Väitös

Marjaana Karhu: Teollisuuden sivuvirroista valmistetut tuotteet voivat olla ominaisuuksiltaan jopa uusista raaka-aineista tehtyjä parempia

Marjaana Karhu.
Kaikista käytetyistä raaka-aineista vain 9% kiertää tällä hetkellä takaisin uudelleenkäyttöön. Teollisuuden sivuvirroista valmistetuissa tuotteissa on kuitenkin mahdollista saavuttaa vastaavia ja jopa parempia ominaisuuksia kuin puhtaisiin raaka-aineisiin pohjautuvissa tuotteissa, selviää Marjana Karhun väitöskirjassa.

Mineraalisia materiaaleja tuodaan Suomeen jopa toiselta puolelta maapalloa. Joidenkin luonnonvarojen osalta sopivat primääriset raaka-ainevarannot hupenevat maapallolta tai keskittyvät tiettyihin maihin, mikä aiheuttaa raaka-aineiden saatavuusongelmia ja hinnanvaihteluita. Samanaikaisesti teollisuus tuottaa Suomessakin paikallisesti valtavat määrät sivuvirtoja. Niistä suuri osa päätyy jätteeksi kuormittamaan ympäristöä. Marjaana Karhu hakee väitöskirjassaan ratkaisuja tähän erittäin ajankohtaiseen haasteeseen, mineraalisten sivuvirtojen saattamiseen raaka-ainekiertoon ja hyötykäyttöön.

– Kasvava kulutus sekä siirtyminen kohti hiilineutraalia energian tuotantoa ja liikennettä kasvattaa raaka-aineiden tarvetta tulevaisuudessa. Teollisuuden tuottamat mineraaliset sivuvirrat tulisi saada kiertoon ja hyötykäyttöön mahdollisimman tehokkaasti. Tämä mahdollistaisi maahantuotujen materiaalien korvaamisen ja primääristen raaka-ainevarantojen riittävyyden turvaamisen ja pienentäisi samalla prosessien ja tuotteiden ympäristövaikutuksia, Marjaana Karhu sanoo.

Kaivosten sivuvirrat muodostavat suurimman osuuden teollisuuden tuottamista sivu- ja jätevirroista maailmanlaajuisesti. Vuosittain kaivosjätettä syntyy kymmeniä tuhansia miljoonia tonneja. Syntyvän jätteen määrä muodostaa jopa yli 70% maaperästä louhitun aineksen määrästä.

– Kaivosten sivuvirtojen hyödyntäminen on pääasiassa keskittynyt maanrakennussovelluksiin, jossa niiden uudelleenkäyttöarvo on suhteellisen alhainen, mutta kuitenkin vakiintunut. Tästä huolimatta kaivosten sivuvirrat mielletään edelleen suurelta osin jätteeksi, eikä niiden arvoa raaka-aineena tunnisteta, Karhu kertoo.

Marjaana Karhu keskittyi tutkimaan mineraalisten sivuvirtojen hyödyntämistä korkeamman jalostusasteen sovelluksissa, korkean lämpötilan keraamimateriaalien raaka-aineena korvaamassa puhtaiden primääristen raaka-aineiden käyttöä. Tavoitteena oli tutkia ja lisätä ymmärrystä sivuvirtojen hyötykäytön mahdollisuuksista ja rajoitteista tällä uudella sovellusalueella. Karhu halusi selvittää, kuinka epäpuhtauksia sisältävien sivuvirtojen koostumus vaikuttaa muodostuvien keraamimateriaalien rakenteeseen ja sitä kautta saavutettuihin ominaisuuksiin verrattuna vastaaviin puhtaista raaka-aineista valmistettuihin materiaaleihin.

– Korkean jalostusarvon sovelluskohteita ajatellen lopputuotteiden ominaisuuksien ja käytettävyyden on oltava vähintään samalla tasolla vastaavien primääriraaka-aineista prosessoitujen tuotteiden ominaisuuksien ja käytettävyyden kanssa, Karhu sanoo.

Tutkimus tarjoaa uutta tietoa sivuvirtapohjaisten keraamimateriaalien ominaisuuksista. Tuloksia voidaan hyödyntää jatkotutkimuksissa sivuvirtapohjaisten materiaalien suunnittelussa.

– Sivuvirtapohjaisilla keraamimateriaaleilla saavutetut ominaisuudet olivat suurelta osin vastaavalla tasolla ja joidenkin ominaisuuksien osalta jopa parempia kuin vastaavilla puhtaista raaka-aineista valmistetuilla materiaaleilla. Yhdistämällä tietynlaista kaivosteollisuudesta muodostuvaa sivuvirtaa alumiinin anodisointiprosessista syntyvän sivuvirran kanssa pystyttiin valmistamaan lasifaasia sisältäviä keraamipinnoitteita, joiden sähköneristävyys oli samaa luokkaa kuin puhtaista raaka-aineista valmistetuilla pinnoitteilla, Karhu sanoo. Keraamipinnoitteiden kulumiskestävyys osoittautui paremmaksi kuin vastaavista puhtaista raaka-aineista valmistetuilla pinnoitteilla, mikä mahdollistaa niiden pidemmän eliniän korkean lämpötilan sovelluskohteessa.

Sivuvirtojen kokonaisvaltaiseen hyödyntämiseen ja kiertojen sulkemiseen on kuitenkin vielä matkaa.

– Sivuvirtojen laadunvaihtelu ja sen hallinta ovat avainasemassa sivuvirtojen hyödyntämisessä kuten myös ymmärrys koostumuksen vaikutuksista tuotteiden pitkäaikaiskestävyyteen. Näihin tarvitsemme vahvaa tutkimuspanostusta, uudenlaisia lähestymistapoja ja laajaa yhteistyötä alan toimijoiden kesken, Karhu tiivistää.

Marjaana Karhu työskentelee Tampereella Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä teollisen kiertotalouden ratkaisujen parissa. Karhu pyrkii työssään edistämään metallien ja mineraalien kiertotaloutta Suomessa sekä kustannustehokkaita ratkaisuja kohti suljettuja raaka-ainekiertoja, ja näiden kautta tuottamaan Suomen teollisuudelle uutta kilpailukykyä.

Materiaalitekniikan diplomi-insinööri Marjaana Karhun väitöskirja Utilization of Mineral Side Streams in High Temperature Ceramic Materials tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 4.12.2020 klo 12 Festian auditoriossa pieni sali 1, Korkeakoulunkatu 8, Tampere. Vastaväittäjinä toimivat professori Timo Fabritius Oulun yliopistosta sekä professori Yiannis Pontikes KU Leuvenista. Kustoksena toimii professori Erkki Levänen Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Tilaisuuteen voi osallistua etäyhteydellä.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1737-9

Kuva: Heikki Karhu

Tulevat tapahtumat

Menneet tapahtumat