Hiilidioksidipäästöjen talteenotto-, varastointi- ja hyötykäyttömenetelmät

Tässä opinnäytetyössä oli tavoitteena selvittää hiilidioksidipäästöjen vähentämiskeinoja, niiden talteenottoa, varastointia sekä erilaisia hyötykäyttömenetelmiä. Hiilidioksidin talteenottomenetelmät voimalaitoksista jaettiin kolmeen pääryhmään: polttoa ennen tapahtuva talteenotto, rikastettu happipolttomenetelmä ja jälkipolttotalteenotto. Talteenottomenetelmät jaettiin vielä prosessien ohella kemialliseen ja fysikaaliseen absorptiomenetelmään, adsorptiomenetelmään, kryogeeniseen menetelmään, membraanimenetelmään sekä muihin menetelmiin. Kuljetusmenetelmistä tärkeimmiksi muodostuivat putkistokuljetus sekä kuljetus meriteitse joustavuutensa ja taloudellisuutensa vuoksi. Tärkeimpiä hiilidioksidin varastointimenetelmiä ovat geologinen ja merenalainen varastointi. Geologinen varastointi sisältää hiilidioksidin varastointia käytöstä poistettuihin hiilikenttiin, akvifereihin, syviin suolakerrostumiin ja louhintaan sopimattomiin hiilikenttiin. Merenalainen varastointimenetelmä on lähinnä vasta kehitys- ja testausvaiheessa. Hiilidioksidin hyötykäyttömenetelmistä tärkeimpiä ovat parannettu öljyn pumppaus ja metaanin talteenotto hiilidioksidin avulla. Muita käyttökohteita on elintarviketeollisuus. Matalampiin hiilidioksidipäästöihin päästään suosimalla energiantuotannossa uusiutuvia energianlähteitä ja ydinvoimaa sekä lisäämällä joukkoliikenteen käyttöä.

Germaniumin talteenotto ioninvaihtohartseilla

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa germaniumin talteenottoa happamista hydrometallurgisista sulfaattiliuoksista käyttäen kaupallisia ioninvaihtohartseja. Germaniumin talteenottoa tutkittiin sekä tasapaino- että kolonnikokein syöttöliuoksista joiden pH oli alueella 0,8–3,0. Tutkituista hartseista parhaiten germanium voitiin erottaa käyttäen emäsmuotoista N-metyyli-D-glukamiini-tyyppistä ioninvaihtohartsia (esim. Rohm & Haasin IRA-743). Germaniumille määritettiin adsorptioisotermit tasapainokokein sekä emäs- että happomuotoisilla hartseilla. Adsorptioisotermien perusteella parhaiten germa-niumia adsorboi emäsmuotoinen IRA-743-hartsi kun liuoksen alku-pH oli tutkitun alueen korkein. Lämpötilassa 25 °C kapasiteetti oli 114 mg Ge/g. Tasapainokokein määritettiin emäsmuotoisilla hartseilla germaniumin lisäksi myös kuparia ja kobolttia sisältävillä liuoksilla Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co. Havaittiin, että IRA-743:lla alku-pH:ssa 3,0 Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co olivat selvästi suuremmat kuin muilla tutkituilla hartseilla. Arseenin, nikkelin, sinkin ja rauta(III):n adsorboitumista emäsmuotoiseen IRA-743:een tutkittiin monimetallisella liuoksella syöttöliuoksen pH:n ollessa alueella 1,4–3,6. Kokeissa havaittiin, että hartsi adsorboi hieman Ni:a ja Zn:a tasapaino-pH:n ollessa yli 5,5. Arseenia ei tutkitulla pH-alueella havaittu adsorboituvan. Lisäksi huomattiin, että rauta alkaa saostua pH:n ollessa hieman alle kolme. Kolonnikokeissa havaittiin, että emäsmuotoinen IRA-743-hartsi toimii hyvin germaniumin talteenotossa myös kolonnissa. Pelkästään germaniumia ja kobolttia sisältäneellä liuoksella hartsin dynaamiseksi kapasiteetiksi saatiin 54 mg Ge/g. Germaniumin eluointi IRA-743:sta onnistui parhaiten 0,5 M H2SO4:lla. Kolonnikokeita IRA-743:lla ajettiin myös monimetallisilla liuoksilla, mutta silloin havaittiin hartsin kapasiteetin pienenevän hartsin myrkyttymisen takia.

Metallien talteenotto kloridiliuoksesta

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmä arvometallien kuten kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin talteenottoon metallikloridiliuoksesta. Tavoitteena oli valita taloudellisin ja ympäristöystävällisin menetelmä, jolla saadaan nämä arvometallit myyntituotteiksi. Lisäksi puhdistetun prosessiveden tuli täyttää asetetut tavoitteet. Kirjallisuustyön perusteella laskettiin viidelle eri prosessivaihtoehdolle ainetaseet HSC Sim 6.0 ohjelmalla, joka on HSC Chemistry-pohjainen prosessien simulointi- ja mallinnusohjelma. Kaikissa vaihtoehdoissa oli ensimmäisenä prosessiosana kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin sulfidisaostus ja sakan pesu. Sulfidisaostusta seurasi vaihtoehtoisesti joko 1) hapetus hapella ja hydroksidisaostus, 2) hapetus vetyperoksidilla ja hydroksidisaostus, 3) pelkkä hydroksidisaostus, 4) hapetus SO2/O2-kaasuseoksella ja hydroksidisaostus tai 5) karbonaattisaostus. Taselaskennan perusteella valittiin kokeelliseen osaan tutkittavat prosessivaihtoehdot, jotka olivat sulfidisaostus, hydroksidisaostus, SO2/O2- hapetus ja hydroksidisaostus sekä karbonaattisaostus. Kokeissa arvometallit saatiin talteenotettua sulfidisaostuksella selektiivisimmin lämpötilassa 55 °C ja pH:ssa 4. Näissä olosuhteissa reagenssin kulutus verrattaessa muihin tehtyihin sulfidisaostuksiin oli pienin. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Loppusakan sisältämien metallien (kupari, sinkki ja koboltti) pitoisuudet olivat korkeimmat. Myös nikkelin määrä oli suuri. Mangaani ja rauta saatiin talteenotettua selektiivisimmin karbonaattisaostuksella lämpötilassa 65 °C. Sakka sisälsi eniten mangaania. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Tällä menetelmällä puhdistetun prosessiveden laatu täytti asetetut tavoitteet.

Ennen polttoa tapahtuva hiilidioksidin talteenotto

Työssä käsitellään ennen polttoa tapahtuvaa hiilidioksidin talteenottoa. Aluksi kerrotaan perinteisten NGCC- ja IGCC-laitosten toiminnasta, ja tämän jälkeen valotetaan mitä muutoksia talteenoton lisääminen näihin laitostyyppeihin tuo. Tämän jälkeen perehdytään tarkemmin talteenottotekniikan eri osa-alueisiin. Tämän jälkeen kerrotaan mikä on talteenottotekniikan vaikutus hyötysuhteeseen ja kustannuksiin. Lopuksi esitellään hieman tämän hetkistä tutkimusta, erityisesti ENCAP-projektia, ja valotetaan talteenottotekniikan tulevaisuuden näkymiä.

Epäpuhtausmetallien talteenotto sinkkiprosessissa

There are small amounts of valuable metals, such as indium, gallium and germanium, in zinc process solutions. Their solvent extraction was studied in this work in sulphate solutions containing zinc and other metals present in industrial solutions. It was discovered, that a commercial bis(2-ethylhexyl)phosphate (D2EHPA) extractant can be used to extract indium and gallium. Indium was extracted separately at a higher acid concentration than gallium. Zinc was co-extracted faster than gallium and almost as much as gallium at the same pH. However, the scrubbing of zinc was possible using a dilute sulphuric acid and a short contact time while gallium losses were small. Both indium and gallium were stripped with sulphuric acid. Germanium was extracted with 5,8-diethyl-7-hydroxydodecane-6-oxime with the commercial name of LIX 63. Unlike other metals in the solution the extraction of germanium increased with different extractants as the acidity increased. Germanium extraction isotherm was measured for a 125 g/L sulfuric acid solution. The loaded organic phase was washed with pure water. It removed the co-extracted acid and part of the germanium and extracted impurities such as iron and copper. Germanium was stripped using a NaOH solution. A process model utilizing own experimentally determined extraction, scrubbing and stripping isotherms was made with HSC Sim software developed by Outotec Oyj. The model based on McCabe–Thiele diagrams was used in sizing the necessary amount of stages and phase ratios in a recovery process. It was concluded, that indium, gallium and germanium can be recovered in the process from a feed where their concentrations are low (<300 ppm). In an example case the feed contained also more than 20 g/L zinc and 2–8 g/L iron, aluminium and copper. The recoveries of indium, gallium and germanium were more than 90 % when 1–3 stages were used in each extraction, scrubbing and stripping section. Since the number of stages is small mixer-settlers would be well suited for this purpose.

Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista kalsiumkiertoprosessin avulla – aine- ja energiatase tarkastelu

Kalsiumkiertoprosessi on yksi mahdollinen keino sitoa ja ottaa talteen eri polttolaitoksien tuottamaa hiilidioksidia ja näin hillitä kasvihuoneilmiötä. Prosessissa käytetään hyväksi kalsiummateriaalia, esimerkiksi kalkkikiveä, johon hiilidioksidi karbonointireaktorissa sidotaan. Kalsinointireaktorissa tapahtuu käänteisreaktio, jossa hiilidioksidi vapautuu ja saadaan kerättyä talteen. Kalsiumkiertoprosessiin perustuva hiilidioksidin talteenottotekniikka on mahdollista jälkiasentaa myös olemassa oleviin polttolaitoksiin.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Sähköavusteisen polkupyörän energian talteenotto lineaarigeneraattorilla

Sähköavusteisten polkupyörien määrä on kasvussa. Kasvua hidastavana tekijänä voidaan pitää niiden keskimäärin yli 1000 euron hintaa, josta suurin osa johtuu akustosta. Tämän työn tarkoituksena on selvittää lineaarigeneraattorin hyödynnettävyyttä sähköavusteisissa polkupyörissä. Lisäksi työssä kuvataan vaiheittain prototyypin suunnittelu ja rakentaminen. Mikäli lineaarigeneraattori-avusteisella sähköpolkupyörällä saavutetaan huomattava pidennys toimintamatkaan, voidaan pyörät varustaa halvemmilla ja kapasiteetiltään pienemmillä akuilla. Lineaarigeneraattorin hankintaa kannustaisi se, että se maksaisi vähemmän kuin vaihto suurempikapasiteettiseen akustoon.

Platinaryhmän metallien talteenotto

Tässä työssä on selvitetty platinaryhmän metallien eli platinan, palladiumin, iridiumin, osmiumin, rhodiumin ja ruteniumin talteenottoa. Ensiksi on kerrottu jokaisen metallin kemiallisia ja fyysisiä ominaisuuksia, jonka jälkeen on perehdytty malmin jalostusprosessiin aina ensimmäisistä analyyseistä lopputuotteen, eli puhtaan metallin valmistamiseen. Sen jälkeen on pohdittu platinametallien kierrättämistä sekä fissiosta saatavien platinametallien kannattavuutta ja talteenottomahdollisuuksia.

Kullan talteenotto takaisinuuttoliuoksista

Työssä tutkittiin kirjallisuuden ja laboratoriomittausten avulla vaihtoehtoja kullan pelkistämiseen ja talteenottoon kultauuton takaisinuuttoliuoksista. Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla saadaan puhdasta kiinteää lopputuotetta ilman kullan häviöitä. Käytettyjä pelkistimiä olivat D-(+)-glukoosi, natriumboorihydridi, L-askorbiinihappo, D-(-)-isoaskorbiinihappo ja aktiivihiili. Laboratoriokokeiden perusteella D-(-)-isoaskorbiinihappo sekä aktiivihiili olivat sopivimmat pelkistimet kokeissa käytetylle kultaliuokselle. Isoaskorbiinihapolla suoritettiin panoskokeita lasireaktorissa eri alku-pH:ssa sekä erilaisilla pelkistimen ja kullan moolisuhteilla. Tulosten perusteella havaittiin pH:n ja pelkistimen ylimäärän vaikuttavan merkittävästi lopputuotteen puhtauteen. Myös redox-potentiaalia säätämällä ja happopesulla pelkistyksen jälkeen voidaan vaikuttaa lopputuotteen puhtauteen. Aktiivihiilellä suoritettiin panoskokeita adsorptiotasapainojen (latausisotermi) ja kinetiikan tutkimiseksi. Hiileen on mahdollista saada kultaa 383 mg/g kuivaa hiiltä. Suurempi lataus voitaisiin saavuttaa käyttämällä hiiltä, jolla on pienempi partikkelikoko. Kolonnikokeita tehtiin eri virtausnopeuksilla. Kolonnikokeissa kullan dynaaminen adsorptiokapasiteetti hiileen odotetusti kasvoi virtausnopeuden laskiessa. Pienin käytetty virtausnopeus oli 2,40 BV/h, jolloin kapasiteetti oli 75,4 mg/g kuivaa hiiltä (c (Au feed) = 129 mg/L). Kullasta voidaan poistaa myös kolonnipelkistyksen jälkeen epäpuhtauksia happopesulla. Isoaskorbiinihapolla pelkistyksen kinetiikka on nopea ja sillä saatiin pelkistettyä puhdasta lopputuotetta. Sekä isoaskorbiinihappo, että aktiivihiili ovat potentiaalisia menetelmiä kullan talteenottoon.

Entsyymien talteenotto ja kierrätys selluloosaetanolin valmistuksessa

Bioetanolin valmistus selluloosapitoisista raaka-aineista vaatii selluloosapolymeerien pilkkomisen liukoisiksi sokereiksi. Tämä voidaan toteuttaa entsymaattisella hydrolyysillä. Selluloosan pilkkomiseen tarkoitetut entsyymit, sellulaasit, ovat entsymaattisen hydrolyysin jälkeen sitoutuneet joko kiintoainefaasiin tai ovat nestemäisessä faasissa ns. vapaina entsyymeinä. Prosessin taloudellisuuden kannalta on erityisen tärkeää minimoida siinä käytettävien entsyymien tarve, sillä tehokkaat entsyymivalmisteet ovat suhteellisen kalliita. Yksi varteenotettava vaihtoehto bioetanoliprosessin saamiseksi taloudellisemmaksi on käytettyjen entsyymien talteenotto ja kierrätys. Työn tarkoituksena oli selvittää kirjallisuudesta, millaisia menetelmiä on kehitetty entsyymien talteenottoon ja kierrätykseen lignoselluloosasta valmistettavan bioetanolin valmistuksessa. Työssä on keskitytty tuoreisiin tutkimuksiin ja menetelmien käyttökelpoisuuteen ja taloudellisuuteen. Viime vuosina sellulaasien talteenotto- ja kierrätysmenetelmiä koskevat tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa käsittelemään nanopartikkelien avulla tapahtuvaa entsyymien immobilisointia, ultrasuodatusta, erilaisia desorptiomenetelmiä, kiinteän hydrolyysijäännöksen kierrättämistä, tuoreen substraatin lisäämistä sekä myös tislausvaiheen jälkeistä entsyymien kierrättämistä. Jotta kierrätysmenetelmä olisi tehokas, tulisi sen pyrkiä säilyttämään entsyymien aktiivisuuksia, sokerisaantoa menettämättä ja sisältää sekä neste-, että kiintoainefaasista tapahtuva kierrätys. Jokaisella kierrätysmenetelmällä on hyvät ja huonot puolensa. Entsyymien talteenottoastetta saadaan kuitenkin parannettua yhdistämällä erilaisia menetelmiä. Useista tutkimuksista huolimatta, taloudellisinta ja käyttökelpoisinta entsyymien talteenotto- ja kierrätysmenetelmää ei ole vielä saavutettu.

Fosforin talteenotto eri saostus- ja kiteytysmenetelmillä

Fosfori on elintärkeä alkuaine ravinteena ja haasteena on, että fosforivarannot ovat yleismaailmallisesti ehtymässä. Sen kiertokulussa merkittävä osa päätyy vesistöihin aiheuttaen rehevöitymistä. Ongelmaan etsittiin ratkaisua fosforin saostus- ja kiteytysmenetelmistä. Kandityössä esitettiin eri periaatteet erottaa fosfori jätevedestä. Prosesseihin vaikuttavat tekijät määritettiin kiteytysteorian ja kirjallisuudesta löytyvien tutkimusten pohjalta, joiden avulla voitiin määrittää lupaavimmat menetelmät talteenottaa fosfori. Lupaavimmiksi yhdisteiksi saostaa fosfori osoittautuivat magnesiumammoniumfosfaatti- tai hydroksiapatiitti saostusprosessi.

Litiumin talteenotto väkevistä kloridiliuoksista solvatoivilla uuttoreagensseilla

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää voidaanko litiumia erottaa suolaliuoksesta solvatoivien uuttoreagenssien avulla suoraan ilman tavanomaisia monivaiheisia prosesseja. Kirjallisessa osassa esitellään neste-nesteuuton periaatteet ja tarkastellaan litiumin talteenotossa käytettyjä uuttomenetelmiä sekä litiumin merkitystä yhteiskunnallisti. Kokeellisessa osassa tutkittiin litiumin uuttoa litiumtetrakloroferraattina vesiliuoksesta, jonka koostumus oli lähellä Argentiinan Rinconin alueen suolajärvien vettä sisältäen litium-, kalsium-, magnesium-, sekä natriumkloridia. Kokeet suoritettiin erotussuppiloissa huoneenlämmössä käyttäen orgaanisena faasina tributyylifosfaatin (TBP) ja kerosiini, tributyylifosfaatin ja di-isobutyyliketonin sekä tributyylifosfaatin ja metyyli-isobutyyliketonin seoksia. Kullakin orgaanisella faasilla tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäisessä vaihdettiin liuoksen [Fe3+]/[Li+]-suhdetta orgaanisen faasin TBP-pitoisuuden ollessa vakio. Toisessa muutettiin orgaanisen faasin TBP-pitoisuutta [Fe3+]/[Li+]-suhteen pysyessä vakiona. Litium saatiin talteenotettua hyvin selektiivisesti magnesiumin ja kalsiumin suhteen. Rautakonsentraation lisäyksen huomattiin lisäävän litiumin saantoa, mutta suurilla rautakonsentraatioilla selektiivisyys oli huonompi. Litiumia ei saatu erotettua kovin tehokkaasti, johtuen todennäköisesti suuresta natriumkonsentraatiosta. Suurin osa natriumista tulisi poistaa ennen uuttoa. Jos natriumin saisi poistettua tehokkaasti ennen uuttoa, voisi tutkittu menetelmä olla huomattavasti nopeampi verrattuna perinteiseen monivaiheiseen litiumin talteenottoprosessiin. Menetelmän huonona puolena on kuitenkin sen suuri raudan kulutus

Kaukolämpöjohdon lämpöhäviöiden talteenotto lämpöpumpputeknologian avulla

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli laatia tarkastelumalli, jonka perusteella pystyttäisiin analysoimaan tutkimuksessa tarkasteltavan kaukolämpöjohdon lämpöhäviöiden talteenot-toratkaisun taloudellista kannattavuutta yleisellä tasolla sekä sen mahdollisissa sovellus-kohteissa. Työssä tarkastellaan kaukolämpöjohtoa, jonka sisään on sijoitettu lämmönke-ruuputki. Lämmönkeruuputken on tarkoitus kerätä lämpöä kaukolämpöjohdon vaipasta sekä pitää vaipan lämpötilaa ympäristön lämpötilaa matalampana, jolloin johdon ulkopuo-lisia lämpöhäviöitä ei synny. Tarkastelumalli laadittiin perustuen lämpöpumppuprosessin ja kaukolämpöverkoston yleisiin mitoitusperiaatteisiin sekä ratkaisuun liittyvien järjestelmien osalta kerättyihin tarkas-teluhetkeä edustaviin kustannustietoihin. Tarkastelumallista laadittiin Excel-laskentataulukkona, jota voidaan tulevaisuudessa soveltaa järjestelmän sovelluskohdekoh-taiseen tarkasteluun sekä mitoitukseen. Lasketut takaisinmaksuajat osoittautuivat kaikissa tarkastelluissa tapauksissa järjestelmien arvioitua teknistä käyttöikää lyhyemmäksi. Järjestelmällä voisi olla tietynlaisissa sovellus-kohteissa myös strateginen, kaukolämpöliiketoiminnan riskejä vähentävä merkitys.