tarkoituksena oli selvittää alustavasti skandiumin rikastusmahdollisuuksia. Tutkittavan malmin kivilaji on ferrogabro. Mineralogisen karakterisoinnin perusteella skandiumin kantajamineraaleja ovat pääasiallisesti hastingsiitti (amfiboli) ja augiitti (pyrokseeni). Hastingsiitin Sc2O3-pitoisuus on 1284 ppm ja augiitin 1127 ppm. Hastingsiitti kantaa 59 % skandiumin kokonaismäärästä. Augiitti kantaa puolestaan 40 % skandiumista. Yhteensä nämä mineraalit kantavat 98 % skandiumista. Loput skandiumista on sitoutunut lähinnä zirkoniin ja ilmeniittiin. Skandiumin rikastamiseen sovellettiin useita eri menetelmiä: ominaispainoerotusta, vaahdotusta, magneettierotusta ja liuotusta. Syötteen skandiumpitoisuus oli keskimäärin n. 200 ppm. Parhaimmat rikastustulokset saatiin magneettierotuksella. Skandiumin saanti magneettiseen rikasteeseen oli 72 % ja pitoisuus 346 ppm rikastuskertoimen ollessa noin 1,5. Ominaispainoerotuksella ja vaahdotuksella saatujen rikasteiden pitoisuudet ja saannit jäivät selvästi heikommaksi kuin magneettierotuksella saaduissa rikasteissa. Liuotuskokeiden tulosten perusteella voidaan sanoa, että happoseoksella, joka sisältää vetyfluoridia sekä suola-/ tai rikkihappoa, suurin osa skandiumista saadaan liukoiseen muotoon. Liuotuksessa ongelmallista on kiintoaineeseen nähden tarvittava erittäin suuri happomäärä sekä skandiumin mukana liukeneva raudan suuri määrä. Happomääriä ei tässä tutkimuksessa optimoitu. Skandiumin talteenottamista happoliuoksista ei myöskään tutkittu tässä työssä. Vaahdotuksella saatua suhteellisen heikkoa tulosta selittää se, että tutkittava näyte oli selvästi rapautunutta. Vaahdotustutkimuksia kannattaa jatkaa rapautumattomalla malmilla, koska vaahdotusrikasteen teoreettinen Sc2O3 maksimipitoisuus on noin 1200 ppm rikastuskertoimella 4. Haasteellista Kiviniemen skandiumesiintymän hyödyntämisessä on se, että esiintymän massasta joudutaan liuottamaan noin 43 % skandiumin saannilla 72 % (skandiumrikasteen määrä alustavissa tutkimuksissa). Täten jatkojalostuksessa käsiteltävät massat ja happoliuosmäärät ovat massiivisia. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) skandium, augiitti, hastingsiitti Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Rautalampi, Kiviniemi Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 3+27+(Liitteet 5 kpl) Kieli Suomi Hinta Julkisuus julkinen05/2019 lähtien Yksikkö ja vastuualue ISY/407 Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys Kauko Ingerttilä Tero Korhonen

3 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO 1 2 NÄYTTEET Näytteenkäsittely Mineralogia 2 3 KOESUUNNITELMA Ominaispainoerotus Vaahdotus Magneettierotus Liuotus 14 4 TULOKSET Ominaispainoerotus Vaahdotus Magneettierotus Liuotus 25 5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA EHDOTUKSIA JATKOTOIMENPITEIKSI 27 LIITTEET Liite 1. Hieiden rakennekuvia Liite 2. Tutkimusnäytteiden kemialliset analyysit Liite 3. Tärypöytäkokeen kemialliset analyysit Liite 4. Magneettierotuskokeiden kemialliset analyysit Liite 5. Happoliuotuskokeiden kemialliset analyysit

4 Tutkimusraportti C/MT/2010/ JOHDANTO Geologian tutkimuskeskus (GTK) on nikkelitutkimusten yhteydessä kairannut keväällä 2009 Rautalammin Kiviniemessä ferrogabrokivilajia (granaattipitoinen fayaliittiferrogabro), joka on osoittautunut skandiumrikkaaksi. GTK:n Itä-Suomen yksikkö pyysi GTK:n Mineraalitekniikan laboratoriota selvittämään skandiumin rikastusmahdollisuuksia. Laboratoriomittakaavan alustavat rikastustutkimukset tehtiin GTK:n Mineraalitekniikan laboratoriossa Outokummussa. Skandium nimi tulee latinan sanasta Scandia, joka tarkoittaa Skandinaviaa. Skandium esiintyy laajalle levinneenä alkuaineena maapallon kuoressa. Yleisimpiä skandiummineraaleina ovat thortveitite, bazzite, kolbeckite, ixiolite(sc), perrierite(sc) ja magbasite. Taulukossa 1 on esitetty MinIdent-ohjelman listaamat skandiumia sisältävät mineraalit. Näistä mineraaleista thortveitite on tärkein skandiumin lähde. Skandiumia esiintyy myös uraanimineraaleissa, columbiitissa, rutiilissa, kassiteriitissa, wolframiitissa, zirkonissa, scheeliitissä, kiilteissä, apatiitissa, amfiboleissa, pyrokseeneissa, granaateissa ja epidootissa. Kolmenarvoinen skandium korvaa mineraaleissa Fe 2+, Y 3+, HREE 3+, Zr 4+, Sn 4+, Ti 4+ ja Al 3+. Tärkeimmät skandiumin reservit ovat Kiinassa, Kazakstanissa, Madagaskarilla, Norjassa ja Venäjällä. Skandiumia käytetään esimerkiksi elohopealampuissa ja lejeerinkinä alumiinin kanssa. Taulukko 1. Skandiumia sisältäviä mineraaleja (lähde: MinIden Win-ohjelma). Name Sc Ave, Range ( ) Sc_max % Formula thortveitite , (Sc,Y)2Si2O7 pretulite , (Sc,Zr)(P,Si)O4 kolbeckite , (Sc,Be,Ca)([PO4],[SiO4]) 2H2O jervisite , (Na,Ca,Fe2+,X)(Sc,Mg,Fe2+)Si2O6 bazzite , (Na,Cs,K)0-1(Be,Li)3(Sc,Fe2+,Mg,Mn,Al)2Si6O18 cascandite , Ca(Sc,Fe2+)Si3O8OH juonniite , CaMgSc(PO4)2(OH) 4H2O kristiansenite , Ca2ScSn(Si2O7)(Si2O6OH) scandiobabingtonite , Ca2(Fe2+,Mn)ScSi5O14(OH) ixiolite , (Ta,Nb,Sn,Fe,Mn)4O8 milarite , K2Ca4Al2Be4Si24O60 H2O schorlomite , Ca3(Ti,Fe)2(Si,Fe)3O12 corvusite , (Na,Ca,K) (V5+,V4+)8O20 4H2O babingtonite , Ca2(Fe2+,Mn)Fe3+Si5O14[OH] stavelotite-(la) , La3Mn2+3Cu(Mn3+,Fe3+,Mn4+)26[Si2O7]6O30 magbasite , KBa(Al,Sc)(Mg,Fe2+)6Si6O20F2 ferrocolumbite , Fe2+Nb2O6

5 Tutkimusraportti C/MT/2010/ NÄYTTEET 2.1 Näytteenkäsittely Kuopion GTK toimitti tutkittavat kairasydännäytteet R331 ja R332 sekä palamalminäytteen Outokumpuun. Rikastustutkimuksia varten palamalminäyte hienonnettiin edelleen -4 mm raekokoon. Murskattu näyte homogenisoitiin ja jaettiin laboratoriokokeita varten sopiviin 5 kg ja 1 kg eriin. Lisäksi otettiin pienet näytemäärät kemiallisen koostumuksen selvittämiseksi sekä mineralogista karakterisointia varten. Palamalminäyte oli otettu malmin pinnasta, jolloin makroskooppisestikin näyte vaikutti rapautuneelta (väri ruskehtava). 2.2 Mineralogia Mineralogiseen tutkimukseen saatiin syötemurske, jonka raekoko oli 100 % -0,5 mm sekä kairasydännäytteitä. Kivilajiltaan näyte on ferrogabroa (granaattipitonen fayaliittiferrogabro). Tutkimusnäytteiden kemialliset analyysit on esitetty liitteessä 2. Murskenäytteestä tehtiin yksi pintahie, joka mitattiin MLA-laitteella käyttäen XMOD_std mittausmenetelmää. Hieen koko pinta-ala mitattiin suurennuksella 125. Pisteitä mitattiin yhteensä kpl. Kairasydännäytteistä tehtiin kiillotettuja ohuthieitä. Hieiden rakennekuvia on esitetty liitteessä 1. Syötenäytteen mineralogia on esitetty taulukossa 2. Ferrogabron kvartsipitoisuus on 2.8 %. Maasälpinä esiintyy plagioklaasia 17.4 % ja kalimaasälpää 15.8 %. Amfibolimineraalina on hastingsiittia 19.6 %. Pyrokseenimineraalina esiintyy augiitti 15.4 %. Oliviinimineraalina on fayaliitti (Fo2.8) 5.9 %. Almandiinigranaattia on näytteessä 6.9 %. Kiillemineraaleina ovat anniitti 1.2 % ja chamosiitti 0.9 %. Oksidimineraalit ovat magnetiitti ja ilmeniitti. Näytteen zirkonipitoisuus on epätavallisen korkea 0.5 %. Apatiittia on ferrogabrossa 1.4 %. Sulfidimineraalien pitoisuus on erittäin alhainen. Näytteessä ei havaittu olevan varsinaisia skandiummineraaleja. Plagioklaasi, kalimaasälpä, amfiboli, pyrokseeni, oliviini ja granaatti ovat raekooltaan varsin isoja. Tyypilliset koot ovat µm. Näissä mineraaleissa on yleensä lohko- tai särkymärakenteita, jolloin ne murskauksen ja jauhatuksen yhteydessä hienontuvat helposti (kuva 1).

6 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 Kuva 1. Polarisaatiomikroskooppikuvia eri mineraalien esiintymistavasta. Mittajanan pituus on 500 µm. Näyte on murskaamaton. 3

7 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 4 Taulukko 2. Syötenäytteen mineralogia Mineral Wt% Quartz 2.84 Plagioclase K_feldspar Hastingsite Augite Fayalite (Fo2.8) 5.84 Almandine 6.91 Annite 1.18 Chamosite 0.92 Alteration 5.28 Zircon 0.49 Allanite 0.10 Calcite Apatite 1.43 Magnetite 1.03 Ilmenite 2.94 Pyrite 0.02 Pyrrhotite 0.01 Chalcopyrite Sphalerite Molybdenite Graphite 0.43 Goethite 2.38 Unclassified 0.03 Total Number of measured points Zirkonimineraalin esiintymistapaa on kuvattu kuvassa 2. Suurimpien zirkonikiteiden pituus on noin 5 mm. Kiteiden raekoko on esitetty kuvassa 3. Raekoko on mitattu murskaamattomista kairasydännäytteistä.

8 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 5 Kuva 2. Zirkonikiteitä murskaamattomassa näytteessä. Suurimman Zr-kiteen pituus on ~5 mm.

9 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 6 Kuva 3. Zirkonin raekoko kairasydämissä R331 ( Sc-pitoinen) ja R332 (ei Sc-rikas). Mitattu murskaamattomista näytteistä. Koska näyte oli otettu esiintymän pinnasta amfibolissa ja pyrokseenissa näyttää olevan paikoin voimakasta rapautumista, joka käy hyvin esille kuvista 4-5. Näiden muuttuneiden faasien pitoisuudeksi saatiin 5.3 %. Lisäksi näytteessä on rapautumisen seurauksena götiittiä, jonka pitoisuudeksi mitattiin 2.4 %.

10 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 7 Kuva 4. Muuttunut amfibolirae. Kuva 5. Muuttunut pyrokseenirae.

11 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 8 Mineraalien kemialliset koostumukset määritettiin GTK:lla Otaniemessä Cameca SX100 mikroanalysaattorilla. Pitoisuudet on esitetty taulukossa 3. Skandiumpitoisuudet ovat suurimmat pyrokseenissa ja amfibolissa. Hastingsiitin Sc2O3-pitoisuus on 1284 ppm ja augiitin 1127 ppm. Zirkonin skandiumoksidipitoisuus on 187 ppm ja ilmeniitin 125 ppm. Kuvassa 6 on esitetty skandiumin jakauma eri mineraaleihin. Hastingsiitti kantaa 58.5 % ja augiitti 40.4 % skandiumin kokonaismäärästä. Yhteensä amfiboli ja pyrokseeni kantavat 98.9 % skandiumista. Zirkoniin on sitoutunut vain 0.2 % skandiumin kokonaismäärästä. Ytrium on sitoutunut zirkoniin ja apatiittiin. Zirkonin hafniumoksidipitoisuus on poikkeuksellisen korkea 1.1 %. Taulukko 3. Mineraalien mikroanalyysit. Analyysit on tehty GTK:lla Otaniemessä. Augiitti Hastingsite Zircon Fayalite Almandine Apatite K-feldspar Plagioclase Ilmenite n=13 n=5 n=12 n=3 n=2 n=3 n=2 n=2 n=4 SiO ZrO TiO Al2O Sc2O3 [ppm] bdl bdl bdl bdl bdl 125 Y2O HfO FeO MnO MgO CaO P2O Total bdl = alle määritysrajan

12 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 9 Kuva 6. Skandiumin jakauma eri mineraaleihin. Augiitti ja hastingsiitti kantavat yhteensä 98.9 % skandiumin kokonaismäärästä.

13 Tutkimusraportti C/MT/2010/ KOESUUNNITELMA 3.1 Ominaispainoerotus Ominaispainoerotus tehtiin tärypöydällä. Ominaispainoerotusta varten murskattiin sopiva näytemäärä -0.5 mm raekokoon. Mitä kapeampi näytteen raekokojakauma on, sitä selektiivisemmin ominaispainoerotus toimii. Tärypöytäkokeen eri tuotteille tehtiin XRF ja ICP analyysit (liite 3). Mineralogista karakterisointia varten näytteistä valmistettiin yhdet pintahieet, jotka mitattiin MLA-laitteella käyttäen XMOD-std- ja XBSE-mittausmenetelmiä. 3.2 Vaahdotus Vaahdotuksen soveltuvuutta skandiumin rikastamiseen tutkittiin tekemällä yksi vaahdotuskoe, jossa tuotettiin 5 esirikastetta. Vaahdotuskoe tehtiin 1 kg panoksella joka murskattiin -1.0 mm raekokoon. Näytettä jauhettiin kuulamyllyllä 30 min. Jauhatuksen jälkeen näytteelle tehtiin magneettierotus heikkomagneettisella 0.7 T rumpuerottimella. Tämän tarkoituksena oli magnetiitin erottaminen. Magneettierotuksen jälkeen tehtiin vaahdotuskoe ei-magneettiselle tuotteelle. Vaahdotus tehtiin luonnollisessa ph:ssa ja kokoojakemikaaleina käytettiin dodekyyliamiinihydrokloridia sekä Ethomeen HT/60 ja vaahdotteena MIBC. Lopputuotteiden pitoisuudet analysoitiin ICP-menetelmällä. 3.3 Magneettierotus Mineralogian mukaan skandium esiintyy rautapitoisissa silikaateissa (amfibolissa ja pyrokseenissa). Tämän tiedon perusteella tehtiin yhteensä kolme magneettierotuskoetta. Kokeet tehtiin 5 kg:n panoksella. Syötenäytteen raekoko oli -4.0 mm ja sitä jauhettiin 60 min Mergan kuulamyllyllä. Jauhatuksen jälkeen 75 µm:n läpäisy oli 79 % (Kuva 7).

14 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 11 Raekokojakauma 60 min jauhatus Läpäisy % min Mergan µm Kuva 7. Raekokojakauma 60 min jauhatuksen jälkeen. Jauhatuksen jälkeen näytteelle tehtiin heikkomagneettinen magneettierotus 0.07 teslan pöytäerottimella. Tämän jälkeen ei-magneettiselle fraktiolle tehtiin 4 erotusta Salan vahvamagneettierottimella (HGMS) 0.05, 0.1, 0.5 ja 2 T voimakkuuksilla. Prosessikaavio magneettierotuskokeesta 1 on esitetty kuvassa 8.

15 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 12 Näyte 5 kg Jauhatus 0.07 T 60 min M1 EM 1 HGMS 0.05 T M2 EM 2 HGMS 0.1 T M3 EM 3 HGMS 0.5 T M4 EM 4 HGMS 2 T M5 EM 5 Kuva 8. Prosessikaavio, magneettierotuskoe 1.

16 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 13 Näyte 5 kg Jauhatus 0.07 T 60 min M1 EM 1 HGMS 0.05 T M2 HGMS 0.05 T M2/M EM 2 M2/EM HGMS 0.1 T M3 HGMS 0.1 T M3/M EM 3 M3/EM HGMS 0.5 T M4 HGMS 0.5 T M4/M EM 4 M4/EM HGMS 2 T M5 EM 5 Kuva 9. Prosessikaavio, magneettierotuskoe 2. Magneettierotuskokeessa 2 tehtiin kertaukset kokeessa 1 korkeimmat skandiumpitoisuudet omaaville tuotteille M2, M3 ja M4. Kuvassa 9 on esitetty prosessikaavio magneettierotuskokeesta 2.

17 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 14 Näyte 5 kg Jauhatus 0.07 T Jauhatus 0.07 T 60 min M1 30 min M1/M EM 1 M1/EM HGMS 0.05 T M1/EM/M HGMS 0.05 T EM 2 M2 M1/EM/EM HGMS 0.1 T M2-4 Jauhatus HGMS 0.05 T M3 30 min M2-4/M2 EM 3 M2-4/EM2 HGMS 0.5 T M4 HGMS 0.1 T M2-4/M3 EM 4 M2-4/EM3 HGMS 2 T M5 HGMS 0.5 T M2-4/M4 Kuva 10. Prosessikaavio, magneettierotuskoe 3. EM 5 M2-4/EM4 Magneettierotuskokeen 3 prosessikaavio on esitetty kuvassa 10. Kokeessa 1 saadulle M1 tuotteelle tehtiin 30 min lisäjauhatus ja tämän jälkeen 2 magneettierotusta 0.07 T ja 0.05 T voimakkuuksilla. Lisäksi kokeessa 1 saadut tuotteet M2, M3 ja M4 yhdistettiin ja lisäjauhettiin 30 min jonka jälkeen tehtiin kolmivaiheinen HGMS magneettierotus. Lisäjauhatusten tarkoituksena oli saada skandiumia kantavat mineraalit vapaammiksi ja parantaa siten magneettierotusten selektiivisyyttä. Magneettierotuskokeiden eri tuotteille tehtiin ICP-analyysit (liite 4). Lisäksi ensimmäisen magneettierotuskokeen tuotteista tehtiin mineraloginen karakterisointi MLA-laitteella käyttäen XMOD-std- ja XBSE-mittausmenetelmiä. 3.4 Liuotus Liuotuskokeiden tarkoituksena oli tutkia, miten skandium saadaan liukoiseen muotoon. Tässä vaiheessa ei ole tutkittu liuenneen skandiumin saostusta eikä happomääriä ole optimoitu. Magneettierotuskokeiden skandiumrikasteilla suoritettiin useita erilaisia laboratoriomittakaavan happoliuotuksia käyttäen suola-, rikki-, typpi- ja fluorivetyhappoa. Happoliuotuksia tehtiin erilaisilla happoyhdistelmillä hyvin pienillä rikasteen määrillä (1 g/100 ml). Lisäksi edellä mainittujen testien perusteella tehtiin yksi autoklaaviliuotus. Liuotusten suodokset analysoitiin ICP-tekniikalla (liite 5).

18 Tutkimusraportti C/MT/2010/ TULOKSET 4.1 Ominaispainoerotus Tärypöytäkokeen tulokset on esitetty taulukoissa 4 ja 5. Taulukosta 4 voidaan nähdä, että 69.6 % skandiumia kantavista mineraaleista on saatu rikastumaan välituotteeseen ja rikasteeseen. Vastaava tulos saadaan, kun lasketaan skandiumin saanti eri tuotteisiin (Taulukko 5). Muista mineraaleista parhaiten rikastui zirkoni, jonka saanti rikasteeseen oli 41.8 % ja pitoisuus 6 %. Taulukko 4. Mineraalien pitoisuudet ja saannit eri tärypöytätuotteisiin. Tuotemäärä SC-mineraalit Zirkoni Apatiitti Maasälvät % p-% % s-% % s-% % s-% % s-% Rikaste Välituote Jäte LaSy Taulukko 5. Skandiumin pitoisuudet ja saannit eri tärypöytätuotteisiin. Massa (%) Pitoisuus (g/t) Saanti (%) Rikaste Välituote Jäte Kuvassa 11 tuotteista on esitetty MLA-kuva. Kuvasta nähdään selkeästi, että punaiset skandiumia kantavat mineraalit ovat rikastuneet välituotteeseen ja niiden raekoko on suurempi kuin jätteessä olevien mineraalien. Lisäksi voidaan havaita, että sininen ilmeniitti on rikastunut rikasteeseen voimakkaasti. Samoin näkyy raskaiden silikaattien (vaaleanharmaa faasi) rikastuminen rikasteeseen.

19 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 16 Kuva 11. MLA-kuvia tärypöytäkokeen tuotteista.

20 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 17 Taulukko 6. Tuotteiden modaalikoostumus mitattuna MLA-laitteella ja käyttäen XMOD-stdmittausmenetelmää. Mineral Jäte - Wt% Välituote - Wt% Rikaste - Wt% Andesine K_feldspar Hastingsite Augite Olivine Almandine Annite Chamosite Quartz Alteration Calcite Apatite Zircon Allanite Magnetite Ilmenite Pyrite Pyrrhotite Chalcopyrite Sphalerite Molybdenite Unclassified Total Amfiboli+Pyrokseeni yht Amfiboli hastingsiitti ja pyrokseeneihin kuuluva augiitti ovat skandiumin kantajamineraalit. Näiden mineraalien pitoisuudet eri tuotteisiin on esitetty taulukossa 6 ja kuvassa 12.

21 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 18 Kuva 12. Tärypöytäkokeen 1 eri tuotteiden mineralogia. Viimeisessä pylväässä on esitetty tuotteista lasketun syötteen koostumus. Mittaukset on tehty XBSE-menetelmällä.

22 Tutkimusraportti C/MT/2010/ Vaahdotus Vaahdotuskokeen tulokset skandiumin, fosforin ja strontiumin osalta on esitetty taulukossa 7. Skandiumin osalta tulokset olivat heikkoja. Magneettierotuksessa tapahtui hyvin lievää rikastumista ei-magneettiseen fraktioon, joka meni vaahdotuksen syötteeksi. Skandiumin kumulatiivinen saanti 5 esirikasteeseen oli 47 % ja pitoisuus 169 ppm. Tulos oli heikko sillä syötteen laskennallinen skandiumpitoisuus oli ~205 ppm, vaahdotuksessa ei siis tapahtunut rikastumista. Sen sijaan fosfori ja strontium rikastuivat jossain määrin. Kuvassa 13 on esitetty vielä skandiumin pitoisuudet ja saannit vaahdotuskokeessa graafisesti. Taulukko 7. Skandiumin, fosforin ja strontiumin pitoisuudet ja saannit vaahdotuskokeessa. Tuotteet Massa Sc (ICP) P (ICP) Sr (ICP) g % ppm Saanti % % Saanti % ppm Saanti % M EM ER ER ER ER ER ER ER ER ER Jäte Laskettu syöte Skandiumin pitoisuudet ja saannit vaahdotuskokeessa Saanti % Sc ppm Kuva 13. Skandiumin pitoisuudet ja saannit ei-magneettisessa fraktiossa ja tällä tuotteella jatketussa vaahdotuskokeessa.

23 Tutkimusraportti C/MT/2010/ Magneettierotus Taulukossa 8 on esitetty magneettierotuskokeen 1 tulokset. Skandium rikastui magneettisiin tuotteisiin. Yhdistämällä lopputuotteet M2 ja M3 saatiin skandiumrikaste 1, jonka pitoisuus oli 330 ppm ja saanti ~70 %. Taulukko 8. Magneettierotuskoe 1, skandiumin, fosforin ja strontiumin pitoisuudet ja saannit. Tuotteet Massa Sc (ICP) P (ICP) Sr (ICP) g % ppm Saanti % % Saanti % ppm Saanti % M EM M EM M1-M M EM M1-M M EM M1-M M EM M1-M Skandium rikaste 1 (M2+M3) Skandium rikaste 2 (M1+M2+M3) Skandium rikaste 3 (M1+M2+M3+M4) Laskettu syöte Skandiumia kantava amfiboli (hastingsiitti) ja pyrokseeni (augiitti) rikastuvat jo pienillä kenttävoimakkuuksilla. Tuotteessa M1 magnetiittisekarakeet ovat ainakin osasyynä miksi ko. mineraalit menevät magneettiseen tuotteeseen. Tuote on tehty kestomagneettierottimella. Taulukon 9 mukaan alle 0.5 teslan kenttävoimakkuuksilla saadaan 99.8 % skandiumia kantavista mineraaleista yhteisrikasteeseen (M1-M4). Näiden mineraalien yhteispitoisuus on yhteisrikasteessa 44.9 % kun se syötteessä on 33 %, joten pyrokseenit ja amfibolit ovat rikastuneet noin 1.4 kertaisesti (taulukko 10). Taulukko 9. Mineraalien saannit ja pitoisuudet. Tuote Tuotemäärä Sc-mineraalit Zirkoni Apatiitti Kvartsi +maasälvät p-% % s-% % s-% % s-% % s-% M M M M M EM LaSy

24 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 21 Yhteisrikasteessa M1-M4 on kevyiden silikaattien määrä on 20 %, kun se syötteessä on 40 %, joten kvartsin, plagioklaasin ja kalimaasälvän yhteismäärä on saatu putoamaan puoleen. Noin 41 % zirkonista saadaan epämagneettiseen tuotteeseen. Apatiitista samaan tuotteeseen menee 44 %. Kuvassa 14 on esitetty magneettierotuskokeen 1 tuotteet vielä mosaiikkikuvina. Taulukko 10. Magneettisen yhteisrikasteen (M1-M4) mineraalikoostumus verrattuna syötteen mineralogiaan. Yhteisrikasteen mineralogia on laskettu MLA-tuloksista. Rikaste M1-M4 Syöte Mineral Wt% wt.% Quartz Plagioclase K_feldspar Hastingsite Augite Fayalite Almandine Annite Chamosite Alteration Zircon Allanite Calcite Apatite Magnetite Ilmenite Pyrite Pyrrhotite Chalcopyrite Sphalerite Molybdenite Goethite Unclassified Total Hastingsite+augite Quartz+feldspars

25 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 Kuva 14. Magneettierotuskokeen 1 tuotteet mosaiikkikuvina. 22

26 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 23 Taulukossa 11 on esitetty magneettierotuskokeen 2 tulokset. Magneettierotuskokeen 1 tuotteille M2, M3 ja M4 tehty kertaus paransi hieman skandiumpitoisuuksia. Yhdistämällä lopputuotteet M2/M ja M3/M saatiin skandiumrikaste 1, jonka pitoisuus oli 345 ppm ja saanti 58 %. Taulukko 11. Magneettierotuskoe 2, skandiumin, fosforin ja strontiumin pitoisuudet ja saannit. Tuotteet Massa Sc (ICP) P (ICP) Sr (ICP) g % ppm Saanti % % Saanti % ppm Saanti % M EM M M2/M M2/EM EM M M3/M M3/EM EM M M4/M M4/EM EM M EM Skandium rikaste 1 (M2/M+M3/M) Skandium rikaste 2 (M2+M3/M) Skandium rikaste 3 (M2+M3) Skandium rikaste 4 (M2+M3+M4/M) Laskettu syöte Taulukossa 12 on esitetty magneettierotuskokeen 3 tulokset. Magneettierotuskokeen 1 tuotteille M1 ja M2-4 tehty 30 min lisäjauhatus ja kertaukset eivät juuri parantaneet rikasteiden laatua, mutta skandiumin saannit paranivat selvästi verrattuna magneettierotuskokeeseen 2. Yhdistämällä lopputuotteet M1/EM/M, M2-4/M2 sekä M2-4/M3 saatiin skandiumrikaste 1 jonka pitoisuus oli ~346 ppm ja saanti ~72 %. Skandiumin pitoisuudet ja saannit eri magneettierotuskokeissa on esitetty kuvassa 15.

27 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 24 Taulukko 12. Magneettierotuskoe 3, skandiumin, fosforin ja strontiumin pitoisuudet ja saannit. Tuotteet Massa Sc (ICP) P (ICP) Sr (ICP) g % ppm Saanti % % Saanti % ppm Saanti % M EM M1/M M1/EM M1/EM/M M1/EM/EM M M2-4/M M2-4/EM M2-4/M M2-4/EM M2-4/M M2-4/EM M EM Skandium rikaste 1 (M1/EM/M+M2-4/M2+M2-4/M3) Skandium rikaste 2 (M1/EM/M+M2-4/M2+M2-4/M3+M2-4/M4) Skandium rikaste 3 (M1/EM+M2-4/M2+M2-4/M3+M2-4/M4) Laskettu syöte Skandiumin pitoisuudet ja saannit magneettierotuskokeissa 90 Saanti % Magneettierotuskoe 1 Magneettierotuskoe 2 Magneettierotuskoe Skandium ppm Kuva 15. Skandiumin pitoisuudet ja saannit magneettierotuskokeissa.

28 Tutkimusraportti C/MT/2010/ Liuotus Ensimmäisessä vaiheessa happoliuotuksilla selvitettiin, miten skandium saadaan liukenevaan muotoon. Käytetyt happoyhdistelmät olivat: HF + HCl ja HCl + H2SO4. Näissä kokeissa skandium saadaan liukoiseen muotoon. Liuotetusta materiaalista liukenee 56 %. ICP-tekniikalla tehtyjen analysointien tulokset on esitetty taulukossa 13. Analyysitulosten perusteella liuoksessa on paljon rautaa ja piitä. Silikaatit liukenevat lähes kokonaan HF + HCl liuotuksessa, mutta HCl + H2SO4 liuotuksessa silikaatit jäävät kiinteään muotoon. Sen sijaan raudan määrä liuoksessa on kummallakin happoyhdistelmällä lähestulkoon tuhatkertainen skandiumin määrään verrattuna. Raudan suuri pitoisuus voi olla ongelma teollisen mittakaavan prosesseissa skandiumia erotettaessa liuoksesta. Taulukko 13. ICP-tulokset, ensimmäisen vaiheen happoliuotukset. Liuotuksessa käytetyt Sc Fe Si happoyhdistelmät mg/kg mg/kg mg/kg HF/HCL HF/HCL HCL/H 2 SO HCL/H 2 SO Toisen vaiheen happoliuotuksilla tutkittiin voidaanko rauta liuottaa ensin heikommalla happoliuotuksella pois siten, että skandium jäisi kiinteään muotoon. Nämä liuotukset tehtiin käyttäen erivahvuisia suola- ja typpihappoliuoksia. Näissä liuotuksissa ei happoliuosten vahvuuksilla ollut merkitystä. Taulukossa 14 esitettyjen ICP-tulosten mukaan suolahappoliuotuksissa liukenee rautaa enemmän kuin typpihappoliuotuksilla, mutta tällöin myös skandiumia liukenee enemmän. Liuotusten perusteella voidaan todeta, että jo heikompienkin happoliuotusten aiheuttaman raudan liukenemisen myötä poistuu mukana myös skandiumia. Taulukko 14. ICP-tulokset, toisen vaiheen happoliuotukset. Liuotuksessa käytetyt Sc Fe happoyhdistelmät mg/kg mg/kg H 2 O + HCL 10ml+10ml HCL 10ml H 2 O + HNO 3 10ml + 10 ml HNO 3 10ml

29 Tutkimusraportti C/MT/2010/56 26 Koska ensimmäisessä vaiheessa HCl + H2SO4 liuotus liuotti skandiumin ja jätti silikaatit liukenemattomaan muotoon, päätimme kokeilla liuotusta pelkästään rikkihapolla paineistetuissa olosuhteissa. Autoklaaviliuotus suoritettiin 6 bar paineessa ja 120 C lämpötilassa. Liuotuksen kesto oli 3 tuntia. Autoklaaviliuotuksesta tehtyjen analyysitulosten perusteella rikkihappo ei liuottanut skandiumia juuri lainkaan. Edellä mainittujen kokeiden aikana heräsi muutamia kysymyksiä, joita joutuu varmasti teollisen mittakaavan prosesseissa miettimään. Liuotuksissa käytettiin 100 ml happoliuosta kohti 1 g kiintoainetta. Teollisissa liuotusprosesseissa syntyy siis todella paljon happoseosta. Tällöin täytyy tutkia voiko happoliuosta mahdollisesti puhdistaa ja kierrättää ja täten neutraloitavan hapon määrää saataisiin vähennettyä. Neutralointi joka tapauksessa kuluttaisi paljon kemikaaleja. Sitten toinen ongelma on varmasti jo aikaisemminkin mainittu raudan määrä ja sen aiheuttamat suuret jätemäärät. Jos liuotuksia jatketaan, todennäköisesti pitäisi käyttää totaaliliuotusta ja koettaa sitten löytää keino, jolla vain skandium saataisiin liuoksesta saostettua selektiivisesti. Toisin sanoen pitäisi löytää jokin reagenssi, joka reagoi spesifisesti skandiumin kanssa ja näin skandiumin saisi rikastettua liuoksesta.

30 Tutkimusraportti C/MT/2010/ JOHTOPÄÄTÖKSET JA EHDOTUKSIA JATKOTOIMENPITEIKSI Kiviniemen ferrogabrossa ei esiinny omia skandiummineraaleja. Noin 99 % skandiumin kokonaismäärästä on sitoutunut amfibolin ja pyrokseenin hilaan. Skandiumia kantavien mineraalien määrä näytteessä on 34.9 %. Amfiboli on nimeltään hastingsiitti ja sen Sc2O3-pitoisuus on 1284 ppm. Pyrokseeni on augiittiä ja sen skandiumoksidipitoisuus on 1127 ppm. Näiden lisäksi zirkoni ja ilmeniitti kantavat hieman skandiumia. Laskennallinen Rautalammen Kiviniemen näytteen skandiumpitoisuus oli keskimäärin n. 200 ppm. Jos pystytään tekemään vaahdotuksella rikaste, jossa on amfiboli ja pyrokseeni, niin tämän rikasteen teoreettinen skandiumoksidipitoisuuden yläraja on 1215 ppm kun syötteen pitoisuus on 200 ppm (307 ppm Sc2O3). Rikastuskerroin on tällöin kuusinkertainen. Näytteen massasta noin 35 % on tässä teoreettisessa rikasteessa. Käytännössä vaahdotusrikasteen pitoisuus tulee olemaan huomattavasti pienempi ja massa suurempi kuin edellä esitetyssä teoreettisessa laskelmassa. Jos taas suoritetaan ominaispainorikastus, johon tulee kaikki ominaispainoltaan yli 3 g/cm 3 tiheyden omaavat mineraalit, niin maksimi Sc -pitoisuus rikasteessa tulisi olemaan noin 740 ppm. Näytteen massasta olisi rikasteessa noin 58 %. Ferrogabron massasta noin 61 % on rautapitoisia mineraaleja, jotka vahvamagneettisessa erotuksessa rikastuvat magneettiseen tuotteeseen. Tämän tuotteen teoreettinen skandiumin (Sc) maksimipitoisuus on noin 700 ppm. Koska skandium esiintyy amfibolin ja pyrokseenin hilassa, niin nämä mineraalit täytyy ensin rikastaa jollain edellä mainituilla menetelmillä tai niiden yhdistelmillä. Rikasteesta skandium voidaan saada talteen vain hajoittamalla amfibolin ja pyrokseenin hila esimerkiksi liuotusmenetelmällä. Alustavissa laboratoriokokeissa skandiumin rikastamiseksi sovellettiin useita eri menetelmiä: painovoima- ja magneettierotusta, vaahdotusta sekä liuotusta. Skandium esiintyy pääosin rautapitoisissa silikaateissa. Tästä johtuen parhaat tulokset saatiin magneettierotuksella. Lopputuotteena saatiin skandiumrikaste, jonka Sc -pitoisuus oli ~346 ppm ja saanti ~72 %. Liuotusmenetelmistä lupaavimmilta vaikutti menetelmä, jossa skandiumia liuotetaan vetyfluoridin ja suola-/ rikkihapon yhdistelmällä. Vastaavasti ongelmana vaikuttaa olevan se, että rautaa liukenee lähes tuhatkertainen määrä skandiumiin verrattuna. Toisena haasteena skandiumin liuotuksessa on tarvittavan happoliuoksen suuri määrä. Liuotettavaan kiintoainemäärään nähden tarvitaan 100-kertainen määrä happoliuosta (happomääriä ei optimoitu tässä tutkimuksessa). Esiintymän massasta joudutaan liuottamaan noin 43 % skandiumin saannilla 72 % (skandiumrikasteen määrä alustavissa tutkimuksissa). Täten rikastuksen jatkojalostuksessa käsiteltävät massat ja happoliuosmäärät ovat massiivisia mikä tekee esiintymän hyödyntämisestä haasteellisen. Jatkotutkimuksia varten tarvitaan rapautumaton näyte. Skandiumin ja näytteen sisältämien muiden arvokomponenttien mm. zirkoniumin ja yttriumin rikastamiseksi suositellaan eri yksikköprosessien kombinaatioiden jatkokehittelyä. Oleellista olisi myös selvittää skandiumin jakautuminen eri mineraaleihin koko esiintymän alueella.

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61