Räätälöityjä biohiilimateriaaleja teollisuuden tarpeisiin

Esittely

Hiili on meille kaikille tuttu aine. Arkielämän esimerkkejä erilaisista hiilistä ovat muun muassa takan ja grillin kekäleet, lääkekaapin aktiivihiilitabletit, kävelysauvojen hiilikuituvarret ja vihkisormuksen timantti. Näiden esimerkkihiilien ominaisuudet vaihtelevat pehmeästä kovaan, hauraasta lujaan ja tiiviistä huokoiseen. Hiili on siis hyvin monimuotoinen materiaali ja sitä käytetään monilla teollisilla sovellusalueilla ja monissa teknisissä tuotteissa. Hiilien ominaisuuksia voidaan myös tarkoituksella räätälöidä erilaisiin sovelluksiin - ehkä myös korvamaan muita materiaaleja hiilellä.

BioPreCarb projektissa selvitämme valittujen sovellusalueiden vaatimuksia hiilimateriaaleilla ja kartoitamme teknologioiden mahdollisuudet vaatimukset täyttävien räätälöityjen hiilien tuottamiseen. Projektin aikana teemme materiaali ja tuotekokeiluita. Hiilien ja hiilituotteiden teknisten ominaisuuksien lisäksi olemme kiinnostuneet räätälöityjen hiilien elinkaaren aikaisesti ympäristökuormituksesta, kaupallistamismahdollisuuksista ja teknistaloudellisesta kannattavuudesta. Lopputuloksena meillä on tiekartta biohiililiiketoiminnan käynnistämiseen Suomessa.

Teollisesti tärkeitä hiilimateriaalien sovelluskohteita ovat mm. komposiitit ja voiteluaineet sekä erotus- ja energiatekniikan materiaalit. Komposiitteja voidaan lujittaa hiilikuitujen avulla tai niiden sähkönjohtokykyä voidaan lisätä hiilitäyteaineen avulla. Erotustekniikassa käytetään pääasiassa aktiivihiiliä, jotka suuren pinta-alansa ansiosta imevät itseensä haitallisia tai myrkyllisiä aineita. Lisäksi voidaan valmistaa hiilestä tehtyjä huokoisia kalvoja kaasujen erotukseen. Energiapuolella huokoinen aktiivihiilimateriaali toimii elektrodimateriaalina esimerkiksi superkondensaattoreissa ja paristoissa, mutta hiiltä voidaan käyttää myös esimerkiksi katalyyttien kantajamateriaalina, jolla on suuren pinta-alan lisäksi hyvä sähkönjohtavuus ja lämpötilan kesto.

Suomalaista, uusiutuvaa puuraaka-ainetta on meillä saatavilla runsaasti. Kaikki puun päärakenneosat - selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini - ovat helposti muokattavia polymeerejä ja sopivat hiilen lähtöaineeksi. Maassamme on paljon osaamista puun polymeerien erotuksesta ja prosessoinnista. Tätä osaamista voimme hyödyntää lähtöaineen kemian muokkaamiseen. Lisäksi pystymme muotoilemaan polymeereistä halutun kokoisia ja muotoisia kappaleita jo ennen hiillytystä. On huomattavasti helpompaa muovata elastinen ja helposti muokattava polymeeri partikkeleiksi, kuiduiksi, tasomaisiksi tuotteiksi kuten kankaiksi ja filmeiksi tai vaikka vaahdoiksi ennen hiillytystä kuin rakentaa hiilestä vastaavia rakenteita.

Hiillyttämiseen on tarjolla erilaisia prosesseja, joilla myös voidaan vaikuttaa hiilen ominaisuuksiin. Tyypillisesti hiillytyksiä on tehty korkeassa lämpötilassa suojakaasun alaisena, jolloin aikaansaadaan puhdas hiilirakenne. Hiilen lujuuteen, sähkönjohtavuuteen ja esimerkiksi aktiivisuuteen voidaan vaikuttaa lämpötilaa ja kaasua muuttamatta. Kun perinteinen hiillytys tapahtuu muutamasta sadasta pariin tuhanteen asteen lämpötilassa, mahdollistaa teknologiana uudempi nestefaasissa tapahtuva HTC hiillytys (Hydro Thermal Carbonization) matalampien lämpötilojen käytön. HTC menetelmällä hiili ei ole yhtä puhdasta, mutta saanto voi olla korkeampi kuin perinteisessä hiillytyksessä. HTC:llä muodostuva hiili on luonnostaa huokoisempaa kuin perinteisesti valmistettu, joten erityisesti sen aktiivihiilisovellukset ovat kiinnostavia. Lähtöaineet voivat olla kiinteitä hiukkasia tai isompia kappaleita, mutta myös veteen liuenneista aineista voidaan valmistaa hiiltä. Tämä mahdollistaa esimerkiksi teollisuuden orgaanisia aineita sisältävien sivuvirtojen hyödyntämisen hiilimateriaalien valmistuksessa