Kultakaivos ilman syanidia

Talvivaaran nikkelikaivoksen kompurointi on pysynyt otsikoissa vuosia, mutta omistajien tulevaisuuden uskolle on syynsä. Kaivannaisia tarvitaan digimaailmassakin. Maailman väestön kasvu ja elintason nousu on pitänyt huolen siitä, että metallien kysyntä on kaksinkertaistunut 20 vuoden välein. Kaivoksia työllistää esimerkiksi jokainen kännykän käyttäjä. Ensimmäisissä 1990-luvun matkapuhelimissa pärjättiin 30 eri alkuaineella, nykyisten älypuhelinten valmistuksessa tarvitaan 60:tä eri alkuainetta.

Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkija Matti Lampinen perehtyi väitöstyössään siihen, mitä metallien talteenottoprosessin liuotusreaktorissa oikein tapahtuu. Liuotuksessa malmirikasteesta erotetaan haluttu metalli erilaisten kemiallisten ja fysikaalisten prosessien avulla. Eri metallit ja erilaiset malmit vaativat oman prosessinsa. Lampinen kehitti työssään sinkin ja kullan liuotusprosesseja.

Kaivosalalla ei ole tapana hötkyillä uuden teknologian käyttöönotossa.

– Kultakaivoksilla käytetty syanidointiprosessi on yli 100 vuotta vanha tekniikka, josta on paljon kokemus­peräistä tietoa. Uusia syanidivapaita tekniikoita on kehitetty jo vuosikymmeniä, mutta vasta yksi kultakaivos on ottanut uudenlaisen prosessin käyttöön, Lampinen kertoo.

Lampisen tutkima syanidin korvaaja, tiosulfaatti, osoittautui toimivaksi kullan liuotuskemikaaliksi. Hydrometallurgy-lehdessä vuonna 2015 julkaistu Lampisen väitöskirjan tutkimusartikkeli ratkaisi kaksi tiosulfaattiprosessin kehittäjiä vuosia vaivannutta ongelmaa: suuren reagenssien kulutuksen ja prosessin hankalasti hallittavan kemian. 

– Se on kuuma aihe, ja artikkeli on saanut paljon viittauksia ja huomiota. Se yhdisteli monta tunnettua juttua uudella tavalla. Omasta mielestäni kelkka meni aika tavalla eteenpäin, Lampinen kertoo.

Ympäristökatastrofista vauhtia tutkimukseen

Aihe alkoi kiinnostaa Lappeenrannan prosessikemian tutkijoita 2000-luvun loppuvuosina, kun Suomen kaivosbuumi oli kuumimmillaan ja Kittilän kultakaivos aloittamassa tuotantoaan. Samaan aikaan eurooppalaiset ympäristöjärjestöt kampanjoivat kultakaivoksilla käytetyn syanidiprosessin kieltämiseksi. Syynä oli vuonna 2000 tapahtunut syanidionnettomuus Romanian Baia Maressa. Kultakaivoksen patomurtuman seurauksena syanidipitoinen jätevesi päätyi Tiszan ja Tonavan vesistöihin, tappoi kalat lähivesistä ja keskeytti Tonavan alajuoksulla yli 2,5 miljoonan unkarilaisen juomaveden jakelun.

Lampinen kollegoineen lähti kokeilemaan uudenlaista liuotusprosessia laboratoriossa. Aiempien tutkimuspaperien pohjalta tiedettiin, että kultakaivoksen sulfidipitoinen rikaste tarvitsee jonkinmoisen esikäsittelyn, jotta kulta saadaan liukenemaan tehokkaasti tiosulfaattiin.

Kun tutkijat liuottivat painehapetettua rikastetta eri lämpötiloissa sekä tiosulfaatti- ja ammoniakkipitoisuuksissa, saatiin parhaimmillaan lähes 90 prosenttia kullasta talteen. 

– Esikäsittelyn ja prosessikemian hallinnan avulla liuotusvaiheessa pärjätään alhaisilla tiosulfaattipitoisuuksilla. Ja kun tiosulfaattia kuluu vähemmän, tehostuu myös prosessin seuraava vaihe, kullan talteenotto, Lampinen selvittää. 

Suuri onnistuminen oli se, että Lappeen­rannan tutkijat saivat liuotus­prosessin kokonaisuuden toimimaan niin hyvin. 

– Metallien liuotuksessa kaikki vaikuttaa kaikkeen. Kaikkien osaprosessien täytyy toimia yhteen.

Palaset loksahtivat paikalleen

Palaset loksahtivat yhteen vuonna 2014, kun Lampinen alkoi kirjoittaa tutkimusartikkelia. Laboratoriokokeet olivat lupaavia, mutta vielä piti selittää taustalla vaikuttava kemia.

– Siinä vaiheessa tajusin, että kaikki palaset olivat olemassa, ja ne sopivat hyvin yhteen. Jälkikäteen tuntuu oudolta, ettei kukaan muu ollut jo yhdistellyt parinkymmenen vuoden aikana karttunutta tutkimustietoa toimivaksi kokonaisuudeksi. 

– Mutta sitähän se prosessikehitys on, fysikaaliset ja kemian ilmiöt laitetaan toimimaan niin kuin sinä haluat.

Teollisuus oli tutkimuspaperista innoissaan, mutta tieteelliset meriitit jäivät aiempaa tutkimusta kokoavassa paperissa kuulemma köykäisiksi.

– Sain aika paljon perustella sitä, mikä tässä tieteellisessä mielessä on uutta.

Tieteellisesti kovempaa tavaraa olivatkin väitöksen kolme muuta tutkimusartikkelia, joissa Lampinen pureutui sinkkirikasteen suoraliuotukseen. Perinteisesti sinkkirikaste on ensin pasutettu, eli lämpökäsitelty 900 asteen lämpötilassa niin, että sinkki saadaan helpommin liukenevaan muotoon. 

Suoraliuotuksessa investointikustannuksiltaan suuri pasutusvaihe jää kokonaan pois, mutta rikasteen sinkki on paljon haasteellisempaa liuottaa. Outokummun aikanaan kehittämä suoraliuotusprosessi on ollut kaupallisessa käytössä jo 1990-luvun lopulta lähtien. 

– Suomessa ja maailmalla on tehty paljon tutkimusta, mutta prosessin mallinnuspuolessa oli vielä paljon parannettavaa, Lampinen kertoo. 

Digitalisaatio tulee kaivoksiin

Kemianteollisuudessa matemaattiset mallit ja simulaatiot ovat jo laajasti käytössä, mutta kaivosalalla luotetaan edelleen paljolti perinteisiin menetelmiin, kokemukseen ja käytännön kokeiluihin. 

– Seuraava tärkeä murros kaivospuolella on laskennallisten menetelmien laajamittaisempi hyödyntäminen.

Uusilla analyysimenetelmillä saadaan huimasti dataa esimerkiksi liuotusreaktorin toiminnasta, mutta kasvavan datamäärän hyödyntäminen on haastavaa. Prosessien ymmärtämiseen ja ohjaamiseen tarvitaan kaivosinsinöörin näppituntuman lisäksi rutkasti laskentatehoa.


– Kun on kymmeniä samaan aikaan vaikuttavia tekijöitä, ei kokonaisuutta pysty hallitsemaan ihmisjärjellä.

Väitöstyössä kehitetyillä suoraliuotusprosessin matemaattisilla malleilla voi seuloa yhtaikaa tapahtuvista kemiallisista ja fysikaalisista ilmiöistä ne, jotka rajoittavat liuotusprosessin tehokkuutta. Malleilla on käyttöä myös kaivosprosessin ohjaamisessa. Jos malmi köyhtyy tai rikastetta tuodaan eri kaivokselta, pystytään muutoksiin sopeutumaan entistä helpommin.

– Mallien ja simuloinnin avulla voidaan ennustaa jo etukäteen, miten muuttuva raaka-aine käyttäytyy prosessissa.

Syanidista eroon

Milloin myrkyttömiä liuotusmenetelmiä voi odottaa laajempaan kaupalliseen käyttöön kultakaivoksilla?

– Vaikea ennustaa, mutta oikeaan suuntaan ollaan menossa. Tiosulfaattimenetelmä on jo yhdellä kaivoksella käytössä ja myös kloridipohjaisia menetelmiä kehitetään laajasti. Olen itse myös ollut viime vuodet kehittämässä kloridipohjaista menetelmää yhdessä Aalto-yliopiston tutkijoiden kanssa Outotecin johtamassa Tekes-projektissa.

Kuten Talvivaara osoittaa, uuden teknologian käyttöönotto on kaivosalalla iso taloudellinen riski, tutkija muistuttaa. Toisaalta korvaava teknologia alkaa olla toimivaa ja paine syanidista luopumiseen on kova. Nevadassa 2014 käynnistynyt uuden sukupolven kultakaivos on jo aikamoinen läpimurto syanidivapaalle kullantuotannolle. 

– Kyynisesti ajatellen ollaan yhden onnettomuuden päässä uuden teknologian käyttöönotosta, sanoo Lampinen – ja toivoo samaan hengenvetoon, ettei uuden teknologian läpilyöntiin tarvittaisi ympäristökatastrofia.