1/2014, Tutkimus ja innovaatiot

Mitä yhteistä on uusilla betonituotteilla, vedenkäsittelyllä ja maastabilointimateriaaleilla? – GeoMaterials-hanke Kajaanin Ammattikorkeakoululla

GeoMaterials on Kajaanin Ammattikorkeakoululla 1.10.2013–31.12.2014 toteutettava Kainuun Liiton ja pääasiassa paikallisten yritysten rahoittama T&K-hanke. Hanke tukee myös Kainuun Etu Oy:n laajempaa kaivannaisteollisuuden kehittämisohjelmaa. Tutkimuksessa on kolme työpakettia: uudet betoninkaltaiset tuotteet, vedenkäsittelymateriaalit ja maastabilointimassat. Tutkimusalueita yhdistävänä tekijänä ovat käytettävät raaka-aineet: teollisuuden sivutuotteet ja paikallisesti saatavat mineraalit. Useita mainituista raaka-aineista voidaan käyttää geopolymeerien valmistamiseen. Geopolymerointi on synteesi, jossa alumiinisilikaattirakenteiset lähtöaineet saadaan liukenemaan ns. alkaliaktivaattoriin, joka voi olla esimerkiksi lipeän (NaOH) ja vesilasin (natriumsilikaattiliuos) seos.  Liuenneet alumiinisilikaatit muodostavat tämän jälkeen epäorgaanisen polymeerirakenteen. (Tyni 2014, 25) Lopputuotteena geopolymerisoinnissa saadaan rakenteellisesti ja kemiallisesti kestäviä materiaaleja, joista voidaan valmistaa uuden sukupolven tuotteita erilaisiin rakennuskohteisiin sekä maastabilointiin kuten tiepohjiksi tai kaatopaikkojen pintarakenteiksi. Geopolymeerien vedenkäsittelysovellukset adsorbenttina ovat suhteellisen uusi avaus jopa maailmanlaajuisesti tarkasteltuna. Julkaistut tutkimukset keskittyvät lähinnä raskasmetallien poistoon vedestä. (Al-Zboon, Al-Harahsheh et al. 2011, Cheng, Lee et al. 2012, Mužek, Svilovic et al. 2013, Wang, Li et al. 2007)

Geopolymeerituotteiden tutkimus- ja tuotekehitystyössä hyödynnetään monialaista osaamista muun muassa kaivannais-, prosessi-, rakennus-, energia- ja kemiantekniikan sekä tuotantotalouden aloilta. Yhteistyötä tehdään yritysten lisäksi myös mm. Oulun yliopiston geotieteiden laitoksen, CEMIS-Oulun ja Oulun ammattikorkeakoulun kanssa.

Geomateriaali- ja geopolymeeripohjaiset sideaineet

Raaka-aineena käytettävistä sivutuotteista keskeisimpiä ovat polttolaitosten lentotuhkat, joita hankkeessa toimittavat Kainuun Voima Oy ja Stora Enso Oyj (Oulun tehtaat). Kivihiilen poltossa syntyviä lentotuhkia hyödynnetään jo tällä hetkellä betoniteollisuudessa ja niille on standardoidut laatuvaatimukset. (SFS-EN 450-1) Sen sijaan biopohjaisten materiaalien, kuten turpeen ja puun, poltossa syntyvien lentotuhkien laatu on vaihtelevampi ja niille ei ole laatustandardeja. Hankkeen yhtenä tavoitteena on kehittää muun muassa biolentotuhkapohjaisia sideaineyhdistelmiä ja niihin perustuvia tuotteita vaihtoehdoksi perinteiselle portlandsementille. Portlandsementtipohjaisten tuotteiden eräs ongelma on niiden valmistuksen aiheuttamat suuret hiilidioksidipäästöt, joiden on arvioitu olevan noin 5–7 % kaikista teollisuuden aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä maailmanlaajuisesti. (Benhelal, Zahedi et al. 2013) Hiilidioksidipäästöt aiheutuvat kalkkikiven (CaCO3) kalsinoinnissa vapautuvasta hiilidioksidista (reaktioyhtälö 1) sekä usein prosessin lämmöntuotannossa (lämpötila noin 1450 °C) käytettävistä fossiilisista polttoaineista.

CaCO3 (s) à CaO (s) + CO2 (g)

Nykyisin betonia käytetään maailmassa 19 miljardia tonnia vuodessa ja se onkin veden jälkeen ihmiskunnan käytetyin materiaali. Geopolymeeriteknologiaa hyödyntämällä voidaan saavuttaa paitsi ympäristöystävällisempiä betonituotteita, myös perinteistä betonia parempia ominaisuuksia kuten kemiallinen ja lämmönkestävyys. Hankkeessa betoniteollisuutta edustavia yrityksiä ovat Pielisen Betoni Oy, Rudus ja Consolis. Lisäksi mukana oleva Suomen Valugrilli Oy on kiinnostunut soveltamaan kehitettäviä lämmönkestäviä materiaaleja tuotteissaan.

Kuva 1. Geopolymeerikoekappaleita ja perinteinen betoni (oikealla) ennen puristuslujuustestejä.

Stabilointimassojen kehitystyössä keskitytään nopeaa stabilointia edellyttäviin kohteisiin ja täyttömassoihin, joita tarvitaan esimerkiksi kaivoksissa. Myös stabilointi- ja täyttömassojen kehitystyössä tutkitaan geopolymeeritekniikan hyödyntämismahdollisuuksia. Geopolymeeritekniikka mahdollistaa haitallisten aineiden kuten raskasmetallien sitomisen ja kapseloinnin liukenemattomaan muotoon ja avaa siten mahdollisuuksia uusille tuotesovellutuksille.

Uusia vedenkäsittelymateriaaleja kunnallisille jätevesille, kaivoksiin ja kaatopaikoille

Vesitekniikassa käytetään yleisesti hyväksi adsorptiota, jossa vedessä olevat liuenneet tai kolloidiset epäpuhtaudet kiinnittyvät materiaalin (eli adsorbentin) pintaan. Tunnettu käytännön esimerkki on aktiivihiili, jota käytetään vedenkäsittelyssä poistamaan vedestä makua ja väriä. Adsorptiolla on vedenkäsittelymenetelmänä useita hyviä puolia: se ei vaadi sähköenergiaa tai kemikaalisyöttöjä, prosessi on yksinkertainen ja suhteellisen riippumaton lämpötilasta. Viimeksi mainittu on erityisen tärkeä näkökulma Suomessa, jossa talvella matalat lämpötilat asettavat rajoituksia esimerkiksi biologisten vedenkäsittelymenetelmien käytölle (esim. typenpoisto).

GeoMaterials-hankkeessa tutkittavat adsorbenttien sovellukset ovat muun muassa sulfaatin (SO42-) ja ammoniumtypen (NH4+) poisto. Mainitut sovelluskohteet ovat erittäin ajankohtaisia sekä Suomessa että kansainvälisesti. Sulfaattia esiintyy suuria pitoisuuksia erityisesti kaivosten purkuvesissä sulfidipitoisten sivukivien hapettumisen ja liukenemisen vuoksi. (Lottermoser 2010, 154–155) Kaivoksilla adsorbenttien eräs mahdollinen sovellustapa on osana passiivisia käsittelyjärjestelmiä, joilla tarkoitetaan esimerkiksi suodatinpatoja. Ammoniumtypen poisto taas liittyy kunnallisten jätevesien käsittelyyn, joissa eräs mielenkiintoinen sovellusalue adsorbenteille ovat pienpuhdistamot. Kolmas tutkittava aihe ovat kaatopaikkojen suotovedet, joka kiinnostaa hankkeessa mukana olevaa Kainuun alueella jätehuollosta vastaavaa Ekokymppiä. Kaatopaikan suotovesillä tarkoitetaan jätemassan läpi suotautuvaa vettä, joka sisältää tyypillisesti suuria pitoisuuksia muun muassa orgaanisten ainesta, ammoniumtyppeä ja raskasmetalleja.

Kaupallisesta näkökulmasta on mielenkiintoista, mikäli jätteeksi luokiteltavista materiaaleista tai edullisista paikallisista mineraaleista voidaan tuottaa kilpailukykyisiä vedenkäsittelytuotteita esimerkiksi aktiivihiilen tai synteettisten zeoliittien kilpailijoiksi. Mukana olevalla yrityksellä Aquaminerals Finland Oy:lla on useiden vuosien tutkimus- ja tuotekehitystausta adsorbenttituotteiden alueella. Paltamoon avatussa tuotantoyksikössä on mahdollista prosessoida eri materiaaleja aktiivisiksi adsorbenteiksi erilaisten luokittelu- ja termisten käsittelyjen kautta. Vedenkäsittelyn T&K-palveluita, kemikaaleja ja laitteistoja tarjoava Oulu Water Alliance Oy on myös kiinnostunut hankkeen tutkimusaiheista.

Kuva 2. Adsorbenttien testaus laboratorioympäristössä.

Kirjoittaja

Kimmo Kemppainen, projektipäällikkö, Ins. (AMK), Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, kimmo.kemppainen@kamk.fi

Minna Sarkkinen, projektitutkija, TkT, M.Eng., Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, minna.sarkkinen@kamk.fi

Tero Luukkonen, projektitutkija, FM, Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, tero.luukkonen@kamk.fi

Al-Zboon, K., Al-Harahsheh, M.S. and Hani, F.B., 2011. Fly ash-based geopolymer for Pb removal from aqueous solution. Journal of hazardous materials, 188 (1-3), s. 414-421.

Benhelal, E., Zahedi, G., Shamsaei, E. and Bahadori, A., 2013. Global strategies and potentials to curb CO2 emissions in cement industry. Journal of Cleaner Production, 51, s. 142-161.

Cheng, T.W., Lee, M.L., Ko, M.S., Ueng, T.H. and Yang, S.F., 2012. The heavy metal adsorption characteristics on metakaolin-based geopolymer. Applied Clay Science, 56, s. 90-96.

Lottermoser, B.G., 2010. Mine wastes: characterization, treatment and environmental impacts. 3. painos, Heidelberg, Springer, s. 154-155.

Muzek, M.N., Svilovic, S. and Zelic, J., 2013. Fly ash-based geopolymeric adsorbent for copper ion removal from wastewater. Desalination and Water Treatment, artikkeli painossa.

Tyni, S., 2014. The role of ash-forming elements in bed material agglomeration and utilization of ash for the preparation of geopolymers, väitöskirja, Oulu, Oulun yliopisto, s. 25.

SFS-EN 450-1, Betoniin käytettävä lentotuhka. Osa 1: Määritelmät, määrittelyt ja vaatimustenmukaisuus.

Wang, S., Li, L. and Zhu, Z.H., 2007. Solid-state conversion of fly ash to effective adsorbents for Cu removal from wastewater. Journal of hazardous materials, 139 (2), s. 254-259.

Ympäristöministeriö, Jätelaki, 17.6.2011/646.

Edellinen artikkeliSeuraava artikkeli