Ilmeniitti
Rikastusprosessit

Ilmeniittiesiintymän ja -rikasteen laatuluokasta puhuttaessa tarkoitetaan yleensä sen titaanidioksidipitoisuutta eikä rikasteen tai malmin ilmeniittipitoisuutta. Malmin arvo onkin melko suoraan verrannollinen sen titaanidioksidipitoisuuteen. Ilmeniittiä, jonka titaanidioksidipitoisuus on alle 54 %, ei yleensä ole myynnissä vaan sitä louhivat yhtiöt rikastavat sitä itse. Noin puolet maailman ilmeniittiresursseista on titaanidioksidipitoisuudeltaan niin köyhää, että malmia pitää rikastaa, jotta sitä voitaisiin käyttää hyväksi pigmenttiteollisuudessa.
Sedimenttiesiintymien hiekan raskasmineraalipitoisuudet vaihtelevat alle yhdestä prosentista jopa yli 20 prosenttiin. Raskaat mineraalit erotellaan hiekasta märkäerottelulaitoksilla, minkä lopputuloksena saadaan ainesta, jossa raskaiden mineraalien osuus on 90–97 %. Aluksi aines seulotaan ja siitä poistetaan karkeammat klastit. Mahdollinen hienoaines poistetaan hydrosyklonien avulla. Saadusta melko tasarakeisesta aineksesta erotellaan kevyemmät hiekat kartioerottimilla ja spiraaleilla niin moneen kertaan, että tuloksena saadaan halutun puhdasta ainesta.
Ilmeniitti erotellaan muista raskaista mineraaleista, kuten zirkonista ja rutiilista, erilaisin prosessein, jotka perustuvat ilmeniitin tiheyteen sekä magneettisiin ja konduktiivisiin ominaisuuksiin. Ilmeniitti erotellaan yleensä raskashiekasta ensimmäisenä, koska sitä on eniten.
Ilmeniittiä voi kadota kaikissa tuotannon vaiheissa. Tyypillisesti märkäerottelussa saadaan ilmeniitistä eroteltua 90–95 % ja kuivamyllyissä 92–95 %. Yhteensä ilmeniitistä saadaan käyttöön rikastusprosessien jälkeen 82–90 %, kun louhintaa ei oteta huomioon.
Koska titaanidioksidipigmentin valmistuksessa tarvittavia korkealaatuisia titaanipitoisuudeltaan suuria esiintymiä on maailmassa verrattain vähän, on jouduttu kehittelemään prosesseja, joissa ilmeniitin titaanidioksidipitoisuutta pystytään nostamaan. Näillä prosesseilla poistetaan malmista rautaa sekä mahdollisesti muitakin epäpuhtauksia. Synteettisten raaka-aineiden osuus on kasvanut voimakkaasti.
Rikastusprosessissa sulattamolla syntynyt slagi sisältää yleensä 75–85 % titaanidioksidia riippuen raaka-aineen titaanidioksidipitoisuudesta. Kyseessä on metallurginen prosessi, jossa ilmeniitin rauta pelkistetään kivihiilen avulla 1 200–1 600 °C:n lämpötilassa ja sitten erotetaan lopputuotteesta. Titaanikuonan lisäksi prosessissa syntyy takkirautaa. Tämä sivutuote lisää prosessin ekonomista tehokkuutta, erityisesti verrattuna synteettisen rutiilin tuotantoon. Slagin tuotantoa suositaan erityisesti Etelä-Afrikassa, Norjassa ja Quebecissä, joissa sähkö on edullista ja ilmeniitin titaanidioksidipitoisuus on verrattain alhainen, mutta malmissa ei ole paljoa epäpuhtauksia. Yleensä käytettävän raaka-aineen titaanidioksidipitoisuus on 36–50 %, koska silloin termodynaamiset olosuhteet ovat sopivat sulatukselle ja koska takkirauta on arvokas sivutuote. Epäpuhtauksien määrä saattaa kasvaa slagiprosessissa, ellei käytetä kemiallisia jatkoprosesseja, ja niiden konsentraatio riippuu suoraan raaka-aineen koostumuksesta. Epäpuhtaudet, joita ovat esimerkiksi kalsium ja magnesium, eivät juuri siirry rautaan.
Slagia tuotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1951 QIT:n Lac Allardin ilmeniitistä Sorelissa ja samaa tekniikkaa käytetään esimerkiksi Etelä-Afrikassa Richards Bay Mineralsissa. Suurimmat slagin tuottajat Sorelin ja Richards Bayn lisäksi ovat Ticor Empangessa Etelä-Afrikassa, Tinfos Titan and Iron KS Tyssedalissa Norjassa ja Namakwa Sands Limited Saldanha Bayssa Etelä-Afrikassa. QIT kehitti vuonna 1995 slagin jatkokehitysprosessin, jossa 75–80 % titaanidioksidia sisältävästä slagista poistetaan kalsiumia, magnesiumia ja rautaa, jolloin titaanidioksidipitoisuus nousee noin 95 prosenttiin. Tällaisesta raaka-aineesta käytetään termiä UGS eli Upgraded Slag.
Slagia tuotetaan kahdessa eri laatuluokassa. Etelä-Afrikassa tuotettava slagi soveltuu titaanipigmentin tuotantoon kloridiprosessilla, koska sen titaanidioksidipitoisuus on 85–86 % ja magnesiumpitoisuus on alle 1,1 %. Norjassa ja Kanadassa tuotettavan slagin titaanidioksidipitoisuus on 75–80 % ja magnesiumpitoisuus 5,0 % (Kanada) ja 7,9 % (Norja), joten slagi soveltuu titaanidioksidin tuotantoon vain sulfaattiprosessilla. Myös slagin raekoolla on merkitystä: 10–20 % parempilaatuisesta slagista menee sulfaattiprosessilla tuotettavaksi koska se on raekooltaan liian pientä.
Ilmeniitistä voidaan tehdä erilaisten prosessien kautta myös synteettistä rutiilia, jonka titaanidioksidipitoisuus on 90–95 %. Näissä prosesseissa käytettävän ilmeniitin titaanidioksidipitoisuus on yleensä noin 55 %. Kaikki prosessit perustuvat ilmeniitin pelkistämiseen pyörivissä uuneissa, minkä jälkeen rauta huuhdotaan pelkistyneistä ilmeniittirakeista. Prosesseissa syntyvää rautaa ei yleensä käytetä hyödyksi vaan se on jätettä. Tärkeimmät ja käytetyimmät näistä prosesseista ovat Becherin ja Beniliten prosessit. Becherin prosessissa raaka-aineen epäpuhtaudet kasvavat lopputuotteessa samaan tapaan kuin slagin tuotannossa. Synteettistä rutiilia tuotetaan eniten Australiassa, Yhdysvalloissa, Intiassa ja Malesiassa. Vuonna 1994 synteettisen rutiilin tuotanto maailmassa oli 669 000 tonnia puhtaana titaanidioksidina laskettuna.
Kaikissa teollisissa prosesseissa käytetään hyväksi kolmiarvoisen raudan pelkistämistä hiilen tai vedyn avulla, jota ennen ilmeniittiä yleensä aktivoidaan hapettamalla. Pelkistämisolosuhteista riippuen syntyy joko kaksiarvoista rautaa ilmeniitin kidehilaan tai rautametallia. Kaksiarvoinen rauta voidaan poistaa heikoilla hapoilla. Rautametallin poistoon on kehitetty useita mekaanisia erottelumenetelmiä ja kemiallisia prosesseja.
Becherin prosessi kehitettiin Australiassa 1960-luvun lopulla. Australiassa oli paljon ilmeniittiä, mutta sen titaanidioksidipitoisuus oli liian alhainen myyntiin, joten haluttiin etsiä keino rikastaa malmia. Prosessi on seuraavanlainen.:
Pyörivään polttouuniin, jonka poistolämpötila on 1 050–1 150 °C, syötetään ilmeniittiä, hiiltä ja rikkiä. Rauta pelkistyy metalliksi ja TiO2 pelkistyy osittain Ti2O3-muotoon. Rikki muodostaa uunissa raudan ja mangaanin kanssa kompleksin, joka poistetaan myöhemmin rikkihapon avulla.
Pelkistynyt ilmeniitti sekoitetaan ilmastetun veden kanssa pienissä erissä. Ammoniumkloridi katalysoi reaktiota, jossa ilmeniittirakeiden rauta hajoaa liuokseksi ja leviää rakeiden pinnalle kompleksi-ioneina. Ilmastettu vesi hapettaa kompleksi-ionit rautaoksideiksi ja -hydroksideiksi, jotka saostuttuaan voidaan poistaa liuoksesta.
Raudasta köyhdytetty ilmeniitti liuotetaan heikossa rikkihapossa, jotta mangaanisulfaatit ja jäljelle jäänyt rauta irtoaisivat siitä. Lopuksi synteettinen rutiili pestään ja kuivataan. Lopputuote sisältää yleensä 90–93 % titaanidioksidia.
Becherin prosessi on kustannustehokkain tapa synteettisen rutiilin tuottamiseen ja se toimii parhaiten noin 62 % titaanidioksidia sisältävälle ilmeniitille. Becherin prosessi ei kuitenkaan poista ilmeniitistä muita epäpuhtauksia kuin rautaa ja mangaania. RGC Minerals kehitti 1990-luvun puolivälissä synteettisen rutiilin kehitysprosessin, jossa vähennetään sen uraani- ja toriumpitoisuuksia. Prosessi on tehokas, mutta lisää kustannuksia. Becherin prosessia joudutaan tulevaisuudessa muokkaamaan, jotta se toimisi myös titaanidioksidipitoisuudeltaan köyhemmillä ilmeniiteillä, joita on paljon enemmän saatavilla.