Teollisuuden sivutuotteesta vaihtoehto jäteveden puhdistukseen

Teksti: Riikka Juhola

Jäteveden käsittelymenetelmiä on kehitettävä, jotta muun muassa hormonitoimintaa häiritsevät yhdisteet saataisiin poistettua. Biokaasutuksen hiilijäännöksen käytöstä bisfenoli A:n poistossa on saatu lupaavia kokemuksia.
Kuva: ScandinavianStockPhoto

Maailman makeanveden varannot heikentyvät jatkuvasti ilmastonmuutoksen ja saastumisen vuoksi. Useiden maiden, esimerkiksi Intian, Alankomaiden ja Suomen vesistöistä on löydetty vähäisiä määriä (mikro-nanogramma litrassa, µg/l-ng/l) monenlaisia saasteita. Näihin sisältyy hormonitoimintaa häiritseviä yhdisteitä (engl. endocrine disrupting compounds, EDCs), jotka päätyvät vesistöihin teollisuuden ja kunnallisten jätevesienpuhdistamoiden poistovesien kautta. Olemassa olevat jätevedenpuhdistamot on suunniteltu pääasiallisesti poistamaan epäorgaanisia aineita, esimerkiksi fosfori- ja typpisuoloja, ravinteita ja taudinaiheuttajia eikä vähäisissä määrin esiintyviä orgaanisia hyvin pysyviä yhdisteitä, joihin hormonitoimintaa häiritsevät yhdisteet luetaan kuuluviksi. Tämän vuoksi tarvitaan tehokkaampia jätevedenkäsittelymenetelmiä sekä kestävää veden uudelleen käyttöä.

Bisfenoli A (BPA) on luokiteltu Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (engl. United States Environmental Protection Agency, USEPA) mukaan mahdolliseksi hormonitoimintaa häiritseväksi yhdisteeksi, jota löytyy useista vesistöistä. BPA on synteettinen orgaaninen yhdiste, jota on käytetty niin polykarbonaattimuovien kuin epoksihartsien valmistuksessa sekä esimerkiksi lämpöpapereissa, paperien päällysteessä ja rakennustarvikkeissa.

Bisfenoli A:n käyttökohteita

BPA:a tuotettiin maailmanlaajuisesti vuonna 2015 yli 5 miljoonaa tonnia ja se on luokiteltu korkean tuotantovolyymin kemikaaliksi. USEPA:n mukaan pelkästään Yhdysvalloissa BPA:ta huuhtoutuu ympäristöön noin puoli miljoonaa kiloa vuosittain. Huuhtoutuneen BPA:n pitoisuudet luonnonvesissä ovat tyypillisesti ng/l, mutta alueellisia vaihteluita esiintyy. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että jopa hyvin alhaisilla BPA pitoisuuksilla voi olla haitallisia vaikutuksia eläinten naishormonitoimintaan, kuten feminisaatioon ja lisääntymiselinten kehityksen häiriöihin.

Adsorptio on tehokas ja yksinkertainen menetelmä, ja se onkin hyvin yleisesti käytetty menetelmä raskasmetallien, esimerkiksi elohopean ja lyijyn, sekä hormonihäiritsijöiden poistossa jätevesistä. Adsorptio on ilmiönä vanha, ja se on havaittu jo lähes 250 vuotta sitten, jolloin ensin Scheele ja hieman myöhemmin Lowitz havaitsivat aineen taipumuksen kertyä toisen aineen pintaan. Termin ”adsorptio” sen sijaan esitteli ensimmäistä kertaa Kayser vuonna 1881 erotukseksi muista kuin aineen pinnalla tapahtuvista reaktioista.

Prosessissa haitta-aine kiinnittyy adsorbentin pintaan, jossa reaktio tapahtuu. Adsorbentteina on käytetty esimerkiksi zeoliitteja (alumiinisilikaatteja) ja aktiivihiiltä. Orgaanisten aineiden adsorptio hiilipohjaisiin materiaaleihin riippuu useista eri tekijöistä, kuten adsorbentin ominaispinta-alasta, adsorbentin sekä adsorbaatin (kiinnittyvä aine) kemiallisista ominaisuuksista ja reaktio-olosuhteista (pH ja lämpötila). Adsorbentin huokoisuuden kasvaessa ominaispinta-ala kasvaa ja täten lisää adsorptiota.

Adsorbaatin ominaisuuksiin kiinnittyä adsorbentin pinnalle taas vaikuttaa voimakkaasti käytetty liuotin. Mikäli adsorbaatin sitoutumisesta on kilpailemassa adsorbentin pinnan molekyylien lisäksi myös liuottimen molekyylit, adsorptio voi heiketä. Happamuusasteen säädöllä voidaan vaikuttaa pinnan ja adsorbaatin varautumiseen. Mikäli adsorbentin pinnan ja adsorbaatti-ionin varaukset ovat erimerkkiset, adsorptio tehostuu sähköisten vetovoimien vaikutuksesta. Lämpötilan nosto taas voi heikentää adsorptiota, koska sen seurauksena kiinnittyneiden molekyylien värähtely voi lisääntyä ja molekyylit voivat näin ollen irrota adsorbentin pinnalta takaisin liuokseen.

Hiilipohjaisten materiaalien käytöstä BPA:n poistossa on saatu hyviä tuloksia. Sekä kaupallisten aktiivihiilien että biomassapohjaisten materiaalien avulla on saavutettu yli 80 prosentin BPA:n poisto vesiliuoksista, jotka ovat sisältäneet 10-160 µg/g BPA:ta.

Tutkimuksen tavoitteena oli valmistaa hiilipohjaisesta teollisuuden sivutuotteesta adsorbenttimateriaaleja, joita tutkittiin BPA:n poistossa panoskokeilla kolmen parametrin suhteen: 1) pH, 2) adsorbentin annos ja 3) kontaktiaika.

Materiaalit

Adsorbenttien valmistuksessa käytetty hiilijäännös oli muodostunut biokaasutuksessa, jossa raaka-aineena käytettiin suomalaista puuhaketta. Puuhake oli koostumukseltaan kuusen ja männyt seosta. Kaasutus suoritettiin 150 kilowatin myötävirtakaasuttimessa 1000 asteen lämpötilassa, ja puuhakkeen syöttönopeutena käytettiin 50 kiloa tunnissa. Kaasutuksen jälkeen tuotekaasua pestiin vesipesurilla ja kiinteä hiilijäännös kerättiin vesisäiliöstä. Adsorbentit happopestiin suolahapon ja rikkihapon seoksella 24 tunnin ajan tuhkapitoisuuden vähentämiseksi. Seuraavaksi happopestyä hiilijäännöstä muokattiin useilla erilaisilla tavoilla. Rautaa (Fe) sisältävät adsorbentit käsiteltiin viisimassaprosenttisella (5 m-%) rautaliuoksella joko kerran tai useita kertoja. Lisäksi yhden adsorbentin tapauksessa rautalisäyksen jälkeen suoritettiin jälkikäsittely emäksisellä liuoksella.

Yhteensä tässä työssä valmistettiin kolme erilaista adsorbenttia ja vertailumateriaalina käytettiin ei-muokattua, happopestyä hiilijäännöstä. Tutkimuksessa käytetty bisfenoli A -vesiliuoksen konsentraatio oli 60 mg/l.

Tulokset

Adsorbenttien rakennetta analysoitiin niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien selvittämiseksi, ja tavoitteena oli arvioida käytettyjen materiaalien aktiivisuutta ja stabiilisuutta adsorptiokokeissa. Adsorbenttimateriaalien rautapitoisuus vaihteli 0,1 prosentista 2,2 prosenttiin. Korkein rautapitoisuus saavutettiin lataamalla rautaa useita kertoja (aFe5*). Liuenneen raudan pitoisuuden määrityksessä havaittiin, että raudan liukeneminen adsorbenteista oli vähäistä, noin 0,1-0,2 mg/l. Ei-muokatun hiilijäännöksen pinta-alaksi mitattiin 91,3 m2/g. Kaikkien rautaa sisältävien adsorbenttien ominaispinta-alojen kohdalla havaittiin pinta-alan pienentymistä. Tämä voi olla seurausta siitä, että raudan yhdisteitä on kiinnittynyt hiilijäännöksen huokosiin, jonka vuoksi pinta-ala on pienentynyt. Elektronimikroskoopilla otetuista kuvista voidaan nähdä hiilimateriaalin huokoinen rakenne sekä rautapitoisen adsorbentin pinnalla olevia rautapartikkeleita (Kuva 3).

Bisfenoli A:n poiston tehokkuutta tutkittiin pH:n, adsorbentin annosmäärän ja kontaktiajan suhteen.

Optimoiduissa olosuhteissa kontaktiajan suhteen suoritetun kokeen tuloksena BPA:n poiston havaittiin olevan nopeaa ja noin 100 minuutin kohdalla kaikki rautapitoiset adsorbentit olivat saavuttaneet maksiminsa (n. 90-94 %) BPA:n poistossa. Ei-muokattu hiilijäännös poisti BPA:a noin 89 prosenttia

Johtopäätökset

Tässä työssä valmistettiin hiilipohjaisesta teollisuuden sivutuotteesta rautaa sisältäviä adsorbentteja, joita testattiin adsorptiokokeissa. Kaikki valmistetut rauta-adsorbentit poistivat BPA:sta yli 90 prosenttia ja olivat stabiileja materiaaleja raudan liukoisuuden suhteen. Ei-muokattu hiilijäännös poisti 89 prosenttia BPA:sta. Työn tulosten perusteella voidaan sanoa, että rautalisäys parantaa hieman BPA:n poistotehokkuutta verrattuna ei-muokattuun hiilijäännökseen. Näin ollen käytetty materiaali voisi olla mahdollinen vaihtoehto kaupalliselle aktiivihiilelle BPA:n poistossa, mutta tämän varmistamiseksi täytyy tutkimuksia tehdä vielä lisää. Kuitenkin vaikuttaisi siltä, että biomassaa voitaisiin hyödyntää vedenpuhdistuksessa.

Kirjoittaja tekee väitöstyötä aiheesta ”Teollisuuden sivuvirtojen ja biomassojen hyödyntäminen vedenpuhdistuskemikaaleina” Oulun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa, Kestävän kemian tutkimusyksikössä. Artikkelissa kuvatun osatutkimuksen toteuttamiseen hän sai JHY:n sstipendin.

 

 

 

 

 

 


Tallenna

Tallenna

Tallenna

Tallenna

Tallenna

Tallenna

Tallenna

Kommentoi

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Kaikki kentät on pakollisia.