Tällä sivulla
Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen, niiden talteenotto sekä hiilidioksidia ilmakehästä sitovien hiilinielujen riittävyys ovat keskeisiä osa-alueita ilmastonmuutoksen hillinnässä ja siitä käytävässä keskustelussa.
"Kaasumaisten, ilmakehään laskettavien päästöjen joukossa hiilidioksidi on ilman muuta keskeinen haaste ja siitä puhutaan ymmärrettävästi eniten. Meidän ajattelumme ja osaamisemme vahvistaminen lähtee kuitenkin siitä, että kaikista päästöistä eri olomuodoissaan hyödynnetään kaikki mahdolliset resurssit", sanoo Mari Kallioinen, LUTin erotustekniikan osaston (englanniksi Separation Science) johtaja.
Erotustekniikan professorina itsekin tutkimusta tekevä Kallioinen taustoittaa erotustekniikoiden olevan keskeinen osa valmistusprosesseja ja sivuvirtojen käsittelyä, niin eri teollisuussektoreilla kuin yhdyskuntatekniikassakin.
"Jätevesien puhdistamot, metsäteollisuuden tuotantolaitokset, biojalostamot, kaivos- ja metalliteollisuus", luettelee Kallioinen esimerkkejä aloista ja prosessilaitoksista, joissa erotustekniikat ovat keskiössä.
"Tavoitteemme on tarjota osaamista monimutkaisten tuotantoprosessien eri vaiheisiin. Tarpeet erottaa aineita toisistaan sekä käyttökohteeseen soveltuvat tekniikat voivat vaihdella suurestikin yhden laitoksen sisällä. Puhdistamisen tarvetta ja arvoaineiden talteenoton potentiaalia on kuitenkin käytännössä kaikissa prosesseissa."
Kallioinen kertoo teollisten kumppaneiden vauhdittaneen tutkimusavauksia kaasunerotukseen.
"Meiltä kysyttin yhä useammin osaamista ja ratkaisuja kaasujen tai kaasun ja nesteen yhdistelmien käsittelyyn. Tämä kysyntä ei suinkaan kohdistu pelkästään ongelmallisten kaasumaisten päästöjen käsittelyyn, vaan LUTin strategian mukainen ajatus raaka-aineiden maksimaalisesta hyödyntämisestä jaetaan laajasti yrityskentässä."
Kallioinen jatkaa, että kysymykset tulivat tyypillisesti yrityksiltä, joilla on laitoksessaan tai alueellaan useita erilaisia sivuvirtoja hyödynnettäviksi ja jotka haluaisivat parantaa resurssitehokkuuttaan entisestään.
"LUT tunnetaan erityisen vahvana nestevirtojen käsittelyn osaajana. On luontevaa, että meiltä kysytään osaamista esimerkiksi jäteveden käsittelyssä syntyvien kaasujen erottamiseen ja mahdolliseen hyödyntämiseen", toteaa Kallioinen.
Mitä on kaasunerotus ja kuinka sitä tehdään?
Yksinkertaistetusti kaasunerotuksessa on kysymys tavoista saada erilleen kahden kaasumaisen aineen seoksesta erilliset, yhtä ainetta sisältävät kaasut, esimerkiksi happi ja typpi.
"Kaasujen erottamiselle toisistaan on tarvetta monilla isoilla ja perinteisillä teollisuuden aloilla, esimerkiksi typpilannoitteiden valmistuksessa. Elektroniikkateollisuudessa puolestaan puhdistettuja kaasuja käytetään muun muassa herkkien osien suojaamistarkoituksessa", kuvailee kaasunerotuksen professori Nima Rezaei.
Rezaei jatkaa, että puhdistettujen kaasujen käyttö on yleistä myös monissa arjen tilanteissa. Esimerkiksi maakaasua käytetään polttoaineena ja puhdistettua happea käytetään sairaaloissa potilaiden hoidossa.
"Kaasunerotus ei siis suinkaan ole pelkkä ilmastokysymysten paineessa päästöjen käsittelyyn syntynyt tieteenala, mutta on nyt noussut laajempaan tietoisuuteen esimerkiksi hiilidioksidin ja ilmastolle vieläkin haitallisemman kasvihuonekaasun metaanin ympärillä."
Perinteisiä ja pitkään käytössä olleita kaasunerotustekniikoita ovat esimerkiksi eri absorptio- eli imeyttämismenetelmät.
"Nesteabsorbtio, imeyttäminen kiintoaineeseen sekä paineen vaihteluun perustuva fysikaalinen absorbtio", luettelee prosessitekniikan professori Tuomas Koiranen esimerkkejä nykyisin laajasti käytetyistä tekniikoista.
Resurssitehokas kaasunerotus liittyy jo nyt olennaisesti monen muun tieteenalan ja tutkimusryhmän tutkimukseen, erityisesti Power-to-x (P2X) -teknologioiden kehityksessä.
"Liittymäpintoja ja mahdollisuuksia tieteidenväliseen yhteistyöhön on paljon, ja LUTissa osataan niitä hyödyntää. Esimerkiksi kemian ja energian eri alojen asiantuntijat ovat löytäneet hyvin toisensa, mistä monet P2X-aiheiset tutkimukset ovat hyviä esimerkkejä", sanoo Kallioinen.
Uusi kansainvälisesti kilpailukykyinen osaamiskeskittymä rakenteilla
LUT on nostanut puhtaan ilman varmistamisen sekä ilmakehän sisältämien raaka-aineiden hyödyntämisen yhdeksi strategiansa kulmakivistä. Strategian mukaisina toimenpiteinä kaasunerotuksen tutkimusta vahvistetaan uusilla rekrytoinneilla ja merkittävillä investoinneilla.
"Näemme, että meillä on mahdollisuus luoda kansallisesti ja kansainvälisesti merkittävä osaamiskeskittymä. Suomessa tai Euroopassa toistaiseksi harva tutkimuslaitos panostaa voimakkaasti kaasunerotukseen", toteaa Kallioinen.
Ensimmäinen LUTin uusista kaasunerotuksen asiantuntijoista on syksyllä 2020 professorina (tenure track) aloittanut Nima Rezaei. Iranissa syntynyt ja useissa eri maissa työskennellyt Rezaei on viime aikoina keskittynyt metalli-orgaaniseen runkorakenteeseen sekä suolasulaan perustuviin kaasunerotukseen tekniikoihin.
"Hiilidioksidin talteenoton kustannukset ovat keskeinen osa ilmasto- ja hiilineutraaliustavoitteiden toteutumista EU:ssa ja koko maailmassa. Teen itse tutkijana työtä sen eteen, että teknologisten ratkaisujen hintaa saataisiin mahdollisimman alas", kertoo Rezaei missiostaan tutkijana.
Uusi kaasunerotuksen laboratorio rakentuu parhaillaan LUTin Lappeenrannan kampukselle, ja se sijoittuu konttiin. Konttiratkaisu on edullinen muun muassa turvallisuusnäkökulmien huomioimisessa.
"Tavoitteemme erotustekniikassa on tukea tutkimuksellamme uudenlaisten prosessien siirtymistä mahdollisimman nopeasti laboratorioista pilot-laitteistoihin ja niin kutsuttuun demo-kokoluokkaan teollisuudessa. Yksittäisten erotusmateriaalien ja -operaatioiden lisäksi haluamme ymmärtää kattavasti kokonaisprosesseja ja tuotantolaitoksia kokonaisuutena. Tämä ei tietenkään koske pelkästään kaasunerotusta, vaan kaikkea erotus- ja prosessitekniikan tutkimustamme", sanoo Kallioinen.
Kaasunerotus membraanitekniikoilla on nouseva tutkimusalue
LUT vahvistaa tutkimustaan rekrytoimalla myös kaasujen membraanierotukseen erikoistuneen professorin vuoden 2021 aikana. Membraaniteknikoiden sovellusalueet liittyvät keskeisesti hiilidioksidin talteenottoon sekä hiilen ja vedyn hyödyntämiseen raaka-aineina.
"Tähän saakka laajasti käytettyihin kaasunerotuksen menetelmiin verrattuna membraanitekniikoilla on monta etua: membraaniprosessien hiilijalanjälki on merkittävästi pienempi, samoin käyttökulut ja laitteiden koko", kertoo Rezaei viitaten tulevan kollegansa tutkimuskenttään.
Rezaei sanoo olevansa innostunut päästessään osaksi LUTin monitieteisiä tutkimusryhmiä, joissa aiemmin jätteinä tai ongelmina pidetyt päästöt käännetään mahdollisuuksiksi.
"Esimerkiksi juuri talteen otetusta hiilidioksidista voi tehdä niin paljon tuotteita hiilineutraalisti", kuvailee Rezaei. Hän viittaa muun muassa synteettisten polttoaineiden, arvokkaiden hiilituotteiden ja ravinnoksi kelpaavien proteiinien valmistukseen.
Kaikkia näitä on LUTissa jo viime vuodet tutkittu. Tuomas Koirasen johtamassa Neo-Carbon Materials -tutkimuksessa kehitetään hiilituotteiden, esimerkiksi grafeenin ja hiilinanoputkien, valmistamista ilmakehän hiilidioksidista. Niin kutsutun sähköruoan tuotantoprosesseja on kehitetty Neo-Carbon Food -tutkimuksessa, ja synteettisten polttoaineiden valmistusta edistetään parhaillaankin useassa tutkimuksessa.
Lisäksi Koirasen tutkimusryhmässä valmistui joulukuussa 2020 Harri Niemisen väitöstutkimus, joka oli ensimmäisiä suomalaisia P2X-aiheisia kemiantekniikan väitöstutkimuksia. Tutkimuksessa yhdistyivät hiilidioksidin talteenotto onttokuitumembraanitekniikalla ja kemikaalituotanto P2X-tekniikalla.
Onttokuitumembraanitekniikkaa hyödyntämällä hiilidioksidi voidaan ottaa talteen tehokkaasti teollisuuden savukaasuista ja muista prosessivirroista.
"Suurin hyöty onttokuitumembraaneissa on siinä, että todella pieneen laitekokoon saadaan vastaava talteenottokapasiteetti kuin esimerkiksi nykyisissä nesteabsorptiotekniikkaa soveltavissa valtavissa pesutorneissa", kertoo Koiranen tuoreesta tutkimusesimerkistä.
"Tulevaisuudessa esimerkiksi valtamerilaivassa voisi olla kompakti hiilidioksidin talteenottoyksikkö ja talteenotettuun raaka-aineeseen perustuva pieni synteettisen polttoaineen tuotantolaitteisto. Laiva voisi näin liikkua osittain omavaraiseen tuotantoon perustuen", visioi Koiranen.
Mari Kallioinen-Mänttäri
