Jätepohjaisten korkean arvon materiaalien suunnittelun ja kehityksen edistäminen

Päivi Kivikytö-Reponen, Tarja Laitinen ja Marjaana Karhu

Teknologian tutkimuskeskus VTT

Kiertotalouden muutosta edesauttaa valikoima kauan käytössä olleita keinoja, joita edelliset sukupolvet hyödynsivät tehokkaasti aikana, jolloin materiaalista ja tuotteista oli pulaa. Kiertotalouden liiketoiminnan malleja edustaa tuotteiden pidemmän eliniän hyödyntäminen, materiaalien ja resurssien tehokas vähentäminen ja materiaalin kierron sulkeminen muun muassa kunnossapidon, uudelleen valmistuksen, uudelleenkäytön ja kierrätyksen keinoin. Kiertotalous edellyttää vastuullista materiaalien suunnittelua, käyttöä ja valmistelua uudelleen käyttöön sekä nykyisen jäännös, jäte ja ylijäämämateriaalin hyödyntämistä, jota uusimman tutkimuksen ja teknologian käyttöönotto pystyy edesauttamaan.

Materiaalien tuotannossa ja talteenotossa syntyy jätteitä ja jäännöksiä, joita nykyisin ei vielä hyödynnetä, tai hyödynnetään vain osittain matalan arvon sovelluksissa. Jäännöksiin liittyvä materiaalisuunnittelu sekä niiden hyötykäytön mahdollisuudet ja esteet eroavat primäärisistä sekä kierrätetyistä uusiomateriaaleista, esimerkiksi hinnan, ympäristöllisten näkökulmien, paikallisuuden, kemiallisen koostumuksen, mahdollisten haitallisten aineiden sekä mahdollisen hyödyntäjä sektorin suhteen. Ottamalla huomioon viitekehyksen (ja sen mahdollistajat ja esteet), jäännöksille sekä tietyille sekundääriraaka-aineille, on mahdollista kartoittaa sekä demonstroida suunnittelu-ja kehitysstrategioita esimerkkien kautta. Jäännöksiä voidaan arvioida esimerkiksi perustuen niiden alkuperään: primäärituotannon jäännökset (esimerkki 1), teolliset sekundäärilähteet kuten sivutuotteet, sivuvirrat ja jäännökset (esimerkki 2) sekä elinkaarensa päässä olevien tuotteiden kierrätysjäännökset (esimerkki 3).

Kaivosjätteet ovat maailmanlaajuinen haaste erityisesti suurten volyymien ja mahdollisten ympäristövaikutusten vuoksi. Esimerkki 1: Kaivosjäännöksiä voidaan hyödyntää raaka-aineena keraamisissa materiaaleissa, joita kehitetään VTT:llä mm. CeraTail sekä SECO-MIM projekteissa. Suomen Akatemian rahoittamassa CeraTail projektissa kehitetään energiatehokkaita prosessointimenetelmiä kaivosten rikastushiekkojen hyödyntämiseen huokoisten keraamien raaka-aineena. Tekesin rahoittamassa SECO-MIM projektissa kaivosten rikastushiekkoja käytetään demonstroimaan mahdollisuutta tuottaa keraamisia materiaaleja ruiskupuristamalla*. Lopputuloksena tuotetaan sintrattuja keraamisia komponentteja jauhetuista rikastushiekoista.

*Jauhemaisten materiaalien ruiskupuristus on menetelmä, jolla voidaan tuottaa pieniä, monimutkaisia muotoja omaavia kappaleita. Jauhepohjainen materiaali sekoitetaan polymeerin kanssa, joka sulaa ruiskupuristuksessa, mikä tekee massassa muovattavan. Jähmettymisen jälkeen polymeeri poistetaan ja jäljelle jäävä osa, joka koostuu jauhemaisesta materiaalista, sintrataan.

Teolliset jäännökset muodostavat ryhmän erilaisia virtoja lähtien metallien tuottamisesta kohti valmistusta, jäänteiksi lasketaan esimerkiksi kuonat ja tuhkat. Erityisesti teräs ja alumiiniteollisuuden ** sivuvirrat muodostavat isoja volyymejä. Esimerkki 2: alumiiniteollisuuden sivuvirran hyödyntämistä kehitetään VTT:llä korkean lämpötilan materiaaleissa, kuten alumiinioksidipohjaisten komposiittien raaka-aineena. Tämä luo mahdollisen korvaavan materiaalin kehittämisen korkean lämpötilan arvokkaille metalliseoksille, sisältäen huoltovarmuuden kannalta kriittisiä alkuaineita.

**Alumiini on yleinen alkuaine. Alumiinia käytetään yleisesti erilaisissa tuotteissa lähtien tölkeistä puhelimiin ja lentokoneen ikkunoidenkehyksiin. Alumiinioksidi sen sijaan on yksi käytetyimmistä keraamisista materiaaleista.

Elinkaarensa päässä olevien tuotteiden kierrätyksessä syntyvät jäännökset ovat tärkeitä raaka-ainevarastoja yhä kasvavien materiaalivirtojen kautta. Esimerkiksi elektroniikan (WEEE) jäte kuuluu maailmassa nopeimpien kasvavien jätevirtojen joukkoon. WEEE sisältää arviolta 2.2 painoprosenttia piirilevyjä. Esimerkki 3: Suomen Akatemian rahoittamassa CloseLoop projektissa tutkimme kuparin talteenottoa kemiallisessa pinnoituksessa *** piirilevyjätteestä. Menetelmä tarjoaa potentiaalisen tavan vähentää energiankulutusta sekä aikaa hyödyntäen suoraa materiaaliprosessointia erillisten alkuaineiden pitkän kaavan talteenoton sijasta. Menetelmää voidaan käyttää johtavissa ratkaisuissa kuten esimerkiksi kulutusta vaativissa olosuhteissa, tarjoten mahdollisen korvaavan materiaaliratkaisun.

***Prosessissa kupari liuotetaan happokäsittelyllä piirilevyjätteestä, joka pinnoitetaan jauhemaisen partikkelin pintaan. Pinnoitus muodostaa puhtaan kuparikerroksen partikkelin pinnalle. Menetelmä soveltuu erilaisille pinnoille, esimerkiksi lasi, alumiinioksidi, hiilinanokuidut sekä muovit

 Yllä esitetyt suunnittelu ja kehitysstrategiat ovat vain esimerkkejä lukemattomista mahdollisuuksista. Usein jäännöksen suora hyödyntämispotentiaali ei tarjoa monia mahdollisuuksia, mutta materiaalin kemiallinen, mekaaninen ja terminen käsittely, sekä syntetisointi korkeamman arvon materiaaliksi avaa mahdollisuuksia hyödyntämiseen. Tärkeää on muistaa myös mahdolliset haitalliset aineet sekä niiden oikea prosessointi vaarattomaan muotoon lopullisessa tuotteessa. Kaikki tämä on mahdollista toteuttaa suhteellisen edullisilla prosessointimenetelmillä, myös skaalattavilla, kunhan materiaalisuunnittelu, materiaalisyntetisointi ja kemia säädetään kohdalleen. Pilotoinnin lisäksi tarvitaan myös tutkimusta, konseptikehitystä, ja laboratoriossa tapahtuvia kokeiluja.

Share on LinkedInShare on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+