Biotiitin fosforinsitomiskyky

Kemira GrowHow:n Siilinjärven apatiittikaivos on Länsi-Euroopan suurin fosfaattikaivos ja suurin avolouhos Suomessa. Apatiitin rikastamisen yhteydessä kaivokselta saadaan runsaasti oheistuotteita, joista biotiitti kattaa suuren osan. Siilinjärven rikastusprosessissa sivukivibiotiitti erotellaan apatiitista murskaamalla, märkäjauhatuksella ja vaahdottamalla, ja se läjitetään jätteenä erilliselle alueelle.

Valtavan jätemäärän vuoksi Siilinjärven sivukivibiotiitille on kehitetty erilaisia käyttökohteita. Sitä hyödynnetään mm. hidasliukoisena kaliumlannoitteena sekä apatiitin kanssa mekaanisena seoksena fosfori-, kalium-, kalsium- ja magnesiumlannoitteena. Viime vuosina kiinnostuksen kohteena on ollut biotiitin käyttö myös jätevesien puhdistuksessa.

Tavoitteena on tutkia jätebiotiitin fosforinsitomiskykyä ja mineraalin happo- ja emäskäsittelyn vaikutusta siihen. Esikokeet tehtiin inkuboimalla maata, johon oli lisätty tutkittavaa biotiittia. Inkuboidusta maasta määritettiin fosforin sorptio-desorptioisotermit, epäorgaanisen fosforin fraktiot sekä pH ja sähkönjohtokyky. Esikokein pyrittiin selvittämään biotiitin fosforinpidätyskyky systeemissä, jossa pidätyspaikoista kilpailevien ionien pitoisuus on korkea, ja olosuhteet muistuttavat jätevesiympäristöä. Fosforin sitoutumismekanismia ja -kapasiteettia mineraaliainekseen ilman maata, tutkittiin sorptio-desorptioisotermien ja pH-seurannan avulla. Happokäsittelyssä muodostuvien alumiini-, rauta- ja magnaanioksidien merkitystä fosforin sitojana arvioitiin määrittämällä biotiitin heikosti kiteytyneiden oksidien pitoisuudet ja niiden fosforinkyllästysasteet sekä sorptio-desorptioisotermit biotiittinäytteistä, joista oksidit oli uutettu pois. Biotiitin happo- ja emäskäsittelyjen vaikutusta fosforin pidättymismuotoon tutkittiin määrittämällä mineraaliainekseen sitoutuneen epäorgaanisen fosforin fraktiot. Lisäksi tutkittiin, onko reaktioajalla ja hiukkaskoolla vaikutusta sitoutumiseen.

Tulosten perusteella biotiitti pidättää fosforia tehokkaasti vesiliuoksesta. Pidätyskyvyn huomattiin olevan voimakkaasti riippuvainen reaktiivisten alumiinin ja raudan oksidihydroksidien pitoisuuksista. Myös partikkelikoko vaikutti biotiitin fosforinpidätystehokkuuteen siten, että hieno fraktio pidätti fosforia poikkeuksetta enemmän kuin karkeampi fraktio. Happokäsittely lisäsi biotiitin fosforinpidätyskykyä huomattavasti, mutta hapotetun materiaalin neutraloinnin ei todettu vaikuttavan siihen. Reaktioajan kasvaessa hapotettu biotiitti pidätti yhä enemmän fosforia, mutta käsittelemättömän ja happo-emäskäsitellyn biotiitin fosforinpidätyskyky näytti ajan kuluessa heikkenevän.

Tutkimustulokset antavat viitteitä siitä, että biotiitti soveltuu hyvin fosforin sitomiseen myös jätevesien puhdistuksessa. Etenkin happokäsitelty biotiitti vaikuttaa sovelluksen kannalta lupaavalta. Jatkotutkimuksin olisi kuitenkin hyödyllistä selvittää, miten happokäsitelty biotiitti käyttäytyisi maasuotimessa, mikä olisi materiaalin todellinen käyttöikä esim. nelihenkisellä perheellä, ja ylittäisivätkö hapotuksesta aiheutuvat kustannukset lopulta saavutettavan hyödyn.