Ilmeniitti

Ilmeniitti
IlmeniittikideIlmenvuoriltaVenäjältä.Kiteen koko 4,5 x 4,3 x 1,5 cm.
Luokka	Oksidimineraalit
Kemialliset ominaisuudet
Kemiallinen kaava	FeTiO3
Fysikaaliset ominaisuudet
Väri	raudanmusta
Asu	Kiteet paksuja levyjä, harvoin romboedreja. Myös massiivinen, lamellinen tai tiivis.
Kidejärjestelmä	trigoninen
Kaksostus	lamellikaksostus
Murros	simpukkamainen tai rosoinen
Taottavuus	hauras
KovuusMohsin asteikolla	5–6
Ominaispaino	4.70–4.79
Optiset ominaisuudet
Optiset ominaisuudet	1-akselinen (–)
Kiilto	metallisesta himmeään
Kahtaistaitto	voimakas
Viiru	musta
Läpinäkyvyys	opaakki
Muut ominaisuudet	heikosti magneettinen
Aiheesta muualla
Ilmeniitti Commonsissa
Infobox OK

Ilmeniittieli rautatitaanioksidi (FeTiO₃) on tärkein ja louhituintitaanimineraali,josta yli 90 prosenttia käytetääntitaanidioksidipigmenttiteollisuudessa.Se on väriltään tummaa. Sen tärkein käyttö on valkoisen,inertintitaanidioksidipigmentinvalmistaminen sulfaattimenetelmällä.

Ilmeniitti nimettiin vuonna 1827 Etelä-Uralilla Venäjällä sijaitsevienIlmenvuortenmukaan. Se on yleinen aksessorinen mineraali monissametamorfisissa kivissäjamagmakivissä.

Ilmeniittiesiintymiä ongabrojenjaanortosiittienyhteydessä niin kutsuttujenvanadiini-titaani-rautamalmienmuodossa. Lisäksi ilmeniittiä louhitaanupamalmienmuodossa esimerkiksi merenrannoilta ja dyyneiltä. Tärkeimmät ilmeniittiesiintymät ovatAustraliassa,Etelä-Afrikassa,KanadassajaNorjassa.Suomessa ilmeniittiä on louhittuOtanmäeltäVuolijoelta, mutta kaivos suljettiin 1980-luvulla.Ilmeniittiä esiintyy myösKuussa,ja onkin esitetty, että mahdollistenkuusiirtokuntienhapentarve voitaisiin tyydyttää esimerkiksi ilmeniittiäpelkistämällä.

Maankuoresta noin prosentti on titaania, joten se ei ole erityisen harvinainen metalli, mutta vaintitaanioksidimineraaleillaon kaupallista arvoa. Rikkaiden ja titaanipitoisuudeltaan korkeiden esiintymien harvinaistuessa on siirrytty yhä enemmän kemiallisiin jametallurgisiinrikastustapoihin,joilla ilmeniitin titaanidioksidipitoisuutta voidaan nostaa. Titaanidioksidipitoisuudeltaan korkeat jalosteet muodostavat nykyisin suuren osan titaaniraaka-aineiden markkinoista.

Ilmeniitin ominaisuudet

Fysikaalis-kemialliset ominaisuudet

Ilmeniitin eli rautatitaanioksidin kemiallinen kaava on FeTiO₃,joka merkitään usein myös FeO*TiO₂.Yhdisteen painosta 36,8 prosenttia onrautaa,31,6 prosenttiatitaaniaja 31,6 prosenttiahappea,mutta käytännössä luonnon ilmeniitissä on aina muitakin alkuaineita. Rauta voi esiintyä ilmeniitissä kolmiarvoisessa muodossa (Fe₂O₃-muodossa) ja rautaa voivat korvata esimerkiksi kaksiarvoinenmangaani,magnesiumtaikromi.Yleisesti puhutaan ilmeniitistä, jos se sisältää 35–65 prosenttiatitaanidioksidia.Ilmeniitti kuuluu ilmeniittiryhmän mineraaleihin, ja se muodostaaisomorfisen seossarjan(engl.solid solution)hematiitinkanssa yli 1 050 °C:ssa.Se muodostaa seossarjan myösgeikieliitin(MgTiO₃) kanssa.

Ilmeniitti voidaan esittää TiO₂-Fe₂O₃-FeO-faasidiagrammissa, joskin epäpuhtauksien vuoksi sen tarkka alue on määrittelykysymys. Amerikkalaisen geologinArthur Francis Buddingtoninvuonna 1996 kehittämän ja sittemmin vakiintuneen nimeämisohjeen mukaisesti ilmeniitin ja sen variaatioiden määrittely tehdäänfaasidiagrammissaseuraavasti:

• varsinaisessa ilmeniitissä on alle 6 % rautaoksidia kolmiarvoisessa muodossa (Fe₂O₃)
• 6–13 % rautaoksidia kolmiarvoisessa muodossa sisältävää ilmeniittiä kutsutaan ferri-ilmeniitiksi (engl.ferrian-ilmenite)
• ilmeno-alkuliite lisätään titaanioksidia yli 5 % mutta alle 50 % sisältävään magnetiittiin tai hematiittiin, esimerkiksi ilmenohematiitti (engl.titano-hematite)
• muuttuneeksi ilmeniitiksi (engl.altered ilmenite) kutsutaan ilmeniittiä sisältäviä yhdisteitä, joiden kemiallinen koostumus on ilmeniitin ja pseudorutiilin (Fe₂Ti₃O₉tai Fe₂O₃*3TiO₂) väliltä. Jos mineraalin titaanidioksidipitoisuus on yli 70 %, sitä kutsutaanleukokseeniksi.

Ilmeniitin kovuusMohsin asteikollaon 5,5–6,0, ja puhtaan yhdisteen sulamispiste on 1 392 °C.Mineraali on epämagneettinen oksidi, vaikka se saattaa joskus vaikuttaa magneettiselta sen sisältämien levymäisten magnetiittisuotaumien takia.Néelin lämpötilanalapuolella ilmeniitinparamagneettisuusmuuttuu antiferromagneettisuudeksi.Puhtaan ilmeniitin Néelin lämpötila on -218 °C.

Ilmeniitinominaistiheyson 4,60–4,72, ja väriltään se on raudanmusta. Ilmeniitinviiruon musta tai ruskehtava, ja senkiiltoon metallisesta himmeään. Mineraali on hauras ja rakoilee asemataso- ja pyramidisuunnassa.

Optiset ominaisuudet ja kiderakenne

Ilmeniitin kiderakenne. Punaiset pallot ovat happiatomeita, siniset titaaniatomeita ja keltaiset rauta-atomeita.

Ilmeniitti onkiderakenteeltaantrigoninen eli romboedrinen, opaakki mineraali, jossa esiintyy lamellikaksostusta. Mineraalin kiteet ovat paksuja levyjä, mutta se esiintyy myös massiivisena, lamellisena, tiiviinä ja hiekkamaisina rakeina. Ilmeniitissä ei ole lohkosuuntia, ja sen murros on simpukkamainen tai rosoinen.

Ilmeniitinalkeiskopinhilavakiotovat pituudeltaan a=5,089 Å ja korkeudeltaan c=14,09 Å. Alkeiskopinkoordinaatiolukuon Z=6 eli kullakin atomilla on kuusi naapuria. Millerin indeksien mukaiset vastaavat luvut ovat a=10,18 Å, c=14,09 Å ja Z=24.

Hiotussa näytteessä ilmeniitti näyttää ruskehtavalta, hieman pinkiltä tai violetilta. Mineraalissa on selkeää kaksostusta ja se on pleokroinen. Kahdella nikolilla ilmeniitti on voimakkaastianisotrooppinen,ja seninterferenssiväritvaihtelevat harmaasta ruskeanharmaaseen.

Esiintyminen

Maankuoren painosta 0,86 prosenttia ontitaania(tai TiO₂-muodossa 1,4 %), joten se on melko yleinen alkuaine.Titaani onkin esimerkiksi noin 5–10 kertaa yleisempää maankuoressa kuinklooritairikkija 60 kertaa yleisempää kuinkuparitainikkeli.Titaaninionisädeon samaa luokkaa yleisimpien metallien, kuten raudan jaalumiininkanssa, joten monissa yleisissäkin kivissä on yli prosentin verran titaania. Kaupallisesti voidaan käyttää hyväksi kuitenkin vain kiviä, joissa titaani on oksidimineraalin muodossa. Kaikilla oksidimineraaleilla, joista yli neljännes on titaanidioksidia, voi olla kaupallista arvoa.Stoikiometrisestiilmeniitissä on 52 prosenttisesti titaanidioksidia.

Suurin osa titaanimineraalirikasteista louhitaan nuorista rannikoidensedimenttiesiintymistäja magmaattisista ilmeniittiesiintymistä. Kaupallisesti hyödynnettävät titaanimineraalivarat ovatkin pääasiassa syntyneet näiden kahden esiintymätyypin syntymätavoilla, jotka ovat luonteeltaanmekaanisia.Lisäksi syntyolosuhteiden pitää olla sellaiset, että lopputuotteena titaani pääosin esiintyisi oksidimineraalina eikä silikaattimineraalina.Magmakivissävaaditaan tietyt fysikaalis-kemialliset olosuhteet, jotka suosivat oksidimuotoa, sedimenttikivissä tietynlaiset rapautuvat kivet ja rapautumisolosuhteet.Malmin titaanidioksidipitoisuus on yleensä suurempi sedimenttimalmeissa.

Upamalmienja V-Ti-Fe-malmien lisäksi titaania louhitaan myös jokiympäristöjen esiintymistä muun muassaSierra LeonenGbangbamassaja voimakkaastirapautuneistaalkalisistapyrokseniiteistäesimerkiksiBrasilianTapirassa.Tulevaisuudessa yhä tärkeämmiksi titaanin lähteiksi tulevat erilaisetrutiili- japerovskiittiesiintymätjadetritaaliset malmiesiintymät.

Ilmeniittiä ei esiinny suurissa määrin metamorfogeenisissä malmeissa. Tällä hetkellä ilmeniittiä ei louhita metamorfisista kivistä, muttaeklogiittityypinrutiiliesiintymissä saattaa olla taloudellista potentiaalia. Niissä on noin 6 prosenttia rutiilia. Sedimenttiesiintymien titaanipitoinen aines on kuitenkin suurissa määrin rapautunut metamorfisista kivistä, eli metamorfiset kivet ovat toimineet rapautuneen aineksen isäntäkivinä. Titaani ei rikastu metamorfisissa prosesseissa, mutta titaanimineraalit saattavat esimerkiksi muuttaa muotoaan helpommin muista mineraaleista erotettaviksi.Näin on esimerkiksiOtanmäen malmissa,jossa ilmeniitti jamagnetiittivoidaan helposti erottaa toisistaan.

Todetut ilmeniitin ja rutiilin malmivarat titaanidioksidiksi muutettuna ovat arviolta 423–600 miljoonan tonnin suuruiset. Suurimmat ilmeniittiesiintymät ovatEtelä-Afrikassa,Intiassa,Yhdysvalloissa,Kanadassa,Norjassa,Australiassa,Ukrainassa,VenäjälläjaKazakstanissa.Todennäköisesti löytymättömiä esiintymiä on runsaasti, esimerkiksiBangladeshissa,Chilessä,MeksikossajaUudessa-Seelannissa.

Esiintymät sedimenttikivissä

Sedimenttikivien esiintymät ovat syntyneet, kun merenranta huuhtomalla rikastaa köyhän esiintymän rikkaammaksi. Aines rikastuu jo kulkeutuessaan rannalle. Rannalla veden lisäksi myöseoliset olosuhteetvoivat vaikuttaa osaltaan esiintymän rikastumiseen, kun tuuli kuljettaa kevyempiä klasteja pois.Rantakerrostumissa ilmeniitti ja rutiili esiintyvät usein yhdessä.Näistä esiintymistä louhitaan myös esimerkiksizirkoniajamonatsiittia.

Ilmeniittiesiintymiä sedimenttikivissä ja hiekoissa kutsutaan upamalmeiksi eli raskasmineraalien jäännössedimenttien muodostamiksi malmeiksi.Ne syntyvät, kun ilmeniittiä sisältävät magmakivet jametamorfiset kivetrapautuvat ja syntyy ilmeniittiä sisältävää hienoainesta. Detritaalinen materiaali kulkeutuu esimerkiksi veden mukana rannikoille jasuistoihin,joissa titaanipitoinen aines laskeutuu veden pohjalle. Virrat kuljettavat kevyempiä mineraaleja, kuten kvartsia pois, ja jäljelle jäävät raskaammat mineraalit rikastuvat. Raskaat ja pienet ilmeniittikiteet kertyvät jokien ja meren kohtaamispaikoille. Aallot ja tuulet rikastavat näitä esiintymiä edelleen rantaympäristössä. Tällaiset esiintymät ovat yleensä vain ohuita raitoja rannoilla, mutta mikäli ranta vetäytyy hitaasti, voi syntyä suuri yhtenäinen esiintymä.

Ilmeniitti on vaikeasti hajoava, raskas ja niukkaliukoinen mineraali, joten sen rikastuminen sedimentaation yhteydessä on pääosin mekaaninen painovoiman ja kuljetuksen aiheuttama lajitteleva prosessi. Merivesi aiheuttaa ilmeniitissä kuitenkinkorroosiota,joka lisää titaanin suhdetta rautaan mineraalin kidehilassa. Jos korroosio kasvattaa titaanidioksidin pitoisuuden mineraalissa yli 65 prosenttiin, se muuttuu osittain rutiiliksi,anataasiksitai näistä muodostuneeksi raemaiseksileukokseeniksi.

Lajittuminen tapahtuu raekoon ja tiheyden mukaan, ja esimerkiksi rantaolosuhteissa helpoiten kuljetukseen päätyy kevyt ja pieni rae. Jäljelle jäävät raskaat ja isot rakeet eli käytännössä suuret kevyehköjen mineraalien rakeet ja niitä pienemmät raskaiden mineraalien rakeet. Ilmeniittirae, joka on raekooltaan 0,21 mm, onhydrodynaamisessa tasapainossa0,5 millimetrinkvartsirakeenkanssa.

Suurin osa merenrantojen esiintymistä on syntynytkvartäärinaikana eli ne ovat 0–2 Ma vanhoja. Eoliset muodostumiendyynitovat usein suuria, joskin ne ovat verrattain köyhiä.

Titaanidioksidin määrä rantahiekkojen ilmeniitissä vaihtelee rapautumisasteen mukaan. Intiassa jaSri Lankassaesiintymien malmit sisältävät 50–70 % tai jopa 80 %, Australian niin sanotut mustat hiekat noin 54 %, Etelä-Afrikan hiekat 10–48 % jaFloridanMineral Citynrantahiekat 55 % titaanidioksidia.

Jokiympäristöjen mineraalihiekat eivät ole niin hyvin lajittuneita kuin rantaympäristöjen, joten niistä löytyy enemmän erilaisia raekokoja ja mineraaleja.GbangbamanesiintymässäSierra Leonessalouhitaan lähinnä rutiilia, mutta pienissä määrin myös ilmeniittiä. MyösMalesiassaon vastaava kaivos, mutta siellä päämineraalina ontina.

Hiekkaesiintymien ilmeniitti on homogeenisissa rakeissa, joiden koko vaihtelee tyypillisesti 75–250 µm välillä. Rakeet ovat melko pyöristyneiden ja hyvin pyöristyneiden väliltä sekä hieman venyneen mallisia.

Ilmeniittikaivokset sedimenttiesiintymissä

Tummia raskasmineraaliraitoja kvartsihiekassa Chennaissa, Tamil Nadussa Intiassa.

Kvartäärisiä sedimenttiesiintymiä hyväksikäyttäviä kaivoksia sijaitsee esimerkiksi Australian itä- ja länsirannikolla, eteläisenAfrikanitärannikollaRichards Baynympäristössä jaMosambikinrantatasangoilla, Intian ja Sri Lankan itä- ja länsirannikoilla sekäFloridassajaGeorgiassaYhdysvalloissa.

IntiassaKeralanjaTamil Nadunosavaltioiden rannikoilla sijaitsevat esiintymät ovatholoseeninaikana syntyneitä ja korkealaatuisia. Alueella on aloitettu kaivostoimintamonantsiitinvuoksi jo vuonna 1911. Tärkeimmät esiintymät ovatKayankulam-Needakaranalueella Keralassa jaManavalakurichinalueella Tamil Nadussa. Intia oli 1940-luvulla maailman suurin ilmeniitintuottaja, koska alueella oli paljon halpaatyövoimaa.Keralan ja Tamil Nadun tyyppisiä esiintymiä on myösOdishanalueella ja Sri Lankassa. Raskasmineraalihiekan osuus rannoilla vaihtelee kausittain: raskasmineraalit rikastuvatmonsuunienaikaan, kun myrskyt huuhtelevat kevyemmät mineraalit pois rannoilta. Esiintymien raskasmineraalihiekan päämineraali on ilmeniitti (70–80 %),zirkoniaon noin 5 % ja rutiilia 4 %. Keralan ilmeniittirikasteessa titaanidioksidia on 60–62 %, Tamil Nadun rikasteessa 54 %.

Australian itärannikon esiintymissä tärkein mineraali on rutiili, sivutuotteita ovat zirkoni ja ilmeniitti. Alueen esiintymät ovat maailman arvokkaimmat titaanimineraalien lähteet. Aluksi siellä kaivettiin kultaa ja zirkonia, mutta rutiili tuli mukaan 1940-luvulla. Alueella on iältään sekäpleistoseeninettä holoseenin aikaisia esiintymiä. Lisäksi alueella on sekä rantojen että tuulien rikastamia esiintymiä. Alueen raskasmineraalihiekka voi koostua lähes kokonaan rutiilista, zirkonista ja ilmeniitistä. Tämän vuoksi siellä louhitaan hiekkoja, joiden raskasmineraalipitoisuus voi olla jopa alle prosentin.

Australian länsirannikon esiintymistäBunburynjaCapelinalueilla on tuotettu ilmeniittiä vuodesta 1956 lähtien. Alueella on kolme raskasmineraalihiekkakompleksia, jotka edustavat eri aikoina syntyneitä rantahiekkoja. Vanhimmat ovat 66 metrin korkeudella nykyisestä merenpinnasta ja nuorimmat lähes merenpinnan tasolla. Alueen raskasmineraalihiekat sisältävät ilmeniittiä 56–95 %, zirkonia 2–18 % ja rutiilia 0,5–2 %. Hiekkojen raskasmineraalipitoisuus on usein yli 10 %.Bunburystä ja Capelista reilut 400 km pohjoiseen sijaitsevatEneabbanalueen esiintymät, joiden pääpaino on rutiilissa. Esiintymät löydettiin vasta 1970-luvulla. Raskasmineraalipitoisen hiekan osuus on usein yli 10 %. Ylempien penkereiden, jotka ovat yli 100 metrin korkeudessa, raskasmineraalihiekka sisältää paljon zirkonia (36–61 %) ja monantsiittia, kun ilmeniittiä (28–46 %) ja rutiilia (5–8 %) on verrattain vähän. Alemmilla penkereillä ilmeniittiä (53–68 %) ja rutiilia (8–11 %) on enemmän, ja zirkonia (15–23 %) vähemmän.

Richards Bayn alueella Etelä-Afrikassa kaivostoimintaa on ollut vuodesta 1967 lähtien. Esiintymien ilmeniitti on titaanidioksidiköyhää (46–50 % TiO₂), mutta sitä rikastetaan metallurgisesti slagiksi eli kuonaksi. Alueen esiintymät ovat pääosin holoseenin aikaisia, mutta jotkut esiintymistä saattavat olla varhaisempiakin. Tuulen synnyttämissä dyyneissä on keskimäärin 10–14 % raskasmineraalihiekkoja. Ilmeniitti on esiintymien yleisin raskasmineraali.

YhdysvaltojenJacksonvillenalueella sijaitsee useita esiintymiä, joista kahta louhitaan. Alueen pääasialliset mineraalit ovat muuttunut ilmeniitti ja zirkoni.Trail Ridgenesiintymää ruoppaaDuPontjaGreen Cove SpringsinesiintymääAssociated Minerals.Trail Ridgen esiintymän hieno-keskirakeisissa hiekoissa on keskimäärin 4 % raskasmineraaleja, joista noin 50 % on titaanimineraaleja ja 15 % zirkonia. Green Cove Springsin hienorakeisessa malmihiekassa on yli 3 % raskasmineraaleja ja mineraalien keskinäiset suhteet ovat melko samat kuin Trail Ridgessä.

Vanhempia sedimenttiesiintymiä, jotka esiintyvät usein jopa useiden satojen kilometrien päässä nykyisiltä rannoilta, on louhittu esimerkiksi YhdysvalloissaLakehurstissaNew Jerseyssä.Monien esiintymien ilmeniitti on titaanidioksidipitoisuudeltaan houkuttelevan korkeaa, mutta hieno raekoko tai konsolidoituneisuus vähentää malmin arvoa, koska se lisää kaivoksen kustannuksia. EsimerkiksiMcNairynmyöhäisliitukaudellamuodostunut muuttunut ilmeniitti Tennesseessä on titaanidioksidipitoisuudeltaan korkeaa, mutta louhinta on estynyt hienon raekoon takia.

Lakehurstin alueen esiintymiä New Jerseyssä Yhdysvalloissa louhittiin vuosina 1962–1982. Alueella toimi kaksi kaivosyritystä kahdella eri louhoksella. Esiintymät ovat muodostuneet ennen kvartäärikautta ja ilmeniitti on alueella muuttuneessa muodossa, jonka titaanidioksidipitoisuus on keskimäärin 65 %. Parhaan laatuisissa kerroksissa raskasmineraaleja oli yli 5 %, ja raskasmineraaleista muuttunutta ilmeniittiä 85 %.

Jokiympäristöjen rikastamista esiintymistä tärkein on Gbangbaman esiintymä Sierra Leonessa, jossa päämineraalina on rutiili. Sitä on louhittu vuodesta 1967 lähtien. Muita samantyyppisiä esiintymiä on esimerkiksiPacoima CanyonKaliforniassa,Otter CreekOklahomassajaRoselandVirginiassa.Näihin esiintymiin liittyy usein myös titaanipitoisuudeltaan rikkaat isäntäkivet, kuten KaliforniassaSan Gabrielininferrodioriitit.Jokiympäristön esiintymät ovat usein verrattain köyhiä eikä niiden louhinta olisi taloudellisesti kannattavaa vain titaanimineraalien takia. Malesiassa,IndonesiassajaThaimaassanäiden kaivosten päämalmi on tina, Kaliforniassa päätuotteena ovat hiekka ja sora.

Esiintymät magmakivissä

Magmakivien ilmeniittivarat ovat syntyneet, kun koostumukseltaanferrodioriittiätaigabroaoleviin magmoihin kerääntyy tiheitä ja hapekkaitafluidejamagmojen jäähtyessä.Tällaisia malmeja kutsutaan V-Ti-Fe-malmeiksi.Ilmeniittimalmit sisältävät Kanadan kaivoksissa noin 35 % titaanidioksidia, Yhdysvalloissa pitoisuus on noin 20 %, Norjassa 18 % ja Suomessa 13 %.Näiden malmien suora käyttö teollisuudessa on vähentynyt niiden suuren rautapitoisuuden vuoksi.

Pääasiassa ilmenomagnetiittia sisältävät V-Ti-Fe-malmit ovat melko yleisiä, koska sekä rauta että titaani ovat yleisiä alkuaineita maapallon kuoressa. Malmit esiintyvät kerrosmyötäisinä ja linssimäisinä ja niiden primäärit isäntäkivet ovatanortosiitit,anortosiittiset gabrot jagabrot.Tällaisten emäksisien magmojenviskositeettion niin pieni, että sekä kiteinen että sulakin malmiaines voivat gravitatiivisesti erottua melko helpostiintruusionsisäisiksi muodostumiksi, malmeiksi.Ilmeniitin magmakivien malmiot ovat massiivisissa anortosiiteissa. Suuria määriä ilmeniittiä löytyy myöskerrosintruusioista,mutta niiden hyödyntäminen on kaupallisesti haastavaa, koska niissä on mukana paljon magnetiittia.

V-Ti-Fe-malmeja syntyy ferrodioriittisissa intruusioissa, joissa ainakin kiteytymisen alkuvaiheessa vesipitoisuus on ollut matala, mutta hapenosapaineja kiteytymislämpötila ovat olleet korkeat. Nämä olosuhteet suosivatplagioklaasinkiteytymistä, jolloinmafistenmineraalien magnesiumpitoisuus suhteessa rautaan nousee. Jäännössula sisältää paljonpiidioksidia,rautaa, titaania javanadiinia,mikäli kiteytyminen etenee loppuun asti. Tällaista differentiaatiosarjaa kutsutaanFennerin sarjaksi.

Magma kiteytyy loppuun asti Fennerin sarjan mukaisesti vain harvoin. Vesi rikastuu hiljalleen jäännössulassa, jolloin se kohottaa hapenfugasiteettiaja laskee kiteytymislämpötilaa.Kolmenarvoisen raudanlisääntyessä titaanipitoinen fluidi alkaa kiteytyä. Tuloksena syntyy ilmenomagnetiittia.Kyseessä on siis tiheä titaanipitoinen fluidi, joka painonsa vuoksi vajoaa sekoittumattomana isäntämagmassa ja kumuloituu magmakammion pohjalle. Se voi kiteytyä sinne tai jatkaa matkaansa alla oleviin magmarakenteisiin, jotka ovat usein anortosiitteja.

Ilmenomagnetiitilla tarkoitetaan magnetiitin ja ilmeniitin yhteenkasvettumaa. Ne ovat syntyneet yli 800 °C:n lämpötilassa. Ilmeniitti on magnetiitin sisälläoktaedripintojensuuntaisinalamelleinatai epäsäännöllisinä rakeina. Alkuainesuhteista, lämpötilasta ja hapen fugasiteetista riippuen erilaisia suotautumarakenteita esiintyy niin hematiitissa kuin ilmeniitissäkin. Lamellirakenteet ovat metamorfoitumattomissa malmeissa usein niin hienorakenteisia, ettei mineraaleja pystytä erottelemaan jauhamalla.Anortosiittien ilmeniittiesiintymät ovatkin usein käyneet läpikorkean asteen metamorfoosin,jossa niiden yhteenkasvettumat ovat erottuneet omiksi faaseikseen. Ilmeniitin esiintyminen omassa faasissaan on taloudellisesti erittäin tärkeää, jotta esiintymää pystyttäisiin louhimaankannattavasti.Yhteenkasvettumina esiintyvä ilmeniitti on yleensäkaivannaisteollisuuttaajatellen toistaiseksi arvotonta.

Kaupallisesti tärkeimmät massiivisten anortosiittien ilmeniittimineralisaatiot ovatLac AllardinesiintymäQuebecissaKanadassajaTellnesinesiintymä Etelä-Norjassa. Muita tämän tyyppisiä mineralisaatioita ovat esimerkiksiOtanmäen esiintymäSuomessa sekä Yhdysvalloissa sijaitsevatSandford-järven,Roselandin,San Gabrielin jaDuluthinesiintymät. Näiden mineralisaatioiden titaanidioksidipitoisuus on verrattain pieni, koska ilmeniitti esiintyy hematiitin ja magnetiitin yhteydessä, mutta kaupallinen potentiaali saattaa tulevaisuudessa kasvaa, koska esiintymät ovat melko yleisiä.

Tyypillisesti anortosiittien ilmeniittiesiintymät ovatemäksisissä kivissä,jolloin ilmeniitti sisältää tavallista enemmänkalsiumiajamagnesiumia.Tämän vuoksi näiden esiintymien ilmeniittiä ei voida käyttää raaka-aineena kaikkiin teollisiin sovelluksiin. On kuitenkin kehitetty teollisia prosesseja, joilla voidaan poistaa näitä alkalimetalleja ilmeniitistä.

Ilmeniittikaivokset magmaattisissa esiintymissä

Tellnesin kaivos Norjassa.

Otanmäen kaivoksen sulkeuduttua vuonna1985kiveä louhivia kaivoksia on ollut vainKanadassajaNorjassa.Uusia kaivospaikkoja on tutkittu Suomessa ja Australiassa.

KanadanLac AllardinesiintymäQuebecissälöydettiin vuonna 1946. Kaivos avattiin vuonna 1950, ja se on suurin ilmeniittikaivos, jonka esiintymä on magmaattinen. Hevosenkengän muotoisenavolouhoksenomistaaQuebec Iron and Titanium(QIT). Alueella on kuusi tärkeää esiintymää. Ilmeniitti on karkearakeista ja se esiintyyhematiitinkanssa anortosiitissa yli 60 metrin paksuisina kerroksina. Malmissa on noin 75 % ilmeniittiä ja loput magnetiittia. Kivi sisältää 32–36 % titaanidioksidia ja malmintuotanto on yli 3 megatonnia vuodessa. Esiintymän malmi on kilpailukykyistä, koska QIT on kehittänyt malmillesulattamorikastusmenetelmiä.Malmi louhitaan yksinkertaisestiräjäyttämällä,minkä jälkeen se kuljetetaanmurskauslaitokselleja sieltä suoraan satamaan kohtiSorelia,jossa se sulatetaan.

Norjan etelärannikolla sijaitsevan Tellnesin kaivoksen omistaaTitania A/Sja esiintymä löydettiin 1954. Malmin louhinta aloitettiin vuonna 1960. Kaivos sijaitsee lähelläStorgangeninkaivostaSandbekkissä,joka oli maailman ensimmäinen titaanikaivos. Tellnes löydettiinkin sopivasti korvaamaan Storgangenin esiintymä, jonka malmi oli lopuillaan ja joka suljettiin vuonna 1964. Lisäksi alueella onBlåfjellinesiintymä. Yhteensä esiintymistä on ollut louhittavissa jopa 160 megatonnia ilmeniittiä. Tällä hetkellä Tellnesissä malmia louhitaan vuodessa 2 megatonnia ja lisäksi sivukiveä 1,6 megatonnia, joista muodostuu noin 580 000 tonnia ilmeniittirikastetta. Tellnesissäkin räjäytetty aines kuljetetaan murskaamolle, jossa se murskataan 200–250 mm rakeiksi. Rakeet edelleen jauhetaan, ja magnetiitti ja sulfidimineraalit erotellaan malmista.

Tellnesissä malmi onÅna-Sirananortosiittimassiivissa, jonka ikä on noin 900 miljoonaa vuotta. Alue on käynyt läpi korkean asteen metamorfoosin ja rakenteellisesti massiivin päällä onBjerkreim-Sokndalinlopoliitti.Tellnesin esiintymä on 2700 metriä pitkä ja 400 metriä leveä, ja leikkauksessa se onJ-kirjaimen muotoinen. Malmi on hieman kompleksisempi kuin Kanadan kaivos, koska ilmeniitin seassa on huomattavasti enemmän hematiittia jasulfidimineraaleja.Ilmeniitti on 0,2–0,5 mm rakeina. Alueen malmi sisältää keskimäärin vain 18,4 % titaanidioksidia, mutta sen titaanidioksidipitoisuus nostetaan 44–45 prosenttiin rikastamalla. Storgangenin esiintymän malmi sisälsi keskimäärin 19,6 % titaanidioksidia. Storgangenin esiintymä on hieman vanhempi kuin Tellnesin, mutta molemmat liittyvät Bjerkreim-Sokndalin intruusioon.

Sandford Laken alueen esiintymistä New Yorkista Yhdysvalloista on louhittu yhteensä yli 10 megatonnia ilmeniittiä, jonka titaanidioksidipitoisuus oli keskimäärin 46 %.NL Industriesinomistamien esiintymien pääasiallinen isäntäkivi on anortosiitti, jonka plagioklaasin koostumus on keskimäärin An50.

Roselandin alueen esiintymässä Virginiassa Yhdysvalloissa on ilmeniittiesiintymän lisäksikontaktimetasomaattinenrutiiliesiintymä. Ilmeniitti on anortosiitin ja ferrodioriitin yhteydessä. Anortosiitti on iältään noin 1050 miljoonaa vuotta, ferrodioriitit noin 980 miljoonaa vuotta. Esiintymää ei ole louhittu vuoden 1971 jälkeen, vaikka ilmeniittimalmia on jäljellä noin 12,5 megatonnia. Alueen malmi on koostumukseltaan lähellä puhdasta ilmeniittiä, eikä siinä juurikaan esiinny yhteen kasvamia. Malmi on kuitenkin ohuina epäsäännöllisinä intruusioina.

San Gabrielin alueen esiintymissä Kaliforniassa ilmeniitti esiintyy pyrokseenien kanssa anortosiitissa, sekä magnetiitin ja apatiitin kanssa ferrodioriitissa.Esiintymäon noin 1 200 Ma vanha ja hyvälaatuisissa malmikerroksissa ilmeniittiä on yli 20 %. Alueella on paljonsuojeltua metsääeikä sitä louhita toistaiseksi.

Bushveldinlaajaan emäksiseen kerrosintruusioon, jonka tärkeimmät mineralisaatiot liittyvät vanadiiniin,kromiinjaplatinaan,liittyy myös ilmeniittiesiintymiä. Se on louhituin kerrosintruusiotyyppinen ilmeniittiesiintymä. Alueella sijaitsevassaRooiwaterinesiintymässä ilmeniitti on rapautunut erikseen magnetiitista, jolloin ilmeniittiä on saatu louhittua selektiivisesti ja taloudellisesti kannattavasti. Yleensä tämän tyyppisissämineralisaatioissailmeniitti on kuitenkin magnetiitin kanssa seoksena, jolloin ilmeniittiä ei ole kannattavaa louhia.

Kiinantärkein ilmeniittikaivos on valtavaPanzhihuantitaanimagnetiittikaivos, jossa louhitaan myös rautamalmia. Sen ilmeniitti sisältää korkeita alkalimetallipitoisuuksia.

Louhinta

Ilmeniitin louhinnan pääpaino on sedimenttiesiintymissä, joista louhittiin vuonna 2003 noin 75 % tuotannosta. Sedimenttiesiintymiä on helppo louhia, jolloin kulut ovat verrattain pienet. Toisaalta esiintymät ovat usein lähellä rantaa, jolloin ongelmiksi ovat muodostuneet maankäyttö sekä rannikoiden herkkyysympäristöongelmille.Näistä ongelmista johtuen tulevaisuudessa muiden ilmeniittiesiintymätyyppien käyttö tulleekin kasvamaan.Titaanin saanti perustui ennen toista maailmansotaa lähes kokonaan rantahiekkoihin.

Ilmeniittiesiintymien louhintaa ja uusien malmioiden etsintää vauhdittaa lähes suoraan titaanipigmenttiteollisuus, joka käyttää leijonanosan tuotannosta. Ilmeniitti eroaakin tässä mielessä monista muista malmeista, joita hyödyntävä kaivosteollisuus on syntynyt tyydyttämään metallin kysyntää markkinoilla. Monien esiintymien hyödyntäminen on taloudellisesti kannattavaa vain, koska titaaniraaka-aineiden lisäksi louhitaan zirkonia. Yli 70 % titaaniraaka-aineen tuottajista tuottaa myös zirkonia. Muita louhinnan sivutuotteita ovatgranaatti,sillimaniittija monantsiitti.

Metalliteollisuudessa on painotettu kierrätystä yhä kasvavissa määrin samalla kun kaivosteollisuudelle asetetut vaatimukset ympäristöystävällisyyden suhteen ovat kasvaneet.Kierrätysvoi vähentää tuonnin määrää tietyn talousalueen sisällä, joten hallitukset ovat voineet perustella määräyksiä ympäristösyiden lisäksi myös taloussyihin vedoten. Toisaalta kierrättäminen voi tulla myös halvemmaksi kuinmalminjalostaminen metalliksi, joka saattaa laskea metallien hintoja. Esimerkiksi kierrätetynlyijynosuus lyijyn maailmanlaajuisesta kulutuksesta on jo noin 50 %.

Ilmeniitin lopputuote jalostetaan hyvin monenlaiseen käyttöön esimerkiksimaaleissa,papereissa,muoveissajamusteissa,joten sitä on hyvin hankala kierrättää. Metallista titaania toki kierrätetään tehokkaasti. Ilmeniitti muistuttaakin kierrätyksen kannalta teollisuuskemikaaleja, joiden kierrättäminen on hankalaa. Titaania ei pystytä kannattavasti erottamaan edes jätemaaleista tai -papereista, joten kierrätyksen vaikutus ilmeniitin louhintaan ja hintaan on mitätön.Pigmentti- ja metallisovellusten titaanille ei ole myöskään löydetty korvaajia. Onkin väitetty että titaani on yksi ainoista perusmetalleista, joiden käyttö lisääntyy tulevaisuudessa.

Valtaosa louhittavasta ilmeniitistä saadaan sedimenttiesiintymistä, joiden ilmeniitti on raskaan, hienojakoisen hiekan muodossa. Louhinta tehdään ruoppaamalla tai kuivalouhinnalla. Ruoppauslaitteisto on kalliimpi mutta tehokkaampi, ja yleensä samalla lautalla on niin imukalusto kuin rikastuskalustokin: märkä liete pumpataan suoraan rikastuslaitokselle. Ruoppaus kuluttaa myös suhteessa enemmän energiaa. Kuivalouhinnassa vaaditaan enemmän henkilökuntaa, koskakaivureille,dumppereillejarikastamollevaaditaan omat operoijansa. Malmin tyypistä riippuu, mitä louhintatekniikkaa käytetään.

Tärkeimmät esiintymisalueet ja louhintamäärät

Ilmeniitin tuotantoalueita vuonna 2005 maailmankartalla. Vihreällä on merkitty suurimmat tuottajat, keltaisella suuria tuottajia ja punaisella pienempiä tuottajia. Kuva ei sisällä kaikkia ilmeniitintuottajia.

TiO₂-muodolla tarkoitetaan tuotantomäärää kerrottuna tuotteen TiO₂-prosenttiosuudella. Tässä muodossa laskettuna maailman titaanituotanto oli 5,04 megatonnia vuonna 2003. Tästä käsittelemättömän ilmeniitin osuus oli 2,13 megatonnia.

Etelä-Afrikka oli maailman suurin ilmeniitin tuottaja vuonna 2012. Jos mukaan lasketaan muiden titaanimineraalien tuotanto, Australia oli suurin titaaniraaka-aineiden tuottaja vuonna 2012. Vuoden aikana ilmeniittivaroista, samoin kuin kaikista titaanimineraalien varoista, käytettiin hyväksi alle prosentti. Ilmeniitin osuus titaaniraaka-aineen markkinoista oli noin 92 % (mukaan laskettu ilmeniittijalosteet). Mineraalien varannoiksi arvioitiin yli 2 miljardia tonnia.

Titaanilouhintateollisuus on hyvin keskittynyttä ja kolme suurinta tuotantoyhtiötä tuottaa lähes puolet titaaniraaka-aineesta. Australialainen Iluka Resources Limited oli vuonna 2003 suurin titaaniraaka-aineen tuottaja ja sillä oli 20 % markkinoista, toiseksi suurin oli kanadalainen QIT 14 % osuudellaan ja kolmanneksi suurin eteläafrikkalainen Richards Bay Minerals 13 % osuudellaan. Yhdeksän suurinta yhtiötä tuotti 75 % titaaniraaka-aineesta vuonna 2003.

Ilmeniitti oli pitkään tärkein titaanimineraali, kunnes vuonna 1990 slagin tuotanto ylitti ilmeniitin tuotannon TiO₂-yksiköillä mitattuna. Ilmeniitin louhinta on kuitenkin kasvanut nopeasti Kiinassa. Vuonna 2003 ilmeniitin markkinaosuus TiO₂-yksiköillä mitattuna oli 42 %, kun slagin osuus oli 33 %.

Ilmeniitin tuotanto ja mineraalivarat tuhansina TiO₂-tonneina USGS:n mukaan

Maa	Tuotanto 2012	Arvioitu tuotanto 2013	Mineraalivarat
Etelä-Afrikka	1100	1100	63 000
Kiina	960	950	200 000
Australia	940	940	160 000
Kanada **	750	770	31 000
Vietnam	510	500	1600
Madagaskar	380	430	40 000
Ukraina	360	410	5900
Norja	360	400	37 000
Mosambik	350	480	14 000
Intia	340	340	85 000
Yhdysvallat	300 *	300 *	2000 *
Brasilia	45	45	43 000
Sri Lanka	32	32	***
Muut maat	74	90	26 000
Yhteensä (~)	6500	6790	700 000

* sisältää myös rutiilin tuotannon ja mineraalivarat

** pääosa tuotannosta rikastetaan slagiksi

*** tietoja ei saatavilla

Rikastusprosessit

Ilmeniittirikastuslaitoksen slagisiilojaTyssedalissa,Norjassa.

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 poistetaanhydrosyklonienavulla. 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 jakonduktiivisiinominaisuuksiin. 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 onmetallurginenprosessi, jossa ilmeniitin rauta pelkistetään kivihiilen avulla 1 200–1 600 °C:n lämpötilassa ja sitten erotetaan lopputuotteesta. Titaanikuonan lisäksi prosessissa syntyytakkirautaa.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 esimerkiksikalsiumjamagnesium,eivät juuri siirry rautaan.

Slagia tuotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1951 QIT:n Lac Allardin ilmeniitistäSorelissaja samaa tekniikkaa käytetään esimerkiksi Etelä-Afrikassa Richards Bay Mineralsissa. Suurimmat slagin tuottajat Sorelin ja Richards Bayn lisäksi ovatTicorEmpangessaEtelä-Afrikassa, Tinfos Titan and Iron KS Tyssedalissa Norjassa jaNamakwa Sands LimitedSaldanha BayssaEtelä-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 ilmeniitinpelkistämiseenpyörivissäuuneissa,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 prosessikehitettiin Australiassa 1960-luvun lopulla. Australiassa oli paljon ilmeniittiä, mutta sen titaanidioksidipitoisuus oli liian alhainen myyntiin, joten haluttiin etsiä keino rikastaa malmia. Prosessi on seuraavanlainen.:

1. Pyörivään polttouuniin, jonka poistolämpötila on 1 050–1 150 °C, syötetään ilmeniittiä, hiiltä ja rikkiä. Rauta pelkistyy metalliksi ja TiO₂pelkistyy osittain Ti₂O₃-muotoon.Rikkimuodostaa uunissa raudan jamangaaninkanssa kompleksin, joka poistetaan myöhemminrikkihaponavulla.
2. Pelkistynyt ilmeniitti sekoitetaan ilmastetun veden kanssa pienissä erissä.Ammoniumkloridikatalysoi reaktiota, jossa ilmeniittirakeiden rauta hajoaa liuokseksi ja leviää rakeiden pinnalle kompleksi-ioneina. Ilmastettu vesi hapettaakompleksi-ionitrautaoksideiksi ja -hydroksideiksi, jotkasaostuttuaanvoidaan poistaa liuoksesta.
3. 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 Mineralskehitti 1990-luvun puolivälissä synteettisen rutiilin kehitysprosessin, jossa vähennetään sen uraani- jatoriumpitoisuuksia.Prosessi on tehokas, mutta lisää kustannuksia. Becherin prosessia joudutaan tulevaisuudessa muokkaamaan, jotta se toimisi myös titaanidioksidipitoisuudeltaan köyhemmillä ilmeniiteillä, joita on paljon enemmän saatavilla.

Ilmeniitin lopputuotteet, niiden prosessointi ja käyttö

Titaani on 17. tuotetuin alkuaine ja titaanidioksidi kolmanneksi tuotetuin epäorgaaninen kemikaaliammoniakinjafosforihaponjälkeen. Maailman titaanituotannosta vain 2,5 % käytetään metallina ja yli 93 % käytetään titaanidioksidipigmenttinä. Jäljelle jäävä osa louhitusta ilmeniitistä käytetään sulateaineina ja pinnoitteinahitsauksessa,lisäaineena rauta- ja terästeollisuudessa,hiekkapuhalluksessajaporauksenlisäaineena sekä vähäisessä määrin muina titaanikemikaaleina.

Titaanin käyttöhistoria ei ole kovin pitkä. Titaanipigmenttien teollinen tuotanto on aloitettu 1930-luvun lopulla ja metallin tuotanto vasta 1950-luvun lopulla. Metallin käytön kasvu on ollut nopeaa, 30 vuotta ensimmäisten sovellusten jälkeen 1980-luvun lopulla keskivertolentokoneen painosta saattoi olla jo 30 % titaania.

Titaanidioksidi

Pääartikkeli:titaanidioksidi

Titaanidioksidi (TiO₂) on hyvininertti,myrkytönvalkoinenyhdiste, jonkamoolimassaon 79,90. Sen taittokerroin on erittäin korkea (2,6–2,9), minkä takia sitä käytetään maaleissa, papereissa ja muoveissa lisäämään niidenpeittokykyä.Titaanidioksidipigmentit ovat parempien ominaisuuksiensa vuoksi syrjäyttäneet lyijypohjaiset pigmentit ja TiO₂onkin ominaisuuksiensa takia tuotetuin epäorgaaninenväriaine.Esimerkiksi maalien painosta on usein yli 20 % titaanipigmenttiä.

Vuonna 1994 valmistetusta titaanipigmentistä käytettiin 59 % pinnoitteina ja maaleina, 20 % muovien lisäaineena, 13 % paperin lisäaineena ja 8 % muuhun käyttöön. Väriaineen lisäksi titaanidioksidia käytetään esimerkiksikatalysaattoreissavoima- ja teollisuuslaitoksilla,UV-suojanaaurinkovoiteissasekäkeraamisissasähköeristeissä.

Puhtaan titaanioksidin valmistusreaktio keksittiin vuonna 1908 ja sen teollinen valmistus alkoi Norjassa vuonna 1916.Titaanidioksidia voidaan valmistaa sulfaatti- tai kloridiprosessilla. Kloridiprosessia käytetään, kun raaka-aineena on rutiilimineraali, ja sulfaattiprosessia, kun raaka-aineena on esimerkiksi ilmeniitti.

Kloridiprosessissa titaanimineraalit muutetaan titaanitetrakloridiksi ja edelleen titaanidioksidiksi tai titaanimetalliksi. Kloridimenetelmä on uudempi kuin sulfaattimenetelmä ja se saastuttaa vähemmän, mutta se vaatii raaka-aineekseen paljon eli yli 70 % titaanidioksidia sisältävän malmin. Tätä tuotantotapaa käyttävien tehtaiden pääraaka-aine ei ole ilmeniitti.

Sulfaattimenetelmässä TiO₂tiivistetään malmista rikkihapon avulla monimutkaisessa prosessissa. Tässä prosessissa ei raaka-aineelta vaadita korkeaa titaanidioksidipitoisuutta, mutta sen jätteet ovatympäristömyrkkyjä,ellei niitä neutraloida. Yleensä sulfaattiprosessia käyttävien titaanipigmenttitehtaiden käyttämän ilmeniittiraaka-aineen titaanidioksidipitoisuus on 45–60 %.

Ilmeniittiä ja muita matalan TiO₂-pitoisuuden raaka-aineita voidaan muokata niin, että niitä voidaan käyttää hyväksi kloridiprosessissa. Tämä voidaan tehdä siksikin, että puhtaampi raaka-aine vähentää sulfaattiprosessissa syntyvien jätteiden määrää.

Titaanimetalli

Pääartikkeli:titaani

KidetankoprosessillaNeuvostoliitossatuotettu titaanikidetanko. Tangon puhtausprosentti on 99,995 %, se painaa noin 283 g ja on pituudeltaan noin 14 cm.

Raakatitaanisylinteri. Kuvan sylinteri on painoltaan noin 120 g ja se on kooltaan 3 x 4 cm.

Titaani on vaaleanhopea, kevyt ja helposti muokattavissa oleva metallinen alkuaine, joka kestääkorroosiotaerittäin hyvin. Eniten titaania käytetäänlentokoneteollisuudessa,johtuen sen korroosionkestävyydestä sekä hyvästäsitkeys-tiheyssuhteesta. Titaanin käyttö on lisääntynyt myös muualla liikenneteollisuudessa kun autojen ja muiden liikennevälineiden hyötysuhdetta ja polttoainetaloudellisuutta on pyritty kasvattamaan. Titaania käytetään myös kemianteollisuuden laitoksissa, joissa komponenteilta vaaditaan erityisen hyvää korroosionkestoa, esimerkiksimerivedenpuhdistuslaitoksissa.Titaania käytetään myös terässeoksien vahvistamiseenja lääketieteessä muun muassatekoniveliinja -proteeseihinsekä kirurgisiin työvälineisiin.

Titaanimetallin eristämisen keksiMatthew Hunter,joka valmisti 98–99 prosenttista puhdasta titaania vuonna 1910. Puhtaan titaanin eristäminen on vaikeaa, koska titaanin affiniteetti ilman kaasuihin on korkea.Anton Eduard van Arkelkehitti menetelmän puhtaan titaanin valmistamiseksi niin sanotulla kidetankoprosessilla vuonna 1922, mutta se soveltuu vain pienen mittakaavan tuotantoon. Hunterin prosessin syrjäyttiWilliam Krollinkehittämä valmistusprosessi, jota käytetään yhä teollisen titaanin valmistamiseen, joskin on olemassa kilpailevia valmistusprosesseja.

Titaanimetallia valmistetaan pelkistämällä titaanitetrakloridia, jota prosessoidaan synteettisestä tai luonnollisesta rutiilista. Sulfaattiprosessissa valmistettu titaanipigmentti on sen sijaan sopimaton metallin valmistamiseen epäpuhtauksien vuoksi. Titaanidioksidin muuntaminen metalliksi ei ole energiatehokas prosessi, koska titaanidioksidin perusmuodostumisentalpia on niin korkea ja koska happi on niin liukoinen titaaniin. Teolliset titaanimetalliprosessit perustuvattitaanihalideihin.

Hunterin prosessi perustuu titaanitetrakloridin pelkistämiseen natriumin avulla kun Krollin prosessissa pelkistämiseen käytetään magnesiumia. Natriumin kanssa pelkistettäessä prosessi on halvempi toteuttaa, mutta lopputuote on puhtaampaa magnesiumpelkistäjän kanssa. Vuonna 1995 magnesiumprosessi hallitsi markkinoita: 98 % maailman raakatitaanista valmistettiin sen avulla.

Raakatitaania tuotetaan maailmassa vain yhdeksässä tehtaassa Kiinassa, Japanissa, Venäjällä, Yhdysvalloissa, Ukrainassa ja Kazakstanissa. Raakatitaani sisältää vielä paljon epäpuhtauksia, joita vähennetään esimerkiksi liuotustekniikoin tai tislaamalla.

Titaanimetallin kierrättämisestä on tullut tärkeä titaaniraaka-aineen lähde. Yhdysvalloissa jätteestä tuotetaan noin 40 % titaaniraaka-aineesta, Euroopassa vain noin 10–30 %.

Muita ilmeniittituotteita

Ilmeniittiä käytetäänhitsauspuikkojenpäällysteinä ja hitsauksen lisäaineena. Yleensä päällysteinä käytetään rutiilia tai leukokseenia, mutta kustannussyistä myös ilmeniittiä käytetään. Hitsauskäyttöön sopivassa ilmeniitissä ei saa olla epäpuhtauksinafosforiatairikkiä.Hitsauspuikkoihin kuluu vuosittain noin 110 000 tonnia titaanimineraaleja puhtaaksi titaanidioksidiksi muutettuna.

Huonolaatuisia titaanimineraaleja käytetäänsulattamojenlisäaineina, erityisesti raudan jateräksenvalmistuksessa. Muun muassa Lac Allardin ilmeniittiä käytetään tähän käyttöön Euroopassa,Japanissa,Etelä-KoreassajaBrasiliassa.Ilmeniittiä käytetään suuren tiheytensä vuoksi myös porauksen lisäaineena erityisestiPohjanmerelläöljynporauksessa.

Ilmeniitti Suomessa

Ilmeniittiä löydettiin Suomesta ensimmäisen kerran 1930-luvun lopulla Otanmäeltä,Vuolijoelta.Kairaukset aloittiGeologinen tutkimuslaitos,mutta ne siirtyivät 1939Suomen MalmiOy:lle, joka sai itselleen myösvaltaustenhallinnan vuonna 1940. Malmiesiintymän hyväksikäyttösuunnitelma esiteltiin valtioneuvostolle 1946.

Otanmäen esiintymä liittyyjatulimagmatisminaikaiseen mafiseen intruusioon. Ensimmäiset malmilohkareet löydettiinSukevalta1937, ja emäkiven lähtöpaikka löydettiin vuotta myöhemmin noin 60 km Sukevalta pohjoiseen Otanmäeltä.

Malmi on syntynyt emäksisen magman intrudoituessa ja fraktioituessa. Ei ole varmaa, mistä malmin raitaisuus johtuu, koska se on kokenutalueellisen metamorfoosin.Raitaisuus on voinut syntyä vaakasuuntaisina kerrosintruusioina, jolloin deformaatio on kääntänyt malmin pystysuuntaan, tai raitaisuus voi johtua magmaattisesta virtausdifferentiaatiosta, jolloin kiteytyminen on voinut tapahtua pystysuunnassa. Jälkimmäinen selitys on kuitenkin todennäköisempi, koskaplagioklaasion suuntautunut virtausrakenteen mukaisesti.

Malmialueen hallitsevat kivilajit ovat arkeeiset heterogeenisetgranitoidit,joissa ontrondhejmiittisiaja pegmaattisia osia sekäkiillegneissi- jaamfiboliittisulkeumia.Alueella on rakenteeltaan allasmainen pintasyntyisten kivilajien kompleksi, jossa tavataan kiilleliuskeita,kvartsi-maasälpäliuskeitaja metadiabaaseja. Itse malmi on gabro-anortosiitti-intruusioissa, ja se muodostaa suprakrustisten liuskeiden ympärille rengasmaisen alueen. Gabrojen pyrokseenit jaoliviiniovat muuttuneetamfiboleiksijaserpentiniiteiksi.Renkaan keskellä on pintasyntyisten kivien lisäksi alkaligneissejä. Iänmääritysten mukaan gabro on 2 060 Ma vanhaa ja alkaligneissi 2 000 Ma vanhaa.

Otanmäen esiintymä ei ole alueen ainoa malmipitoinen intruusio, mutta muut lukuun ottamatta Vuorokkaan esiintymää ovat liian pieniä kannattavalle kaivostoiminnalle. Otanmäen malmivyöhyke on itä-länsisuunnassa noin kolmen kilometrin pituinen ja noin puoli kilometriä leveä, ja se sijaitsee isohkon gabrointruusion pohjoisreunalla. Vyöhykkeen malmi on itä-länsisuuntaisissa jyrkkäkaateisissa linsseissä, joiden pituusakseli kaatuu noin 50 astetta länteen. Linssejä on useita satoja ja ne ovat 20–200 m pitkiä ja 3–5 m leveitä.

Malmikiven päämineraalit ovat magnetiitti ja ilmeniitti, lisäksiharmemineraalinaesiintyykloriittia,sarvivälkettäja plagioklaasia. Malmissa on gabro- ja anortosiittifragmentteja sulkeumina ja sen raitaisuus noudattelee sulkeumien muotoja. Magnetiitin ja ilmeniitin suhteellinen määrä on malmissa melko vakio, vaikka absoluuttiset määrät vaihtelevat. Keskimäärin magnetiittia on 38 % ja ilmeniittiä 29 %.

Otanmäen malmissa tavataan vain harvoin V-Ti-Fe-malmeille yleistä magnetiitin ja ilmeniitin lamellaarista yhteenkasvamaa, koska malmi on syntynsä jälkeen metamorfoitunut.Amfiboliittifasieksenmetamorfoosin olosuhteissa malmimineraalit ovat erottuneet itsenäisiksi rakeiksi, jotka voidaan rikastusprosessissa erottaa puhtaiksi ilmeniitti- ja magnetiittirakeiksi. Malmin vanadiini esiintyy ilmeniitin ja magnetiitin kiderakenteessa, keskimäärin magnetiitissa sitä on 0,63 % ja ilmeniitissä 0,17 %.Vanadiinipentoksidioli aiemman tehtaan päätuote.

Malmiesiintymän hyödyntämiseksi perustettiinOtanmäki Oyvuonna 1950, jonka omistivatSuomen valtio,Suomen pankkijaImatran VoimaOy. Tuotantolaitoksien rakentaminen aloitettiin 1951 ja tuotanto lähti käyntiin 1953. Yhtiö vei aluksi ilmeniittirikasteensa ulkomaille, mutta vuodesta 1961 lähtien ilmeniitti vietiin kokonaisuudessaanVuorikemia Oy:ntitaanidioksiditehtaalle Poriin. Otanmäen ilmeniitti oli pitkään Vuorikemian tehtaiden lähes ainoa titaaniraaka-aine.

Porin titaanidioksiditehdas vuonna 2012.

Vuorikemian titaanidioksiditehdas oli seurausta ilmeniittivarantojen löytämisestä. Hallintoneuvosto halusi, että rikaste käytetään Suomessa, ja valmistukseen liittyvät tutkimukset saatiin kunnolla käytiin ilmeniittirikasteen ostajien kanssa 1950-luvun puolivälissä. Ostajat olivat kiinnostuneita yhteistyöstä, koska rikasteen kuljettaminen vähentyisi ja lisäksi Suomessa olirikkihapontuotantoa. Kauppa- ja teollisuusministeriö kutsui useita valtionyhtiöitä neuvotteluihin ja lopulta Vuorikemia Oy saatiin perustettua eri yhtiöiden yhteisyrityksenä kesällä 1957. Titaanidioksidin tuotanto sopi hyvin yhtiöille, silläOutokummunKotalahdennikkelitehtaan jalostuksessa syntyi rikkipitoisia kaasuja, joista valmistettiin Rikkihappo- ja Superfosfaattitehtaat Oy:nHarjavallantehtailla rikkihappoa. Se taas saatiin hyödynnettyä titaanidioksidin valmistuksessa.

Tehdas päätettiin rakentaa lähelleHarjavaltaa,mutta meren äärelle, joten päädyttiinPoriin.Rakennustyöt käynnistyivät vuonna 1959. Tehtaan tekniikka ja tietotaito ostettiin British Titan ProductsiltaEnglannista.Tuotanto käynnistyi 1962, jolloinRikkihappo Oymyös osti tehtaan kokonaan itselleen.

Otanmäen kaivoksen tuotanto päättyi 1985, jolloin kaivoksesta oli louhittu 31 megatonnia malmia.Kaivoksen avaamista uudelleen on suunniteltu vuosien 2018–2019 aikana.

Otanmäen esiintymien lisäksi on Suomesta löydetty ilmeniittiä esimerkiksiKokkolanjaKolarinalueilta. Kaikki Suomessa sijaitsevat ilmeniittiesiintymät liittyvät gabro-luokan mafisiin intruusioihin, joten ne muodostavat oman malmityyppinsä, koska tavallisesti magmaattiset ilmeniittiesiintymät liittyvät anortosiitteihin. Malminetsintä on kiihtynyt Otanmäen kaivoksen sulkeuduttua, ja erityisesti Kokkolan alueen esiintymät, jotka löydettiin vuonna 1995, vaikuttavat taloudellisesti potentiaalisilta.

Kokkolan alueella on Kairinnevan, Koivusaarennevan, Peränevan ja Lylynnevan esiintymät, joiden valtausoikeudet ovatKalvinit Oy:llä.Alueen esiintymien ilmeniitti on hyvälaatuista ja ilmeniitti esiintyy omina puhtaina rakeinaan.

Kauhajoen-Honkajoentitaani-fosfori-rautamalmi esiintymä on kooltaan suuri, mutta pitoisuudeltaan alhainen. Etelä-Suomessa on paljon magmaattisia Fe-Ti-V-malmeja, joissa ilmeniitti ja magnetiitti esiintyvät erillään, mutta ne ovat kooltaan pieniä. Kolarin alueen Karhujupukan ja Kortonlehdon esiintymät ovat taloudellisesti potentiaalisia, jos lähialueen rautamalmien kaivostoiminta käynnistyy.

Lähteet

• Adipuri, A., Li, Y., Zhang, G., & Ostrovski, O. 2011. Chlorination of reduced ilmenite concentrates and synthetic rutile. International Journal of Mineral Processing, 100, 166–171.
• Force, E. 1991. Geology of titanium-mineral deposits. Geological Society of America. 259, 112 s.ISBN 9780813722597
• Güther, V., Sibum, H., Roidl, O., Habashi, F., & Wolf, H. 2005. Titanium, Titanium Alloys, and Titanium Compounds. Teoksessa: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley InterScience.ISBN 978-3-527-30673-229 s.
• Griebler, W. D., Kischkewitz, J., Liedekerke, M., Westerhaus, A., & Woditsch, P. 2006. Pigments, Inorganic. Teoksessa: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley InterScience. 77 s.
• Griffin, B., Rissanen, J., Pooley, G., Lee, D., Macdonald, I., & Kinny, P. 1995. A new diamondiferous eclogite-bearing kimberlitic occurrence from Finland. Sixth International Kimberlite Conference. s. 198–200.
• Haapala, I. 1988. Suomen teollisuusmineraalit ja teollisuuskivet. Yliopistopaino.ISBN 9789515700162.168 s.
• Haapala, I. & Ojanperä, P. 1972. Magnetite and ilmenite from some Finnish Rocks. Geological Society of Finland, 44, 13–20.
• Hytönen, K. 1999. Suomen mineraalit. Geologian tutkimuskeskus.ISBN 9789516907454396 s.
• Janssen, A., & Putnis, A. 2011. Processes of oxidation and HCl-leaching of Tellnes ilmenite. Hydrometallurgy, 109, 194–201.
• Lohva, J., & Lehtimäki, J. 2005. Geophysical investigation of kaolin and ilmenite deposits in Finland. Geological Survey of Finland, Special Paper 39, 147–154.
• Mehdilo, A., Irannajad, M., & Rezai, B. 2015. Chemical and mineralogical composition of ilmenite: Effects on physical and surface properties. Minerals Engineering, 70, 64–76.
• Murphy, P. & Frick, L. 2006. Titanium. Teoksessa: Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses. Kogel, J. (Toim.) SME., 987–1003.
• Nesse, W. D. 2009. Introduction to Mineralogy. Oxford University Press. 348 s.
• Papunen, H., Haapala, I., & Rouhunkoski, P. 1986. Suomen malmigeologia. Metalliset malmiesiintymät. Suomen Geologinen Seura ry. 317 s.
• Rumble, D. 1976. Oxide Minerals. Mineralogical Society of America. 3, 706 s.
• Sarapää, O. 2011.High-tech-metallien merkitys ja potentiaali(Arkistoitu– Internet Archive). GTK.
• Sarapää, O., Ahtola, T., Reinikainen, J., & Seppänen, H. 2003.Industrial mineral potential in Finland^{[vanhentunut linkki]}.Geological Survey of Finland Current Research 2001–2002, s. 5–12.
• Sarapää, O., Ahtola, T., Al-Ani, T., Kärkkäinen, N., Laxström, H., Lahti, S., Lehtonen, M., Torppa, A., & Turunen, P. 2010.Hi-tech metallien globaalit varannot, tuotanto ja käyttö sekä Suomen potentiaali.Geologian Tutkimuskeskus. 115.
• Seppälä, E. 1999. Lujalla maalla. Kemira Oy 1945–1980. Kemira.ISBN 951-97173-4-X.362 s.
• Vaasjoki, O. 1947. On the microstructure of titaniferous iron ore at Otanmäki. Suomen Geologisen Toimikunnan julkaisusarja 20, s. 107–114.
• Weighed, P. 2001.Geode – Ilmenite deposits(Arkistoitu– Internet Archive). Norges geologiske undersøkelse.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheestaIlmeniittiWikimedia Commonsissa

• Mindat: Ilmenite(englanniksi)
• Webmineral: Ilmenite Mineral Data(englanniksi)