Sukkahousuista se alkoi – niin kuin kaikki parhaat niksit

Materiaalien talteenotto jätelietteistä ja SER-romusta pienillä 3D-tulostetuilla kappaleilla alkoi oikeastaan siitä, kun professori Matti Haukka kollegoineen keksi käyttää sukkahousuja kullan talteenottoon liuoksesta. Nylonin kyky vuorovaikuttaa tietyn kultaionin kanssa oli jo tiedossa – nyt oli ajatuksena selvittää, vaikuttaako nylonin muotoilu langaksi ja lopulta kankaaksi sen kykyyn siepata kultaioneja.
Ja kyllä, sukkahousuissa käytetty nylon pystyy sieppaamaan liuoksesta kultaa talteen selektiivisesti. Menetelmä perustuu ioninvaihtoon, jota käytetään yleisesti hyödyksi esimerkiksi vedenpuhdistuksessa. Jyväskylässä menetelmään liitettiin 3D-tulostustekniikka ja tietämys erilaisten jätejakeiden sisältämistä arvokkaista metalleista – ja niin keksintö oli valmis!

– Mitähän se taas on keksinyt, kuvaa professori Matti Haukka Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella oletettavasti nousseita ajatuksia, kun hän kiikutti erilaisia sukkia laboratorioon kokeita varten. Professorilla kollegoineen oli kuitenkin selkeä visio: erilaisista jätejakeista jää hyödyntämättä suuria määriä arvokkaita materiaaleja, koska niiden pitoisuudet ovat pienet, eikä talteenotto olemassa olevilla menetelmillä ole kustannustehokasta. Jos olisi olemassa edullinen, joustava ja toimiva menetelmä pienten metallipitoisuuksien talteenottoon, metallit kannattaisi erottaa erilaisten jätteenkäsittelyprosessien yhteydessä, vaikkei käyttökohdetta metalleille vielä olisikaan tiedossa.

Tulostetussa siepparissa yhdistyvät oikeanlaiset kemialliset ominaisuudet ja rakenne

sieppariHyvä ionisieppari on yhdistelmä tarkoituksenmukaista rakennetta ja juuri oikeanlaista kemiaa. 3D-tulostuksella on mahdollista tehdä ainutlaatuisia joka suuntaan kanavoituja kappaleita tai  huokoisia rakenteita ja optimoida suuri pinta-ala ja hyvät virtausominaisuudet.

Käytännössä metallit saadaan talteen pienten 3D-tulostettujen kappaleiden avulla.
Niiden toiminta perustuu sekä tulostetun siepparin kemiallisiin ominaisuuksiin, että sen rakenteeseen. Kappaleen materiaalivalinnalla määritellään se, mitä aineita käsitellystä liuoksesta voidaan ottaa talteen ionisieppausmenetelmällä. Kappaleen tulostuksen yhteydessä voidaan myös yhdistellä eri materiaaleja, jotka reagoivat eri metallien kanssa: samalla kappaleella voidaan ottaa useita eri alkuaineita talteen. Erilaisia rakenteita tulostamalla ja kokeilemalla saadaan muutettua virtausominaisuuksia ja siten parannettua saantoa. Samalla voidaan valmistaa sieppareita, jotka ovat sovitettavissa erilaisiin prosessiympäristöihin. Metallit voidaankin saada menetelmällä talteen jopa 95-99-prosenttisesti, ja puhtausaste esimerkiksi kullalla on jopa yli 95 prosenttia.

3D tulostuksen avulla ionisiepparit voidaan siis helposti muokata liitettäviksi hyvin monien eri prosessien, kuten muiden talteenottoprosessien tai puhdistusprosessien osaksi. Siepparit toimivat filttereiden lailla passiivisesti, jolloin metallien talteenotto tapahtuu parhaassa tapauksessa kuin vahingossa muiden prosessien sivussa: esimerkiksi käsiteltävä jätevesi voidaan yksinkertaisesti laskea 3D tulostetun kappaleen läpi. Jätevesien käsittelyyn saadaan lisäarvoa, kun lopputuotteena on puhdistetun veden lisäksi talteen saatuja metalleja. Keksintö sopii myös hyvin paikalliseen talteenottoon, jolloin materiaaleja saadaan talteen ja uuteen käyttöön ’syntypaikassaan’. Aika täydellistä kiertotaloutta, eikö vain?

– Kappaleet ovat muuten myös useaan kertaan käytettäviä, ja tämän jälkeenkin ne voidaan murskata uusiokäyttöön ja seostaa uuden materiaalin kanssa talteenottokyvyn säilyttämiseksi, Haukka lisää.

Ionisieppauksella kriittiset metallit talteen

Vaikka menetelmä tarjoaa ratkaisun pienten metallipitoisuuksien tavoittamiseen, on keksinnöllä merkitystä paljon suuremmassakin mittakaavassa.

– EU:ssa on herätty 2000-luvulla huoleen niin kutsuttujen kriittisten metallien saatavuudesta. Ne ovat yhteiskuntamme toiminnan ja talouden kannalta tärkeitä metalleja, joiden saatavuuteen liittyy korkea riski. Esimerkiksi harvinaisia maametalleja tuotetaan lähes pelkästään Kiinassa (95%) ja 85% palladiumista ja platinasta tuotetaan Etelä-Afrikassa ja Venäjällä, dosentti Ari Väisänen kertoo. Kuitenkaan näitä materiaaleja ei tällä hetkellä juurikaan oteta kierrätyksen yhteydessä talteen eikä kierrätys siten vastaa raaka-ainetarvetta Euroopassa. Koska metallit ovat niukkaliukoisia, ja jätemateriaali on epähomogeenista, vaatisi metallien erottaminen puhtaina jakeina monivaiheisia ja energiaa kuluttavia prosesseja.
– Kehittämällämme menetelmällä nuo haasteet ovat kuitenkin voitettavissa, ja voimme poimia metalleja hyvin monenlaisista seoksista, Väisänen myhäilee.


Harvinaisista maametalleista esimerkiksi neodyymi ja praseodyymi ovat voimakkaasti magneettisina metalleina tärkeä kestomagneettien ja generaattoreiden materiaali. Kestomagneetteja tarvitaan esimerkiksi sähkömoottoreissa, ja generaattoreiden yksi tärkeä sovelluskohde ovat tuulivoimalat – oleellisia sovelluksia hiilineutraalia yhteiskuntaa tavoiteltaessa. Lantaania ja ceriumia puolestaan löytyy nikkelimetallihydridiakuista, joita käytetään mm. hybridiautoissa. Platinan ja palladiumin merkittävin sovelluskohde tällä hetkellä ovat auton katalysaattorit, mutta tulevaisuudessa niitä voidaan tarvita yhä enemmän esimerkiksi polttokennojen katalyytteinä.
Lähde: Kriittiset metallit vihreässä energiateknologiassa


– Meillä on ollut alusta saakka tavoitteena, että kun jotakin jätejaetta ryhdytään käsittelemään, siitä pyritään erottelemaan ja saamaan uudelleen käyttöön kaikki mahdollinen käyttökelpoinen materiaali – ei vain arvokkaimpia ja helpoiten talteen otettavia metalleja, kuten kulta ja kupari, Haukka kuvaa.
– Tämän periaatteen puolesta puhumme myös aina menetelmäämme esitellessämme, hän jatkaa.

Menetelmä on herättänyt myös kiinnostusta kansainvälisesti, esimerkiksi Kiinassa.
– Kun yhteistyökumppanimme esitteli viime vuonna menetelmäämme Kiinassa, siellä olisi haluttu tilata heti 60 käsittelylaitosta, Väisänen kuvaa.

Yhteistyöllä ja pitkäjänteisyydellä tuloksia

Talteenottomenetelmän kehittämisen taustalla on onnistunut yhdistelmä laitoksen eri kemian alojen yhteistyötä, pitkäjänteinen analyysilaitteiston hankintapolitiikka sekä tutkimuslähtöinen opetus.
– Meillä on vahvuutena mm. alkuaine-, epäorgaanisen, analyyttisen ja fysikaalisen kemian osaamisen yhdistäminen, Väisänen kertoo.
– Toisaalta tutkimusinfraan on panostettu koko ajan ja vuorovuosina analyysilaitteita on hankittu eri osastoille. Esimerkiksi ilman kemian laitokselle hankittua ICP-MS -laitetta (Inductively coupled plasma mass spectrometry) hyvin pienten metallipitoisuuksien analyysi SERistä ei olisi edes mahdollista, joten laite on ollut välttämätön ionisiepparimenetelmän kehittämisessä. Myös laitokselle hankitut erilaiset 3D-tulostimet nopeuttavat tulostettavien kappaleiden parametrien määritystä.

TulostusIonisiepparin tulostus käynnissä. 

Laboratorioista SER-demolaitokseen

Jyväskylään on suunnitteilla elektroniikkajätteen käsittelyyn erikoistuva SER-demolaitos. Laitoksen rakentamispäätösprosessi on loppusuoralla. Demolaitoksen suunnittelua vievät eteenpäin yhteistyössä Jyväskylän Energia, Elker ja Tapojärvi. SER-demolaitoksessa elektroniikkajätteestä otetaan talteen metallit mm. jalometallit, kupari, tina ja harvinaiset maametallit.

– Demolaitos tulisi olemaan eräänlainen tutkimus- ja kehitysympäristö, jossa käsitellään päivässä noin tonni SER-jätettä, Väisänen arvioi. Prosessin suunnitellaan perustuvan useamman vuoden tutkimustyön tuloksena kehitettyihin peräkkäisiin liuotus- ja sieppausvaiheisiin sekä eri talteenottomenetelmien yhdistelmiin.

– Vaikka SER-demolaitos perustuisi alkuvaiheessa juuri arvokkaimpien metallien talteenottoon, jotta prosessi saadaan taloudellisesti kestävälle pohjalle, prosessia on tarkoitus kehittää eteenpäin ja lopullinen tavoite on alkuperäisen periaatteen mukaisesti erotella ja hyödyntää kaikki SERin ja muiden jätejakeiden sisältämät metallit, Väisänen kertoo.

Materiaalien talteenottoa kokonaisuudessaan tehostaisi sähkö- ja elektroniikkaromun lajittelu esikäsittelyvaiheessa niiden sisältämien materiaalien mukaan. Käytännössä kyse on samanlaisesta konsentroinnista kuin mitä primääriraaka-aineille kuten malmikiville tehdään.

SERin lisäksi demolaitoksessa käsitellään tuhkia ja kuonaa sekä myöhemmässä vaiheessa myös akkuja.
– Meillä tutkitaan parhaillaan metallien erottelua akkumurskeesta ionisieppareiden avulla, Väisänen kertoo. Erityisenä tutkimuskohteena ovat olleet monimetallioksidia (NMC) sisältävät litiumioniakut. Saamme metallit talteen ioninvaihtohartsilla ja jäljelle jäävän litiumin saostettua talteen esimerkiksi karbonaattina tai fosfaattina. Metallien erottaminen toisistaan vaatii vielä jatkotutkimuksia – on löydettävä kullekin metallille sen kanssa herkästi reagoiva pari.

Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen tutkimusta ja tutkimuslaitteistoa sekä SER-demolaitoshanketta esittelivät professori Matti Haukka, dosentti Ari Väisänen, tutkijatohtori Siiri Perämäki sekä jatko-opiskelijat Joona Rajahalme ja Elmeri Lahtinen.

Vierailijat Tarja-Riitta Blauberg, Hannele Tiitto, Johanna Alakerttula ja Johanna Valio kiittävät mielenkiintoisesta ja antoisasta päivästä!

Lisälukemista:
Kriittisistä materiaaleista Euroopan komission sivuilla
Kriittiset metallit vihreässä energiateknologiassa
Kriittiset metallit ja huoltovarmuus
Tietoa harvinaisten maametallien käsittelyprosesseista

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s