Uutta tietoa huipputeknologiasta ja sen hyödyntämisestä, tietoa tulevaisuuden ratkaisuista ja palveluista päätöksenteon tueksi ja liiketoiminnan kehittämiseen. Kohdistettu VTT:n kumppaneille, asiakkaille sekä huipputeknologiasta ja sen sovelluksista kiinnostuneille.
Julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta

​Kuva 1. Metallien talteenotto komponenttilevystä hybridimenetelmän avulla (yksinkertaistettu prosessikaavio). 

Hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseen

Olli Salmi, John Bachér, Jarno Mäkinen, Justin Salminen | 31.12.2014

​VTT on kehittänyt kriittisten ja arvokkaiden metallien talteenottoa hybridijärjestelmällä. Se sisältää mekaanisen erottelun, bio- ja hydrometallurgiset prosessit sekä biosorption.

Suomessa ja EU:ssa on viime vuosina käynnistetty mineraalisektorin tutkimus-, innovaatio- ja poliittisia aloitteita1, joiden tavoitteena on edistää alan kestävää kasvua, luoda Eurooppaan uusia työpaikkoja ja turvata sen teollisuuden raaka-aineiden saanti. Myös Suomessa käynnissä olevat tai päättyneet ohjelmat, kuten Tekesin Green Growth ja Toiminnalliset materiaalit sekä FIMECC SHOK, tukevat kestävämmän ja teknologisesti vahvan mineraalisektorin kehitystä. 

Näissä ohjelmissa on hyvin harvoin kiinnitetty huomiota koko mineraaliarvoketjun toimintaan  alkutuotannosta tuotteiden valmistukseen ja kierrätykseen. Tämä johtuu osittain raaka-aineiden arvoketjun luontaisesta epäjatkuvuudesta: mineraaleilla käydään kauppaa globaaleilla markkinoilla, eikä raaka-aineiden ja lopputuotteiden välillä juuri ole vertikaalista integraatiota. Epäjatkuvuus koskee hyödykkeitä, kuten nikkeliä ja kuparia, joita on pitkään käytetty suuren volyymin lopputuotteiden valmistuksessa, ja joille on tarkat globaalit spesifikaatiot. Teknologiametallit, joita käytetään pieniä määriä, haastavat perinteisen market commodity -ajattelun, koska esteet niiden saatavuudessa saattavat vaarantaa kokonaisten tuoteryhmien valmistuksen. Arvoketjun loppupäässä kriittisten raaka-aineiden korvaaminen edellyttää kokonaan uutta suunnittelufilosofiaa, joka ottaa huomioon toiminnallisuuden lisäksi kierrätettävyyden ja ekologisuuden. Jos korvaavia aineita ei ole, on kiinnitettävä entistä enemmän huomiota arvokkaiden metalliraaka-aineiden tehokkaampaan talteenottoon pienissäkin pitoisuuksissa (Salminen et.al.2014). Vastaavasti kriittisiä raaka-aineita päätyy läjitettäviksi arvoketjun alkupäässä eli kaivoksissa ja jalostuslaitoksissa. 

Tämä artikkeli käsittelee kriittisten ja arvokkaiden raaka-aineiden talteenottopotentiaalia hybridijärjestelmällä, johon sisältyy mekaanista erottelua, bio- ja hydrometallurgisia prosesseja sekä biosorptiota. Olemme valinneet esimerkiksi kullan, kuparin ja muovien talteenoton komponenttilevystä (printed circuit assembly, PCA), jossa on jäljellä tärkeimmät piirilevyn (printed circuit board, PCB) pintaan kiinnitetyt komponentit. Prosessia (kuva 1) voidaan soveltaa erilaisiin sivuainevirtoihin ja lopputuoteryhmiin: kulutustavaroihin, teollisuuden välituotteisiin, prosessien sivuvirtoihin ja kaivosjätteeseen. Kaikkiin talteenottoprosesseihin sisältyy esikäsittelyvaiheita, rikastamista ja metallurgiaa. Syöttöaineen koostumuksesta ja mineralogiasta riippuen voidaan soveltaa myös pyro- ja hydrometallurgiaa (biohydrometallurgia mukaan lukien). 


 

Matkapuhelinten komponenttilevyjen murskaus ja vaahdotus

Jätevirrat soveltuvat sellaisinaan harvoin talteenottoprosesseihin epäyhtenäisyytensä takia. Jätteet on ensin käsiteltävä mekaanisesti, jotta niistä saadaan jakeita, joiden jatkokäsittely on helppoa. Mekaanisilla prosesseilla ei kuitenkaan saada kaikkea materiaalia talteen, mikäli tuotetusta jakeesta halutaan parempilaatuista kuin syöte­aine. Sen vuoksi materiaalia joutuu sellaisiin jakeisiin, joiden jatkokäsittely ei ole mahdollista. Erityisesti pieninä pitoisuuksina esiintyvät, taloudellisesti arvokkaat metallit jakaantuvat tyypillisesti kaikkiin tuotettuihin jakeisiin. Materiaalihävikin välttämiseksi tarvitaan näin ollen integroituja mekaanisia ja metallurgisia prosesseja. 

Tutkimuksemme kohteena ovat matkapuhelimet, sillä ne sisältävät paljon metallipitoisia komponenttilevyjä. Levyjen hallitseva metalli on kupari, jonka pitoisuus vaihtelee komponenttilevyn isäntälaitteesta riippuen 15–27 %:n välillä (Ogunniyi ja Vermaak, 2009; UNEP, 2013). Tutkimuksessa käytettyjen komponenttilevyjen kuparipitoisuus oli noin 25 %. Edistyneiden ja monimutkaisten laitteiden, kuten matkapuhelinten ja tietokoneiden, komponenttilevyissä on myös runsaasti jalometalleja (UNEP, 2013). Liittimissä käytetään esimerkiksi hopeaa, kultaa ja palladiumia (Luda, 2012).

Kokeilimme mekaanisia prosesseja, kuten murskaamista, seulontaa, magneettista erottelua, pyörrevirtaerottelua, anturipohjaista erottelua ja manuaalista lajittelua. Esikäsittely tuotti jakeen, jonka komponenttilevypitoisuus oli hieman yli 20 % syöteaineen pitoisuudesta. Havaitsimme, että manuaalinen jaottelu tuotti paremmanlaatuista komponenttilevyjaetta kuin mekaaninen käsittely. Manuaalisesti lajiteltu komponenttilevyjae murskattiin alle 250 µm:n raekokoon ennen vaahdotusta. Murskaus paransi metallien vapautumista, mikä on tehokkaan talteenoton edellytys. Murskauksella myös vältetään useita materiaaleja sisältävien hybridipartikkelien muodostuminen ja varmistetaan materiaalien erottuminen omiksi jakeikseen. Vaahdotuskokeissa keskityttiin antimonia, bromia ja kloridia sisältävien muovien erottamiseen, sillä ne aiheut­tavat korroosiota ja vaikeuttavat talteenottoa prosessin myöhemmissä vaiheissa. 

Vaahdotusprosessissa hydrofobiset hiukkaset erotetaan hydrofiilisistä puhaltamalla ilmaa mineraalimurskeen ja veden muodostamaan lietteeseen. Hydrofobiset hiukkaset kulkeutuvat ilmakuplien mukana lietteen pinnalle, mistä ne voidaan kuoria mekaanisesti talteen. Kokeet suunniteltiin faktorikokeina, joiden muuttujina käytettiin sekoitusnopeutta, ilmastusnopeutta ja lietteen kiintoainetiheyttä. Kolme keskipistettä sisältävän faktorikoesuunnitelman mukaisesti tehtiin 11 koetta. Jokaisen 30 minuutin kokeen aikana vaahdosta otettiin viisi osanäytettä. Vaahdotuksen tehokkuutta arvioitiin tarkkailtujen alkuaineiden (Cu, Au, Cl ja Si) rikastusasteilla ja talteenottomäärillä vaahdotuksen aikana.  

Vaahdotuksen tehokkuus määritettiin analysoimalla tuotetut vaahtojakeet kannettavalla XRF-analysaattorilla; mittareina käytettiin talteenottoprosenttia ja rikastusastetta. Rikastusaste verrattuna talteensaadun kuparin määrään on esitetty kuvassa 2.

impulssi2-14-hybridimenetelma2-rikastusaste-verrattuna-kupari.jpg
 

Kuva 2. Rikastusaste verrattuna talteensaadun kuparin määrään rikastusaltaan metallirikastejakeessa.​


 

Kuva 2 osoittaa, että kokeissa 8 ja 6 onnistuttiin rikastamaan kuparipitoisuus yli 1,5-kertaiseksi syöteaineen pitoisuuteen verrattuna. Kokeen 8 kuparipitoisuus oli metallirikasteessa noin 43 % ja vaahdossa noin 9 %. Molemmat korkeimman rikastusasteen kokeet (6 ja 8) suoritettiin tiheällä lietteellä ja suurella sekoitusnopeudella, joilla osoitettiin olevan suuri vaikutus rikastusasteeseen. Ilmastusnopeuden vaikutus ei ole yhtä suuri, vaikkakin suuri ilmastusnopeus paransi talteenottoprosenttia. Koe 4 oli kuparin suhteen muihin verrattuna selvästi ei-selektiivinen. Hidas sekoitusnopeus yhdistettynä tiheään lietteeseen ja suureen ilmastusnopeuteen
aiheutti todennäköisesti epäsuotuisat olosuhteet selektiiviselle vaahdotukselle, ja kuparihiukkasia päätyi sekä vaahtoon että metallirikasteeseen. Tässä tutkimuksessa saavutetut kuparin rikastusasteet olivat hieman alhaisempia kuin Ogunniyin ja Vermaakin (2009) saavuttamat, mutta toisaalta talteenottoprosentit olivat huomattavasti suurempia. Eroa voivat selittää syöteaineen erilainen koostumus, hiukkaskoko ja muoto sekä käytettyjen parametrien erilaisuus.

Alkuaineiden Au, Cl ja Si rikastusasteet ja talteenottoprosentit on esitetty taulukossa 1.

Vaahdotuskokeet osoittivat, että metallit rikastuivat lietteeseen, kun taas suurin osa muoveista, hartseista ja muista haitallisista aineista erottui vaahtoon. Vaahdotuksen faktorikokeet osoittivat, että optimaalisin kuparin rikastus saavutettiin lietteellä, jonka kiintoainetiheys oli noin 20 %, 1200 rpm:n sekoitusnopeudella ja 3000 ml/min ilmastusnopeudella, jolloin kuparipitoisuus onnistuttiin rikastamaan noin 25 %:sta 45 %:iin ja talteenottoaste oli 85 %.

impulssi2-14-hybridimenetelma-rikastusaste-taulukko1-a.jpg 

Taulukko 1. Kuparin, kullan, kloorin ja piin rikastusasteet (ER) ja talteenottoprosentit.


Kuparin bioliuotus 

Alkuaineanalyysin mukaan komponenttilevyvaahto sisälsi yhä huomattavia kuparipitoisuuksia (153 g/kg). Käsittelyä ja metallin talteenottoa oli näin ollen syytä jatkaa. Menetelmäksi valittiin bioliuotus hapolla, koska sitä pidetään edullisena ja vain vähän haitallisia päästöjä tuottavana matalan teknologian menetelmänä. Tutkimuskirjallisuudessa on lisäksi esitetty lupaavia tuloksia piirilevyjen bioliuotuksesta (Liang et al. 2013; Liang et al. 2010; Xiang et al. 2010; Yang et al. 2009; Zhu et al. 2011), mutta suuren mittakaavan kokeita ja prosessisuunnittelua ei ole esitetty.

Happoa käyttävä bioliuotus perustuu auto­trofisten bakteerien kuten Acidithiobacillus thiooxidans ja At. ferrooxidans toimintaan. Nämä bakteerit ovat tunnettuja kyvystään hapettaa pelkistettyjä rikkiyhdisteitä tai alkuainerikkiä rikkihapoksi; At. ferrooxidans ja Leptospirillum ferrooxidans kykyenevät lisäksi hapettamaan ferrorautaa ferriraudaksi (Sand et al. 2001; Watling, 2006). Vaikka sähkö- ja elektroniikkalaiteromu (WEEE) ja komponenttilevyt ovat auto­trofisille pieneliöille hyvin epätavanomaisia materiaaleja, on niissä havaittu kaavoissa 1–4 esitettyä liuotuskemiaa (Liang et al. 2013; Xiang et al. 2010; Yang et al. 2009; Zhu et al. 2011).

Näiden kaavojen mukaan määritettiin yksinkertainen bioliuotusmenetelmä, joka perustuu pH:n, pelkistymispotentiaalin sekä liuenneiden Fe2+- ja Cu2+-pitoisuuksien mittaamiseen. Koska komponenttilevyvaahdolla on taipumus tuottaa veden kanssa pH-arvoltaan neutraali ja melko voimakkaasti puskuroitu liuos, rikkiä hapettavien pieneliöiden menestyminen ja rikkihapon tuotanto (kaava 1) alentavat pH-arvoa ja pitävät liuoksen happamena. Toisaalta, kun rautaa hapettavat pieneliöt menestyvät, ne hapettavat Fe2+-rautaa Fe3+-raudaksi (kaava 3), mistä seuraa jyrkkä pelkistymispotentiaalin kasvu ja Fe2+-pitoisuuden lasku.

Komponenttilevyvaahdon bioliuotuskokeissa edettiin bakteerien sopeuttamisesta alustaviin kokeisiin, minkä jälkeen liuotusparametrit optimoitiin ja lopulta suoritettiin koeajo pilot-mittakaavan bioreaktorilla. Useimpien kokeiden yhteydessä suoritettiin myös vertailukoe abioottisella rikkihappoliuotuksella, jolla selvitettiin, paransivatko pieneliöt kuparin liuotusastetta. Kokeissa käytetyt asidofiiliset bakteeriviljelmät hankittiin sulfidimalmikaivokselta (Halinen et al. 2009), ja ne sisälsivät lajeja At. ferrooxidans, At. thiooxidans/albertensis, At. caldus, L. ferrooxidans, Sb. thermosulfidooxidans, Sb. thermotolerans ja joitakin Alicyclobacillus-suvun lajeja.

Bakteeriviljelmän sopeuttaminen komponenttilevyvaahtoon ja tätä seuranneet alustavat bioliuotuskokeet suoritettiin muunnellun K9-väliaineen sekä 10 g/l S0-ja 4.5 g/l Fe2+ -pitoisuuksien kanssa. Epätavallisesta materiaalista johtuen vaahtoon lisättiin vahvaa rikkihappoa pH-arvon laskemiseksi kahteen, joka on optimaalinen arvo suurimmalle osalle bioliuotuksessa käytettävistä pieneliöistä (Rawlings, 2002). Kokeissa havaittiin, että pieneliöt pystyivät ylläpitämään tätä pH-arvoa tai jopa happamoittamaan näytettä edelleen samalla, kun ne kasvattivat nopeasti pelkistymispotentiaalia ja saivat Fe2+-pitoisuuden laskemaan voimakkaasti, mikä osoittaa sekä rikin että raudan hapettajien menestyneen vaahdossa. Saavutetut kuparipitoisuudet jäivät kuitenkin abioottisella rikkihappoliuotuksella saavutettuja pienemmiksi ja kinetiikka hitaammaksi. Suurin bakteerien sietämä komponenttilevyvaahdon kiintoainetiheys oli noin 50 g/l, mikä vastaa tutkimuskirjallisuudessa esitettyä (Liang et al. 2010; Xiang et al. 2010; Zhu et al. 2011).

Bioliuotusparametrit optimoitiin kuparin talteenottoprosentin ja liuotuskinetiikan parantamiseksi. Järjestelmään, jonka komponenttilevyvaahdon kiintoainetiheys oli 20 g/l ja joka sisälsi muunneltua K9-väliainetta sekä 10 g/l S0-pitoisuuksia, lisättiin Fe2+-rautaa 0, 4.5 ja 9.0 g/l -pitoisuuksina. Bioliuotuksen liuoksissa, joiden Fe2+-pitoisuudet olivat 0, 4.5 ja 9.0 g/l, saavutetut kuparipitoisuudet olivat 1.6 g/l, 2.2 g/l ja 2.6 g/l ja abioottisessa rikkihappoliuotuksessa 2.6 g/l. Kokeiden perusteella on selvää, että ferriraudalla on hyvin tärkeä rooli kuparin liukenemisnopeuden kannalta, ja bioliuotus voi olla abioottista rikkihappoliuotusta nopeampaa, kun prosessin pH-arvo on noin kaksi. Kuten kaavat 1 ja 3 osoittavat, Fe2+-raudan lisääminen lisää myös rikkihapon kulutusta. Prosessille tulee määritellä optimaaliset olosuhteet, joissa ferriraudan ja hapon toiminta tuottaisi parhaan lopputuloksen pienimmillä mahdollisilla kemikaalikustannuksilla.

Bioliuotusjärjestelmää optimoitiin penkkipilot-mittakaavan bioreaktorilla (kolmen litran CSTR-tyyppi). Ferriraudan ja rikkihapon tuotanto erotettiin komponenttilevyvaahdon käsittelystä viljelemällä pieneliöitä kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa suosittiin rikin hapettajia liuoksessa, joka sisälsi muunneltua K9-väliainetta sekä 2,5 g/l S0 ja 0,4 g/l Fe2+ -pitoisuudet, ja toisessa vaiheessa tuotettiin ferrirautaa lisäämällä 7,8 g/l Fe2+-rautaa. Uusi viljelymenetelmä tuotti liuotusliuoksen, jonka parametrit olivat pH 1,1, pelkistymispotentiaali +865 mV (SHE) ja 7,4 g/l Fe3+. Tällä liuoksella käsiteltiin komponenttilevyvaahtoa, jonka kiintoainetiheys oli 50 g/l, millä saavutettiin kuparin 99-prosenttinen liukeaminen kolmessa päivässä. Varsinaisen liuotuksen aikana pH-arvo nousi 1,6:een, missä se säilytettiin lisäämällä vahvaa rikkihappoa. Bioliuotus osoittautui hyvin spesifiseksi kuparinliuotusmenetelmäksi, sillä liuoksen ainoat merkittävät metallialkuaineet olivat kupari ja rauta 6,8 g/l- ja 7,0 g/l -pitoisuuksilla. Tämän valossa kuparin talteenotto kierrätysraaka-aineesta bioliuotuksen avulla on varsin helppoa ja taloudellista.


 

Kulta talteen liuottamalla ja biosorptiolla

Komponenttilevyjen vaahdotusprosessin tuottama raskas jae sisältää korkeita jalometallipitoisuuksia, joille on olemassa hyvin dokumentoituja ja yleisesti käytettyjä talteenottoprosesseja. Tällä hetkellä käytettävä kullan talteenottoprosessi edellyttää kalliin ja ympäristölle vaarallisen syanidin käyttöä. Suoritimme komponenttilevyjen metallien kestävän talteenottoprosessin täydentämiseksi kokeita biosorption ja syanidittoman liuottamisen avulla. Hiljattain on osoitettu, että tietyt biomassat kykenevät sitomaan raskasmetalleja joko solujen aktiivisten puolustusmekanismien tai negatiivisesti varautuneiden soluseinämärakenteiden ansiosta. Lupaavista tuloksista huolimatta perinteiset vapaaseen suspensioon perustuvat biosorptio-menetelmät eivät sovellu teolliseen käyttöön pääasiassa siksi, että biomassan erottaminen liuoksesta on vaikeaa. Tutkimuksen painopiste on näin ollen siirtynyt biomassan immobilisointiin erilaisilla matriiseilla (Das, 2010; Khoo & Ting, 2001). Lähestyimme aihetta hyödyntämällä eräiden sienien kykyä tuottaa paksuja kapillaarisia verkkoja, jotka voivat saada biomassan immobilisoitumaan teolliseen käyttöön sopivaksi.

Immobilisoituneita P. chrysosporium -levyjä, joiden keskimääräinen paino oli 0,05 g ja läpimitta 5 cm, asetettiin suodatinpylväiden päälle, ja levyjen läpi valutettiin 20 ml vettä kahdelta eri kaivosalueelta (MW1 ja MW2, pitoisuudet esitetty taulukossa 2). Suodosten metalli- ja sulfaattipitoisuudet analysoitiin ICP-MS-spektrometrialla ja ICP-AES-spektroskopialla.

Taulukossa 3 on esitetty käsiteltyjen kaivosvesien pitoisuudet ja suodatuksen tehokkuus. Immobilisoituneet P. chrysosporium -levyt adsorboivat 86-92 % kaivosvesien metalleista ja sulfaatista, riippumatta vesien lähtöpitoisuuksista tai pH:sta. Käsiteltyjen kaivosvesien vertailu metallikaivosten jätevesipäästörajat määritteleviin Metal Mining Effluent Regulations -asetuksiin (suurin sallittu keskimääräinen pitoisuus kuukaudessa, mg/l) (Environment Canada, 2012) osoittaa, että MW2-veden pitoisuudet ovat vaatimusten mukaisia, mutta MW1-veden Cu- ja Zn-pitoisuudet eivät ole. Erittäin pahasti saastuneiden vesien käsittely vaatii siis jonkin verran esivalmisteluja (esim. kalkilla saostamista).

Biosorbenttien on todettu toimivan selektiivisesti kullan ja muiden jalometallien suhteen (Das, 2010). Näiden tulosten rohkaisemina asetimme immobilisoitunutta P. chrysosporium -sientä (biomassan kuivapaino 0,53 g) kangaspohjalla suodatinpylväiden päälle (d = 5 cm) ja valutimme 60 ml keinotekoista kloridi-hypokloriitti-kultaprosessiuutetta (koostumus esitetty taulukuossa 4) maton läpi. Suodosten alkuaine- ja sulfaattipitoisuudet analysoitiin ICP-MS -spektrometrialla ja ICP-AES-spektroskopialla.

impulssi2-14-hybridimenetelma-jatevesien-pitoisuudet-taulukko2.jpg
 

Taulukko 2. Tutkittujen kaivosalueiden jätevesien (MW1 ja MW2) pitoisuudet (mg/l) ja pH-arvot.

 

impulssi2-14-hybridimenetelma-pitoisuudet-poistotehokkuus-taulukko3.jpg 

Taulukko 3. Pitoisuudet (mg/l) käsitellyissä kaivosvesissä ja poistotehokkuus (RE %). MMER: Metal Mining Effluent Regulations for effluent discharge limits for metal mines (maximum authorized monthly mean concentration, mg/l) (Environment Canada, 2012)


 

Kuvassa 3 esitetään alkuaineiden suodatusprosentit, kun keinotekoista kloridi-hypokloriittiuutetta valutettiin immobilisoituneen P. chrysosporium -levyn läpi. Biomassan todettiin adsorboivan tehokkaasti kultaa mutta huonosti muita alkuaineita. P. chrysosporium -levyn kullanabsorptiokapasiteetti oli noin 32 mg biomassagrammaa kohti (0,16 mmol/g), mikä vastaa Dasin (2010) tarkastelemien biosorbenttien kapasiteetteja. Tässä biosorptiomenetelmässä ei kuitenkaan esiintynyt vapaasti kelluvien järjestelmien haittapuolia. 

impulssi2-14-hybridimenetelma-kloridi-hypokloriittiuute-alkuaineet-kuva3.jpg
 

Kuva 3. P. chrysosporium -sienen keinotekoisesta kloridi-hypokloriittiuutteesta suodattamat alkuaineet.


 

Kierrätysraaka-aineiden, kuten sähkö- ja elektroniikkajätteen, käyttö on metalliteollisuuden kestävyyden kannalta elintärkeää. Raaka-aineiden käyttöä puoltavat lainsäädännölliset, poliittiset, ympäristönsuojelulliset ja taloudelliset seikat. Metallit ovat perinteisesti olleet kierrätysteollisuudelle hyvä tulonlähde niiden verraten yksinkertaisista talteenottoprosesseista ja korkeasta hinnasta johtuen. Perusmetallien kierrätysprosessit ovat vakiintuneet ja lähestyvät suljettua kiertoa. Esimerkiksi Outokummun tuottamasta ruostumattomasta teräksestä noin 80 % valmistetaan kierrätetyistä raaka-aineista. Kulutushyödykkeiden kuten loisteaineiden, sähkölaitteiden, kosketusnäyttöjen, kestomagneettien ja lasipintojen sisältämille kriittisille metalleille ei kuitenkaan toistaiseksi ole löydetty sopivia kierrätysmenetelmiä. 

Näitä kriittisiä metalleja ei yleensä voida korvata menettämättä laitteiden toimintakykyä. Tästä on esimerkkinä neodyymi, jota ilman tietokoneiden kovalevyjen kestomagneetit eivät toimisi läheskään yhtä tehokkaasti kuin nykyään. Toinen esimerkki on europium, joka mahdollistaa punaisen värin näkymisen litteissä televisioissa ja loistevalaisimissa. Graedel et. al (2014) toteuttama pitkän aikavälin tutkimus osoittaa, että 62:ta laajalti käytettyä metallia tai puolimetallia ei voi korvata tavalla, joka täyttäisi niiden tärkeimpiä sovelluksia koskevat vaatimukset. Ongelma on kaksijakoinen: korkean teknologian tuotteiden raaka-ainetarjontaa ei voi taata ilman kunnollista kierrätysjärjestelmää, mutta tällainen kierrätysjärjestelmä ei toisaalta ole toteuttamiskelpoinen ilman parempaa tuote- ja prosessisuunnittelua sekä tehokkaampia keräysohjelmia. Ongelman ratkaisu edellyttää ekologisia innovaatioita kaikissa arvoketjun osissa sekä immateriaalioikeuksien hallinnoinnin kehittämistä, sillä yritykset yleensä suojaavat parhaan suorituskyvyn raaka-aineyhdistelmänsä. 

Artikkelissa kuvattu prosessi soveltuu erityisen hyvin muovien erottamiseen käytöstä poistetuista tuotteista ja metallia sisältävistä välituotteista (kuten suoloista) pyro- tai hydrometallurgista jatkokäsittelyä varten. Menetelmät liuoksen puhdistamiseksi ja metallien erottamiseksi, kullan valikoiva erottaminen mukaan luettuna, soveltuvat kaikkiin nestemäisiin jakeisiin niiden lähteestä riippumatta. Ekstraktiivisessa metallurgiassa käytetään enenevässä määrin hydrometallurgisia erottelumenetelmiä, koska raaka-aineet ovat muuttumassa niukkapitoisempaan ja monimutkaisempaan suuntaan, ja nämä menetelmät soveltuvat perinteisiä pyrometallurgian menetelmiä paremmin tällaisten raaka-aineiden käsittelyyn. Hydrometallurgiset menetelmät ovat lisäksi monella tapaa ympäristöystävällisempiä kuin pyrometallurgiset menetelmät: ne tuottavat esimerkiksi vähemmän kaasupäästöjä ja kuluttavat vähemmän energiaa. 

impulssi2-14-hybridimenetelma-pitoisuudet-kloridi-hypokloriittiuutteessa-taulukko4.jpg
 

Taulukko 4. Pitoisuudet (g/l) keinotekoisesti valmistetussa kloridi-hypokloriittiuutteessa.


Tässä artikkelissa esitelty bioliuotusmenetelmä osoittaa jatkuvatoimisten liuotusjärjestelmien mahdollisuudet sellaisten sivuvirtojen ja jätteiden käsittelyssä, jotka sisältävät arvokkaita metalleja verraten suurina jäännöspitoisuuksina. Biologiaa hyödyntämällä voidaan välttää voimakkaiden hapettavien aineiden lisäämisen tuottamat erittäin happamat liuokset, sillä arvottomasta mineraalijätteestä peräisin olevat pieneliöt voivat muodostaa tehokkaat liuotusolosuhteet. Koska tämäntyyppinen bioliuotusmenetelmä näyttäisi olevan erittäin tehokas nollavalenssin metallien käsittelyssä, se voi tarjota runsaasti erilaisia ratkaisuja käytöstä poistettujen tuotteiden käsittelyyn.


 

(1) EU:n Raaka-ainealoite (2008), Suomen kansallinen luonnonvarastrategia (2009), Suomen mineraalistrategia (2010), EU:n laatima kriittisten raaka-aineiden luettelo (2010), EU:n Resurssitehokkuuden tiekartta (2011), Tekesin Green Mining -ohjelma (2011), eurooppalainen innovaatiokumppanuus (EIP) raaka-aineiden alalla (2012), eurooppalainen harvinaisten maametallien asiantuntijaverkosto ERECON (2013) ja valmisteilla oleva Raaka-aineiden osaamis- ja innovaatioyhteisö (KIC). Lista ei ole kattava.


 

 
 
 

Lähteet:

European Commission, 2008: COM 699.

Graedel, T. E., Harper, E.M., Nassar, N.T. and Reck, B.K. 2013. On the materials basis of modern society. PNAS: doi: 10.1073/pnas.1312752110  

Halinen, A-K., Rahunen, N., Kaksonen, A.H., ­Puhakka, J.A., 2009. Heap bioleaching of a complex­ sulfide ore Part I: Effect of pH on metal extraction and microbial composition in pH controlled columns. ­Hydrometallurgy, 98, 92–100

Liang, G., Mo, Y., Zhou, Q., 2010. Novel strategies of ­bioleaching metals from printed circuit boards (PCBs) in mixed cultivation of two acidophiles. Enzyme ­Microb. Technol. 47, 322-326

Liang, G., Tang, J., Liu, W., Zhou, Q., 2013. Optimizing mixed culture of two acidophiles to improve copper recovery from printed circuit boards (PCBs). J. Hazard. Mater. 250-251, 238-245

Luda, M.P., 2011. Recycling of Printed Circuit Boards, in: Kumar, S. (Eds.), Integrated Waste Management II. ISBN: 978-953-307-447-4. < http://www.intechopen.com/books/integrated-waste-management-­volume-ii/recycling-of-printed-circuit-boards > (accessed 17.03.14)

Ogunniyi, I. and Vermaak, M. (2009). Investigation of froth flotation for beneficiation of printed circuit board comminution fines. Miner Eng., vol. 22, p. 378–385

Rawlings, D.E., 2002. Heavy Metal Mining Using ­Microbes. Annu. Rev. Microbiol. 56, 65–91.

Salminen, J., Virolainen, S., Kinnunen, P. and Salmi, O. (2014): Sustainable Mining, Metals Processing and ­Recovery. In: Chemical Processes for Sustainable Future. Royal Society of Chemistry. In Press.

Sand, W., Gehrke, T., Jozsa, P-G., Schippers, A., 2001. (Bio)chemistry of bacterial leaching – direct vs. indirect bioleaching. Hydrometallurgy, 59, 159–175

UNEP, 2013. Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure. A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel. Reuter, M. A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C. ISBN: 978-92-807-3267-2 < http://www.unep.org/resourcepanel/Portals/24102/PDFs/Metal_Recycling_Full_Report.pdf > (accessed 17.03.14)

Watling, H.R., 2006. The bioleaching of sulphide ­minerals with emphasis on copper sulphides – A review. Hydrometallurgy 84, 81–108

Xiang, Y., Wu, P., Zhu, N., Zhang, T., Liu, W., Wu, J., Li, P., 2010. Bioleaching of copper from waste printed circuit boards by bacterial consortium enriched from acid mine drainage. J. Hazard. Mater. 184, 812–818

Yang, T., Xu, Z., Wen, J., Yang, L., 2009. Factors influencing bioleaching of copper from waste printed circuit boards by Acidithiobacillus ferrooxidans. ­Hydrometallurgy, 97, 29–32

Zhu, N., Xiang, Y., Zhang, T., Wu, P., Dang, Z., Li, P., Wu, J., 2011. Bioleaching of metal concentrates of waste printed circuit boards by mixed culture of ­acidophilic bacteria J. Hazard. Mater. 192, 614–619


 

 

Impulssihttp://www.vtt.fi/ImpulssiImpulssi
Impulssi 2/2017http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2017.aspxImpulssi 2/2017
Puhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puhtaampaa-kaupunkiliikennetta-puupohjaisella-dieselilla.aspxPuhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillä
Tulevaisuuden arkkitehdit asiallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-arkkitehdit-asialla.aspxTulevaisuuden arkkitehdit asialla
Uusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyynhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusia-ratkaisuja-kaupunkitulvien-ehkaisyyn.aspxUusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyyn
Turbiinisiivillä miljoonien säästöihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Turbiinisiivet-saastavat-miljoonia.aspxTurbiinisiivillä miljoonien säästöihin
Brasilia viitoittaa bioenergian tietähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Brasilia-viitoittaa-bioenergian-tieta.aspxBrasilia viitoittaa bioenergian tietä
Syntymäpäivälahja meiltä itsellemmehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Syntymapaivalahja-meilta-itsellemme.aspxSyntymäpäivälahja meiltä itsellemme
Panimolaboratorio – Paremman oluen puolestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Panimolaboratorio-paremman-oluen-puolesta.aspxPanimolaboratorio – Paremman oluen puolesta
Automaatio antaa paketille siivethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Automaatio-antaa-paketille-siivet.aspxAutomaatio antaa paketille siivet
Tulevaisuuden sensorihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-sensori.aspxTulevaisuuden sensori
Robottiautojen esiinmarssihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Robottiautojen-esiinmarssi.aspxRobottiautojen esiinmarssi
Painettu teknologia kutsuu muotoilijoitahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Painettu-teknologia-kutsuu-muotoilijoita.aspxPainettu teknologia kutsuu muotoilijoita
Ledikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ledikalvot-taipuvat-kansanlampusta-lentokoneisiin.aspxLedikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiin
Optinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Optinen-isotooppispektroskopia-kehittynyt-merkittavasti.aspxOptinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteesta
Hienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaattejahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Hienokemia-tarvitsee-biopohjaisia-aromaatteja.aspxHienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaatteja
Sopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sopiiko-elinkaariarviointi-poliittisen-päätöksenteon-tueksi.aspxSopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?
Digitalisaatio tasoittaa erojahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digitalisaatio-tasoittaa-eroja.aspxDigitalisaatio tasoittaa eroja
Puolustusvoimat hakee etumatkaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puolustusvoimat-hakee-etumatkaa.aspxPuolustusvoimat hakee etumatkaa
Tuottoa sijoituksillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuottoa-sijoituksille.aspxTuottoa sijoituksille
VTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/VTTn_spinno_GrainSense_tuo_laboratorion-maanviljelijan-kouraan.aspxVTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraan
Teollinen 3D-tulostus nousukiidossahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Teollinen-3D-tulostus-nousukiidossa.aspxTeollinen 3D-tulostus nousukiidossa
Asuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asuinmukavuus-ja-energiatehokkuus-mahtuvat-samaan-kotiin.aspxAsuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiin
Ketterä ja nopea Ponssehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kettera-ja-nopea-Ponsse.aspxKetterä ja nopea Ponsse
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
Puun voimalla biotalouteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puun-voimalla-biotalouteen.aspxPuun voimalla biotalouteen
Mitä kuuluu Australiaan?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mita-kuuluu-Australiaan.aspxMitä kuuluu Australiaan?
Voiko ympäristöväittämiin luottaa?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Voiko-ymparistovaittamiin-luottaa.aspxVoiko ympäristöväittämiin luottaa?
Uusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusi-agenda-tehostaa-tutkimusinfran-käyttöä.aspxUusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöä
Wärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisellahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Wärtsilän-Jaakko-Eskolaä-Menestymme-vain-innovoinnilla-ja-uusiutumisella.aspxWärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisella
Pilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Pilottitehtaat-jauhavat-ideoista-liiketoimintaa.aspxPilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaa
Suomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomalaispyörät-pyörivät-myös-tulevaisuudessa.aspxSuomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessa
Tulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovelluksethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-uudet-selluloosatuotteet-ja-niiden-sovellukset.aspxTulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovellukset
Hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/hybridimenetelmilla-uusia-ratkaisuja-metallien-kierratykseen.aspxHybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseen
Elinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuunhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Elinkeinoministeri-Olli-Rehn-uudistumisen-kautta-nousuun.aspxElinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuun
Suomella osaaminen globaaleihin ongelmiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomella-osaaminen-globaaleihin-ongelmiin.aspxSuomella osaaminen globaaleihin ongelmiin
Ihmisten jäljillähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ihmisten-jaljilla.aspxIhmisten jäljillä
Laivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimustahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Laivateollisuuden-digitalisoituminen-edellyttää-huippututkimusta.aspxLaivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimusta
VTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Fabry-Perot-interferometriteknologia.aspxVTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaa
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Kovaakin kovempi vientituotehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
Digikärjellä kaivokseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digikärjella-kaivokseen.aspxDigikärjellä kaivokseen
Salofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Salofa-tuo-pikatestit-terveyden-ja-ympariston-seurantaan.aspxSalofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaan
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Suomi on hyvä investointihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-on-hyva-investointi.aspxSuomi on hyvä investointi
Kyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamistahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kyberturvallisuus-vaatii-muutakin-kuin-teknologiaosaamista.aspxKyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamista
Onko tulevaisuudessa jätevettä?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Onko-tulevaisuudessa-jatevetta.aspxOnko tulevaisuudessa jätevettä?
Tulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-5G-verkko-etenee-koekayttoon-oulussa.aspxTulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussa
Infinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Infinited-Fiber-tuo-muutoksen-tekstiiliteollisuuteen.aspxInfinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteen
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa