Hydrothermal carbonization in the synthesis of sustainable porous carbon materials

Carbon materials are found versatile and applicable in wide range of applications. During the recent years research of carbon materials has focussed on the search of environmentally friendly, sustainable, renewable and low-cost starting material sources as well as simple cost-efficient synthesis techniques. As an alternative synthesis technique in the production of carbon materials hydrothermal carbonization (HTC) has shown a great potential. Depending on the application HTC can be performed as such or as a pretreatment technique. This technique allows synthesis of carbon materials i.e. hydrochars in closed vessel in the presence of water and self-generated pressure at relatively low temperatures (180-250 ˚C). As in many applications well developed porosity and heteroatom distribution are in a key role. Therefore in this study different techniques e.g. varying feedstock, templating and post-treatment in order to introduce these properties to the hydrochars structure were performed. Simple monosaccharides i.e. fructose or glucose and more complex compounds such as cellulose and sludge were performed as starting materials. Addition of secondary precursor e.g. thiophenecarboxaldehyde and ovalbumin was successfully exploited in order to alter heteroatom content. It was shown that well-developed porosity (SBET 550 m2/g) can be achieved via one-pot approach (i.e. exploitation of salt mixture) without conventionally used post-carbonization step. Nitrogen-enriched hydrochars indicated significant Pb(II) and Cr(VI) removal efficiency of 240 mg/g and 68 mg/g respectively. Sulphur addition into carbon network was not found to have enhancing effect on the adsorption of methylene blue or change acidity of the carbon material. However, these hydrochars were found to remove 99.9 % methylene blue and adsorption efficiency of these hydrochars remained over 90 % even after regeneration. In addition to water treatment application N-rich high temperature treated carbon materials were proven applicable as electrocatalyst and electrocatalyst support. Hydrothermal carbonization was shown to be workable technique for the production of carbon materials with variable physico-chemical properties and therefore hydrochars could be applied in several different applications e.g. as alternative low-cost adsorbent for pollutant removal from water.

Kaivinkonekuoppa-aineistot osana ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta, OL-KK25 ja 26 koekuoppien maaperän geokemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus Olkiluodon kallioperään edellyttää kattavaa turvallisuusarviointia. Turvallisuusarviointi koostuu monista osista, joista yksi on biosfääriarviointi. Sen tavoitteena on selvittää mahdollisten säteilyannosten määriä ihmisille ja muulle luonnolle. Annosarvioinnin edellytyksenä on tuntea Olkiluodon paikalliset olosuhteet ja mahdolliset kehityskulut. Yksi keskeinen osa biosfääriarviointia on mallintaa radionuklidien kulkeutumista kallioperästä maanpinnalle. Kulkeutumisen kannalta on olennaista tuntea maaperän ominaisuudet, koska maaperä toimii rajapintana kallioperän ja elävän luonnon välillä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin Olkiluodon saarelle tehtyjen koekuoppien OL-KK25-26 maaperän geokemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä alkuaineiden in situ jakaantumiskertoimia (Kd). Jakaantumiskertoimilla selvitetään alkuaineiden ja radionuklidien liikkuvuutta erilaisissa ympäristöissä. Tässä tutkimuksessa keskityttiin käytetystä ydinpolttoaineesta löytyviin analogisiin alkuaineisiin (Ag, Cl, Cs, I, Mo, Nb, Ni, Pb, Se, Sn ja Sr), jotka ovat turvallisuusarvioinnin kannalta kaikkein tärkeimpiä. Kd – arvot laskettiin alkuaineiden konsentraatioista, jotka mitattiin maanäytteistä kahdella erilaisella uuttomenetelmällä. Heikkoliukoisten ja kasvien saatavilla olevien alkuaineiden konsentraatiot määritettiin NH4Ac (pH 4,5) uutolla ja kokonaispitoisuudet HNO3-HF uutolla sekä LiBO2- fuusiolla. Lisäksi näytteistä maaritettiin maalajit ja niiden raekokojakaumat, orgaaninen aines (LOI), pH, liuennut orgaaninen ja epäorgaanin hiili, pääanionit, mineraalikoostumus, kationinvaihtokapasiteetti (CEC) sekä emäskylläisyys (BS). Koekuopista määritetyile Kd – arvoille ja muille muuttujille tehtiin lopuksi korrelaatioanalyysit, joilla pyrittiin löytämään alkuaineiden liikkuvuuteen eniten vaikuttavia tekijöitä. Maaperää Olkiluodossa voidaan pitää hyvin heterogeenisenä, koska hyvin lähellä toisiian sijainneissa koekuopissa niin maalajit kuin muut ominaisuudet vaihtelivat runsaasti. Myös ominaisuudet eri maakerroksissa vaihtelivat merkittävästi. Alkuaineiden konsentraatioiden sekä Kd - arvojen muutokset olivat voimakkaasti yhteydessä maalajityyppeihin. Merkittävimmin Kd - arvoihin vaikuttivat mineraalikoostumus, savipitoisuus ja raekoko. Muita konsentraatioihin ja jakaantumiskertoimiin vaikuttavia muuttujia olivat orgaanisen aineksen määrä sekä pH. Lisäksi tietyillä, luonnossa pääasiassa anionisilla, alkuaineilla korrelaatiot olivat heikompia tai päinvastaisia kuin muilla aineilla. Tutkimuksen tulokset lisäävät ymmärrystä maaperän ominaisuuksien ja alkuaineiden liikkuvuuden riippuvuuksista. Tuntemalla maaperän ominaisuudet ja alkuaineiden Kd - arvot sekä niiden väliset riippuvuudet, voidaan radionuklidien kulkeutumista kallioperästä maanpinnalle arvioida entistä luotettavammin. Tutkimuksessa tuotettuja tuloksia ja aineistoja hyödynnetään myös pintaympäristön ekosysteemien ja maaperän mallinnuksissa.