Kaivosteollisuudessa syntyvän kipsin hyödyntäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää käyttökohde kaivosteollisuudessa syntyvälle märälle kipsisivuvirralle, joka sisältää metalliepäpuhtauksina alumiinia, rautaa ja mangaania ja jonka määrä on noin 1 000 000 t/a. Kirjallisuuden pohjalta tutkittiin aluksi mahdollisuutta hyödyntää kipsiaines asfaltti- ja sementtiteollisuuden raaka-aineena. Sementin joukkoon lisätään tavallisesti noin 5 p-% kipsiä, mutta harvinaisimpiin sementtilaatuihin sitä voidaan lisätä jopa 30 p-%. Tästä huolimatta vain pieni osa tutkimuksen kohteessa syntyvästä kipsisivuvirrasta voitaisiin hyödyntää tässä sovelluksessa. Lisäksi kipsisivuvirran sisältämät epäpuhtaudet täytyisi poistaa tai saattaa inaktiiviseen muotoon. Myöskään sen kosteuspitoisuus ei saisi olla suuri. Näin ollen tämän kipsisivuvirran hyödyntäminen asfaltti- ja sementtiteollisuuden lisäaineena ei ole mahdollista Seuraavaksi harkittiin kipsin kierrättämistä, jolloin yhtenä vaihtoehtona oli hajottaa kipsi termisesti rikkioksideiksi ja valmistaa niistä rikkihappoa. Taloudellisista syistä hajoamistuotteen on oltava rikkitrioksidia, josta voitaisiin veteen imeyttämällä valmistaa rikkihappoa. Kipsin hajottaminen termovaa´alla osoitti, että kipsi vaatii noin 1400 ºC:n lämpötilan ja haihtuvat komponentit ovat H2O, SO ja SO2, muttei SO3. Alempien oksidien muuttaminen rikkihapoksi vaatisi katalyyttisen hapetuksen, mikä olisi käytännössä liian kallista. Toisena vaihtoehtona kipsin kierrättämiseksi tutkittiin sen biologista pelkistämistä rikkivedyksi ja kalsiumhydroksidilietteeksi. Laboratoriossa Ca(OH)2-lietteestä valmistettiin hiilidioksidin avulla kalsiumkarbonaattia, jolloin päästiin 90 %:n kalsiumhydroksidin konversiossa. Lisäksi alumiinihydroksidi saatiin erotettua kipsilietteestä kokeellisesti hydrosyklonin avulla. Diplomityössä päädyttiin siihen, että sulfaatin biologinen pelkistäminen ja alumiinihydroksidin mekaaninen erotus jatkuvatoimisesti on varteenotettava vaihtoehto kipsisivuvirran hyödyntämiseksi.

The aim of this study was to find use for wet gypsum formed in a specific mining operation containing metal impurities such as aluminum, iron and manganese. The production volume of gypsum is about 1 000 000 t/a. Based on literature the possibility to utilize gypsum in the cement and asphalt industries was first elucidated. There is typically about 5 wt-% gypsum in cement, but in some special cements, there can be even 30 wt-% gypsum. However, only small portion of the formed gypsum can be utilized in that application. In addition, the impurities in gypsum have to be removed and the moisture content must be lowered. Consequently, the utilization of gypsum as an additive in cement and asphalt industry is regarded unrealistic. In the second step in this work the recycling of gypsum was studied. One possibility was to decompose gypsum to sulphur oxides and to produce sulfuric acid. For economical reasons degradation product has to be sulfur trioxide, which can be directly converted into sulfuric acid. The experiments on thermal analyzer showed that decomposition of gypsum required the temperature of 1400 ºC and then volatile compounds were H2O, SO and SO2, but not SO3. The production of sulfuric acid from SO and SO2 requires catalytic oxidation, which is here not regarded as economical. In the second alternative, the recycling of gypsum as calcium hydroxide and hydrogen sulfide using the biological reduction of gypsum (SRB) was elucidated. In the laboratory experiments calcium hydroxide was precipitated as calcium carbonate using carbon dioxide. During the reaction 90 % of calcium hydroxide was reacted to calcium carbonate. In addition, aluminum hydroxide was separated in laboratory scale from gypsum by a hydrocyclone. The results of examination showed that continuous biological reduction of gypsum combined with the mechanical separation of aluminum hydroxide is a potential alternative to utilize gypsum from mining industry.