Biomassan kaasutuksen hiiljäännökset

Orgaanisten jätemateriaalien hyödyntäminen on entistäkin ajankohtaisempi tavoite orgaanisen jätteen kaatopaikkakiellon astuttua voimaan. Sari Tuomikoski etsi väitöstutkimuksessaan hyötykäyttökohteita biomassan kaasutuksessa muodostuvalle hiilipitoiselle jätteelle. Kemiallisen tai fysikaalisen käsittelyn jälkeen materiaalia voidaan käyttää vedenpuhdistuksessa adsorbenttinä erityisesti fosfaatin ja sulfaatin poistoon.

Teksti: Sari Tuomikoski

Glass of water with ice and splash
Puhtaan veden riittävyys on globaali ongelma.

Maailman energiantuotanto perustuu fossiilisten polttoaineiden käyttöön. Niiden käyttöä pyritään kuitenkin rajoittamaan sekä niiden rajallisen määrän vuoksi että ympäristösyistä. EU:n tasolla tavoitteena on, että 20 prosenttia energiasta tuotettaisiin uusiutuvista lähteistä vuoteen 2020 mennessä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi ja kestävän energiapolitiikan aikaansaamiseksi. Kansallisella tasolla Suomen tavoitteena on nostaa uusiutuvien lähteiden käyttö energiantuotannossa 38 prosenttiin vuoteen 2020 mennessä.

Suomen maapinta-alasta metsää on noin 75 prosenttia, joten biomassan käytöllä on suuri potentiaali maassamme. Biomassan käytön etuna on sen paikallisuus. Lisäksi se luo uusia työpaikkoja etenkin haja-asutusalueille. Biomassan käyttö edistää kestävää kehitystä ja luonnonvarojen monipuolista käyttöä vähentäen samalla riippuvuutta fossiilisista polttoaineista. Biomassaa on perinteisesti hyödynnetty polttamalla, mutta sitä voidaan hyödyntää sähkön- ja lämmöntuotannossa myös kaasuttamalla. Puun kaasutuksessa biomassasta erotetaan kaasuuntuvia ainesosia korkeassa lämpötilassa ja hapen saantia rajoittaen.

Kaasuttimeen syötetään biomassaa, jolloin muodostuu vetyä ja hiilimonoksidia sisältävää kaasua. Lisäksi kaasu sisältää epäpuhtauksia, kuten tervaa. Kaasua voidaan puhdistuksen jälkeen käyttää raaka-aineena biopolttoaineiden, kuten biodieselin valmistamiseen katalyytin läsnä ollessa, ja toisaalta siitä voidaan valmistaa erilaisia kemikaaleja, esimerkiksi metanolia. Vähähappisen palamisen ja kaasutuksen seurauksena syntyvä puukaasu voidaan puhdistaa noesta, hiilestä sekä muista hiukkasista, jonka jälkeen se on käytettävissä hyötysuhteeltaan tehokkaasti esimerkiksi polttomoottorissa.

Kaasutuksessa muodostuu myös hiilijäännöstä, jonka hyödyntäminen on tärkeää kaasutusprosessin kustannustehokkuuden parantamiseksi. Lisäksi uudet jätelainsäädännön määräykset (Valtioneuvoston asetus 331/2013) kielsivät orgaanisen, biohajoavan jätteen toimittamisen kaatopaikoille vuoden 2016 alusta, mikä asetti uusia vaatimuksia näiden jätteiden hyödyntämiselle.

Jätehierarkia on jätelakiin (646/2011) mukaan otettu uudistuneen EU-lainsäädännön mukainen viisiportainen jätehuollon etusijajärjestys, jonka tavoitteena on jätteen määrän ja haitallisuuden vähentäminen, jätteen kierrätyksen ja hyötykäytön lisääntyminen ja jätteen kaatopaikkasijoituksen vähentäminen. Jätehierarkian mukaan jätteiden syntymistä on pyrittävä ehkäisemään sekä käyttämään uudelleen, kierrättämään tai hyödyntämään energiana. Jätteen kaatopaikkasijoitus on jätehierarkian mukaan huonoin vaihtoehto.

Mikroskooppikuva kemiallisesti (a) ja fysikaalisesti (b) aktivoidusta hiilijäännöksestä, kaupallisesta aktiivihiilestä (c) sekä käsittelemättömästä hiilijäännöksestä (d). Käistelemättömän hiilijäännöksen pitna on sileä ja sen ominaispinta-ala on pieni. Aktivoitujen hiilijäännösten ja kaupallisen aktiivihiilen pinnassa näkyy selkeästi huokosmainen rakenne.  Kuvissa käytetty suurennos 8000-kertainen.
Mikroskooppikuva kemiallisesti (a) ja fysikaalisesti (b) aktivoidusta hiilijäännöksestä, kaupallisesta aktiivihiilestä (c) sekä käsittelemättömästä hiilijäännöksestä (d). Käistelemättömän hiilijäännöksen pitna on sileä ja sen ominaispinta-ala on pieni. Aktivoitujen hiilijäännösten ja kaupallisen aktiivihiilen pinnassa näkyy selkeästi huokosmainen rakenne. Kuvissa käytetty suurennos 8000-kertainen.

Kaasutuksessa muodostuneen hiilijäännöksen hyödyntämispotentiaali

Kaasutuksessa muodostuneen jäännöksen korkean hiilipitoisuuden ansiosta sen potentiaalinen hyötykäyttökohde on korvata kaupallinen aktiivihiili. Aktiivihiilellä on useita käyttösovelluksia esimerkiksi jäte- ja juomaveden puhdistuksessa. Sitä voidaan valmistaa monenlaisista materiaaleista, kuten kivihiilestä, oliivin ja kirsikan kivistä ja kookospähkinän kuoresta, ja sen valmistaminen jaetaan kahteen vaiheeseen: hiilestykseen ja aktivointiin. Hiilestyksellä tarkoitetaan orgaanisen materiaalin muuttamista hiileksi ja aktivoinnissa hiilelle tehdään halutut ominaisuudet. Aktiivihiilen valmistus on energiaa kuluttava prosessi ja tuotteet ovat kalliita, joten sen valmistus vaihtoehtoisista ja paikallisista materiaaleista, etenkin jätemateriaaleista, on ajankohtainen tutkimuskohde.

Aktiivihiilen valmistaminen jätemateriaalista

Aluksi puuhaketta kaasutetaan, jolloin muodostuu jätteenä hiilijäännöstä. Hiilijäännöksen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, kuten ominaispinta-alaa, huokostilavuutta ja pinnan funktionaalisten ryhmien määrää, pitää parantaa, jotta materiaalille löytyy sopiva hyötykäyttökohde. Ominaispinta-alaan vaikuttaa partikkelikoon lisäksi pinnan huokoisuus. Materiaalille voidaan tehdä erilaisia käsittelyjä eli kemiallista aktivointia, fysikaalista aktivointia ja kemiallista modifiointia haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Näiden käsittelyjen jälkeen valmistettua materiaalia tutkittiin adsorbenttinä vedenpuhdistuksessa fosfaatin, nitraatin ja sulfaatin poistossa.

Kaupallisen aktiivihiilen valmistus alkaa hiilestyksellä, mutta käytettäessä kaasutuksen hiilijäännöstä lähtöaineena, hiilestys on tapahtunut jo kaasutuksessa, joten voidaan siirtyä suoraan kemialliseen tai fysikaalisen käsittelyyn. Kemiallisessa aktivoinnissa käytetään eri kemikaaleja, esimerkiksi sinkkikloridia tai typpihappoa sekä lämpötilan nostoa 500 asteeseen. Fysikaalisessa aktivoinnissa puolestaan käytetään hiilidioksidia tai vesihöyryä sekä lämpötilan nostoa jopa 800 asteeseen. Aktivoinnissa tavoitteena on pinnan huokoisuuden lisääminen ja ominaispinta-alan kasvattaminen. Kemiallisessa modifioinnissa hiilijäännöstä käsitellään eri kemikaaleilla ilman lämpötilan nostamista, ja siinä tavoitteena on lisätä pinnan funktionaalisten ryhmien määrää, jotta materiaali toimisi paremmin valitussa käyttösovelluksessa.

Käyttö adsorbenttinä vedenpuhdistukseen

Puhtaan veden riittävyys on yhä ajankohtaisempi globaali ongelma. Tämä edellyttää veden kierrätykseen tarkoitettuja ratkaisuja, joita voidaan soveltaa jätevesien puhdistamiseen. Jätevedet sisältävät monia eri epäpuhtauksia niiden muodostumispaikasta riippuen. Adsorptiota käytetään vedenpuhdistukseen ja siinä kiinteän aineen pintaan kiinnittyy atomeja, molekyylejä tai ioneja liuoksesta, jonka kanssa se on kosketuksissa. Vedenpuhdistuksessa pintana on kiinteä materiaali kuten aktiivihiili, johon liuoksessa olevat epäpuhtaudet adsorboidaan. Poistettavia epäpuhtauksia voivat olla esimerkiksi metalli-ionit tai sulfaatti-ioni.

Fosfaatti ja nitraatti ovat jätevesissä tyypillisesti esiintyviä ravinteita, jotka aiheuttavat rehevöitymistä ja levien kasvua. Nitraatti aiheuttaa myös terveydellisiä ongelmia. Sulfaattipitoisia jätevesiä muodostuu teollisuudessa esimerkiksi kaivoksissa. Sulfaattipitoiset jätevedet aiheuttavat epätasapainoa luontaiseen rikkikiertoon ja terveydellisiä ongelmia ihmisille. Fosfaatti, nitraatti ja sulfaatti valittiin malliaineiksi tutkittaessa valmistettujen aktiivihiilien käyttösovelluksia.

Adsorptiotutkimus voidaan tehdä joko panoskokeella tai kolonnikokeella. Panoskoe on helposti hallittavissa, mutta kolonnikoe on käyttökelpoisempi suuressa mittakaavassa. Tässä työssä tutkittiin anionien adsorptiota hiilimateriaaliin laboratoriomittakaavassa. Kokeet tehtiin panoskokeena, jossa ensiksi adsorbentti ja epäpuhtauksia sisältävä liuos sekoitettiin, jonka jälkeen liuos suodatettiin. Suodatuksen jälkeen mitattiin liuokseen jääneiden ionien määrä, jotta tiedettiin kuinka paljon hiilimateriaali on poistanut anioneja.

Olosuhteet vaikuttavat adsorptioon merkittävästi, joten kokeiden aikana optimoitiin liuoksen pH ja alkukonsentraatio, jotta saatiin aikaiseksi mahdollisimman suuri anionien poisto liuoksesta. PH:ta tutkittiin välillä 2–8 ja liuoksen konsentraatiota välillä 10 ppm ja 1000 ppm tutkitusta anionista riippuen. Lisäksi tutkittiin ajan vaikutusta adsorptioon aikavälillä yhdestä minuutista 24 tuntiin. Vertailunäytteinä käytettiin käsittelemätöntä hiilijäännöstä ja kahta kaupallista aktiivihiiltä. Tulosten perusteella tehtiin kineettinen mallinnus sekä isotermianalyysi.

Yhteenveto

Merkittävimmistä tuloksista, joita tutkimuksessa on saatu aikaiseksi voidaan sanoa, että kemiallisella ja fysikaalisella aktivoinnilla saadaan kasvatettua hiilijäännöksen pinta-alaa, sillä suuri pinta-ala on toivottu ominaisuus adsorbentille. Myös kemiallisella modifioinnilla saatiin parannettua hiilijäännöksen adsorptio-ominaisuuksia. Parhaat tulokset saatiin aktivoimalla hiilijäännöstä kemiallisesti sinkkikloridilla ja fysikaalisesti hiilidioksidilla sekä modifioimalla kemiallisesti rautakloridilla. Aktivoidut hiilijäännökset poistavat vedestä fosfaattia paremmin kuin kaupallinen aktiivihiili ja kemiallisesti modifioitu hiilijäännös poistaa sulfaattia paremmin verrattuna kaupalliseen aktiivihiileen. Tutkimus osoitti, että kaasutuksessa muodostunutta hiilijäännöstä voidaan hyödyntää vedenpuhdistuksessa kaatopaikkasijoituksen sijaan.

Kirjoittaja sai Oulun yliopistoon tekemänsä fysikaalisen kemian alan väitöstutkimuksensa viimeistelyyn Jätehuoltoyhdistyksen myöntämän stipendin.

 

 

 

 


 

Kommentoi

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Kaikki kentät on pakollisia.