Kestävän kemian. tutkimusta Oulun. yliopistossa. Professori Ulla Lassi Oulun yliopisto

Transkriptio

1 Kestävän kemian tutkimusta Oulun yliopistossa Professori Ulla Lassi

2 Kestävän kemian tutkimusyksikkö Kuva: Tero Luukkonen Yksikkö on 44 hengen asiantuntija-organisaatio Yksikössä 1 professori, 15 senioritutkijaa, n. 20 jatko-opiskelijaa ja 4 tutkimusta avustavaa henkilöä ja 3 koordinaattoria Yksikössä on edustettuina analyyttisen kemian, orgaanisen kemian ja soveltavan kemian tieteenalat Soveltavan kemian osalta tutkimusta tehdään n kampuksella ja Kokkolassa (Kokkolan yliopistokeskus, soveltavan kemian yksikkö) Tutkimuksen ohella yksikön henkilöstö antaa opetusta kemian tutkinto-ohjelmaan (kemisti ja kemian aineenopettajakoulutus) Yksikkö ja kemian tutkinto-ohjelma siirtyvät hallinnollisesti teknilliseen tiedekuntaan alkaen 2

3 Kestävän kemian tutkimusyksikkö Keskeisimmät tulokset vuosina : 76 tieteellistä julkaisua - joista JUFO3 julkaisuja 7 - joista 12% kv-yhteistyössä 13 ohjattua, hyväksyttyä väitöstutkimusta 46 kemian maisteria Ulkoisen rahoituksen määrä n. 67% yksikön rahoituksesta

4 Globaaleja ja lokaaleja haasteita ja mahdollisuuksia Osallistumme koko maailman haasteiden ratkaisemiseen omilla vahvuusalueillamme: - Ilmastonmuutos mm. hiilidioksidin hyödyntäminen - Saastuminen ja ympäristön tilan seuranta - Fossiilisten polttoaineiden ja kemikaalien korvaaminen biomassapohjaisilla - Veden puhdistus - Uudet, vihreämmät energiaratkaisut Työmme tuloksena syntyy: - Uutta tieteelliseen tutkimukseen perustuvaa tietoa - Osaamista ja tulevaisuuden osaajia - Mahdollisuuksia uusiin innovaatioihin Kuva: Ville Kuokkanen

5 Kestävän kemian tutkimusyksikkö Keskeisimmät tutkimusalueet: -Uudet vedenpuhdistuskemikaalit ja -ratkaisut -Katalyyttiset materiaalit biomassan muokkauksessa ja veden käsittelyssä -Energiaa varastoivat uudet materiaalit (aurinkokennot, litiumioniakut) -Epäorgaaninen hivenaineanalytiikka

6 Epäorgaaninen analyyttinen kemia Paavo Perämäki, Matti Niemelä

7 Epäorgaaninen instrumenttianalytiikka on välttämätön työkalu tutkimuksessa ja laadunvalvonnassa - Ympäristön tilan seuranta - Kemiallisten prosessien ja tuotteiden laadunvalvonta - Geologisten ja mineralogisten näytteiden analytiikka (mm. kaivostoiminta) - Kliinisten näytteiden analytiikka

8 Esimerkkejä tutkimuksesta Analyysimenetelmien kehittäminen jalometallianalytiikkaa varten - Jalometallien määritys katalyyteistä ja ympäristönäytteistä - Jalometallien erotus samepisteuutolla Analyyttisen kemian sovellukset teollisuusprojekteissa - Määritysmenetelmien kehitys ja validointi Kemometristen menetelmien hyödyntäminen instrumenttianalytiikassa - Sisäinen standardointi ICP-OES- ja ICP-MS -tekniikoissa - Koesuunnittelu analyysimenetelmien kehityksessä Erittäin vaikeasti hajoavien näytteiden näytteenkäsittely- ja analyysimenetelmien kehittäminen - Orgaanispohjaisten näytteiden kaasufaasihajotus

9 Orgaaninen (materiaali)kemia Juha Heiskanen, Johanna Kärkkäinen

10 Tärkkelyksen modifiointi Sulfonylointi Kationisointi Lähtöaineina: - Perunatärkkelys - Perunan kuorintajätteestä saatava tärkkelys Reaktioliuottimina: vesi, etanoli tai ioninen neste Sovellutuskohteena: Tuotteiden analysointimenetelmiä: HPLC-ELSD, 1 H ja 13 C NMR, FTIR ja MS. - Haitallisten metalli-ionien sitominen kaivos- ja yhdyskuntavesistä

11 Korkean lisäarvon biotuotteet ORGANIC PHOTOACTIVE MATERIALS APPLICATIONS IN ORGANIC SOLAR CELLS - nanocellulose as a substrate - furfural based active materials BIORESOURCES? DEVELOPMENT OF BIOBASED WATER PURIFICATION CHEMICALS APPLICATIONS IN MINING INDUSTRY - straw (waste) from agriculture as a raw material FURFURAL BASED CHEMICALS APPLICATIONS IN MANY DIFFERENT FIELDS - furfural as a raw material

12 Recyclable organic solar cells on cellulose nanocrystal substrates Kippelen et al, Scientific Reports 3 (2013)

13 Soveltava kemia Ulla Lassi

14 Tutkimusprofiili FT Anne Heponiemi FT Teija Kangas FM Tero Luukkonen (väit.) TkT Ville Kuokkanen FT Hanna Runtti FM Emma-Tuulia Tolonen FM Pekka Myllymäki DI Kyösti Rajaniemi FT Henrik Romar FT Sari Tuomikoski M.Sc. (Eng.) Davide Bergna FM Riikka Lahti DI Henna Lempiäinen FM Annu Rusanen M.Sc. Yue Dong M.Sc. Laura Schneider FT Matti Kuokkanen FM Janne Pesonen FM Toni Varila FT Hanna Prokkola FT Pekka Tynjälä TkT Tao Hu DI Janne Keränen DI Juho Välikangas FM Tuomas Vielma Dr. Lonjie Liu ( alk) Ins. (amk) Toni Kauppinen Ins. (amk) Sofia Hatakka

15 Teollisuuden (jäte)vesien kemiallinen/katalyyttinen käsittely

16 Teollisuuden (jäte)vesien kemiallinen/katalyyttinen käsittely Keskeiset aihealueen projektit: Moniwater/Tekes Valokata/Tekes AOPI/Suomen Akatemia, Teollisuuden jätevesien käsittely, SULKA/EU, GeoSorbents/Tekes, Tilaustutkimukset yrityksille

17 Katalyyttinen märkähapetus Katalyyttiset märkähapetuskokeet Biomassapohjaisen hiilikatalyytin käyttö katalyyttitukiaineena Reaktiokinetiikan mallinnus 17 Kuva: Anne Heponiemi HEPONIEMI, AZALIM, S., HU, T.& LASSI, U. (2015) Cerium oxide based catalysts for wet air oxidation of bisphenol A, Topics in Catalysis 58(14), HEPONIEMI, AZALIM, S., HU, T.& LASSI, U. (2015) Catalytic wet air oxidation of bisphenol A with platinum catalysts supported on cerium and cerium-titanium oxides, submitted JUHOLA, R., HEPONIEMI, A., TUOMIKOSKI, S., HU, T., VIELMA, T. & LASSI, U. (2016) Preparation of novel Fe catalysts from industrial by-products: catalytic wet peroxide 1 oxidation of bisphenol A, submitted in Topics in Catalysis HEPONIEMI, A. (2016) PhD thesis, University of Oulu.

18 Kemiallinen saostus vesien käsittelyssä Kemiallinen saostus kaivosvesien käsittelyssä Elektrokoagulaatio Reaktiokinetiikan mallinnus 18 Kuvat: Pekka Tynjälä, Ville Kuokkanen ja Emma-Tuulia Tolonen KUOKKANEN, V. (2016) PhD thesis, University of Oulu. TOLONEN, E., RÄMÖ, J. & LASSI, U. (2015) The effect of magnesium on partial sulphate removal from mine water as gypsum, Journal of Environmental Management 159, KUOKKANEN, V., KUOKKANEN, T., RÄMÖ, J., LASSI, U. (2015) Electrocoagulation treatment of peat bog drainage water containing humic substances. Water Research 79, TOLONEN, E., SARPOLA, A., HU, T., RÄMÖ, J. & LASSI, U. (2014) Acid mine drainage treatment using by-products from quicklime manufacturing as neutralization chemicals, Chemosphere 117,

19 Adsorptio ja adsorbentit veden käsittelyssä Uudet adsorbentit vesien käsittelyssä, mm. hiilipohjaiset adsorbentit ja geopolymeerit Adsorptiokinetiikka ja adsorptioisotermimallinnus LUUKKONEN,T., HEYNINCK, T., RÄMÖ, J. & LASSI, U. (2015) Comparison of organic peracids in wastewater treatment: disinfection, oxidation and corrosion, Water Research 85: doi: /j.watres LUUKKONEN,T., SARKKINEN, M., KEMPPAINEN, K., RÄMÖ, J. & LASSI, U. (2015) Metakaolin geopolymer characterization and application for ammonium removal from model solutions and landfill leachate, Applied Clay Sciences 119, RUNTTI, H. (2016) PhD thesis, University of Oulu LUUKKONEN, T. (2016) PhD thesis, University of Oulu.

20 TEOLLISUUDEN JÄTEMATERIAALIT VEDENPUHDISTUKSESSA Terästeollisuus Kaoliniïtti Biomassa Kalsinointi 600ºC:ssa Masuunikuona Metakaoliini Sorbentit (geopolymeeri) Sorbentit Hiilijäännös 20 LUUKKONEN, T., RUNTTI, H., NISKANEN, M., TOLONEN, E-T., SARKKINEN, M., KEMPPAINEN, K., RÄMÖ, J. & LASSI, U. (2015) Simultaneous removal of Ni(II), As(III) and Sb(III) from spiked mine effluent with metakaolin and blast furnace slag geopolymers, Journal of Environmental Management 166,

21 Amorfisia alumiinisilikaatteja RUNTTI, H., LUUKKONEN, T, NISKANEN, M., TUOMIKOSKI, S., KANGAS, T., TYNJÄLÄ, P., TOLONEN, E-T., SARKKINEN, M., KEMPPAINEN, K., LASSI, U. & RÄMÖ, J. (2016) Sulphate 21 removal over barium-modified blast-furnace-slag geopolymer, J. Haz. Mat. 317,

22 GEOPOLYMEERIEN KÄYTTÖ JÄTEVEDEN KÄSITTELYSSÄ Nikkeli (Ni), arseeni (As) ja antimoni (Sb) ovat myrkyllisiä (suuri kertaannos) ja karsinogeenisia (jatkuvampi pieni annos) Juomaveden raja-arvot (µg/l): Ni: 70, As: 10 ja Sb: 20 Tekstiiliteollisuuden jätevesien puhdistus geopolymeerillä Kuvat: Pekka Tynjälä, Ville Kuokkanen ja Emma-Tuulia Tolonen Tutkittiin kaivoksen purkuveden yhtäaikaista Ni-, As- ja Sb-poistoa, jossa masuunikuonageopolymeeri osoittautui tehokkaaksi (poistoteho yli 90 %) 22

23 Biomassan kemiallinen (katalyyttinen) muokkaus Lisää tarvittaessa alatunnisteteksti

24 Biomassan mekaanis-katalyyttinen esikäsittely Biomassojen kemiallinen hydrolyysi Tavoitteena sokereiden tehokas erottaminen biomassasta kemiallisen hydrolyysin kautta SCHNEIDER, L., DONG, Y., HAVERINEN, J., JAAKKOLA, M. & LASSI, U. (2016) Efficiency of acetic acid and formic acid as a catalyst in catalytical and mechanocatalytical pretreatment of barley straw, Bioresource Technology DONG, Y., HOLM, J., NOWICKI, J., KÄRKKÄINEN, J. & LASSI, U. (2014) Dissolution and hydrolysis of fibre sludge using ionic liquids containing sulfonic group, Biomass and Bioenergy 70, SCHNEIDER, L., DONG, Y., HAVERINEN, J., JAAKKOLA, M. & LASSI, U. (2016) Efficiency of acetic acid and formic acid as a catalyst in catalytical and mechanocatalytical pretreatment of barley straw, Biomass and Bioenergy 91, ,

25 Biopohjaiset hiiliadsorbentit Tavoitteet: Kehittää hiilipohjaisia vedenkäsittelykemikaaleja lignoselluloosapohjaisista materiaaleista (mm. turve, sahanpuru, ligniini) hyödyntämällä termokemiallisia käsittelymenetelmiä Kehittää kustannustehokkaita adsorbenttimateriaaleja teollisuuden jätevesien puhdistukseen ja arvoaineiden talteenottoon (raskasmatellit, orgaaninen materiaali, sulfaatti, ravinteet) Kehittää muita korkean lisäarvon sovelluksia (katalyytin tukiaine, anodimateriaaleiksi pattereihin, pelkistyshiili metallurgiseen teollisuuteen)

26 Biomassapohjainen hiili uudet sovellukset Uudet adsorbentit vesien käsittelyssä Katalyyttitukiaine Anodihiili litiumioniakuissa KILPIMAA, S. RUNTTI, H., KANGAS, T., LASSI, U. & KUOKKANEN, T. (2014) Removal of phosphate and nitrate over a modified carbon residue from biomass gasification, Chemical Engineering Research and Design 92(10), ROMAR, H., LILLEBØ, A.H., TYNJÄLÄ, P., HOLMEN, A, BLEKKAN, E.A., & LASSI, U. (2015) Supported cobalt catalysts for Fischer-Tropsch synthesis using biomass-derived syngas, Topics in Catalysis 58(14), KILPIMAA, S. RUNTTI, H., KANGAS, T., LASSI, U. & KUOKKANEN, T. (2015) Physical activation of carbon residue from biomass gasification: Novel sorbent for the removal of phosphates and nitrates from aqueous solution, Journal of Industrial and Engineering Chemistry 21, DOI: /j.jiec ROMAR, H., LILLEBØ, A.H., TYNJÄLÄ, P., HOLMEN, A, BLEKKAN, E.A., & LASSI, U. (2016) H 2 -TPR, XPS and TEM Study of the Reduction of Ru and Re promoted Co/γ-Al 2 O 3, Co/TiO 2 and Co/SiC catalysts, Journal of Material Science Research

27 AKTIIVIHIILEN VALMISTUS Carbonization Activation e.g. sawdust, sidestreams Sorbent material Activated carbon Reuse Regeneration! Adsorptiokapasiteettia voidaan parantaa kemiallisella (ZnCl 2 ) ja fysikaalisella (CO 2 ) aktivoinnilla tai kemiallisella modifinoinnilla (FeCl 3 ) Hyviä tuloksia saatu: - Raskasmetallien poistoon (synteettinen vesi, teollisuuden jätevesi) - Sulfaatin poisto (synteettinen vesi, kaivoksien jätevedet) - Bisfenoli A:n poisto (synteettinen vesi)

28 Uudet akkukemikaalit, metallien talteenotto ja kierrätys Lisää tarvittaessa alatunnisteteksti

29 Uudet litiumioniakkukemikaalit ja energiaa varastoivat materiaalit Uusien Li-ioniakkukemikaalien valmistus ja karakterisointi Aurinkokennojen materiaalit Akkukem.kierrätys (Li-paristot ja alkaliparistot) Metallien talteenotto kem.teoll. jäte/sivutuotevirroista KARHUNEN, T., VÄLIKANGAS, J., TORVELA, T., LÄHDE, A., LASSI, U. & JOKINIEMI, J. (2016) Effect of doping and crystallite size on the electrochemical performance of Li 4 Ti 5 O 12, Journal of Alloys and Compounds 659,

30 SOVELTAVAN KEMIAN TUTKIMUSRYHMÄ - Energiaa varastoivat uudet kemikaalit Li-ioniakuissa- Akkukemikaalien valmistus Karakterisointi Sovellukset Professori Ulla Lassi,

31 Akkukemikaalien kierrätys Akkukemikaalien kierrätys (Liioniakut ja alkaliparistot) Metallien talteenotto kem.teoll. jäte/sivutuotevirroista TYNJÄLÄ, P., KAUPPINEN, T. & LASSI, U. (2016) Leaching and precipitation of zinc manganese sulphate from spent alkaline batteries, manuscript

32 Kiitokset mielenkiinnostanne! Yhteystiedot: Professori Ulla Lassi, / Kokkolan yliopistokeskus Chydenius sposti: ulla.lassi@oulu.fi, puh:

33