Kiertotalous tarvitsee uusia kemiakarttoja

Pertti Koukkari ja Risto Pajarre, VTT

Kahden viimeisen vuosikymmenen kuluessa niin teollisuudessa kuin kuluttajatuotteissa on tapahtunut ennennäkemättömän voimakas kemiallistuminen kymmenien uusien alkuaineiden käyttöönoton myötä. Kierrätysprosesseissa väistämättä syntyvien uusien yhdistelmien seosominaisuudet ovat kuitenkin valtaosin tuntemattomia, mikä vaikeuttaa prosessien suunnittelua ja nostaa kustannuksia. Aineominaisuuksien kartoituksesta onkin tulossa välttämätön osa kestävän kiertotalouden kehittämistä. CloseLoop-projektissa pyritään vastaamaan tähän haasteeseen uusien laskentamenetelmien avulla.

Laskennallisten menetelmien käyttö prosessi- ja materiaalitekniikassa on jatkunut useiden vuosikymmenien ajan uusien numeeristen tekniikoiden käyttöönoton seuratessa tietokoneiden laskentatehon kasvua. Erityisesti kemiallis-termodynaamisten seosten muodostumisenergioihin perustuva laskenta antaa mahdollisuuden monimutkaisten prosessien virtuaalikuvauksiin usein hämmästyttävällä tarkkuudella ja siten niiden käyttö prosessikehityksen apuna on osoittautunut tehokkaaksi.

VTT:llä kahden viime vuosikymmenen aikana kehitetyt uudet kemiallisen termodynamiikan laskentaohjelmat (ChemSheet ja KilnSimu) ovat käytössä kuudessa maanosassa – pääosin niillä ratkaistaan teollisuuden raaka-aineiden ja energian säästöön sekä materiaalien kierrätykseen liittyviä ongelmia. Käytännön sovellukset ulottuvat Talvivaaran sulfaattipäästöjen hillitsemisestä kotimaassa fossiilisen hiilen käytön puolittamiseen metallien kierrätysprosesseissa Japanissa tai Saksassa.

Termodynaaminen tarkastelu perustuu aineominaisuuksiin. Puhtaiden aineiden karakteristiikan lisäksi prosessikemisti tarvitsee kuitenkin tiedon siitä, miten alkuaineet ja yhdisteet käyttäytyvät sekoittuessaan ja reagoidessaan keskenään. Edellä kuvattu kehitys kemiallis-termodynaamisessa laskennassa perustuu sekä puhtaiden aineiden että kemiallisten seosten muodostumisenergiaparametrien tuntemiseen. Esimerkiksi VTT:n käyttämässä kaivosvesilaskennassa on koottu nämä ainearvot n. 10 metalli-ionille ja viidelle anionille (taulukko 1). Nämä ionit ovat yleisiä sekä metsäteollisuuden poistovesissä että kaivosteollisuuden neutralointiprosesseissa (jälkimmäisissä kaupallisesti arvokkaat metallit on otettu talteen aiemmissa prosessivaiheissa). Siten suppeakin tietokanta antaa riittävän perustan molempien alojen vesistöpäästöjen hallintaa kehitettäessä.

Pyrkimys kestävään kiertotalouteen on luomassa uusia haasteita. Kahden viime vuosikymmenen aikana yhä uudet alkuaineet on otettu käyttöön sekä teollisuudessa että kuluttajatuotteissa: kun 90-luvulla ensimmäisissä tietokoneissa käytettiin 12 alkuainetta, nyt sylimikrossa voi olla niitä yli 50 (kuva 1). Valtaosalle näistä ei tunneta kuin puhtaiden yhdisteiden muodostumisenergiat, seosparametrien ollessa pääosin tuntemattomia. Tyypillinen esimerkki on CloseLoop-projektin tutkimuskohteena oleva litium ja sen yhdisteet niin korkealämpötilaisissa suola- ja kuonaseoksissa kuin myös esim. vesiliuoksissa. Luotettavien ainearvojen puute vaikeuttaa sekä primäärisen litiumin talteenottoprosessien suunnittelua että kierrätystekniikoiden kehittämistä ja laskennallisen suunnitteluperustan puuttuessa joudutaan turvautumaan ylimääräisiin prosessikokeiluihin.

Ainearvotutkimus ja tuntemattomien seosominaisuuksien kartoitus ovatkin muodostumassa keskeiseksi tulevaisuuden haasteeksi kiertotaloutta kehitettäessä. Perinteiset, usein pitkäkestoiset termodynaamiset mittausmenetelmät voidaan kuitenkin ainakin osittain korvata tietotekniikalla – materiaalitieteen ab-initio menetelmien yhdistämisen termodynaamisiin kontinuumitarkasteluihin toimii jo verraten yksinkertaisille (korkealämpötila)systeemeille; monimutkaisimmille kuten vesiliuoksille voidaan mahdollisesti soveltaa esim. koneoppimista tuntemattomien vuorovaikutusparametrien määrittämiseksi jo tunnettujen systeemien avulla.

Siinä missä fyysikot ja materiaalitieteilijät ovat ottaneet käyttöön yhä uusien alkuaineiden ja yhdisteiden materiaaliominaisuuksia erilaisissa high-tech-tuotteissa, on kemistien otettava haasteeksi näiden materiaalien keskinäisen vuorovaikutuksen tunnistaminen niitä talteen otettaessa ja kierrätettäessä.

Table 1. VTT:n vesiliuostietokannan keskeiset ionit

  Kationi Anioni
 
Pääosaslajit Na+, K+, Ca2+, Mg2+, H+ Cl, SO42-, OH, CO32-
Sivuosaslajit Al3+ ,Fe3+, Cu2+, Mn2+, REE3+ SiO44-

 

 

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