Kovettuvien kaivostäyttöjen sideainetutkimukset edistävät kaivannaisjätteiden kiertotaloutta

Mineraalisten raaka-aineiden tuottaminen kaivostoiminnan avulla on voimakkaassa kasvussa, koska sähköistyvä liikenne ja uudet energiatuotannon ja -varastoinnin teknologiat tarvitsevat valtavasti lisää valmistusmateriaaleja. Kaivostoiminnan lisääntyminen tarkoittaa samalla kaivannaisjätteiden määrän kasvua.

Kaivannaisjätteet ovat pääosin sivukiviä ja rikastushiekkaa. Rikastushiekka syntyy malmin rikastusprosessissa, jossa malmikivi jauhetaan hienorakeiseksi jauheeksi. Jauheesta erotellaan hyötykäytettävät mineraalit erilaisilla rikastusmenetelmillä. Niistä mineraaleista, jotka eivät mene jatkojalostukseen, syntyy rikastusjätettä, ns. rikastushiekkaa. Se läjitetään usein maan päälle rakennettuihin varastoaltaisiin. Suurivolyymisten kaivannaisjätteiden hyötykäyttö olisi kiertotalouden periaatteiden mukaista.

Geologian tutkimuskeskus (GTK) tukee kiertotalouden edistymistä osallistumalla projekteihin, joiden tavoitteena on kehittää uusia sovelluksia kiertotalouden käyttöön. Kovettuvat kaivostäytöt (KOVE-PRO) -projektissa tutkitaan rikastushiekan stabilointia ja hyötykäyttöä kaivosten maanalaisena täyttömateriaalina. Kaivostäyttöjen avulla vähennetään kaivosten ympäristövaikutuksia, kuten maanpäällisten kaivannaisjätteiden läjitystarpeita, ja mahdollistetaan malmin tehokkaampi hyödyntäminen. Rikastushiekan hyötykäytöstä kovettuvana kaivostäyttönä voi lukea lisää Soili Solismaan ja Tommi Kauppilan blogista. Rikastushiekan hyötykäytön lisäksi KOVE-PRO -projektissa tutkitaan terästeollisuuden masuunikuonan ja energiateollisuuden lentotuhkan hyötykäyttöä sideaineena sementin sijaan.

GTK tutkii yhteistyössä Savonia-ammattikorkeakoulun ja yrityskumppaneiden kanssa, mikä olisi optimaalisin resepti kaivostäyttömateriaalille. Työssä selvitetään, miten täyttö reagoi kaivostoiminnan aikana, toisin sanoen ennen kaivoksen sulkemista ja täyttymistä vedellä. Samalla tutkitaan täyttömateriaalissa käytettävän sementin määrän vähentämistä ja korvaamista kuonalla tai tuhkalla, sekä näiden uusien täyttömateriaalien reaktioita simuloiduissa kaivosolosuhteissa. Lisäksi pyritään parantamaan rikastushiekan stabiloitavuutta ja pumpattavuutta erilaisten tehostinkemikaalien avulla.

Kovettuvissa kaivostäytöissä käytetään perinteisesti sideaineena sementtiä. Sementin valmistus kuluttaa runsaasti energiaa ja vettä sekä tuottaa huomattavia määriä hiilidioksidia. Sementin valmistukseen liittyvien haitallisten ympäristövaikutusten takia sementtiä korvaaville sideaineille on tarvetta kaivosteollisuudessa. KOVE-PRO -projektissa kaivostäytöissä käytettävän sementin sekä sementtiä korvaavien sideaineiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä tutkitaan useita menetelmiä soveltaen. Sideainesten reaktioihin liittyvä tutkimusosio toteutetaan GTK:n tutkimuslaboratoriossa Espoossa.

Tutkittavat kaivostäyttökappaleet on valmistettu eri resepteillä ja säilytetty olosuhdekaapissa, jonka olosuhteet simuloivat maanalaista kaivosta. Kovettuneiden näytekappaleiden mineralogisia muutoksia tutkitaan kvantitatiivista röntgendiffraktiota (QXRD) käyttäen. Lisäksi näytekappaleista kuvataan kolmiulotteista tiheyskarttaa röntgentomografian (XCT) avulla. Vertaamalla QXRD-tuloksia GTK Mintecin mineralogian laboratorion pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM-MLA) tuloksiin, pystytään varmistamaan kovettumisen yhteydessä syntyneiden haastavien faasien tunnistaminen ja pitoisuudet.

Koska lähtömateriaalien faasikoostumukset on määritetty vastaavilla menetelmillä, on mahdollista ratkaista kaivostäyttömateriaalin faasikoostumuksen massatasapaino ennen ja jälkeen kovettumisreaktioiden. Savonia-ammattikorkeakoululla suoritetaan rinnakkaisista näytekappaleista puristuslujuustestejä, joilla tutkitaan kappaleiden lujuusominaisuuksia. Lujuusominaisuuksia voidaan selittää tutkittavissa näytteissä havaituilla faasikoostumuksen, tekstuurin ja rakenteen muutoksilla.

Työ on vielä kesken, mutta olemme saaneet jo mielenkiintoisia alustavia tuloksia rikastushiekan ja vaihtoehtoisten sideaineiden kovettumisesta ja mineralogiasta. Työn tuloksena toivomme löytävämme kiertotaloutta edistäviä materiaaliyhdistelmiä, joilla voisi olla sopivat ominaisuudet kovettuvien kaivostäyttöjen toteuttamiseen ilman sementin käyttöä.

Teksti

Neea Heino, tutkija, Kiertotalouden ratkaisut, neea.heino@gtk.fi
Pasi Heikkilä, tutkija, Kiertotalouden ratkaisut, pasi.heikkila@gtk.fi
Jukka Kuva, tutkija, Kiertotalouden ratkaisut, jukka.kuva@gtk.fi

Osana tutkimusta näytteet kuvattiin röntgentomografialla, jolla näytteistä saadaan kolmiulotteista videokuvaa. Video: Jukka Kuva, GTK.