Juho Pietilä RIKIN VAAHDOTUKSEN KAPASITEETIN SELVITTÄMINEN

Transkriptio

1 Juho Pietilä RIKIN VAAHDOTUKSEN KAPASITEETIN SELVITTÄMINEN Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kemiantekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2008

2 KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kemiantekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Työn nimi: Juho Pietilä Rikin vaahdotuksen kapasiteetin selvittäminen Päivämäärä: Sivumäärä: liitettä Työn ohjaaja: DI Juha Mäenpää Työn valvoja: DI Staffan Borg Opinnäytetyö tehtiin sinkkitehdas Boliden Kokkola Oy:lle Kokkolassa. Tehtaan puhdistamo-osastolla sinkkirikaste liuotetaan suurissa suoraliuotusreaktoreissa. Reaktoreissa rikasteen metallisulfidit liuetessaan sulfaateiksi happopitoiseen liuokseen synnyttävät elementtirikkiä. Liuotuksen loppuvaiheessa kolmiarvoinen rauta saostuu jarosiittina. Elementtirikki ja jarosiitti ovat prosessijätteitä, joita ei voida varastoida yhdessä jarosiitin hajoamisvaaran vuoksi. Nämä kaksi jätejaetta erotetaan liuotuksen jälkeen vaahdottamalla siten, että elementtirikki poistuu vaahdotuksesta rikastevaahtona ja jarosiitti vaahdotusjätteenä. Erityisen tärkeää on elementtirikin määrän minimoiminen jarosiitissa. Työn tarkoituksena oli selvittää nykyisen vaahdotuslaitteiston kapasiteetin riittävyys elementtirikin ja jarosiitin erotuksessa. Selvitystä varten vaahdotusprosessiin tehtiin koeajoja. Työssä päädyttiin tutkimaan vaahdotuslinjan 1 ensimmäistä esivaahdotuskennoa VK1. Koeajojen ensisijainen tavoite oli selvittää syötevirtaaman vaikutus vaahdotuksen kapasiteettiin. Koeajosarjan suunnittelu tehtiin osittain Modde-koesuunnitteluohjelmistolla, jolla myös käsiteltiin ja tulkittiin tuloksia. Syötevirtaaman lisäksi toiseksi muuttujaksi valittiin lietepinnan korkeus kennossa VK1. Koeajot suoritettiin kolmen päivän aikana maaliskuun 2008 lopussa. Näytteenotoilla varmistettiin tehtyjen muutoksien vaikutus. Näytteitä otettiin VK1:n syötteestä, rikasteesta ja jätteestä. Näytteet analysoitiin ja analyyseistä laskettiin elementtirikkija jarosiitipitoisuudet tiettyjä laskentaolettamuksia apuna käyttäen. Koeajojen tuloksia tulkittiin tämän jälkeen elementtirikin ja jarosiitin pitoisuuksia analysoimalla. Syötevirtaamaa vaihdeltiin välillä m 3 /h ja lietepinnan korkeutta välillä %. Tuloksien perusteella syötevirtaamalla ei tutkitulla alueella ole selvää vaikutusta rikasteen ja jätteen elementtirikki- ja jarosiittipitoisuuksiin. Elementtirikkipitoisuus jätteessä vaihteli 1 23 %, mutta pysyi rikasteessa 70 %:n tuntumassa kokeiden aikana. Jarosiittipitoisuus oli pysyvästi rikasteessa 5 10 %, mutta jälleen jätteessä vaihtelua oli enemmän. Tutkimuksen mukaan nykyisellä vaahdotuslaitteistolla ei tuoteta jarosiittia, jossa elementtirikin pitoisuus pysyisi hyvin pienenä koko ajan. Pitoisuus näyttäisi vaihtelevan enemmänkin syötekoostumuksen kuin virtausnopeuden mukaan. Nykyinen vaahdotuslaitteisto vaatisi jatkokseen jätteen ripevaahdotuksen, koska sen kapasiteetti ei ole riittävä. Avainsanat: vaahdotus, vaahdotuskenno, elementtirikki, jarosiitti, mineraalitekniikka

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Degree Programme in Chemical Engineering ABSTRACT Author: Juho Pietilä Name of thesis: Research of the Capacity in Sulphur Flotation Date: 14 May 2008 Pages: Appendices Supervisor: Instructor: Juha Mäenpää Staffan Borg The thesis was done for Boliden Kokkola Oy. The factory produces metal zinc from a zinc concentrate. The zinc concentrate is leached in big and high reactors. While zinc sulfide of the concentrate leaches in the solution elemental sulphur and jarosite are produced as a byproduct. These two minerals are process waste but they can not be storaged together because of the possibility of jarosite to resolve. After the leaching process the solution is going through flotation machines. Sulphur forms foam in the machines and is then separated from jarosite. Jarosite stays in the solution and is flotation waste. The aim of this research was to investigate how effectively the current flotation equipment separates these two minerals from each other. The flotation equipment consists of two lines. For the research some tests were done in line 1 and especially in the first flotation cell on that line. The primary aim of the tests was to change the amount of feed, but another factor in tests was the sludge level in the cell. Modde 5.0 modelling and design software was used in the experiments in design and also in the analyses of the responses, elemental sulphur- and jarosite contents in the foam and in the waste. The most important response was the elemental sulphur content of the waste. The tests were run during three days at the end of March After each test samples were taken from the feed, foam and waste in cell 1. Then the samples were analyzed by the factory laboratory. Because the analyses did not include direct elemental sulphur- and jarosite contents, they were calculated by using some composition hypotheses. The test results were studied after that by using the elemental sulphur and jarosite contents. Even though the amount of feed was changed between m 3 /h the results showed that it had not any clear influence on the mineral contents after flotation. It seems that the influence on waste contents is bigger than on foam contents. The elemental sulphur content in waste varied 1 23 % and in foam % during the experiments. The jarosite content in waste varied also more than in foam. The sludge level in the cell seems to influence more and logically on the mineral contents. According to the research the current flotation equipment does not separate sulphur and jarosite effectively enough. Varying the amount of feed does not give a chance to produce clean jarosite. One solution is to invest in a scavenger cell. Key words: flotation, flotation cell, elemental sulphur, jarosite, mineral technique

4 SISÄLTÖ 1 JOHDANTO 1 2 TOIMEKSIANTAJAN ESITTELY Boliden Kokkola Oy Prosessikuvaus 3 3 TYÖN TEORIATAUSTAA Vaahdotus rikastusmenetelmänä Vaahdotuksen perusilmiöt Kuplaston muodostuminen ja rakenne Ilmakuplan kiinnittyminen mineraalin pintaan Mineraalirakeen rikastuminen vaahtoon Vaahdotuskemikaalit Vaahdotuslaitteistot ja -piirit Modde RIKIN VAAHDOTUS Rikki Rikin vaahdotuksen kemia Nykyinen vaahdotuslaitteisto ja -piiri Kapasiteettiin ja erotustehokkuuteen vaikuttavat asiat 20 5 KOEAJOSUUNNITELMA Koeajojen säädöt ja muuttujat Koeajoissa huomioitavat asiat Näytteenotto Koeajosarja 26 6 KOEAJOJEN SUORITUS 28 7 TULOKSET JA NIIDEN KÄSITTELY Koetulokset ja niiden yleinen käsittely Koetulosten käsittely Modde-ohjelmalla 39 8 TULOSTEN TARKASTELU JA ANALYSOINTI Yleinen analysointi Tulosten analysointi Modde-ohjelmalla Virhetarkastelu 44 9 JOHTOPÄÄTÖKSET JA YHTEENVETO 46 LÄHTEET 48

5 LIITTEET 1. Rikin vaahdotuksen ja sitä ympäröivien prosessien prosessikaavio 2/1. Analyysitulokset kokeille 1 7 2/2. Analyysitulokset kokeille Lasketut mineraalipitoisuudet kokeissa 4. Prosessiolosuhteet ja tapahtumat koeajojen aikana 5. Rikasteen ja jätteen elementtirikkipitoisuudet viiveen funktiona 6. Rikasteen ja jätteen jarosiittipitoisuudet viiveen funktiona 7. Modde-ennustuskuvaajat elementtirikkipitoisuudelle 8. Modde-ennustuskuvaajat jarosiittipitoisuudelle 9. Elementtirikki- ja jarosiittipitoisuuksien tasa-arvokäyrästöt 10. Jarosiittipitoisuuden tasa-arvokäyrästö

6 1 1 JOHDANTO Boliden Kokkola Oy on yksi maailman suurimmista sinkkitehtaista. Tehtaan kapasiteetti on tuotannon aloitusvuodesta 1969 noussut useiden laajennusten myötä yli tonniin vuodessa. Tuotantoprosessia tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti, mistä esimerkkinä on tämäkin opinnäytetyö. Sinkin valmistusprosessissa liuotus ja liuospuhdistus ovat tärkeässä osassa. Nämä vaiheet suoritetaan puhdistamo-osastolla. Liuoksesta puhdistetaan monivaiheisen prosessin ja nykyaikaisen teknologian avulla välttämättömät epäpuhtaudet, muut metallit ja muun muassa elementtirikki pois. Liuokseen jää jäljelle sinkkisulfaatti, josta sinkki erotetaan seuraavalla osastolla sähkövirran avulla. Puhdistuksessa hyödynnetään muun muassa metallien jalousjärjestystä ja painovoimaa. Puhdistamon laitekanta koostuu useista reaktoreista, sakeuttimista ja suodattimista. Suuresta puhdistuslaitteistosta tärkeän pienen osan muodostavat rikin vaahdotuskennot, joihin tämä tutkimus kohdistuu. Sinkkirikasteen liuotuksessa sinkkisulfidi liukenee korkeissa suoraliuotusreaktoreissa sinkkisulfaatiksi. Samalla liukenee rikasteen sisältämiä muitakin metalleja. Liuotusreaktiot synnyttävät liuoksen kiinteää elementtirikkiä. Sinkkirikasteen liuotuksen jälkeen lietteen kiintoaineessa on elementtirikin lisäksi muun muassa liuotusjäännös eli sinkkisulfidi ja rauta sekä pyriittinä että jarosiittisakkana. Elementtirikki täytyy erottaa lietteestä vaahdottamalla. Vaahdotus on mineraalitekniikan rikastusmenetelmä, jossa lietteeseen synnytettyjen ilmakuplien avulla erotetaan tietty mineraali rikastevaahdoksi. Elementtirikin vaahdotuksen tehtävä on erottaa lietteen kiintoaineesta elementtirikki ja liukenematon sinkkisulfidi rikkirikasteeksi ja jätteeksi jarosiitti. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin vuonna 1997 valmistuneen sinkkirikasteen suoraliuotusprosessin jälkeisen rikin vaahdotuksen kapasiteettia. Tutkimusta lähdettiin suunnittelemaan, koska tulevaisuudessa Boliden Kokkola Oy haluaa varastoida jarosiittijätteen mahdollisimman liukenemattomassa muodossa. Jarosiitin stabiloinnin edellytyksenä on elementtirikin, lähes täydellinen, erottaminen jarosiitista. Elementtirikki tulisikin poistaa mahdollisimman hyvin jarosiitin seasta jo vaahdotuksessa. Tutkimuksen tarkoitus oli täten

7 2 selvittää, miten hyvin nykyisellä vaahdotuslaitteistolla elementtirikki ja jarosiitti saadaan erilleen toisistaan. Tutkimusta varten suunniteltiin koeajosarja, jossa tehtiin muutoksia vaahdotusprosessin säätöihin ja otettiin näytteitä. Tavoitteena oli ennen kaikkea tutkia syötevirtaaman vaikutus vaahdotuksen toimintaan. Analyysituloksien avulla tutkittiin koeajojen jälkeen, minkälainen vaikutus säätömuutoksilla oli elementtirikin ja jarosiitin jakautumiseen vaahdotuksessa. Toimintaa tarkasteltiin vain kyseisten mineraalien pitoisuuksien avulla. Koeajotulokset pohjatietona tehtiin johtopäätöksiä nykyisen vaahdotuslaitteiston riittävyydestä elementtirikittömän jarosiitin tuottamiseen. Lisäksi käsiteltiin yleisesti vaahdotusta rikastusmenetelmänä.

8 3 2 TOIMEKSIANTAJAN ESITTELY 2.1 Boliden Kokkola Oy Boliden Kokkola Oy kuuluu ruotsalaiseen kaivos- ja sulattoyhtiö New Bolideniin. Yhtiön päätuotteet ovat sinkki ja kupari, mutta se tuottaa pienempiä määriä myös kultaa, hopeaa ja lyijyä. Yhtiön kaksi sinkkitehdasta sijaitsevat Kokkolassa ja Norjan Oddassa. Kuparitehtaat ovat Suomen Harjavallassa ja Ruotsin Rönnskärissä. Yhtiöllä on kaivokset Ruotsissa ja Irlannissa. New Bolidenin palveluksessa työskentelee kaiken kaikkiaan noin 4600 henkilöä. (Boliden Kokkola Oy 2004.) Boliden Kokkola Oy:n päätuoteet ovat SHG-sinkki, jonka puhtausaste kansainvälisen luokituksen mukaan on vähintään 99,995 %, ja asiakkaan toiveiden mukaisesti alumiinilla tai muilla metalleilla seostettu sinkki. Sinkkiä käytetään muun muassa teräksen korroosiosuojana, messingin valmistukseen, painevalutuotteissa ja sinkkikemikaalien valmistukseen. Eniten sinkkiä käytetään sinkitsemiseen eli korroosiosuojaukseen. (Boliden Kokkola Oy 2004.) Sinkin valmistus Kokkolassa alkoi vuonna Ajan myötä tehtaan kapasiteettia on nostettu useiden laajennuksien myötä. Nykyisen tehtaan kapasiteetti on tonnia. Tehtaan toiminalle on myönnetty ISO laatujärjestelmän ja ISO ympäristöjärjestelmän sertifikaatit. Tehdas on Kokkolan suurin yksityinen työllistäjä. (Boliden Kokkola Oy 2004.) 2.2 Prosessikuvaus Boliden Kokkola Oy käyttää raaka-aineenaan New Boliden konsernin omilta ja ulkopuolisilta kaivoksilta saatavaa sinkkisulfidirikastetta, jonka sinkkipitoisuus on hieman yli 50 %. Usealta kaivokselta tulevat rikasteet sekoitetaan keskenään niin sanotuksi rikasteseokseksi ennen prosessiin syöttämistä parhaan lopputuloksen saavuttamiseksi. Sinkin valmistaminen erittäin puhtaaksi metalliseksi sinkiksi harmaasta rikasteesta onnistuu käytössä olevan teknologian ammattitaitoisella hyödyntämisellä ja kehittämisellä. Tuotantoprosessin päävai-

9 4 heet ovat rikasteen pasutus, pasutteen ja rikasteen liuotus, liuospuhdistus, elektrolyysi, seostus sekä valu. (Boliden Kokkola Oy 2004.) Pasutus on tuotannon ensimmäinen vaihe. Sinkkirikaste poltetaan leijupatjauunissa C:ssa ja hapen läsnä ollessa. Rikasteen sinkkisulfidi (ZnS) muuttuu helpommin liukenevaksi sinkkioksidiksi (ZnO). Pasutuksessa syntyy myös rikkidioksidikaasua (SO 2 ), joka puhdistetaan ja johdetaan Kemiralle rikkihapon valmistukseen. Sinkkioksidi eli pasute jatkaa liuotukseen. (Boliden Kokkola Oy 2007.) Pasutteen liuotus tapahtuu neutraaliliuotuksessa, jossa sinkkioksidi liukenee rikkihappoliuokseen sinkkisulfaatiksi (ZnSO 4 ). Liuotusta jatketaan neutraaliliuotuksen jälkeen konversiossa. Rikasteen suoraliuostus on pasutteen liuotuksen rinnakkainen tuotantolinja. Suoraliuotuksessa rikaste (ZnS) liukenee konversioliuokseen ja paluuhappoon hapen avulla sinkkisulfaatiksi. Rikasteen sisältämistä sulfideista hapettuva alkuainerikki erotetaan vaahdottamalla sinkkisulfaattiliuoksesta. Rauta poistetaan prosessista jarosiittina. (Boliden Kokkola Oy 2007.) Varsinaisessa liuospuhdistuksessa puhdistetaan sinkkisulfaattiliuoksesta jäljellä olevat muut metallit, kuten kupari, koboltti, nikkeli ja kadmium, monivaiheisella puhdistuksella. Metallit pelkistetään liuoksesta tuotannon loppupäästä saatavalla metallisella sinkkipulverilla. Puhdistettu sinkkisulfaattiliuos pumpataan elektrolyysiin. Useilla suodatuksilla ja pesuilla varmistetaan vesiliukoisen sinkin pienin mahdollinen pitoisuus puhdistuksessa syntyvissä jäteissä. (Boliden Kokkola 2007.) Elektrolyysissä muodostetaan metallinen sinkki sähkövirran avulla puhtaasta sinkkisulfaattiliuoksesta. Elektrolyysissä liuos ensin jäähdytetään jäähdytystorneissa noin 33 C:een. Sinkki pelkistyy sähkövirran avulla alumiinikatodin pinnalle noin 36 tunnin ajan, jonka jälkeen katodit nostetaan liuoksesta ja niiden tilalle lasketaan uudet alumiinikatodit. Sinkki irrotetaan katodeista automaattisilla irrotuskoneilla. Kuivattuaan hetken sinkkilevyt ovat valmiita sulatusuuniin. (Boliden Kokkola Oy 2007.) Sinkkilevyt sulatetaan kahdessa induktiouunissa seostusta ja valua varten. Sula sinkki seostetaan pienellä määrällä alumiinia tai muita metalleja ja valetaan kilon jumbovaloksiksi. Puhdasta sinkkiä valettaessa sula sinkki virtaa suoraan uuneista valu-

10 5 muotteihin. Jumboharkkojen lisäksi puhdasta sinkkiä valetaan automaattisella valukoneella myös 25 kilon harkoiksi, joista ladotaan 1000 kilon nippuja. (Boliden Kokkola Oy 2007.) Tehtaan tuotantoprosessi on yksinkertaistettu kuviossa 1. KUVIO1. Sinkin tuotantovaiheet (Boliden Kokkola Oy 2007.)

11 6 3 TYÖN TEORIATAUSTAA 3.1 Vaahdotus rikastusmenetelmänä Vaahdotus on rikastusprosessi, jossa hienojakoinen kiintoaine tarttuu nesteessä ilmakupliin nousten nesteen pinnalle rikastevaahdoksi. Vaahdotuksen edellytyksenä on, että kupliin tarttuvan kiintoaineen pinta on vettä hylkivä eli hydrofobinen ja muiden lietteeseen jäävien kiintoaineiden pinta on hydrofiilinen. Vaahdotus on yleinen rikastusmenetelmä mineraalitekniikassa, mutta sitä käytetään myös hiilen ja rikin rikastuksessa. Vaahdottamalla poistetaan myös painomuste jätepaperista ja kiintoaine jätevesistä. Vaahdotus tapahtuu vaahdotuslaitteissa, joita kutsutaan myös vaahdotuskennoiksi. Laitteita on erilaisia, mutta niiden tehtävä aina on sekoittaa vaahdotettavaa lietettä, syöttää lietteeseen ilmaa ja dispergoida se pieniksi ilmakupliksi sekä ohjata erottuneet ainevirrat eli rikaste ja jäte erilleen. (Lukkarinen 1987, ) Vaahdotusprosessissa on läsnä kolme faasia: kiinteä, neste ja kaasu. Kiinteän faasin muodostavat kaikki mineraalit ja kiintoainepartikkelit joita lietteessä on. Neste on yleensä vesi, ja kaasufaasi muodostuu, kun lietteeseen synnytetään ilmakuplia. Vaahdotuksen onnistumisen kannalta on ratkaisevaa, mitä eri faasien rajapinnoilla tapahtuu, koska prosessi perustuu lietteessä esiintyvien kiintoaineiden erilaisiin pintaominaisuuksiin. Lähes kaikki mineraalit ja kiintoainepartikkelit ovat hydrofiilisia veteen joutuessaan eli niiden pinta peittyy vesimolekyyleillä joko veden H + -ionin tai O 2- -ionin välityksellä. Vaahdottaessa tällaisia aineita on ne tehtävä hydrofobisiksi kemikaalien avulla. Poikkeuksen muodostavat sähköisesti neutraalit aineet, kuten esimerkiksi talkki, molybdeeni, grafiitti ja rikki. Nämä aineet ovat hydrofobisia ja vaahdottuvat siten luonnollisesti. (Lukkarinen 1987, 18.) 3.2 Vaahdotuksen perusilmiöt Vaahdotus perustuu mineraalien pintaominaisuuksien hyväksikäyttöön. Seuraavassa käsitellään vaahdotusta kemian kannalta. Koska Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotusprosessissa ei käytetä rikin luonnostaan vaahdottuvuuden takia mitään vaahdotuskemikaaleja, käsitellään näitä kemikaaleja vain suppeasti.

12 7 Mineraalin vaahdottuvuus määräytyy hyvin pitkälti mineraalin pintarakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta. Mineraalit vaahdotetaan usein vesilietteessä, mikä johtuu sen edullisuudesta ja helposta saatavuudesta. Vesiliuos muodostaa siis vaahdotuksen nestefaasin. Veden ominaisuuksista mainittakoon sen voimakas liuotuskyky ja suuri pintajännitys. Vaahdotuksessa ph:lla on suuri merkitys. Yleensä vaahdotuslietteiden ph vaihtelee välillä Vaahdotuksen kaasufaasi muodostuu ilmakuplista, jotka kuljettavat halutut mineraalit rikasteena talteen. Ilman sisältämä happi on usein erittäin tärkeä vaahdotuksen onnistumiselle. (Lukkarinen 1987, ) Vaahdotuksen kolme faasia, kiinteä, neste ja kaasu ovat kosketuksissa toisiinsa. Ilmiöt näiden faasien rajapinnoilla yleensä joko edistävät tai häiritsevät vaahdotustapahtumaa. Jos vaahdotuksessa käytetään kokoojakemikaalia, tapahtuu sen tarttuminen kiinteän ja nestefaasin rajapinnalla. Vaahdotekemikaali asettuu neste- ja kaasufaasin rajapinnalle, ja mineraalirae kiinnittyy ilmakuplaan kiinteän ja kaasufaasin rajapinnalla. Kaikki nämä ilmiöt ovat vaahdotuksen päätapahtumia. (Lukkarinen 1987, 29.) Vaahdotusprosessiin rajapintailmiöiden lisäksi vaikuttavat hyvin monet tekijät. Vaahdotusprosessin tutkimuksessa muutetaan vaikuttavia tekijöitä yksi kerrallaan, jonka jälkeen yritetään muodostaa niistä kokonaisnäkemys. Tulos voi silti olla hyvin hajanainen, koska vaikuttavia tekijöitä on paljon ja usein ne vaikuttavat lisäksi toisiinsa. Parhaiden mahdollisten vaahdotusolosuhteiden löytäminen on siis vaikeaa yhdistelemällä yksittäisiä tekijöitä ja siksi myös paras vaahdotustulos jää usein saavuttamatta. (Pöllänen, Kuopanportti & Nordman 1995, 125.) Kuplaston muodostuminen ja rakenne Kaikki mineraalit, muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta, ovat hydrofiilisia eli kostuvat joutuessaan kosketuksiin veden kanssa. Tällainen mineraali ei tartu vaahdotuksessa läsnä oleviin ilmakupliin, vaan ponnahtaa kumipallon tavoin pois. Vaahdotus ei ole mahdollista. Jos sen sijaan ilmakuplat saatetaan kosketuksiin joko luonnostaan hydrofobisen mineraalin tai vaahdotuskemikaaleilla hydrofobiseksi muutetun mineraalin kanssa, tarttuu mineraali hyvin kuplan pintaan. Tällaisen mineraalit ovat vaahdotuskelpoisia. (Hukki 1964, )

13 8 Vaahdotuskelpoinen mineraali saadaan rikasteena talteen käyttäen apuna kaasu- tai ilmakuplia. Kuplan pienen tilavuuspainon vuoksi sillä on kyky nousta vesilietteessä ylöspäin. Kupla kykenee lisäksi noustessaan kuljettamaan kohtuullisen suurta kuormaa. Jonkin aineen rikastamisessa on usein kyse suunnattoman raemäärän talteen ottamisesta. Ison raemäärän takia tarvitaan vaahdotuksessa myös suunnaton määrä pieniä kuplia. Vaahdotuskoneeseen syötetty ilma dispergoidaan koneen roottorin avulla pieniksi kupliksi. Ilman syöttö pelkästään puhaltamalla ei tuota lietteeseen tarpeeksi kestäviä ja tasakokoisia kuplia. Vaahdotuksessa tulisikin saada aikaiseksi runsaasti tasalaatuista ja pienikokoista kuplastoa, joka nostaa mineraalirakeet lietekerroksen pinnalle. Kuplat eivät saa yhtyä keskenään isommiksi kupliksi eivätkä välittömästi hajota pinnalle noustuaan. Lietteen pinnalle tulisi kuplista muodostua pysyvä ja jatkuvasti nousevista kuplista uusiutuva vaahtokerros. Oikeanlaiset kuplat hajoavat vasta, kun ne on tavalla tai toisella poistettu vaahtokerroksen yläpinnalta. Kuplien kestävyyttä parannetaan veden pintajännitystä pienentävän aineen avulla. Jos tällaista ainetta ei lietteessä ole, täytyy siihen lisätä tarkoituksen mukaisesti niin sanottua vaahdotuskemikaalia. (Hukki 1964, ; Lukkarinen 1987, 38.) Ilmakuplan kiinnittyminen mineraalin pintaan Mineraalin ja kuplan kohtaaminen on mahdollista vain suunnattoman mineraalirakeiden ja kuplien lukumäärän turvin. Mineraalin on ensiksi kuitenkin oltava hydrofobinen joko luonnostaan tai kokoojakemikaalin vaikutuksesta, jotta se kohdatessaan kuplan tarttuu siihen. Kun mineraali ja ilmakupla kiinnittyvät toisiinsa, ne saavat yhteisen rajapinnan. Molempien oma jäljelle jäävä pinta-ala pienenee yhteisen rajapinnan verran. Kiinnittymistä voidaan tarkastella ilmakuplan ja mineraalirakeen pintaenergian avulla. Kiinnittyminen tapahtuu silloin, kun mineraalin ja kuplan yhdistelmän pintaenergia on pienempi kuin niiden omat yhteenlasketut pintaenergiat ennen kiinnittymistä. Tilannetta voidaan verrata kappaleen potentiaalienergian haluun pienentyä. Kiinnittyminen vaatii siis tietyn negatiivisen pintaenergianmuutoksen. Kiinnittymiseen vaadittu energiamuutos on samalla se energia, jolla ilmakupla pitää kiinni rakeesta. Sama energia tarvitaan yhdistelmän irrottamiseen. (Lukkarinen 1987, )

14 9 Pintaenergioita on vaikea mitata, ja näin ollen käytännön hyöty jää vähäiseksi. Reunakulmakäsiteen avulla voidaan kiinnittymistä tutkia myös mineraalin vaahdottuvuuden kannalta. Ilmakupla kiinnittyy mineraaliin tietyllä reunakulmalla, joka muodostuu ilmakuplan ja mineraalipinnan väliin rajapinnan reunaan kuvion 2 esittämällä tavalla. (Lukkarinen 1987, 41.) KUVIO 2. Ilmakuplan ja mineraalin välinen reunakulma (mukaillen Lukkarinen 1987, 41.) Reunakulma mitataan siis nestefaasin puolelta. Mikäli reunakulma on suuri, on myös kiinnittyminen tehokasta ja sen myötä vaahdotukselle on hyvät edellytykset olemassa. Jos kulma on nolla, ei vaahdotus onnistu. Reunakulma riippuu mineraalin pinnan hydrofobisuudesta. Pinnassa mahdollisesti oleva kokoojareagenssi antaa tavallisesti reunakulmaksi Reunakulman kuvauksella voidaan kiinnittymistä analysoida. (Lukkarinen 1987, ) Mineraalirakeen rikastuminen vaahtoon Kun ilmakupla ja mineraalirae ovat tarttuneet, nousee yhdistelmä lietteen pintaa kohti. Nousevat kuplat mineraalirakeineen muodostavat pinnalle rikastevaahdon. Vaahto uusiutuu, kun alhaaltapäin nousee uusia kuplia ja yläpinnalta niitä poistuu. Haluttu mineraali saadaan rikasteena vaahtoon vain, jos mineraali tarttuu ilmakuplaan. Halutun mineraalin rikastaminen onnistuu vain sille ominaisella kuplakoolla. Sopiva kuplakoko kuitenkin

15 10 yleensä on noin 3 15 mm. Suurista kuplista ei ole hyötyä. Lietteen muut kiintoaineet poistuvat vaahdotusjätteen mukana, jos ne ovat hydrofiilisia. 3.3 Vaahdotuskemikaalit Vaahdotuksessa käytettävillä kemikaaleilla on tarkoitus vaikuttaa rikastettavan aineen pintaominaisuuksiin ja edistää vaahdon muodostumista. Vaahdotuskemikaalit jaetaan kolmeen ryhmään sen mukaan, mihin ne vaahdotustapahtumassa vaikuttavat. Näitä ovat kokoojakemikaalit säännöstelykemikaalit vaahdotuskemikaalit. (Salminen & Pihkala 1981, 79.) Kokoojia on paljon erilaisia, ja ne muodostavat tärkeän vaahdostuskemikaaliryhmän. Kokoojien avulla muutetaan vaahdotettavien mineraalien pintoja siten, että ne muuttuvat hydrofobisiksi eli vettä hylkiviksi. Valitsemalla oikea kokoojakemikaali saadaan selektiivisesti muutettua halutun aineen pinta hydrofobiseksi. Kokoojat ovat yleensä orgaanisia aineita, joissa on vettä hylkivä hiilivetypää ja ionisoituva polaarinen pää. Polaarisen pään avulla kokooja kiinnittyy aineen pintaan. Kokoojakemikaali vaikuttaa siis pääasiassa kiintoaineen ja veden, mutta joskus myös ilman ja veden rajapintaan. Kokoojat ryhmitellään anionisiin, kationisiin, amfoteerisiin ja ionisoitumattomiin kokoojiin. (Lukkarinen 1987, ) Anionisen kokoojan tunnistaa negatiivisesta polaarisesta päästä, jolla se tarttuu täten positiivisesti varautuneen mineraaliin tai hiukkaseen. Anioniset kokoojat ovat yleensä rasvahappoja ja niiden saippuoita sekä tioleita. Kationisia kokoojia käytetään negatiivisesti varautuneiden kiintoaineiden vaahdotuksessa. Esimerkiksi kationisena kokoojana yleisesti käytetyt amiinisuolat tarttuvat amiinipäällään negatiivisen pintavarauksen omaavan hiukkasen pintaan, jolloin hydrofobinen hiilivetypää tekee hiukkasesta hydrofobisen. Amfoteeriset kokoojat voivat toimia sekä anionisina että kationisina kokoojina. Tällaisten kokoojien toimintaa ohjataan tarpeen mukaan ph:ta säätämällä. Amfoteerinen kokooja toimii kationisena happamassa liuoksessa ja anionisena emäksisessä liuoksessa. Ionisoitumattomia kokoojia käytetään, kun halutaan vaahdottaa neutraaleja aineita, kuten hiiltä ja rikkiä. Ionisoitumattomien kokoojien toiminta perustuu mekaaniseen tarttumiseen vaahdotettavan aineen pinnalle. Tarttuminen muistuttaa voiteluaineen tarttumista metallin pintaan. Tällai-

16 11 sia kokoojia ovat polttoöljy sekä kivihiilestä ja puutervasta tislatut hiilivetyöljyt. (Lukkarinen 1987, ) Kokoojan lisäksi vaahdotuksessa tarvitaan usein myös säännöstelykemikaaleja, jotta kokooja saadaan tarttumaan vain halutun aineen pinnalle. Säännöstelykemikaalit jaetaan vielä niin sanottuihin aktivoijiin ja painajiin. Aktivoiva kemikaali tekee halutun aineen pinnan otolliseksi kokoojan tarttumiselle. Näin saadaan aine tarttumaan ilmakuplaan kokoojan ja säännöstelevään kemikaalin yhteisvaikutuksella. Aktivoija on yleensä jokin epäorgaaninen aine. Painajana toimiva kemikaali varmistaa mineraalin, jota ei haluta vaahtorikasteeseen, ilmakuplaan tarttumattomuuden. Painajina voivat toimia sekä orgaaniset että epäorgaaniset yhdisteet. Säännöstelykemikaalien toiminta riippuu voimakkaasti ph:sta. (Lukkarinen 1987, 68.) Vaahdotuskemikaalin päätehtävä on pienentää veden pintajännitystä siten, että vaahdotuksessa saadaan aikaan koossa pysyvä ja tasainen kuplasto. Vaahdon tulisi pysyä koossa siihen asti, kunnes se valuu ylivuotona rikasteränniin. Toisaalta rikasterännistä eteenpäin vaahdon tulee hajota välittömästi, ettei putkistoihin ja pumppuihin muodostu ilmakelloja. Vaahdotuskemikaalit ovat heteropolaarisia, pinta-aktiivisia, orgaanisia aineita, jotka adsorboitumalla veden pintaan pienentävät sen pintajännitystä. Pääasiassa kemikaalit ovat alkoholeja, hydroksyloituja polyeettereitä ja alkoksiryhmällä korvattuja paraffiinejä. Vaahdotuskemikaaleilla vaikutetaan syntyvien ilmakuplien kokoon ja sitkeyteen. Vaahdonmuodostuksen kannalta haitallisia aineita ovat prosessiin tai raaka-aineisiin joistain syystä joutuneet rasvaiset aineet, kuten kone- ja voiteluöljyt. (Lukkarinen 1987, ) 3.4 Vaahdotuslaitteistot ja -piirit Rikastuksessa käytettävät vaahdotuskoneet muodostavat vaahdotuslaitteiston. Vaahdotuskoneet voidaan kytkeä eri tavoin toisiinsa muodostamaan vaahdotuspiirin. Vaahdotuskoneita on paljon erityyppisiä, mutta jatkuvassa käytössä on vain muutama hyvän tehokkuuden ja kapasiteetin osoittanut malli. Vaahdotuskoneesta käytetään myös nimitystä vaahdotuskenno. Vaahdotus suoritetaan yleensä usean koneen tai kennon muodostamassa vaahdotuspiirissä. Vaahdotusprosessin toiminnan kannalta tulee vaahdotuskoneen

17 12 sekoittaa lietettä tai liuosta dispergoida ilma riittävän pieniksi kupliksi mahdollistaa kuplien ja partikkeleiden törmäykset tarjota rauhalliset olosuhteet ja virtaukset vaahtokerroksen muodostumisalueelle erottaa rikaste ja pohjatuote eli jäte. (Lukkarinen 1987, 97.) Vaahdotuskoneiden kaksi pääryhmää ovat pneumaattiset ja mekaaniset koneet. Mekaaniset koneet ovat samalla kuitenkin myös pneumaattisia, koska niihin syötetään ilmaa. Pneumaattisissa koneissa liete pidetään suspensiotilassa ulkoisen puhaltimen tai kompressorin avulla. Samalla vaahdotusprosessin vaatima ilma tulee syötetyksi prosessiin. Mekaanisissa vaahdotuskoneissa sekoitus hoidetaan pyörivän roottorin avulla, joka samalla dispergoi kompressorilla syötetyn ilman lietteeseen. Mekaaniset koneet ovat nykyään suositumpia. Pneumaattisia koneita käytetään kuitenkin tietyissä vaahdotussovelluksissa. (Salminen & Pihkala 1981, 82.) Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotuksessa käytetään mekaanisia vaahdotuskoneita, ja siksi seuraavassa syvennytään tarkemmin mekaanisiin vaahdotuskoneisiin. Mekaanisten vaahdotuskoneiden pääosiin voidaan yleistävästi luetella kennoallas tuki- ja kannatusrakenteineen roottorin käyttömekanismi ja voimansiirto ilman syöttöyhde lietteen tai liuoksen syöttö- ja poistoyhteet rikasterännit instrumentointi virtausten- ja pinnansäätöön. (Lukkarinen 1987, 98.) Vaahdotusaltaita valmistetaan kumilla tai muovilla vuoratusta teräslevystä ja lujitemuovista. Mekaanisissa vaahdotuskoneissa allas on usein poikkileikkaukseltaan neliömäinen ja roottorin mekanismi on sijoitettu ja laakeroitu pystysuoraan altaan keskelle. Kennon käyttömekanismiin kuuluu moottori, voimansiirto, roottori ja staattori. Roottorin siipien kehänopeus vaihtelee 4 8 m/s. Pienissä kennoissa yksi sähkömoottori voi pyörittää kahta roottoriakselia. Roottorin voimansiirto on yleensä toteutettu kiilahihnoilla. Rikasterännien tulee

18 13 olla avaria, puhdistettavia ja riittävän kaltevia, jotta painavat jakeet eivät laskeutuisi rännin pohjalle. (Lukkarinen 1987, 98.) Ilma syötetään vaahdotuskoneisiin joko ulkopuolisen kompressorin avulla tai itseimevää roottoria käyttäen. Ilma pakkosyötetään kompressorilla joko roottorin onton akselin tai erillisen putken kautta roottorille ja altaan pohjalle. Itseimevissä malleissa kuplien muodostamiseen tarvittava ilma imetään putkea pitkin vaahdotuskennon yläpuolelta roottorille. Roottorin tulisi tuottaa kennon pohjalle voimakas turbulenttinen alue, jotta ilmakuplilla ja mineraalirakeilla olisi hyvät törmäysmahdollisuudet. Toisaalta ylempänä kennossa vaahtokerroksen muodostuminen vaatii rauhallisen virtauksen, joten sekoitus ei saa olla liian tehokasta. Roottorin ympärillä olevan staattorin tehtävä on jakaa kuplasto tasaisesti kennotilaan. Ilman syöttöyhteisiin tarvitaan automaattiventtiilit, jos ilmanmäärä halutaan pitää yhtenä säätösuureena. Liete johdetaan vaahdotusaltaaseen syöttölaatikon kautta tai suoraan altaaseen. Lietepinnan säätömahdollisuus on erittäin tärkeä vaahdotuksen toiminnan kannalta. (Lukkarinen 1987, 98; Kelly & Spottiswood 1982, ) Vaahdotuskoneen tehokkuutta ja toimivuutta voidaan tarkastella esimerkiksi kapasiteetin ja erotustehokkuuden kannalta. Myös energiankulutusta ja korjaus- ja hoitokustannuksia voidaan pitää koneen tuoton kannalta tärkeinä. Vaahdotuslaitteiston tulisi olla myös sujuvasti säädettävissä, koska vaahdotus on usein herkkä prosessissa tapahtuville muutoksille. Vaahdotuslaitteiston kapasiteetti riippuu vaadittavasta erotustehokkuudesta, laitteiston koosta ja roottorin toiminnasta. Yhden vaahdotuskoneen kapasiteettia voi olla vaikea saada selville. Hoito- ja korjauskustannuksia voidaan vähentää käyttämällä muodoltaan ja rakenteeltaan yksinkertaisia altaita. Vaahdotuskoneen hyvän toiminnan yksi edellytys on roottorin kyky dispergoida ilmaa ja pitää liete suspensiona. (Lukkarinen 1987, 100.) Kuviossa 3 on kolme erityyppistä roottoria.

19 14 KUVIO 3. Kolme erityyppistä vaahdotuskennon roottoria (Yarar 2005.) Vaahdotusprosessia ei yleensä voida hoitaa vain yhdellä kennolla yksinään, koska erotustehokkuus ei tällöin riitä. Vaahdotuksesta tehdään monivaiheinen rakentamalla laitteisto, joka käsittää useita kennoja eri tavalla virtauspiiriksi kytkettynä. Vaahdotuslaitteita voidaan kytkeä sarjaan tai rinnan, jolloin kennot muodostavat omia linjoja. Vaahdotuspiirissä käytetään eri vaiheita: esirikastusta, kertausta ja riperikastusta. Lisäksi voidaan käyttää kierrätystä, jolloin kyseessä on takaisinkytketty vaahdotuspiiri. Kertausvaiheita voi olla useampiakin. Vaahdotuspiiri voi sisältää myös erityyppisiä laitteita. Vaahdotuspiirin virtausyhteet rakennettaan usein siten, että virtauspiiriä voidaan muuttaa. (Hukki 1964, ) Esivaahdotus erottaa helpoimmin vaahdottuvan osan rikasteesta, ja se suoritetaan sakeammassa lietetiheydessä. Kertausvaahdotuksen tehtävä on puhdistaa esirikaste laimeassa lietetiheydessä. Riperikastuksessa erotetaan poistuvasta jätevirrasta loputkin rikastepartikelit. Kennoihin voidaan lisätä vaahdotuskemikaaleja piirin eri vaiheissa erotustehokkuuden parantamiseksi tai eri rikasteiden tuottamiseksi selektiivisesti. Vaahdotuspiirit voivat olla hyvinkin monimutkaisia. (Lukkarinen 1987, 1 2.) Kuviossa 4 on esimerkki yksinkertaisesta vaahdotuspiiristä eri vaiheineen ja käsitteineen. Esimerkissä kertausvaahdotuksien jätteet ja riperikaste palautetaan takaisin syöttöön. Kyseessä on siis takaisinkytketty vaahdotuspiiri.

20 15 KUVIO 4. Vaahdotuspiiri (Pöllänen, Kuopanportti & Nordman 1995, 119.) 3.5 Modde 5.0 Modde 5.0 on tilastollinen koesuunnittelu- ja optimointiohjelmisto. Ohjelman avulla tutkimuksessa selvitään mahdollisimman pienellä koemäärällä ja tuotetaan paljon informaatiota. Modde on tehokas ja luotettava tapa saada selville tutkittavien muuttujien väliset korrelaatiot. (Modde ) Ohjelman suunnittelee koesarjan, jossa kaikkia muuttujia vaihdellaan samanaikaisesti. Näin koealue tulee tarkoin tutkituksi. Koesarjan käytännön toteutuksen jälkeen tulokset syötetään vasteiksi koesarjaan. Ohjelma laskee koetuloksista matemaattisen mallin. Mallin avulla tuloksia tulkitaan, ennustetaan ja optimoidaan. Ohjelma ottaa huomioon koevirheet. Tulokset esitetään graafisesti. (Modde ) Tutkimus Modden avulla alkaa muuttujien ja vasteiden määrittämisellä. Muuttujille asetaan rajat, joissa ne voivat vaihdella. Ohjelma tekee tämän jälkeen koesuunnitelman, jossa on ehdotettu kokeiden suorittamisjärjestys. Koesarjan toteutuksen jälkeen tulokset syötetään vasteiksi, ja ohjelma laskee koesarjasta matemaattisen mallin. Tuloksia voidaan tulkita tämän jälkeen muun muassa siltä pohjalta miten tutkittavat muuttujat vaikuttavat vasteisiin.

21 16 4 RIKIN VAAHDOTUS Elementtirikin vaahdotus on erittäin harvinainen prosessi. Tämän takia siitä löytyy tutkimustietoakin erittäin vähän. Boliden Kokkola Oy:n tehtaalla kyseinen prosessi on. Rikasteen suoraliuotuksessa sinkkisulfidin liuetessa syntyy sulfidia S 2-, joka hapettuu elementtirikiksi S 0. Suoraliuotuksessa saostuu myös jarosiittia, joka myöhemmin suodatetaan jätteeksi. Rikki on myös suoraliuostusprosessissa syntyvä jäte. Näitä kahta jätejaetta ei voida varastoida yhdessä jarosiitin liukenemisvaaran takia. Rikki on näin ollen erotettava vaahdottamalla. Elementtirikki erotetaan suoraliuotuksen jälkeen vaahdotuskennoissa, kahdessa rinnakkaisessa linjassa. Rikaste ja pasute eroavat siinä, että pasuteesta rikki on poistunut rikkidioksidina jo pasutolla. Suoraliuotukseen syötettävä rikaste ei kulje pasuton kautta, ja siksi siitä on rikki poistettava vaahdottamalla liuotuksen jälkeen. (Zn-puhdistamon prosessit ja kemia 2007.) 4.1 Rikki Rikki on normaalilämpötilassa kirkkaan keltainen kiinteä aine. Kiinteästä rikistä käytetään myös nimitystä elementtirikki S 0 (hapetusluku nolla). Sillä on erittäin paljon erilaisia allotrooppisia muotoja. Useissa allotroopeissa rikki muodostaa kahdeksanatomisia rengasrakenteisia molekyylejä. Huoneenlämpötilassa yleisin on kahdeksanatominen rengasrakenteinen ortorombinen α-rikki. Ortorombinen rikki muuttuu 95,5 C:ssa monokliiniseksi β- rikiksi, jossa rikki on niin ikään kahdeksanatomisina rengasrakenteina, mutta eri tavalla pakkautuneena. Nämä kaksi ovat rikin yleisimmät allotroopit. Lämpötila-alueella C esiintyy rikillä kolmaskin muoto, γ-rikki, joka kyseisen lämpötila-alueen ulkopuolella muuttuu hitaasti joko α- tai β-rikiksi. Sulamispiste α-rikille on 112,8 C ja β-rikille 119 C. (Cotton & Wilkinson 1988, ) Rikkiä esiintyy sulfidi- ja sulfaattimineraaleissa. Sulfideista tärkeimpiä ovat rikkikiisu FeS 2, magneettikiisu FeS, kuparikiisu CuFeS 2 ja sinkkivälke ZnS. Rikkiä esiintyy luonnossa myös vapaana alkuaineena eli elementtirikkinä. Elementtirikki on veteen liukenematon, heikko lämmön ja sähkön kuljettaja. Palaessaan ilmassa se muodostaa rikkidioksidikaasua joka on myrkyllistä. Sula rikki muodostaa muiden alkuaineiden kanssa lukuisia yhdisteitä,

22 17 koska sillä on useita mahdollisia hapetuslukuja. Rikkiä käytetään eniten rikkihapon valmistukseen, mutta sitä käytetään myös esimerkiksi kumin vulkanoinnissa ja tulitikuissa. (Antila, Karppinen, Leskelä, Mölsä & Pohjakallio 2002, 208.) 4.2 Rikin vaahdotuksen kemia Suoraliuotuksen jälkeisen vaahdotuksen tehtävä on erottaa lietteen kiintoaineista rikasteeksi elementtirikki S 0 ja liukenematta jäänyt sinkkisulfidi ZnS sekä jätteeksi jarosiitti, lyijysulfaatti PbSO 4 ja muut saostuneet ainekset. Suoraliuotuksessa syntynyt elementtirikki ja jarosiitti tulee varastoida jätteinä erilleen jarosiitin hajoamisvaaran vuoksi, mutta myös tulevaisuuden mahdollisen jarosiitin jatkokäsittelyn takia. (Zn-puhdistamon prosessit ja kemia ) Elementtirikki on yksi harvoista sähköisesti neutraaleista ja hydrofobisista aineista. Rikki tarttuu lietteeseen synnytettyihin ilmakupliin siis poikkeuksellisesti ilman kokoojareagenssia ja nousee pintaa kohti. Rikkiin kiinnittyneenä ilmakuplien mukana nousee myös liukenematta jäänyt ZnS. Rikin luontaisen vaahdottuvuuden takia mitään vaahdotuskemikaaleja ei tarvita, mikä on kustannusten ja muun prosessin kannalta selvä etu. Rikki on eimetalli, jonka tiheys on noin 2,1 kg/dm 3. Tiheyden puolesta ilmakuplat kyllä kiinnittyessään rikkihiukkaseen nostavat sen pintaan. (Zn-puhdistamon prosessit ja kemia 2007.) Yksittäisillä rikkipartikkeleilla on siis erinomainen vaahdottuvuus, mutta jos rikki on liittyneenä johonkin toiseen mineraaliin, niin todennäköisesti sen vaahdottuvuusominaisuudetkin muuttuvat, jolloin se ei tartukaan ilmakuplaan. 4.3 Nykyinen vaahdotuslaitteisto ja -piiri Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotuslaitteisto koostuu kuudesta vaahdotuskennosta. Kennot ovat mekaanisia pakkosyötteisiä Outokummun OK-kennoja. Vaahdotuspiiri on rakennettu siten, että sen virtauskytkentöjä voidaan tarpeen tullen muuttaa. Edellisen kerran muutoksia on tehty vuonna 2002, jolloin aikaisemmasta piiristä muodostettiin kaksi rinnakkaista kolmen kennon linjaa. Vaahdotuspiiri on nykyiselläänkin vuonna 2002 tapah-

23 18 tuneen muutoksen kaltainen. Liiteessä 1 on rikin vaahdotuksen vaahdotuspiiri ja vaahdotusta ympäröivät osaprosessit. Vaahdotuspiirissä linjan 1 muodostavat kennot 1, 3 ja 5 ja linjan 2 kennot 2, 4 ja 6. Esirikastus tapahtuu kennoissa 1 ja 2, loput kennot ovat esirikasteiden kertauksia. Riperikastusta ei ole. Lopullinen rikkirikaste saadaan näin ollen kennoista 5 ja 6, ja se johdetaan vaahdonrikkojan kautta säiliöön RRS, sieltä edelleen sakeuttimeen S11 ja lopulta rikin suodatukseen. (Zn-puhdistamon prosessit ja kemia 2007.) Esirikasteet VK1:ltä ja VK2:lta johdetaan VK3:n ja VK4:n syötteiksi ja kerrattaviksi. VK3:n ja VK4:n rikasteet jatkavat toisiin kertauksiin VK5:een ja VK6:een ja ensimmäisen kertausten jätteet johdetaan kiertolietesäiliöön KLS. VK5 ja VK6 tuottavat lopullisen rikkirikasteen, ja näiden kennojen jätteet johdetaan niin ikään KLS:ään. Kertauskennojen jätteet KLS:stä kierrätetään vaahdotuksen alkuun, VK1:een. Vaahdotuksen lopullinen jäte, joka sisältää jarosiitin, saadaan VK1:n ja VK2:n pohjalta. Jäte johdetaan sakeuttimeen S12 ja sieltä jarosiitin suodatukseen. (Zn-puhdistamon prosessit ja kemia 2007.) Vaahdotuksen yhteydessä puhutaan jätteestä, vaikka Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotuksessa jäte on päävirtaus, joka sisältää jarosiitin lisäksi muun muassa arvokkaan sinkkisulfaatin. Vaahdotuksen syöte on suoraliuotuksen tuoteliuos kiintoaineineen. Syöte jaetaan kahdelle vaahdotuslinjalle kennotilavuuksien suhteessa eli noin 60 % linjalle 1 ja noin 40 % linjalle 2. Kennotilavuudet ovat taulukossa 1. Linjan 1 kokonaistilavuus on siis 81 m 3 ja linjan kokonaistilavuus 2 on 54 m 3. TAULUKKO 1. Vaahdotuskennojen tilavuudet Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotuksessa (Pertti Lamberg 2004.) Vaahdotuskenno Tilavuus (m 3 ) VK1 48 VK2 32 VK3 24 VK4 16 VK5 9 VK6 6

24 19 Vaahdotuslaitteisto koostuu OK-vaahdotuslaitteista, joita on linjan 1 kennoissa 3 kpl ja 2 kpl/kenno linjalla 2. Näin ollen kennot linjalla 1 ovat 3-akselisia ja 2-akselisia linjalla 2. Kuviossa 5 on OK-vaahdotuslaiteen roottori ja staattorilevyt. Kuviosta nähdään roottorin puolipallon muotoinen rakenne. Vaahdotusakseleita pyörittää sähkömoottori kiilahihnavoimansiirron välityksellä. KUVIO 5. Outokummun OK-vaahdotuslaiteen roottoriakseli ja staattori (Yarar 2005.) OK-vaahdotuslaiteessa syöttöliete ohjataan syöttölaatikon kautta itse kennoon ja roottorin vaikutusalueelle. Outokummun vaahdotuslaitteessa ilma syötetään onton roottoriakselin kautta roottorille. Puolipallon muotoista roottoria ympäröivät staattorin levyt. Liete ja ilma sinkoavat roottorilta staattorin levyjä vasten. Rakenteen ja muotojen ansiosta ilman dispergointi on tehokasta. Rikaste nousee ilmakupliin kiinnittyneenä ylöspäin ja valuu siellä rikasteränneihin, joita suuremmissa kennoissa on molemmin puolin roottoria. (Lukkarinen 1987, 105.) OK-vaahdotuslaitteen kenno on rakennettu U:n muotoiseksi, jolloin kuolleita kulmia on vähemmän kuin esimerkiksi suorakaiteen muotoisessa kennossa. Kenno on myös suhteellisen syvä, minkä pitäisi parantaa selektiivisyyttä. Roottorin aiheuttama turbulenttinen vyöhyke on kaukana pinnasta, joten vaahdonmuodostukselle jää rauhalliset virtausolosuhteet. (Lukkarinen 1987, 107.) Taulukossa 2 on rikin vaahdotuksessa käytettävien OKvaahdotuslaitteiden teknisiä tietoja.

25 20 TAULUKKO 2. Rikin vaahdotuksessa käytettävien OK-vaahdotuslaitteiden teknisiä tietoja. (Lukkarinen 1987, 107.) kennon yksikkötilavuus (m 3 Roottori Ilman käyttö ) Halkaisija (mm) pyörimisnopeus (r/min) Paine (bar) virtaus (m 3 /min) , , , Boliden Kokkola Oy:n rikin vaahdotuksessa käytetyt ilmamäärät ovat taulukon 2 arvoja kuitenkin selvästi pienempiä. Keskimäärin kennoihin syötetään noin 25 Nm 3 /h akselia kohden. On todettu että kyseinen ilmamäärä on riittävä. Kennojen ilmamääriä voidaan kuitenkin muuttaa, mutta normaaliajossa ne pyritään pitämään vakioina. Kennojen säätö rajoittuukin lähinnä lietepinnan korkeuden säätöön. Vaahdotuskennoja ajetaan nykyisellään vähän tilanteen ja prosessin mukaan. Vaahdotuskennojen säätöihin vaikuttavat rikasteen syöttömäärä suoraliuotukseen, rikasteen laatu, vaahdonestoaineen käyttömäärä ennen vaahdotusta ja syötevirtaus. Syntyvän rikkirikasteen määrä on joskus rajoitettava rikkirikasteen suodatuskapasiteetin takia. Tällöin kennoja pyritään säätämään siten, että osa rikistä menee jarosiitin mukana jätteeseen. (Pohjonen ) 4.4 Kapasiteettiin ja erotustehokkuuteen vaikuttavat asiat Rikin vaahdotukseen teorian pohjalta vaikuttaa hyvinkin moni asia. Vaahdotuskemikaalittomuus sulkee onneksi muutamia asioita välittömästi pois. Kuten teoriaosassa todettiin, on vaahdotus tehokasta vain suunnattomalla kupla- ja mineraalirae määrällä. Tällöin niiden todennäköisyys kohdata on suurempi. Kuplan rakenne, koko ja tasalaatuisuus vaikuttavat erotustehokkuuteen. Vaahdotuksessa läsnä olevien kolmen faasin rajapinnoilla tapahtuvat ilmiöt ovat vaahdotuksen perusta ja siten myös onnistumisen edellytys. Näin ollen kaikki kemialliset ja fysikaaliset perusteet, jotka vaikuttavat rikin vaahdottuvuuteen, vaikuttavat siten myös laitteiston kapasiteettiin ja erotustehokkuuteen. Erotustehokkuuteen vaikuttaa lietteen viipymäaika kennoissa, ja todennäköisesti ph:lla ja lämpötilalla on omat vaikutuksensa. Lisäksi elementtirikin vaahdottuvuusominaisuuksia muuttavat aineet lietteessä häiritsevät vaahdotusta. Kokemuksesta tiedetään myös, että rikasteen laatu ja partikkelikoko vaikuttavat oleellisesti vaahdotuksen toimintaan. Laitteiston kapasiteettia huonontavat ku-

26 21 luneet staattorin ja roottorin siivekkeet. Kuplaston muodostus ja lietteen sekoitus ja ilman dispergointi siihen heikkenevät.

27 22 5 KOEAJOSUUNNITELMA Koeajosarjan avulla on tarkoitus selvittää nykyisen rikin vaahdotuslaitteiston kapasiteetti, toisin sanoen selvittää, kuinka hyvin rikki saadaan poistettua jätteenä saatavasta jarosiittista nykyisellä vaahdotuslaitteistolla ja virtauksilla. Koeajosarja toteutetaan varsinaisessa prosessissa. Projektin alussa tarkoitus oli suunnitella koeajosarja Modde-ohjelmalla, mutta lähinnä aikataulun ja koeajoista aiheutuvien kustannusten vuoksi koesarja päätettiin suunnitella perinteisellä menetelmällä eli miettimällä tärkeimpiä muuttujia ja yhdistelemällä niistä muutama koeajo. Koesarjaa Moddella suunniteltaessa koeajoja olisi todennäköisesti tullut liikaa. Modde-ohjelmaa käytetään kuitenkin apuna tulosten käsitelyssä ja niiden luotettavuusanalyysissa ja siksi on tehtävä myös joitakin Modden ehdottamia kokeita. 5.1 Koeajojen säädöt ja muuttujat Koesarjan suunnittelu lähti liikkeellä miettimällä säätöjä ja parametreja, joita rikin vaahdotusprosessissa voidaan helposti muuttaa. Normaalissa prosessitilanteessa vaahdotusprosessia säädetään hyvin vähän. Esimerkiksi lietepinnat kennoissa pidetään vakioina automaattisten säätimien avulla. Lietepinnoilla on kuitenkin vaikutusta varsinkin yli valuvan rikasteen määrään. Ilmansyöttömäärät kennoihin pidetään niin ikään vakioina, mutta niitä voidaan helposti muuttaa. Joissakin kennoissa säätö tapahtuu valvomosta, joissakin kentältä käsisäätönä. Ilmansyöttöpaineeseen ei voida muutoksia tehdä, eikä ole tarvettakaan. Roottorit pyörivät kennoissa vakiopyörimisnopeudella. Roottorien sähkömoottoreissa ei ole edes taajuusmuuntajaa, joten pyörimisnopeuksien muuttaminen on poissuljettu. Koeajoja voidaan helposti tehdä kahdella tai kolmella rikasteseoksella. Rikasteseoksella on merkittävä vaikutus vaahdottuvuuteen, ja siksi vain yhden seoksen käyttö antaisi mahdollisuuden tulosten luotettavampaan ja helpompaan vertailuun. Rikasteseoksesta on sovittava ennalta rikasteiden syöttösuunnittelijan kanssa. Rikin vaahdotuksen syöttö on suoraliuotuksen liete, joka sisältää liuenneen sinkkisulfaatin ja kiinteän liuotusjäännöksen. Syötön määrää, joka oleellisesti vaikuttaa kapasiteettiin, ei voida muuttaa, koska se määräytyy suoraliuotuksen vauhdin mukaan. Sen sijaan syötön

28 23 jakautumissuhdetta linjan 1 ja linjan 2 välillä vaahdotuksessa voidaan muuttaa. Suoraliuotukseen menevän rikasteen syötön määrä voidaan myös muuttaa. Tällöin elementtirikin pitoisuuteen vaahdotuksen syötössä voidaan hieman vaikuttaa, koska rikki on peräisin rikasteesta. Rikastetta syötetään reaktoreihin RLR1 ja RLR2 nykyään noin yhteensä 30 t/h. Rikin vaahdotuspiiri koostuu kahdesta rinnakkaisesta kolmen kennon linjasta, joissa ensimmäiset kennot toimivat esirikastuksena ja toiset ja kolmannet kennot kertausrikastuksina. Kertausrikastusten jätteet kierrätetään kiertolietteenä nykyisessä virtauspiirissä linjan 1 ensimmäiseen kennoon. Piiri on näin ollen takaisinkytketty. Kertausjätteen määrästä riippuu kiertävän jakeen määrä. Kaikki kertausjäte kierrätetään aina, tuli sitä miten paljon tai vähän hyvänsä. Näin ollen kiertovirtaamaan ei voida koeajoissakaan koskea, mutta kiertovirtaus voidaan ohjata tarpeen tullen myös linjalle 2 kennoon VK2. Mahdollisia muuttujia koeajoissa ovat Vaahdotuksen syötön jakautumissuhde Lietepinnankorkeus kennoissa Kennoihin syötettävä ilmamäärä Lisäksi syötteen laatuun voidaan halutessa vaikuttaa Rikasteseoksella Rikasteen syöttömäärällä Syötteen laatuun vaikuttavat toki liuotusolosuhteet suoraliuotusreaktoreissa LIR1 LIR10, mutta niitä ei tietoisesti koeajoissa muuteta. Koeajojen muuttujat täytyy rajata siten, ettei vaahdotuspiiri mene sekaisin usean muuttujan käytöllä. Vaahdotus on hyvin herkkä prosessi, joten radikaaleja muutoksia on syytä välttää. Usean muutoksen seurauksena prosessi voi hakea tasapainoa hyvinkin kauan. Koesarjan yksinkertaistamiseksi ja nopeuttamiseksi muuttujat rajataankin korkeintaan kahteen ja muut vaihtoehtoiset muuttujat pidetään koeajon ajan vakioina. Vaahdotuslaitteiston läpivirtaama on rajallinen. Nykyisessä prosessissa virtaamat ovat suuria laitteiston tilavuuteen nähden. Kun virtaama vaahdotuslaitteiston läpi on suuri, on vii-

29 24 pymä pieni ja siten osa rikistä jää vaahdottumatta. Syöttömäärää ja sen jakautumista muuttamalla saadaan laitteiston kapasiteetin tutkimiseen tärkeä muuttuja. Vaahdotuksen syöttö jakautuu nykyisessä prosessissa kahdelle linjalle niiden tilavuuksien suhteessa eli 60 % linjalle 1 ja 40 % linjalle 2. Toiseksi muuttujaksi valitaan lietepinnankorkeus kennoissa. 5.2 Koeajoissa huomioitavat asiat Koeajojen aikana tulisi vaahdotuksen syöttölietteen olla muuttumaton koostumukseltaan. Tähän päästään, jos koeajopäivänä edellisestä rikasteseoksen vaihdosta on kulunut reilu vuorokausi. Suoraliuotuksen pitkä viive vaatii pitkän varoajan, jotta varmistutaan vaahdotukseen syötettävän lietteen sisältävän vain tutkittavaa rikasteseosta. Lisäksi rikasteseoksen syöttömäärän tulee olla ennen koeajoja ja niiden aikana vakiona. Tärkeä huomioitava on vaahdonestoaineen käyttö. Sen syöttömäärien pitää olla vakiona niin ikään vähintään yksi vuorokausi ennen koeajoja, eikä määriä saa muuttaa myöskään koeajojen aikana. Lisäksi vaahdonestoaineen käytön tulisi olla samanlaista kaikkina koeajopäivinä, jotta tuloksia voidaan luotettavasti verrata keskenään. Vaahdonestoainetta käytetään rikasteen lietossa ja suoraliuotuksen alkupäässä. Ennen koeajoja tulee puhdistaa ilmansyöttöyhteet vaahdotuskennojen roottorien akseleissa, jos ne ovat tukossa, ja tarkistaa rikasterännien puhtaus. Rikkirikaste suodatetaan vaahdotuksen jälkeen Larox-painesuodattimilla. Suodattimien kapasiteetin takia rikkirikasteen määrää joudutaan joskus rajoittamaan normaalissa prosessitilanteessa. Tämä täytyy myös koeajojen aikana pitää mielessä. Jos rikkirikastetta alkaa tulla vaahdotuksessa paljon, niin silloin täytyy tarkkailla suodatuksen kapasiteettia ja välisäiliön S11 tilannetta. Pienet muutokset rikasteen virtaamassa eivät haittaa, jos välisäiliössä S11 on tyhjän tilan vuoksi puskurointikykyä.