Sivuvirroista meluvalliksi – uuden materiaalin tarina

pe kesäk. 11 08:40:00 2021

Teksti: Jutta Nuortila-Jokinen, teollisuusprofessori, kiertotalouden erotustekniikka, LUT-yliopisto ja Antti Häkkinen, professori, nesteen ja kiintoaineen erotus, LUT-yliopisto
Kuvat: LUT-yliopisto ja Jutta Nuortila-Jokisen arkisto ja Janne Tiainen, GRK Infra Oy

EU:n Urban Innovation Actionin rahoittaman 3-vuotisen Urban Infra Revolution (UIR) -hankkeen tavoitteena oli kehittää paikallinen kiertotaloustuote, 3D-tulostettava geopolymeerikomposiitti (GPC). Kiertotaloustuote valmistettiin teollisia sivuvirtoja hyödyntämällä ja siitä muotoiltiin esineitä kaupunki-infrastruktuurin tarpeisiin.

Projektin alussa kartoitettiin muun muassa Lappeenrannan lähialueiden tärkeimmät potentiaaliset geopolymeerien raaka-ainelähteet, joista jatkotutkimuksiin seuloutui kaikkiaan 23 sivuvirtaa, näistä 18 Kaakkois-Suomesta. Kaakkois-Suomessa syntyy paljon erilaisia sivuvirtoja, kuten biotuhkia, lietteitä, soodasakkaa, rikastushiekkaa, metallikuonaa ja rakennusjätettä, jotka useimmiten jäävät vielä suurelta osin hyödyntämättä.

Tutkimuksissa selvitettiin, mistä alkuaineista ja yhdisteistä sivuvirrat koostuvat ja millaisia fysikaalisia ominaisuuksia niillä on. Tämä tehtiin mittaamalla muun muassa kiintoaineiden kemiallista koostumusta, partikkelikokoa ja -muotoa, ominaispinta-alaa, liukenemista ja lämmönkestävyyttä. Kaikki nämä vaikuttavat raaka-aineiden käyttäytymiseen jatkojalostuksessa. Karakterisoinnin tulokset muodostavatkin lopputuotteen valmistajan kehitystyölle välttämättömän tietopankin.

Sivuvirtojen analysoitujen ominaisuuksien pohjalta hankkeessa kehitettiin viisi erilaista GPC-reseptiä. Parhaimmillaan sivuvirtojen osuus kehitetyissä materiaaleissa oli 99,6 p-%. Kaikki GPC-materiaalit testattiin rakennusteollisuuden standarditesteillä. Ne osoittivat, että niiden puristuslujuus, taivutuslujuus ja kulutuskestävyys ovat vastaavien betonituotteiden luokkaa. Lisäksi niiden sementtiä merkittävästi nopeampi kovettumisaika antaa GPC:lle huikeaa etua ja mielenkiintoisia ominaisuuksia käytettäväksi erilaisissa sovelluskohteissa.

GPC ei kilpaile betonin kanssa

Suomessa syntyy vuosittain merkittäviä määriä erilaisia teollisia sivuvirtoja, kuten noin 0,7 Mt bio- ja kivihilituhkaa. Nämä sivuvirrat ovat kuitenkin harvoin sellaisenaan käyttökelpoisia raaka-aineita. Sen sijaan niitä on muokattava yksinkertaisilla mekaanisilla menetelmillä, kuten murskaamalla, jauhamalla, seulomalla ja luokittelemalla hiukkasia niiden tiheys- ja kokoeroihin perustuvilla menetelmillä.

Esikäsittelyn tarkoituksena saattaa toisinaan olla epätoivotun materiaalin poistaminen tai halutun materiaalin pitoisuuden kasvattaminen. Joissakin tapauksissa pelkkä partikkelikokojakauman räätälöinti voi olla oikotie onnistumiseen.

Toisaalta, mitä monivaiheisemman esikäsittelyn kierrätysraaka-aine vaatii, sitä suuremmat ovat sen kustannukset. Ja ne siirtyvät suoraan valmiin kiertotaloustuotteen hintaan heikentäen niiden kilpailukykyä neitseellisiin materiaaleihin verrattuna. GPC:n potentiaali rakentamisessa onkin siten betonia täydentävä, ei kilpaileva.

Ympäristöhyödyt vaihtelevat

Reseptien ja prosessien kehitystä seurattiin koko ajan myös kestävyysnäkökulmasta, sillä GPC ei välttämättä ole ympäristöllisesti sen kestävämpi vaihtoehto kuin perinteinen betoni. Tämä johtuu siitä, että ympäristövaikutukset ovat täysin riippuvaisia käytetystä reseptistä.

Niinpä teollisten sivuvirtojen laadusta, määrästä ja käytetystä aktivaattorista riippuen kehitettyjen GPC-materiaalien ympäristövaikutukset vaihtelivat +40 prosentin ja -98 prosentin välillä perinteiseen betoniin verrattuna. Esimerkiksi, kun elinkaarimallinnus osoitti, että resepteissä käytetty aktivaattori edusti merkittävää osaa koko tuotteen ympäristökuormituksesta, löydettiin vaihtoehtoinen aktivointireitti. Tällöin kyseisen reseptin hiilijalanjälki aleni 98 prosenttia betoniin verrattuna.

Paikallisuus iso etu

Modernin GPC-perustaisen kaupunki-infrastruktuurin havainnollistamiseksi kaupunkilaisille ja kaupunkisuunnittelijoiden työkaluksi projektissa rakennettiin myös Mapgets-virtuaalimallit Lappeenrannan ydinkeskustan visioista vuosille 2030 ja 2050.

GPC:n tuotanto voidaan toteuttaa paikallisesti, mikäli saatavilla on sopivia sivuainevirtoja ja niiden ympärille voidaan rakentaa kannattava liiketoimintaekosysteemi. Sellainen syntyy tutkimuksen, testaamisen ja lainsäädännön sekä innovaatiomyönteisten toimijoiden kautta.

Geopolymeerikomposiitit tarjoavat keinon hyödyntää paikallisen teollisuuden sivuvirtoja tehokkaasti. Ne edustavat innovatiivista teknologiaa ja kiinnostavat erityisesti sellaisia teollisuuden aloja, joissa kestävä kehitys on tärkeää.

Geopolymeerimenetelmällä tehdyt tuotteet edustavat tulevaisuuden tuoteperheitä, joiden etuja ovat halpa paikallinen raaka-aine, vahva rakenteellinen kestävyys, matala hiilijalanjälki ja monikertakäyttöisyys samalla paikalla.

Uudenlainen materiaali yhdistettynä edistykselliseen 3D-tulostukseen tuo lisäksi uusia ulottuvuuksia vapaaseen muotoiluun sekä edistyneeseen valmistusautomaatioon ja robotiikkaan esimerkiksi rakennusteollisuudessa.

Hanke

Euroopan aluekehitysrahaston Urban Innovation Action (UIA) -aloitteesta rahoitettu Urban Infra Revolution (UIR) -hanke käynnistyi marraskuussa 2017 ja päättyi vuoden 2020 lopussa. Lappeenrannan kaupunki oli hankkeen koordinaattori ja muut projektipartnerit olivat LUT-yliopisto, Apila Group, FIMAtec, Metso:Outotec, Totaldesign, Design Reform, LAB-ammattikorkeakoulu, Imatran seudun kehitysyhtiö (Kehy), Nordkalk, Metsä Group, UPM ja Stora Enso.

Lisäinfoa:
www.greenreality.fi/urban-infra-revolution-uir-hanke
www.uia-initiative.eu/en/uia-cities/lappeenranta

TkT Antti Häkkinen toimii LUT-yliopistolla Nesteen ja kiintoaineen erotustekniikan professorina.
Hänen tutkimusryhmänsä roolina Urban Infra Revolution -hankkeessa oli pääasiassa teollisten sivuvirtojen kemiallinen ja fysikaalinen karakterisointi sekä mekaaninen esikäsittely.

TkT Jutta Nuortila-Jokinen toimii LUT yliopiston Erotustekniikan osastolla teollisuusprofessorina ja hänen tutkimuksensa keskittyy kiertotalouden ekosuunnitteluun sekä teollisten vesien käsittelyyn.
Urban Infra Revolution -hankkeessa hän johti kestävyyteen, tuoteturvallisuuteen ja liiketoiminnan kehittämiseen keskittynyttä tutkimusryhmää.