Tällä sivulla
Moni ratkaisu leijuu ilmassa – aivan konkreettisesti. Ilmassa on monia kaasuja, joista voidaan valmistaa yhteiskunnalle tärkeitä tuotteita sekä säästää samalla luonnonvaroja ja energiaa. Esimerkiksi happea ja typpeä on otettu ilmasta talteen jo sadan vuoden ajan ilmakaasutislauksella. Nestetyppeä käytetään sairaaloissa tärkeiden aineiden jäähdytyksessä ja nestehappea muun muassa hengitysvaikeuksista kärsivien hoidossa. Myös muita harvinaisempia kaasuja on vakituisessa käytössä.
“Hyödynnämme ilman molekyylejä jo hyvin, mutta vielä on tarvetta valikoivammille erotusprosesseille, jotka kuluttavat vähemmän energiaa. Ilmakehän kaasuja voisi esimerkiksi kierrättää tehokkaammin”, kertoo apulaisprofessori Nima Rezaei LUT-yliopiston erotustekniikan osastolta.
Ilmassa on kymmeniä erilaisia kaasuja
- Ilma sisältää enimmäkseen typpeä (78 %) ja happea (21 %).
- Ilmassa on pieniä määriä argonia (1 %).
- Lisäksi ilmassa on pieniä määriä hivenkaasuja, kuten hiilidioksidia ja metaania, sekä muita kaasuja ja hiukkasia, kuten nokea ja metalleja.
- Vesihöyryn määrä ilmassa vaihtelee eri puolilla maapalloa. Napa-alueilla vesihöyryn osuus on noin matalin ja sademetsissä puolestaan korkein.
Lähde: LUT-yliopisto ja Euroopan ympäristökeskus
LUTin Lappeenrannan kampukselle on vastikään avattu uusi kaasunerotuslaboratorio, jossa tutkitaan hiilidioksidin talteenottoa, hyödyntämistä ja varastointia sekä Power-to-x-teknologiaa, vedyn varastointia, teollisen mittakaavan kaasunerotusta sekä ilmansaasteita. Lisäksi Rezaei haluaisi tutkia uudessa laboratoriossa, miten sisäilman epäpuhtauksia voitaisiin hallita. Häntä kiinnostaa myös astman korkea esiintyvyys ja se, miten sisäilma mahdollisesti siihen vaikuttaa.
Hiilidioksidista tuotteita teollisuuden tarpeisiin
LUTin strategian mukaan ilmastonmuutosta kiihdyttävät päästöt voivat olla tulevaisuudessa tärkeä teollisuuden raaka-aine. Esimerkiksi hiilidioksidia on mahdollista käyttää ruoan, kemikaalien ja polttoaineiden valmistamiseen. LUTilla tutkitaan, miten sitä voidaan kaapata talteen ilmasta ja laittaa kiertoon mahdollisimman tehokkaasti.
Erotustekniikan professori Tuomas Koirasen tutkimusryhmä on selvittänyt, miten samassa prosessilaitteessa voitaisiin paitsi kaapata hiilidioksidia myös valmistaa siitä suoraan kalsiumkarbonaattia. Kalsiumkarbonaatti on teollisuudessa laajasti käytössä oleva aine, jota voidaan käyttää esimerkiksi teräksen, lasin, paperin ja maalien valmistuksessa sekä hammastahnan, lääkkeiden ja elintarvikkeiden täyteaineena.
Tällä hetkellä kalsiumkarbonaattia valmistetaan hiilidioksidista, jonka joukossa on myös epäpuhtaita savukaasuja. Se näkyy lopputuotteen laadussa. Lisäksi nykyisten prosessien resurssi- ja energiatehokkuudessa olisi Koirasen mukaan parantamisen varaa.
"Puhtaus ja jatkoprosessoinnin mahdollisuudet ovat tutkimamme prosessin suurimpia etuja. LUTin prosessissa saadaan suoraan käyttövalmista, mikrokokoista kalsiumkarbonaattikidettä, jota ei tarvitse enää erikseen jauhaa. Lisäksi kiteet ovat puhtaita, mikä on erityisen tärkeää esimerkiksi lääketeollisuudessa", kemiantekniikan prosessijärjestelmiin erikoistunut Koiranen kertoo.
LUTin kalsiumkarbonaattitutkimus voitti vastikään kansainvälisen FoRCe - Fortum Research Challenge -innovaatiokilpailun. Tutkimusryhmä käy parhaillaan keskusteluita teollisen mittakaavan toteutuksesta Fortumin sekä LUTin Lappeenrannan kampuksella toimivan Soletair Powerin kanssa. Ratkaisu voisi auttaa vähentämään tuotannon päästöjä ja lisäämään materiaalitehokkuutta.
Ilman kaasuja käytetään satelliiteissa, puhelimissa ja lampuissa
- Typpi: kylmäsäilytys
- Happi: sairaaloiden happisäiliöt
- Argon: hehkulamput, luksusautojen renkaat, kaksinkertaiset ikkunalasit, 3D-tulostus, hitsaus
- Neon: valomainokset, putkitelevisiot, laserit, valaistusjärjestelmät sisustus- ja maisemasuunnittelussa
- Helium: ilmapallot, astman hoito, keuhkolaajentuman ja muiden hengitystiesairauksien hoito, räjähdysten torjunta teollisuudessa
- Krypton: energiansäästölamput ja loisteputket, suurnopeusvalokuvauksen salamavalot, ydinfuusioenergiatutkimus, keuhkojen verenkierron kuvaus radioisotoopeilla, satelliitit, keuhkojen magneettikuvat
- Ammoniakki: kuljetusalusten polttoaineet, puhdistusaineet, lämmönsiirron väliaine (kansainvälinen avaruusasema käyttää lämmönsiirtimissään)
- Ksenon: bakteereja tappavat lamput ruoanvalmistuksessa, sydämen, aivojen ja keuhkojen kuvantamistutkimus, ihanteellinen nukutuskaasu.
- Radon: syövän ja kasvainten hoito, maanjäristysennusteet, reuman hoito
Lähteet: LUT-yliopisto, Euroopan ympäristökeskus, www.vedantu.fi
Tulevaisuudessa vetyä voitaisiin valmistaa jätteistä
Viimeaikaisista hiilidioksidin käyttökohteista tunnetuin on varmasti Power-to-x (P2X) -teknologia, jossa hiilidioksidista valmistetaan muun muassa metanolia, metaania ja muita polttoaineita sekä muoveja ja hiilivetyjä. LUTilla tutkitaan P2X-kemikaalien valmistustekniikoita, joilla puolestaan parannetaan prosessien energia- ja resurssitehokkuutta sekä vähennetään investointikustannuksia.
”Teemme laboratoriokokeita kerätäksemme dataa, jota käytämme prosessien mallintamiseen ja simulointiin. Näin pystymme suunnittelemaan tehokkaita tuotantoprosesseja yhdessä yhteistyökumppaneidemme kanssa", Tuomas Koiranen jatkaa.
Hiilidioksidin hyötykäytön mielenkiintoisimmat uudet avaukset liittyvät Koirasen mukaan hiilidioksidin talteenottoon tehtaiden savukaasuista sekä teollisuuden sivuvirtojen hyödyntämiseen vedynvalmistuksessa. Tulevaisuudessa vetyä voitaisiin valmistaa esimerkiksi yhdyskuntajätteistä sekä puunjalostuksen ja metalliteollisuuden sivuvirroista.
”Savukaasujen puhdistaminen ja puhtaan hiilidioksidin tuottaminen on teollisuudelle erittäin tärkeää, koska synteettisten polttoaineiden, kemikaalien ja muovien valmistus edellyttää rikki- sekä typpiepäpuhtauksien kustannustehokasta puhdistusta”, Koiranen lisää.
Teollisesti jatkojalostettavaa hiilidioksidia halutaan valmistaa sekä taloudellisesti että ekologisesti. LUTin tutkijat kehittävät tulevaisuudessa uusia prosessitehokkaita ratkaisuja uudessa kaasunerotuslaboratoriossa Lappeenrannan kampuksella.
Ammoniakkilannoitteet turvaavat ruoansaantia konflikteissa
Lannoiteteollisuus käyttää laajalti ammoniakkia. Sen valmistus öljy- ja kaasuteollisuudessa vaatii korkeaa painetta, korkeita lämpötiloja ja paljon energiaa. Ammoniakkia voitaisiin kuitenkin valmistaa myös ilmasta ja vedestä, mitä apulaisprofessori Nima Rezaei haluaisi tutkia tarkemmin.
“Ammoniakin valmistukseen kuluu noin kaksi prosenttia koko maailman energiankulutuksesta, ja se tuottaa myös prosentin kaikista hiilidioksidipäästöistä. Tämän vuoksi ammoniakin valmistukseen tarvittaisiin kestävämpiä ja vihreämpiä prosesseja”, Rezaei toteaa.
Urea on typpipohjainen lannoite, johon käytetään 80 prosenttia maailman ammoniakin tuotannosta. Venäjän sota Ukrainassa on lisännyt kiinnostusta kestäviä ja paikallisesti valmistettavia lannoitteita kohtaan, koska energian ja materiaalien toimitusketjuissa on ollut sodan vuoksi katkoksia. Venäjä ja Ukraina ovat lannoitemarkkinoiden suurimpia toimittajia, ja häiriöt niiden tuotantoketjuissa vaarantavat ruokaturvaa maailmanlaajuisesti. Ammoniakin paikallinen ja kestävä valmistus olisikin strategisesti tärkeää.
Ksenon – tulevaisuuden nukutusaine
Ksenon on ilmakehässä hyvin harvinainen kaasu. Sitä käytetään älypuhelinten ja kameroiden salamavaloihin sekä satelliittien työntövoimajärjestelmiin, jotka ohjaavat harhautuneen satelliitin takaisin kiertoradalleen. Ksenonia saadaan lähinnä ilmasta tislaamalla: Ensin ilman lämpötilaa lasketaan, jotta ilma muuttuu nestemäiseksi. Tämän jälkeen ilman eri ainesosat tislataan niiden kiehumispisteitä hyödyntäen.
“Ilmakehässä on 5 000 kertaa enemmän hiilidioksidia ja 10 miljoonaa kertaa enemmän typpeä kuin ksenonia. Ksenonin ilmatislaus on hyvin kallista, ja se kuluttaa paljon energiaa, koska ksenonin pitoisuudet ovat niin pieniä”, Nima Rezaei selventää.
Rezaein mukaan ksenon on ihanteellinen nukutusaine, joka sopii herkemmillekin potilaille, kuten aivan pienille lapsille, vanhuksille sekä sydän- ja verisuonitaudeista kärsiville. Koska ksenonin ilmatislaus on kallista, halutaan ksenonia erottaa potilaan ulos hengittämistä hiilidioksidista ja vesihöyrystä sekä kierrättää se potilaskäytön jälkeen.
“Tämä on kiinnostava uusi tutkimusaihe, koska ksenonia on niin vaikeasti saatavilla. Kierrätys ja puhdistus olisi merkittävästi kestävämpi toimintatapa, joka vähentäisi myös tuotannon hiilidioksidipäästöjä.”
Tällä hetkellä nukutuksessa käytetään yleisimmin dityppioksidia ja fluorikaasua, joista molemmat aiheuttavat haittoja sekä potilaille että sairaanhoitohenkilökunnalle. Lisäksi dityppioksidin vaikutus ilmakehän lämpenemiseen voi olla lähes 300 kertaa suurempi kuin hiilidioksidin. Fluorikaasu puolestaan tuhoaa ilmakehän otsonikerrosta.
Pähkinänkuoressa: Miten ilmakehään on muodostunut kaasuja?
Maapallon ilmakehä syntyi 4,5 miljardia vuotta sitten, mutta nykyisen kaltaisena se on ollut olemassa noin 400 miljoonaa vuotta. Ilmakehän kehityskaaren aikana on muodostunut erilaisia kaasuja. Karkeasti ottaen tämä tapahtui neljässä vaiheessa:
- Aluksi ilmakehässä oli vain kuumaa vetyä ja heliumia. Ilman painovoimaa kaasut olisivat karanneet ilmakehästä.
- Tulivuorenpurkaukset vapauttivat ilmaan hiilidioksidia, vesihöyryä, ammoniakkia, metaania ja rikkidioksidia. Ammoniakki reagoi pienten happimäärien kanssa korkeassa lämpötilassa ja muodosti typpeä. Metaanin ja hapen reaktiossa muodostui puolestaan hiilidioksidia.
- Noin 3,8 miljardia vuotta sitten maan pinta alkoi viilentyä kahdessa eri vaiheessa. Ensin kuuma planeetta törmäsi maahan. Törmäyksestä singonneista kappaleista syntyi kuu. Sitten maanpinnan lämpötila laski alle 100 asteen, minkä ansiosta vesihöyry tiivistyi. Tästä syntyivät vesistöt, joihin liukeni hiilidioksidia ja muita kaasuja.
- Bakteerit alkoivat lisääntyä kolme miljoonaa vuotta sitten. Ajan mittaan lajeista tuli yhä monimutkaisempia ja ne alkoivat myös vapauttaa happea. Happi puolestaan reagoi ultraviolettisäteiden kanssa, mistä syntyi otsonikerros. Tämä puolestaan lisäsi kasvien, bakteerien ja levien aktiivisuutta, minkä ansiosta syntyi nykyisenkaltainen ilmakehä.
Lisätietoja
Nima Rezaei
