Teksti Markku Leskelä, kuvat Suomen Malmijalostus Oy ja Kemia-lehti
Vihreässä siirtymässä elintärkeät harvinaiset maametallit ovat jo pitkään olleet haluttu aarre. Suomi tuotti 1960-luvulla jopa 10 prosenttia harvinaisista maametalleista maailmassa, muistuttaa aiheeseen syvällisesti perehtynyt emeritusprofessori Markku Leskelä juttusarjan ensimmäisessä osassa.
Harvinaiset maametallit, alkuaineet 21 (Sc), 39 (Y) ja 57-71 (La-Lu) ovat viime aikoina olleet otsikoissa. Yleisesti ollaan huolissaan niiden saatavuudesta, koska ne ovat keskeisiä erityisesti energiatekniikan vihreässä siirtymässä. Eniten käytetyt harvinaiset maametallit löytyvät EU:n kriittisten alkuaineiden listalta.
Saatavuushuoleen on kaksi aihetta: löytyykö näitä alkuaineita riittävästi ja mikä on saatavuuden poliittinen ulottuvuus, kun Kiina hallitsee näiden metallien markkinoita yli 90-prosenttisesti.
”Suomesta löytyy useita suuria harvinaisten maametallien esiintymiä.”
Keskustelua on lietsonut myös Ruotsista löytynyt uusi esiintymä. Ruotsalainen kaivosyhtiö LKAB ilmoitti alkuvuodesta löytäneensä yli miljoonan tonnin harvinaisten maametallien mineraaliesiintymän Kiirunan alueelta.
Geologian Tutkimuskeskus tiedotti pian Ruotsista tulleen uutisen perään, että Suomesta löytyy useita suuria harvinaisten maametallien esiintymiä, joista Soklin malmio Savukoskella on merkittävin.
Historia Suomessa ulottuu 1700-luvulle saakka
Harvinaisten maametallien historia Suomessa on pitkä. Se ulottuu aina meidän kemiantutkimuksemme isänä tunnettuun Johan Gadoliniin asti. Vuonna 1794 hän eristi harvinaisen maalajin Ytterbystä Ruotsista löydetystä mustasta kivestä.
Siihen aikaan alkuaineen käsite ei ollut selvä ja aineita, jotka olivat oksideja, kutsuttiin maalajeiksi. Gadolinin eristämä aine on pääasiassa yttriumoksidia. Kun runsaan sadan vuoden aikana löydettiin kaikki samaan ryhmään kuuluvat 17 alkuainetta, huomattiin, että ne eivät olekaan maaperässä kovin harvinaisia, mutta nimeksi kuitenkin jäi harvinaiset maametallit.
Välillä nimitykset ja tarkoitukset voivat sekoittua. Puhutaan pelkästään maametalleista, joka on epämääräinen käsite, tai harvinaisista maametalleista, mutta sisällytetään käsitteeseen myös esimerkiksi litium, platinaryhmän metalleja tai kulta. Alkuaineista 57-71 käytetään myös nimityksiä lantanidit tai lantanoidit (lantaanin kaltaiset metallit).
”Harvinaisten maametallien erottaminen toisistaan ei ole helppoa.”
Lannoitetuotannon sivutuotteena harvinaisia maametalleja
Suomalaisen Typpi Oy:n lannoitetehdas aloitti toiminnan Oulussa 1951. Tehdas perustettiin, koska sodan jälkeisenä aikana Suomi pyrki omavaraisuuteen elintarviketuotannossaan. Tehdas käytti fosforin lähtöaineena Venäjältä Kuolasta tuotua apatiittia. Apatiitti sisältää jopa viisi prosenttia harvinaisia maametalleja. Pian syntyi ajatus, että jätekasaan joutuvan harvinaisten maametallien sakan erottaminen ja jatkojalostaminen voisi olla kannattavaa.
Teknillisen korkeakoulun epäorgaanisen kemian professori Olavi Erämetsä innostui aiheesta ja toimi asiantuntijana harvinaisten maametallien erotusprosessien kehittäjänä.
Harvinaisten maametallien erottaminen toisistaan ei ole helppoa, sillä ne ovat kemiallisesti hyvin samanlaisia ja esiintyvät mineraaleissa aina yhtä aikaa.
Mineraaleissa on tosin kahta päätyyppiä, joista toisissa alkupään lantanoidit eli cerimetallit ovat rikastuneempia ja toisissa loppupään eli yttermetallit ovat rikastuneempia. Kaikkia lantanoideja esiintyy kuitenkin kaikissa niiden mineraaleissa. Esiintyminen noudattaa yleissääntöä, jonka mukaan parillisen järjestysluvun omaavia alkuaineita on enemmän kuin parittoman järjestysluvun omavia naapureitaan. Poikkeuksen muodostaa europium, joka muistuttaa kemialtaan suuria maa-alkalimetalleja ja lyijyä.
1800-luvulta lähtien tärkeimpänä harvinaisten maametallien erotusmenetelmänä käytettiin jakokiteytystä, sillä peräkkäisten harvinaisten maametallien eräiden kaksoissuolojen liukoisuudessa on pieni ero. Toistamalla kiteyttämistä ja liuottamista kymmeniä tai satoja kertoja saatiin metallit erotettua toisistaan. 1950-luvulla uudeksi erotusmenetelmäksi tuli ionivaihto. Nykyään tärkein harvinaisten maametallien erotusmenetelmä perustuu neste-nesteuuttoon.
Suomi tuotti 10 prosenttia harvinaisista maametalleista
1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa Typpi Oy tuotti jopa 10 prosenttia maailman harvinaisista maametalleista. Kaupalliset tuotteet olivat oksideja, joina harvinaiset maametallit yleisimmin myydään. Suunniteltiin myös metallien valmistusta, mutta siihen asti ei koskaan päästy.
1970-luvun puolessa välissä Neuvostoliitto ilmoitti, ettei se enää toimita apatiittia Suomeen. Kemiraksi muuttunut Typpi Oy joutui vaihtamaan raaka-aineensa Marokosta tuotavaan fosfaattiin, joka ei sisällä harvinaisia maametalleja. Näin harvinaisten maametallien tuotanto oli pakko lopettaa.
1980 aloitti toimintansa Siilinjärven fosforiittikaivos, ja Suomesta tuli fosforin suhteen omavarainen. Siilinjärven fosforiitti ei sisällä merkittäviä määriä harvinaisia maametalleja.
Lamppujen loisteaineita tehtiin tuontiraaka-aineista
Kemira oli kehittänyt harvinaisten maametallien oksideista jatkojalosteiksi loisteaineita, joita käytettiin elohopealampuissa valon tuottamiseen ja valon värin korjaamiseen. Kemira jatkoi loisteaineiden valmistusta tuontiraaka-aineista. Kemiran valmistamia tuotteita olivat yttriumvanadaatti, yttriumoksidi ja yttriumoksisulfidi (Y2O2S).
Kolmenarvoisella europium-ionilla seostettua yttriumvanadaattia (YVO4) käytettiin korkeapaine-elohopealampuissa punaisen valon tuottamiseen.
Kolmenarvoisella europium-ionilla seostettua yttriumoksidia (Y2O3) tarvittiin matalapaine-elohopealamppuja eli loisteputkia varten. 1980-luvulla loisteputkissa aiemmin käytetty valoa emittoiva halofosfaatti korvattiin kolmella, harvinaisiin maametalleihin perustuvilla loisteaineella (sininen-vihreä-punainen). Kolmen loisteaineen lamput paransivat energiatehokkuutta yli 30 prosenttia ja paransivat lamppujen värien toistokykyä.
Kolmas punainen loisteaine, jonka valmistuksen aloittamista tutkittiin, oli europiumilla seostettu yttriumoksisulfidi (Y2O2S). Se oli television kuvaputkissa käytetty punainen loisteaine. Asiakkaaksi suunniteltiin valtion kuvaputkitehdasta Valcoa, mutta sen toiminta lopetettiin vuonna 1980 ennen kuin tehdas ennätti kunnolla käynnistyäkään.
Lamppujen punaisia loisteaineita valmistettiin 1980-luvun lopulle saakka.
Tutkimuksen painopisteet Helsingissä ja Turussa
Suomen tiedemaailmassa harvinaisten maametallien ja myös loistoaineiden tutkimus keskittyi pitkään Teknillisen korkeakoulun epäorgaanisen kemian laboratorioon, joka teki yhteistyötä Kemiran kanssa. Jauhemaisten loisteaineiden tutkimuksen rinnalla TKK:ssa aloitettiin elektroluminoivien ohutkalvomateriaalien tutkiminen ja niiden valmistaminen ALD-menetelmällä vuonna 1981.
Jauhemaisten loisteaineiden tutkimuksen painopiste siirtyi 1990-luvun alussa Turun yliopistoon senhetkisen päätutkijan Jorma Hölsän siirryttyä sinne professoriksi.
”Turussa on tehty ja tehdään edelleen erittäin ansiokasta loisteainetutkimusta.”
Turussa on tehty ja tehdään edelleen erittäin ansiokasta loisteainetutkimusta. Tutkimuksen näkyvimpiä tuloksia ovat ns. kestoluminoivat materiaalit, jotka emittoivat valoa tunteja viritysenergian loputtua. Materiaaleja käytetään esimerkiksi itsevalaisevissa poistumistiemerkinnöissä.
Turussa on tutkittu ja tehty myös teollista tuotantoa lantanoidien luminesenssin soveltamisessa lääketieteelliseen ja biotekniseen diagnostiikkaan. Turkulainen Wallac Oy (nykyisin Perkin-Elmer) aloitti diagnostiikkalaitteiden kehittämisen jo runsaat 50 vuotta sitten.
Tällä hetkellä voimakkaimmin kasvava lantanoideja hyödyntävä ala on kestomagneettien tuotanto. Jo 1970-luvulla keksittiin, että lantanoideja sisältävistä materiaaleista saadaan kaikkein voimakkaimmat magneetit. Ensin tulivat samarium-kobolttimagneetit ja 1980-luvulla neodyymi-rautaboridi (NdFeB) eli neomagneetit. Kestomagneetteja tarvitaan kaikissa sähkömoottoreissa, ja erityisesti tuulivoimaloiden rakentaminen on lisännyt merkittävästi neomagneettien tarvetta.
Suomessa neomagneettien tutkimusta tehtiin TKK:n metallurgian laboratoriossa ja Outokummun tutkimuskeskuksessa. Niiden tuloksia hyödyntämään perustettiin vuonna 1995 Neorem Magnets Oy. Yritys kuuluu nykyisin eurooppalaiseen Vacuumschmelzeen (VAC) ja valmistaa edelleen magneetteja Ulvilassa.
Kiina otti lantanoidioksidien markkinajohtajuuden
Luminoivissa materiaaleissa tarvitaan erittäin puhtaita lantanoidilähdeaineita, sillä kaikki metalliepäpuhtaudet aiheuttavat häviöitä valon tuotolle. Minimivaatimuksena pidetään 99,99- prosenttisesti puhtaita oksideja.
1980-luvulle saakka merkittävimmät lantanoidioksidien valmistajat olivat amerikkalaisia (kuten Molycorporation), eurooppalaisia (Rhone-Poulenc, Treibacher) tai japanilaisia (Shin-Etsu). Vähitellen markkinoille alkoi tulla niiden kiinalaisia kilpailijoita. Aluksi kiinalaisten oksidien puhtauden suhteen tunnettiin epäluuloa, mutta tuotteet osoittautuivat hyviksi.
Kiinalaiset materiaalit olivat hinnaltaan ylivoimaisia, ja vähitellen harvinaisten maametallien louhinta ja jalostus hiipui Kiinan ulkopuolella.
Kun harvinaisten maametallien kysyntä alkoi kasvaa 2000-luvun alkupuolella ja Kiina nosti hintoja merkittävästi, virisi Kiinan ulkopuolella suunnitelmia kaivostoiminnan aloittamiseksi. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Mount Passin kaivos Kaliforniassa avattiin uudelleen.
Vuosikymmenen lopulla finanssikriisi hillitsi kysyntää ja Kiina laski tuotteidensa hintoja, mikä johti jälleen kaivostoiminnan vähenemiseen länsimaissa. Näin Kiina pystyi säilyttämään määräävän markkina-asemansa harvinaisten maametallien tuotannossa. Tällä hetkelläkin Kiina hallitsee markkinoita yli 90-prosenttisesti.
”Kaivoksen avaaminen ja jalostamisen aloittaminen vaativat runsaasti aikaa ja pääomia.”
Kun harvinaisten maametallien kysyntä alkoi kasvaa 2000-luvun alkupuolella ja Kiina nosti hintoja merkittävästi, virisi Kiinan ulkopuolella suunnitelmia kaivostoiminnan aloittamiseksi. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Mount Passin kaivos Kaliforniassa avattiin uudelleen.
Vuosikymmenen lopulla finanssikriisi hillitsi kysyntää ja Kiina laski tuotteidensa hintoja, mikä johti jälleen kaivostoiminnan vähenemiseen länsimaissa. Näin Kiina pystyi säilyttämään määräävän markkina-asemansa harvinaisten maametallien tuotannossa. Tällä hetkelläkin Kiina hallitsee markkinoita yli 90-prosenttisesti.
Merkittävä sysäys Suomen taloudelle?
Suomessa ja Ruotsissa on todennettu merkittäviä harvinaisten maametallien esiintymiä.
Julkisessa keskustelussa on herätelty toiveita, että näitä esiintymiä hyödyntämällä Suomen talous voisi saada merkittävän sysäyksen. Ainakaan kovin nopealla aikataululla ei hankkeessa voida edetä, sillä kaivoksen avaaminen ja jalostamisen aloittaminen vaativat runsaasti aikaa ja pääomia.
Suurimman esiintymän, Soklin, kaivostoiminnan aloittamista on pohdittu jo runsaat 50 vuotta. Lupa kaivostoiminnalle on saatu, mutta valitusten jälkeen Vaasan hallinto-oikeus rajoitti kaivosoikeutta ja tiukensi lupaehtoja vuonna 2020. Kaivosoikeudet omistanut Yara Oy luopui oikeuksista ja möi ne Suomen valtiolle. Jää nähtäväksi, avataanko Soklin kaivosta koskaan.
Lue lisää:
Harvinaiset maametallit talteen digijätteestä – ”Onnistuessaan merkittävä tieteellinen läpimurto”
17 haluttua harmaata
- Harvinaiset maametallit ovat harmaita ja hopeanvärisiä, kiiltäviä, pehmeitä, taipuisia ja helposti muokattavia reaktiivisia alkuaineita.
- Harvinaisiin maametalleihin kuuluu jaksollisen järjestelmän kolmannen ryhmän 17 alkuainetta: skandium (järjestysluku 21) ja yttrium (39) sekä kaikki 15 lantanoidia (57–71) eli lantaani, cerium, praseodyymi, neodyymi, prometium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulium, ytterbium ja lutetium. Aineet skandiumista samariumiin luetaan raskaisiin (HREE) ja aineet europiumista lutetiumiin kevyisiin maametalleihin (LREE).
- Kolme kaupallisesti tärkeintä mineraalia, joista REE-aineita saadaan, ovat monatsiitti, bastnäsiitti ja ioniadsorptiosavi.
- Harvinaisten maametallien yhteneväisiä ominaisuuksia ovat esimerkiksi elektropositiivisuus sekä poikkeukselliset magneettiset ja optiset ominaisuudet.
- Uloimpien elektronien samanlaisen järjestyksen vuoksi harvinaiset maametallit voivat korvata toisiaan kiderakenteissa.
Kiinalla valta-asema
- Harvinaisten maametallien ryhmään kuuluvat metallit eivät nimestään huolimatta ole kovin harvinaisia.
- Metalleja esiintyy maaperässä yleisesti, mutta erittäin pieninä pitoisuuksina. Niiden erottaminen muusta maa-aineksesta on kallista ja hankalaa.
- Kiina hallitsee harvinaisten maametallien kansainvälisiä markkinoita. Vuonna 2020 maa vastasi globaalista harvinaisten maametallien louhinnasta yli 60 % ja jalostuksesta noin 80 % (eri arviot vaihtelevat 70 ja 80 % välillä).
- Euroopan riippuvuus Kiinan maametalleista on erityisen suuri, sillä maanosa hankkii edelleen yli 95 % harvinaisista maametalleista Kiinasta. Kiinassa kaivuu on aiheuttanut ympäristötuhoja.
- Tällä hetkellä lähes kaikki harvinaiset maametallit menevät laitteiden eliniän päätyttyä hukkaan. Maailmanlaajuisesti niistä kierrätetään alle prosentti.
