2017

TkT Raimo Alén, MSc Hemanathan Kumar
Lisäarvollisten orgaanisten happojen kemialliseen massanvalmistukseen integroitu tuotanto

Jyväskylän yliopisto soveltavan kemian 1.1.2014-31.12.2016 toteuttamassa hankkeessa kehitettiin innovatiivinen prosessikonsepti, jonka avulla pystyttäisiin ottamaan talteen tietyssä määrin kemiallisen massanvalmistuksen uusina sivutuotteina syntyviä alifaattisia karboksyylihappoja sekä rikkivapaata ligniiniä. Kyseiset ainejakeet poltetaan nykyisin yleisesti tehtaan keittokemikaalien talteenoton yhteydessä, mutta hankkeessa niille muodostuisi lisäarvollisina tuotteina polttoarvojaan selvästi korkeampi hinta. Työssä suunniteltiin prosessi sekä sen lukuisia muunnoksia, joissa selvitettiin yksityiskohtaisesti mm. tarvittavien yksikköprosessien massataseet. Erityisesti voidaan mainita tiettyjen uusien tekniikoiden, kuten elektrodialyysin, hyödyntäminen tässä yhteydessä. Käytännössä tutkitun menetelmän integrointi normaaliin sulfaattiselluloosatehtaseen mahdollistaisi varsin mittavan tuotannon, jolla olisi kemianteollisuuden kannalta suuri kansantaloudellinen merkitys. Mikäli esim. koivuhaketta hyödyntävä tehdas tuottaisi vuosittain 500.000 tonnia valkaisematonta sulfaattimassaa, sen yhteydessä saataisiin uusina sivutuotteina 61.000 tonnia muurahais- ja etikkahappoa, 28.000 tonnia hydroksihappoja ja 30.000 tonnia ligniiniä. Kyseisiä ainejakeita voidaan hyödyntää kemiallisesti monissa teollisissa sovelluksissa joko sellaisenaan tai kemiallisen modifioinnin jälkeen. Lisäksi hanke johti yhteen mielenkiintoiseen uuteen menetelmään valmistaa ligniinikatalyytin avulla pinta-aktiivisia tuotteita lähtemällä eristetyistä hydroksihapoista ja sulfaattitehtaan perinteisestä uuteainetuotteesta, mäntyöljystä, mikä mahdollistaisi sellaisenaan kolmen tehtaan sivutuotteen hyödyntämisen. Yleisesti voidaan todeta kehitetyn talteenottoprosessikokonaisuuden tarjoavan potentiaalisen keinon varsin suurimittaiseen ja nykyisin suurelta osin petrokemiallisia tuotteita korvaavaan tuotantoon. Hankkeen tulokset on pääosiltaan raportoitu väitöskirjan H. Kumar ”Novel Concepts on the Recovery of By-products from Alkaline Pulping” (2016) yhteydessä.

TkT Mikko Hokka, TkT Timo Saksala, Prof. Veli-Tapani Kuokkala
Tulevaisuuden kallionporaustekniikoiden mahdollisuudet

Geoterminen lämpö on erittäin houkutteleva uusiutuvan ja puhtaan energian lähde. Valitettavasti
päästäkseen käsiksi geotermiseen lämpöön on porattava useita kilometrejä syviä kaivoja
maankuoreen, mistä aiheutuu merkittäviä kustannuksia. Tärkeimmät teknologiset esteet
geotermisen lämmön keräämiselle liittyvätkin porausteknologiaan, jonka kehittäminen vaatii
monialaista osaamista. Yksi vaihtoehto nopeampaan poraukseen ovat ns. lämpöshokkiavusteiset
poraustekniikat, jotka ovat vielä tutkimusasteella olevia menetelmiä. Menetelmät perustuvat
porattavan kiven heikentämiseen lämpöshokilla ennen poravasaran iskua, jolloin mekaanisen työn
määrä vähenee ja porausnopeus kasvaa. Suomen Luonnonvarain Tutkimussäätiön kolmivuotisessa
hankkeessa tutkittiin lämpöshokkiavusteisten porausteknologioiden potentiaalia sekä kehitettiin
uusia kokeellisia ja numeerisia menetelmiä, joilla arvioitiin lämpöshokin vaikutuksia kiven
porattavuuteen. Tässä hankkeessa kehitettiin optiseen mikroskopiaan perustuva menetelmä kiven
pintaan syntyvien säröjen kvantitatiiviseen arviointiin. Tämän menetelmän avulla määritettiin
pintasäröjen vaikutus kiven lujuudelle ja porattavuudelle. Kokeellisen tiedon avulla luotiin
matemaattinen malli kiven käyttäytymisestä iskumaisessa poraamisessa, mikä mahdollistaa kiven
murskautuvuuden ja porattavuuden arvioinnin tietokoneavusteisesti. Tämän hankkeen tulokset
toimivat pohjatietona uuden teknologian kehittämiselle ja kaupallistamiselle. Tutkimusta jatketaan
Suomen kulttuurirahaston tukemana, sekä kansainvälisessä Inno-Drill hankkeessa, jota rahoittavat
Norwegian Science Foundation sekä teollisuus.
Yhteystiedot: TkT Mikko Hokka, Tampereen teknillinen yliopisto, puh. 0408490132, sähköposti:
mikko.hokka@tut.fi

Prof. Heikki Tuononen, FM Akseli Mansikkamäki
Kohti uusia alumiiniin perustuvia kemiallisten reaktioiden katalyytteja

Moderni läntinen maailmamme käyttää yleisiä metalleja kuten alumiinia, kuparia, nikkeliä, rautaa ja sinkkiä mitä moninaisimmissa muodoissa. Viimeisten vuosikymmenten innovaatiot erityisesti elektroniikkateollisuudessa ovat merkittävästi lisänneet myös harvinaisempien metallien kuten indiumin, iridiumin, rodiumin ja tantaalin käyttöä monissa sovelluksissa. Teollisuus onkin tänä päivänä yhä enenevissä määrin riippuvainen raaka-aineista, joiden hinta, saatavuus ja riittävyys ovat epävarmoja.
Tässä tutkimuksessa pyrittiin kartoittamaan mahdollisuuksia hyödyntää alumiiniin perustuvia kemiallisia yhdisteitä hydrogenointi- eli vedytysreaktioiden apuaineina molekulaarisen vedyn pilkkomisessa. Nykyään lähes kaikki teollisuudessa käytettävät katalyytit perustuvat yleisten, halpojen ja turvallisten perusmetallien sijasta harvinaisille, kalliille ja osin toksisille siirtymämetalleille. Katalyyttisen reaktiivisuuden aikaansaaminen perusmetallien kuten alumiinin avulla on monissa tapauksissa äärimmäisen hankalaa, mutta erittäin tavoiteltavaa, sillä esimerkiksi alumiini on kolmanneksi yleisin alkuaine maankuoressa.
Tutkimuksessa hyödynnettiin laskennallisen kemian mallinnusmenetelmiä, joiden avulla tarkasteltiin erilaisten organoalumiiniyhdisteiden reaktiivisuutta ja kykyä toimia apuaineina, katalyytteinä, vedyn pilkkomisessa. Tutkimuksen kohteena olivat edellisten lisäksi vastaavanlaiset booriyhdisteet, sillä niiden on aikaisemmissa tutkimuksissa havaittu katalysoivan tietynlaisia hydrogenointireaktioita. Kemialliselta käyttäytymiseltään boori ja alumiini ovat hyvin samankaltaisia, sillä kysymyksessä on jaksollisen järjestelmän kaksi vierekkäistä alkuainetta.
Tutkimuksessa selvitettiin reaktiomekanismit, jotka mahdollistavat organobooriyhdisteiden toimimisen kemiallisten reaktioiden katalyytteinä. Saadut laskennalliset ja kokeelliset tulokset ovat tieteellisesti uraauurtavia. Tutkimuksessa tarkastelluista kahdesta erityyppisestä organoalumiiniyhdisteestä toisen havaittiin pilkkovan vetyä vastaavien galliumyhdisteiden tavoin. Laskennalliset tulokseemme vahvistettiin kokeellisesti japanilaisten tutkijoiden itsenäisesti julkaisemassa työssä. Valitettavasti tutkimuksemme pääkohteena olleiden alumiiniyhdisteiden havaittiin poikkeavan merkittävästi vastaavista booriyhdisteistä, eikä niillä havaittu haluttua reaktiivisuutta vedyn kanssa.
Kokonaisuutena tutkimuksen tulokset lisäisivät merkittävästi ymmärrystämme boorin ja alumiinin kemian monimuotoisuudesta. Laskennallisilla menetelmillä pystyimme sekä selittämään kokeellisia havaintoja että myös ennustamaan yhdisteiden reaktiivisuuksia. Hankkeen tuloksia on jo julkaistu yhdessä opinnäytetyössä sekä useassa tieteellisissä julkaisuissa. Tutkimustyö uusien paremmin vedyn aktivointiin soveltuvien alumiiniyhdisteiden parissa jatkuu edelleen.
Lisätietoja: professori Heikki Tuononen, Jyväskylän yliopisto, kemian laitos (heikki.m.tuononen@jyu.fi)