Yleistä platinaryhmän metalleista

Platinaryhmä (PGM) on kuuden alkuaineen ryhmä, johon kuuluvat ruteeni, rhodium ja palladium (järjestysluvut = 44–46) sekä osmium, iridium ja platina (järjestysluvut = 76–78). Platinaryhmään kuuluvat metallit ovat kemiallisesti hyvin samankaltaisia, mutta niiden fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Platina, iridium ja osmium ovat metalleista tiheimpiä, platina ja palladium taas ovat erittäin kuumuuden- ja korroosionkestäviä, pehmeitä ja joustavia ja siten helpommin työstettäviä, kuin muut ryhmän aineista.

Seuraavassa lyhyet kuvaukset platinaryhmän alkuaineista (lähde: Frimodig, 2019):

  • Palladium on kohtalaisen pehmeä ja kiiltävä metalli, josta saadaan lämpökäsitelyllä helposti muovattavaa. Palladiumin liuottamiseen voidaan käyttää useita erilaisia happoja huoneenlämpötilassa, joista yleisimpiä ovat muun muassa typpihappo, vetybromidi- ja vetyjodidihappo sekä kuningasvesi. Sulat hydroksidisuolat eivät sovellu palladiumin tehokkaaseen liuottamiseen. Palladiumin sulamispiste on 1554 C, joka on platinaryhmän metalleista matalin. Palladiumin tiheys huoneenlämmössä on 12,02 g/cm3, joka myös on ryhmän pienin. Palladiumin ja platinan on havaitty imevän yli 900 kertaa oman tilavuutensa verran vetykaasua huoneenlämpötilaisesta ilmamassasta. Vetykaasu voidaan vapauttaa metallista tämän jälkeen kuumennuksen avulla.  (Lähde: Frimodig, 2019)
  • Platina on taipuisa ja muokattavissa oleva hopeanvalkoinen metalli. Platina on kohtalaisen inertti, sillä se ei hapetu ilman vaikutuksesta missään lämpötilassa, mutta syöpyy halogeenien, syanidien, rikin ja syövyttävien emästen toimesta. Platina ei liukene typpihappoon tai vetykloridihappoon, mutta liukenee näistä hapoista valmistettuun kuningasveteen. Platinaa voidaan myös liuottaa käyttämällä sulaa kaliumsyanidisuolaa, johon se liukenee huomattavasti paremmin kuin natriumsyanidisuolaan. Platina ja palladium ovat pehmeimpiä platinaryhmän metalleja, jonka vuoksi niistä valmistetaan usein erilaisia lejeerinkejä. Niistä syntyvillä lejeeringeillä voi olla mielenkiintoisia taipumuksia. Esimerkiksi platinasta ja koboltista valmistetulla lejeeringillä on havaittu olevan magneettisia ominaisuuksia. (Lähde: Frimodig, 2019)
  • Rodium on hopeisen valkoinen metalli. Rodium on niukkaliukoinen ja se liukenee hyvin vain halogeeneja sisältäviin happoihin, kuten vetybromidihappoon ja suliin natriumsyanidisuoloihin. Rodiumin liuottamiseen voidaan hyödyntää kloorausta. Tällöin 500-600 C lämpötilassa kloorattu rodium pelkistetään hydratsiinilla ja syntynyt rodiumyhdiste liuotetaan vetykloridihappoon. Lämmitettäessä rodiumia rauhallisesti hapen läsnäollessa muodostuu rodium-(III)oksidia, josta rodium voidaan palauttaa metalliseen muotoon jatkamalla lämmitystä hyvin korkeisiin lämpötiloihin. Rodiumilla on hyvä sähkönjohtavuus ja korroosionkestävyys sekä platinaa korkeampi sulamispiste. Rodium toimii hyvänä seosmetallina esimerkiksi platinalle ja palladiumille, joiden kovuutta voidaan parantaa rodiumlisäyksellä. (Lähde: Frimodig, 2019)
  • Rutenium on valkoinen ja kova metalli. Rutenium ei liukene happoihin, kuten kuningasveteen tai rikkihappoon, mutta liukenee hyvin natriumhypokloriittiin ja suliin hydroksidisuoloihin, kuten kalium- ja natriumhydroksideihin. Tämän lisäksi sulan natriumperoksidin on havaittu toimivan hyvänä liuottimena. Rutenium reagoi esimerkiksi halogeenien ja hydroksidien kanssa muodostaen muun muassa ruteniumkloridia ja ruteniumfluoridia. Rutenium muodostaa emäksisessä liuoksessa kaliumpersulfaatin kanssa rutenaatteja. Kaliumkloraatin vaikutuksesta rutenium hapettuu räjähdysmäisesti. Ruteniumin on myös havaittu hapettuvan ilman vaikutuksesta yli 800 C lämpötilasssa. (Lähde: Frimodig, 2019)
  • Osmium on jaksollisessa järjestelmässä ruteniumin alapuolella. Osmium ja rutenium ovat kemiallisesti samankaltaisia. Osmium on kiiltävä ja sinertävän valkoinen metalli, jota pidetään tiheimpänä tunnettuna metallina. Osmiumin tiheys (22,59 g/cm3) ja sulamispiste (3045 C) ovat lähes kaksinkertaisia palladiumiin verrattuna ollen samalla myös platinaryhmän korkeimpia. Metallinen osmium on erittäin kovaa ja haurasta jopa korkeissa lämpötiloissa, jonka vuoksi sen koneistaminen ja mekaaninen käsittely on hankalaa. Huoneenlämpötilassa jauhemainen ja huokoinen osmium voi muodostaa hapen kanssa osmiumtetraoksidia, joka on voimakas hapetin ja hyvin myrkyllinen yhdiste. Jauhemainen osmium voidaan sintteröidä vetyatmosfäärissä 2000 C lämpötilassa, jolloin se saadaan inertimpään ja täten myös turvallisempaan muotoon. Osmium liukenee muun muassa kuningasveteen, suliin hydroksidisuoloihin sekä 100 C lämpötilassa typpihappoon ja fosforihappoon. (Lähde: Frimodig, 2019)
  • Iridium on hieman kellertävä, valkoinen metalli, joka on hyvin kovaa ja haurasta. Iridium kestää tunnetuista metalleista parhaiten korroosiota ja sen tiheys on hyvin lähellä osmiumin tiheyttä. Hyvästä korroosionkestävyydestä johtuen iridiumin liuottaminen on hankalaa. Iridium ei liukene happoihin tai kuningasveteen, mutta sen on havaittu liukenevan heikosti suliin natrium- ja kalsiumsyanidisuoloihin. Iridiumin liuottamiseen voidaan hyödyntää myös natrium- tai bariumperoksidia, jolloin syntyvä iridaatti liukenee happamiin liuoksiin. Jauhemainen iridium voidaan kloorata 500-600 C lämpötilassa, jolloin syntyvät iridiumkloridit voidaan pelkistää sekä liuottaa happoihin matalammissa lämpötiloissa. (Lähde: Frimodig, 2019)

 

Käyttökohteet

Platinaryhmän metallien tärkeimpiä sovelluskohteita ovat päästöjen myrkyllisyyttä vähentävät autokatalysaattorit, joiden kysyntä on kasvanut 1970-luvulta lähtien. Vuonna 2008 yli puolet platinan, palladiumin ja rhodiumin tuotannosta käytettiinkin niiden valmistukseen (BGS 2009).  Autokatalysaattorien lisäksi etenkin platinaa käytetään runsaasti koruissa ja palladiumia elektroniikassa.

Kuuden platinaryhmän metallin katalyyttiset ominaisuudet ovat erinomaiset. Ne kestävät hyvin kemialliset hyökkäykset, sietävät korkeita lämpötiloja ja tarjoavat vakaat sähköiset ominaisuudet. Kaikki näitä ominaisuuksia on hyödynnetty teollisissa sovelluksissa. Kemianteollisuus käyttää huomattavia määriä platinaa tai platina-rhodium-seosta katalyyttinä. Viime vuosina platinaryhmän metalleista on tullut tärkeitä synteettiselle orgaaniselle kemialle. Platina-pohjaisia katalyyttejä käytetään öljynjalostuksessa. (USGS)

 

Esiintymät ja tuotanto

Platinaryhmän metallit ovat harvinaisia. Maankuoren platina- ja palladiumpitoisuudet ovat arviolta 0.0005 g/t; ryhmän muut jäsenet ovat jopa niitä harvinaisempia pitoisuuksien jäädessä n. 0.0001 g/t (BGS 2009). Luonnossa platinaryhmän alkuaineet esiintyvät enimmäkseen perusmetallien sulfidimineraaleissa kuten magneettikiisussa, kuparikiisussa ja pentlandiitissa tai lukuisissa aksessorisissa mineraaleissa, jotka sisältävät platinaryhmän metalleja (BGS 2009). Ultramafisissa kivilajeissa, kuten peridotiitissa, platina- ja palladiumpitoisuudet saattavat olla 0.0010-0.0020 g/t (BGS 2009). Kaikkia ryhmän jäseniä käytetään yleisesti metalliseoksissa, ja ne toimivat katalyytteina useissa teollisissa sovelluksissa ja päästöjen hallintajärjestelmissä. Platinan ja palladiumin ohella ryhmän jäsenistä kaupallisesti tärkein on rhodium.

Platinaryhmän metallien tuotantoluvut vaihtelevat hieman lähteen mukaan, mutta vuonna 2010 rhodiumia tuotettiin noin 23 t, palladiumia 192 t ja platinaa 190-202 t (USGS 2012; WMD 2012). Platinan, palladiumin ja rhodiumin tuotannosta suurin osa tulee Etelä-Afrikasta, ainoastaan palladiumin osalta Venäjä oli suurin tuottaja vuonna 2010 (WMD 2012). Rhodiumin tuotannosta 86 % tuli Etelä-Afrikasta, platinan tuotannosta 78 % ja palladiumin tuotannosta 42 %. Muita platinaryhmän metallien tuottajamaita ovat mm. Venäjä, Zimbabwe, Kanada ja USA. Ryhmän metallien maailmanlaajuiset varat on arvioitu 66 miljoonan kg suuruisiksi, joista yli 95 % sijaitsee Etelä-Afrikassa. Varantojen määrän on arvioitu olevan enemmän kuin 100 miljoonaa kg (USGS 2012). World Mining Datan (2012) mukaan Suomen platinatuotanto oli 300 kg vuonna 2010, mikä oli 0.16 % koko maailman tuotannosta. Tämän mukaan platinan tuotanto on laskenut 57 % vuosien 2006–2010 aikana. Suomen kaivoksista platinaryhmän metalleja sisältävät Kevitsa, Hitura ja toteutettavuustutkimusvaiheessa oleva Suhanko. Näistä Hitura lähettää platina- ja palladiumpitoisen rikasteen jatkojalostukseen Kiinaan. Myös Boliden Harjavalta tuottaa kuparielektrolyysin sivutuotteena platina-palladiumrikastetta. Lähtöaineksena olevat kuparirikasteet tosin tuodaan lähinnä Portugalista ja Etelä-Amerikasta (Boliden 2012).

 

Kuva 1. Platina kysyntä ja tarjonta vuosina 2016 – 2018 (Johnson Matthey, May 2018)

 

Kuva 2. Palladium on pärjännyt vahvasti vuosien 2009 – 2018 raaka-aineiden tuottovertailussa. (lähde: Visual Capitalist, Jan 2019)

 

 

Kuva 3. Rodiumin hinta on noussut räjähdysmäisesti parin viime vuoden aikana. (lähde: The Economist, Jan 2020) 

 

Platinaryhmään liittyviä uutisia

  • Palladium deficit expected to widen in 2020 – Johnson Matthey. Kitco News, 12 Feb 2020.
  • The price of rhodium reaches an 11-year high. The Economist, 21 Jan 20202.
  • Palladium is now more expensive than gold has ever been. Bloomberg, Dec 12, 2019.
  • South Africa power crisis: Severe blackouts shut down mines. DW, 10 Dec 2019.
  • Autojen katalysaattoreiden varkaudet kovassa kasvussa Lontoossa. BBC, 20.9.2019.
  • Palladium outshines gold for first time in 16 years. Reuters, Dec 5, 2018.
  • The PGM Market Report. Johnson Matthey. http://www.platinum.matthey.com/documents/new-item/pgm%20market%20reports/pgm_market_report_may_2018.pdf

 

Lisätietoa platinaryhmän metalleista

 

Palladiumin kova meno jatkuu vuonna 2020

 

Palladium pudotti kullan hopeasijalle

 

Autojen katalysaattoreiden varkaudet rajussa kasvussa Lontoossa palladiumin ja rhodiumin hinnannousun myötä

 

LATAA KRIITTISET METALLIT JA HUOLTOVARMUUS -RAPORTTI TÄÄLTÄ!