Lähteet:
https://tukes.fi/litiumioniakkujen-elinkaari
https://www.minefacts.eu/geologia-ja-kaivostoiminta
Litiumia ei esiinny luonnossa puhtaana metallina, vaan se on aina yhdiste. Suomessa litiumin raaka-ainelähteinä ovat pegmatiittiesiintymät. Litium jalostetaan litiumkarbonaatiksi tai litiumhydroksidiksi.
Pegmatiittiesiintymät
Pegmatiittiesiintymät ovat merkittävä litiumin raaka-ainelähde. Esiintymistä käytetään myös nimitystä ”kovan kiven litiumesiintymät”. Pegmatiittiesiintymistä voi litiumin ohella löytyä myös tinaa, tantaalia ja niobia. Pegmatiittilitiumesiintymien yleisin litiummineraali on spodumeeni (litiumalumiinisulfaatti). Tällaisia esiintymiä tunnetaan Australiasta, USA:sta, Kanadasta, Irlannista ja Kongosta ja myös Suomesta. Pegmatiittiesiintymiä louhitaan sekä avolouhoksista että maanalaisista kaivoksista.
Avolouhos
Malmiesiintymät louhitaan useimmiten avolouhoksissa aina 300-400 metrin syvyyteen asti, minkä jälkeen yleensä siirrytään maanalaiseen louhintaan.
Useimmissa avolouhoksissa malmi louhitaan ns. pengerlouhinnalla. Menetelmä perustuu siihen, että malmi louhitaan peräkkäisinä alaspäin suuntautuvina “pengerminä”. Nämä pengermät antavat avolouhokselle sen luonteenomaisen porrasmaisen ulkonäön.
Louhinta avolouhoksessa suoritetaan useissa tuotantovaiheissa. Ensin malmin päällä oleva maa- ja kalliokerros kuljetetaan pois, minkä jälkeen malmi louhitaan vaakasuorina levyinä, ns. pengerlouhintana. Räjäytysreiät porataan alaspäin suuntautuvalla porauksella, ja kun räjäytetty malmi on purettu, tuotanto siirtyy asteittain syvemmälle. Räjäytetty malmi lastataan kuormaimilla kaivoskuorma-autoihin eli dumppereihin, ja hylkykivi viedään dumppereilla kivijätevarastoon, kun taas malmi kuljetetaan murskaimeen, joka on joko avolouhoksessa tai maanpinnalla. Murskauksen jälkeen malmi kuljetetaan rikastamoon, missä se jauhetaan, vaahdotetaan ja kuivatetaan.
Mineraalien rikastus ja jalostus
Malmin rikastus tapahtuu pääsääntöisesti kaivosalueella, koska sivukiveä on suuri määrä malmin määrään verrattuna. Malmi-sivukivisuhde vaihtelee kotimaisilla metallimalmikaivoksilla 1:1 – 1:14,5. Kokkolassa Ulvallassa löydetyt malmivarat ovat noin 3 Mt sisältäen 0,92 paino-% LiO2
Kolmen maansiirtoauton malmikuormasta saatava LiO2 mahtuu henkilöauton peräkärryyn
Vaahdottaminen on ollut käytetyin rikastusmenetelmä Suomessa. Vaahdottamisen periaatteena on tuottaa vaahdotuskemikaaleilla ja voimakkaalla ilmavirran dispersiolla lietteen yläosaan vaahto, johon poistettavat eli hyödynnettävät mineraalipartikkelit tarttuvat pintajännityksen vaikutuksesta. Ilmakuplat voidaan tuottaa joko elektolyysillä tai syöttämällä mekaanisesti tai paineella ilmaa seokseen.
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. Vaahdotuksen jälkeen arvomineraaleja sisältävä aines pestään ja kuivataan.
Litiumrikasteesta voidaan valmistaa joko litiumkarbonaattia tai litiumhydroksidia. Litiumkarbonaatin tuotannossa voidaan spodumeeni lämpökäsitellä ennen soodaliuotusta. Ennen suodatusta ja ioninvaihtoa suoritetaan bikarbonointi. Lopuksi suoritetaan litiumkarbonaatin kiteytys.
Käytetyt kemikaalit
Litiummalmin jalostuksessa käytetään useita kemikaaleja, joista tärkeimmät ovat:
- Rikkihappo: Sitä käytetään liuottamaan litiumia malmin sisältämistä mineraaleista.
- Natriumhydroksidi (NaOH): Sitä käytetään pH:n säätämiseen liuotusprosessissa.
- Kaliumpermanganaatti (KMnO4): Sitä käytetään hapettavana aineena litiumin erottamisessa
- Ammoniumsulfaatti ((NH4)2SO4): Sitä käytetään litiumin erottamiseen liuoksesta
Nämä kemikaalit ovat voimakkaita ja haitallisia aineita, joita on käsiteltävä huolellisesti, jotta vältetään ympäristöön ja ihmisiin kohdistuvat riskit.
Patoturvallisuus
Kun malmi rikastetaan, eli arvoaineet erotetaan vähemmän arvokkaista, syntyy myös suuria määriä jäteaineita. Rikastamossa sivuaineet murskataan ja jauhetaan hienojakoiseksi jätteeksi, rikastushiekaksi.
Rikastusprosessin jälkeen rikastushiekkaan sekoitetaan vettä, jotta saadaan lietettä (slurry). Liete pyritään loppusijoittamaan mahdollisimman lähelle kaivosta tai rikastamoa rikastushiekka-altaaseen. Loppusijoittaminen takaisin kaivokseen on usein käytännössä mahdotonta, sillä avolouhoksessa malmin louhinta jatkuu samalla kun rikastushiekkaa kertyy lisää.
Rikastushiekka-allas rajataan patovalleilla ja mahdollisilla luonnollisilla esteillä siten, että rikastamosta tuleva liete voidaan pumpata altaaseen. Kun lietteen kiinteät osat sedimentoituvat altaan pohjalle, pumpataan yli jäävä vesi takaisin rikastusprosessiin suljetussa kierrossa. Suomen olosuhteissa vettä saattaa kuitenkin kertyä liikaa sateiden mukana, jolloin ylimääräinen vesi on pumpattava pois. Erityisesti talvisin vettä saattaa myös kertyä liian vähän, jolloin systeemiin on lisättävä vettä.
Rikastushiekka-altaita rajaavat padot estävät ja rajaavat hiekan leviämistä. Niitä ei voi purkaa pois kaivostoiminnan loputtua vaan patoaltaat ovat pysyviä rakenteita.
Rikastushiekka sisältää metallipitoisia mineraaleja ja mahdollisia rikastusprosessin kemikaalijäämiä eikä se saa levitä ympäristöön. Rikastushiekka voi olla myös rikkipitoista malmin sisältämien sulfidimineraalien vuoksi.
Kaivos- ja rikastustoiminnan alkaessa alkaa myös rikastushiekan kertyminen, joka jatkuu niin kauan kuin rikastamo on toiminnassa. Kaivoksen suunnitteluvaiheessa on huomioitava myös rikastushiekan loppusijoittaminen. Alueen tulee olla padottavissa joko padoilla tai niiden lisäksi korkeammilla maastonmuodoilla. Jos rikastushiekka-allas alkaa täyttyä, on patoja mahdollisesti korotettava toiminnan aikana.
Rikastushiekka-altaaseen kertyy vettä paitsi rikastushiekan mukana, myös vetenä ja lumena jotka satavat altaan päälle.
Jos vettä kertyy liikaa, tulee altaaseen ylivuotovaara. Tämä on patoturvallisuuden kannalta vaaratilanne, jonka välttämiseksi patoon rakennetaan sulkuja, jotka voidaan tarvittaessa avata ja laskea liika vesi pois –alapuoliseen vesistöön.