Teksti Ari Rytsy, kuva VTT
Suomalaisessa Bio4All-tutkimushankkeessa on löydetty keino jalostaa nopean pyrolyysin sivutuotteesta korkealuokkaista aktiivihiiltä jätevesien puhdistukseen. Raaka-aineen sisältämällä tuhkalla havaittiin olevan positiivinen vaikutus aktiivihiilen suorituskykyyn lääkeainejäämien poistossa.
EU:n tiukentuva jätevesidirektiivi tuo lähivuosina uusia vaatimuksia vedenpuhdistukselle. Erityisesti lääkeainejäämät ja muut mikroepäpuhtaudet on saatava poistettua jätevesistä nykyistä huomattavasti tehokkaammin, mikä kasvattaa aktiivihiilen kysyntää. Tällä hetkellä merkittävä osa teollisuuden ja vedenpuhdistuksen aktiivihiilestä on kuitenkin fossiilista alkuperää tai se tuodaan EU:n ulkopuolelta.
Ratkaisua etsitään kotimaisista biomassasivuvirroista. Alkuvuodesta 2027 päättyvässä Bio4All-hankkeessa tutkittiin, miten nopean pyrolyysin sivutuotteena syntyvää biohiiltä voitaisiin jalostaa korkealuokkaiseksi aktiivihiileksi. Aktiivihiilen osalta kokeelliset tutkimukset on saatu jo päätökseen, ja VTT:n tutkijat valmistelevat aiheesta laajaa tieteellistä julkaisua yhdessä Åbo Akademin kanssa.
”Aktivointiprosessilla pystyimme parantamaan huomattavasti biohiilen huokosrakennetta ja pinta-alaa – siis ominaisuuksia, jotka ovat välttämättömiä mikroepäpuhtauksien tehokkaassa poistossa. Biopohjaisella aktiivihiilellä puhdistettiin onnistuneesti lääkeainejäämiä jätevedestä, mikä osoittaa sen potentiaalin vastata EU:n tiukentuviin vaatimuksiin”, kertoo VTT:n erikoistutkija Virpi Siipola.
Kokeissa käytettiin muun muassa Helsingin seudun ympäristöpalvelujen (HSY) Viikinmäen jätevedenpuhdistamon jätevettä. Tulokset olivat erittäin lupaavia ja vehnäolkipohjainen biohiili osoitti erinomaista puhdistustehoa.
Vesihöyry avaa hiilen huokoset
Aktiivihiilen teho perustuu sen kykyyn sitoa epäpuhtauksia valtavaan sisäpinta-alaansa. Valmis biohiili on jo luonnostaan huokoista, mutta pyrolyysissä syntyvät terva-aineet voivat hiiltyä huokosrakenteeseen ja peittää osan huokosista.
Aktivoinnissa biohiiltä kuumennetaan korkeaan lämpötilaan (noin 700–1 000 °C) ja käsitellään vesihöyryn tai hiilidioksidin avulla. Kuumat kaasut reagoivat hiilen kanssa ja poistavat huokosia peittäviä yhdisteitä kehittäen samalla huokosrakennetta. Prosessissa hiilen pinta-ala voi moninkertaistua.
”Perinteisen kaupallisen aktiivihiilen sisäpinta-ala voi olla noin 1 000 neliömetriä grammaa kohden. Bio4All-hankkeessa kuitenkin havaittiin, että biopohjaisella hiilellä voidaan saavuttaa lähes sama puhdistusteho jopa puolet pienemmällä pinta-alalla”, sanoo Siipola.
Tuhka muuttuu haitasta mahdollisuudeksi
Kasvibiomassojen, kuten oljen, puunkuoren tai maatalouden sivuvirtojen, käyttöä vaikeuttaa usein raaka-aineen vaihteleva laatu. Lisäksi pyrolyysissä syntyvässä biohiilessä on aina mukana kasvin sitomia mineraaleja eli tuhkaa, jota on perinteisesti pidetty lopputuotteen laatua heikentävänä epäpuhtautena.
Bio4All-tutkimuksessa tämä haaste käännettiin voitoksi.
”Havaitsimme, että raaka-aineen sisältämä tuhkan määrä vaikutti siihen, miten aktiivihiili toimi vedenpuhdistuksessa. Korkeimman tuhkapitoisuuden aktiivihiili oli itse asiassa tehokkain epäpuhtauksien poistossa. Mineraalit voivat myös vaikuttaa siihen, miten aktiivihiilen huokosrakenne kehittyy aktivoinnin aikana”, Siipola selittää.
Koska eri kasveilla ja kasvupaikoilla on oma mineraaliprofiilinsa, ilmiö avaa tilaisuuden hiilen ominaisuuksien räätälöintiin. Biomassalähteen valinta saattaa tarjota keinon säädellä aktiivihiilen huokosrakennetta ja parantaa tiettyjen yhdisteiden sitoutumista.
Siirrettävä konttilaitos vie koeuunin raaka-aineen luo
Tulosten skaalaaminen teolliseen mittakaavaan vaatii laboratoriotulosten lisäksi näyttöä käytännön toimivuudesta. VTT vastaa tähän tarpeeseen rakentamalla uutta, pyörivään uuniin perustuvaa testilaitteistoa bio- ja aktiivihiilen pilotointiin.
Vuonna 2027 käyttöön otettava pilot-laitos on merikonttikokoluokkaa. Liikuteltavan laitteiston ansiosta koetoimintaa voidaan siirtää joustavasti suoraan raaka-ainelähteiden, kuten sellutehtaiden tai maatalouden sivuvirtakeskittymien, luokse.
”Kaupallistaminen vaatii jatkotutkimuksen lisäksi edelläkävijäyrityksiä, jotka lähtevät viemään ratkaisuja käytäntöön. Kun EU-jäsenvaltiot valmistautuvat kiristyviin vaatimuksiin epäpuhtauksien poistossa lähivuosina, kotimainen ja kiertotalouteen perustuva aktiivihiili tarjoaa strategisen mahdollisuuden parantaa huoltovarmuutta ja korvata tuontimateriaaleja”, Siipola toteaa.
Bio4All-hanke
- Tavoite: Edistää biopohjaisten materiaalien ja kemikaalien valmistusta sekä korvata fossiilisia raaka-aineita kiertotalousratkaisuilla.
- Keskiössä: Biomassojen nopea pyrolyysi bioöljyn tuottamiseksi sekä prosessin sivuvirtojen – kuten biohiilen – jalostaminen korkean arvon tuotteiksi (esim. aktiivihiileksi).
- Tutkimuskumppanit: VTT, Åbo Akademi, LUT-yliopisto, Tampereen yliopisto ja Tampereen ammattikorkeakoulu (TAMK) yhdessä teollisuuskumppaneiden kanssa.
- Rahoitus: Business Finland ja osallistuvat yritykset.
