Teolliset symbioosit Pohjois-Pohjanmaalla-hanke. Teollisuuden sivuvirtojen käyttäminen pölynsidonnassa

Transkriptio

1 Teolliset symbioosit Pohjois-Pohjanmaalla-hanke Teollisuuden sivuvirtojen käyttäminen pölynsidonnassa Tapio Patrikainen, Rauno Hurme, Matti Kuokkanen 2018

2 1. Pölynsidonta Pölyn muodostuminen on merkittävä ongelma useilla sektoreilla. Liikenteessä tien pinnoista syntyy pölyä, teollisuusalueilla maamassojen tai purkujätteiden käsittelyssä muodostuu hienojakoista pölyä. Myös kaivoksissa, louhinta- ja murskauspaikoilla, sementtiteollisuudessa pölyn muodostuminen vaikeuttaa työskentelyä. Pöly voi aiheuttaa terveydellisiä haittoja erityisesti, jos muodostuu pienhiukkasia, joiden halkaisija jää alle 2,5 µm:n. Tällaiset hiukkaset kulkeutuvat ihmisen hengityselimissä keuhkojen sisään, mutta eivät poistu välttämättä sieltä normaalin uloshengityksen aikana. Pöly aiheuttaa myös vaikeita haasteita erilaisten koneiden toimivuudelle. Laakeroinnit voivat muun muassa vioittua pölyävän materiaalin kertyessä öljyttyihin tai rasvattuihin koneenosiin, koska pöly aiheuttaa voiteluominaisuuksien heikentymistä ja koneistojen ylimääräistä kulumista. Liikenteen vaikutuksesta muodostuvan pölyn sitominen on ollut tavoitteena jo pitkään. Tien kunnossapitäjät ovat käyttäneet pölyävillä, hiekkapintaisilla tieosuuksilla pölynsidontaan perinteisesti kostutusta ja siitä edelleen kehitettynä menetelmänä tiesuolan eli kalsiumkloridin (CaCl2) lisäämistä tien pinnalle. Kalsiumkloridin toiminta perustuu suolan kykyyn imeä itseensä ilman sisältämää kosteutta, jolloin tien pinta kostuu ja pienet pölyävän materiaalin hiukkaset pysyvät kiinni tien pinnalla. Suolan käyttäminen tepsiikin, muta haittapuolena on sen liukeneminen sadeveteen ja valunta aina pohjavesiin saakka. Suolaa joudutaan tehokkaan pölynsidonnan aikaansaamiseksi käyttämään jopa 1000 kg tiekilometriä kohden.

3 Kuva 1. Pölynsidontaa sorateillä. ( Uudenlaiset, vähemmän pohjavesistöjä rasittavat pölynsidontamateriaalit ovat tästä syystä tutkimus- ja kehitystyön kohteina.

4 2. Teollisuuden sivuvirtojen hyödyntäminen pölynsidonnassa Erilaisia sidonta-aineita löytyy jo kaupallisina tuotteina, joita Suomessa tuottaa esimerkiksi Kemion Oy Lempäälässä. Mielenkiinnon kohteena pölysidontamateriaaleina ovat myös erilaiset teollisuuden sivutuotteet, joita voivat olla mm. tässä hankkeessa tutkitut bioteknisesti modifioitu kuituliete ja kuitusavi. Pölynsidonnan tehokkuuden tutkimiseen on käytetty koealalevityksiä, mutta varsinaista testilaitetta, jolla voitaisiin suorittaa vertailevaa mittaustoimintaa eri sidonta-aineilla, ei ole ollut aikaisemmin käytettävissä. Tässä hankkeessa Oulun seudun ammattiopistola suunniteltiin ja toteutettiin koelaite (Kuva 3), jolla voitiin toistettavasti ja toisaalta vertaillen suorittaa mittaukset erilaisilla pölynsidonta-aineilla. Laitteisto rakennettiin polykarbonaattimuovista ja mitoitettiin pölyämisen muodostavan rengassuuttimen mukaan. Laitteistoon kytkettiin teollisuuspölynimuri hienoimman leijuvan pölyn keräämiseen. Sidontakokeissa käytettiin 0-2 mm kokoluokan puhallushiekkaa (Weber), jonka pölyäminen saatiin aikaan puhaltamalla paineilmaa rengassuuttimen kautta astiaan levitetyn 500 gramman näyte-erän päälle. Kuva 2. Pölynsidontatesteissä käytetty 0-2 mm raekokoinen hiekka.

5 Pölyämisen herkkyys voitiin mitata astiasta poistuneen hiekan massan avulla. Kun vastaavan kokoiset hiekkaerät käsiteltiin erilaisilla sidonta-aineilla (Taulukko 1) joko sekoittamalla aine hyvin hiekkaerään tai joissakin testeissä sumuttamalla sidonta-aine hiekan pinnalle, voitiin astioista poistuneen hiekan määrän perusteella asettaa käytetyt sidonta-aineet toimivuuden kannalta paremmuusjärjestykseen. Vertailuaineena käytettiin mm. Destian käyttämää kalsiumkloridin 32 m-% vesiliuosta. Jokainen näyteseos kuivattiin lämpökaapissa 24 tunnin ajan, jotta rengassuuttimen kautta puhallettavalla ilmalla olisi saatu pölyäminen aikaan. Mikäli kuivausta ei olisi suoritettu, ei paineilman puhallusteholla täysin kosteaa hiekka olisi saatu pölisemään. Kestävän kehityksen ja kiertotalouden mukaisesti erilaiset sivuvirrat olisi kenties mahdollista hyödyntää ongelmana esiintyvän mineraaliaineksen pölyämisen hillitsemiseen. Kuva 3. Oulun seudun ammattiopistolla pölynsidontaan kehitetty koelaitteisto.

6 3. Pölynsidontakokeiden materiaalit Kokeissa käytetyt pölynsidontamateriaalit olivat: Allfix Allfix (Kuva 4) on selluloosateollisuuden sivuvirtana muodostuvaa kuitulietettä, jota on modifioitu bioteknisesti. Kyseistä kemikaalia valmistaa myyntiin Mfibrils Oy. Kuva 4. Allfix- eli kuitulieteliuos Kalsiumkloridi (CaCl2) Sorateiden suolaukseen käytettävää kalsiumkloridin 32 m-% vesiliuosta. OPA-sakka Kuitusavi (Kuva 5) on paperitehtaan jätevedenpuhdistuksen mekaanisessa esiselkeytyksessä syntyvää primäärilietettä, joka koostuu sekä orgaanisesta että epäorgaanisesta aineksesta.

7 Kuitusavea syntyy tyypillisesti yhdellä paperitehtaalla t/v. Orgaaniset aineet ovat pääosin puu- ja ligniinikuitua sekä paperin valmistuksessa ja täyteaineina käytettyjä lisäaineita, kuten lateksia ja erilaisia liimoja. ECO-BINDER F, G ja GEO Kuva 5. OPA-sakkaa eli kuitusavea. Kyseiset liuokset olivat pölynsidontamateriaaleja Kemion Oy:ltä (Kuva 6). Eco-Binder F on formiaatti-pohjainen liuos ja Eco-Binder G puolestaan kasvisrasva-pohjainen liuos. Liuoksia voidaan levittää yleisimmillä nestelevittimillä sekä laimentaa vedellä vastaamaan eri käyttötarpeita Eco-Binder GEO oli biopolymeereihin pohjautuva pölyn ja hienoaineen flokkulointi-tuote. Sitä voidaan käyttää pölynhallinnan lisäksi erilaisten pintojen ja kasojen stabilointiin. Testien kaksi viimeksi testattua näyteseosta valmistettiin sumuttamalla hiekkaerän pintaan kyseisiä pölynsidontamateriaaleja.

8 Kuva 6. OPA-sakkaliete, CaCl2-vesiliuos sekä Eco-Binder- tuotteet. Seuraavassa taulukossa 1 on esitetty tutkimuksessa käytetyt näyteseokset. Taulukko 1. Tutkimuksessa mitatut näyteseokset Pölyämiskokeet OSAO Käytetyt seokset 500G HIEKKAA Weber 0-2 mm AINE Allfix (1+3) 36 g 72 g CaCl2 32 m% 12 ml OPA sakka 5 m% 10 ml 20 ml EKOBINDER F 10 ml EKOBINDER G 10 ml EKOBINDER GEO 10 ml Allfix(1+3) + CaCl2 18ml + 6 ml EKOBINDER F 1:1 10 ml EKOBINDER G 1:1 10 ml EKOBINDER GEO 12 ml SUMUTETTU OPA sakka 5 m% 15 ml SUMUTETTU

9 Kuva 7. Kuivausvaiheeseen menossa olevat näyteastiat

10 4. Pölynsidontakokeiden tulokset ja johtopäätelmät Nollakoe suoritettiin kuivalla Weberin puhallushiekalla (0-2 mm raekoko), josta toistojen keskiarvona pölynä ilmavirtauksen mukana poistui astiasta 22,6 % massasta. Sorateiden pölynsidontaan yleisesti käytetty sidonta-aine, kalsiumkloridin vesiliuos (32 m-% liuos) sitoi sekin pölyämistä testin kuivausvaiheen jälkeen hyvin, sillä hiekkaa pölisi astiasta pois vain 1,47 % verran alkuperäisestä massasta. Taulukossa 2 on esitetty mittaustulokset pölynsidontakokeista. Taulukko 2. Pölynsidontakokeiden tulokset Punnitukset ennen jälkeen muutos % NOLLAKOE 500 g hiekkaa ,60 sidonta-aine lisätty sekoittamalla hiekkaan Allfix (1+3) 36 g 569, ,1 0,02 Allfix (1+3) 72 g 569,5 569,5 0 0 CaCl2 32 m% 12 ml 580,2 572,8 7,4 1,47 OPA sakka 5 m% 10 ml ,6 97,4 19,14 OPA sakka 5 m% 20 ml ,5 98,5 19,52 EKOBINDER F 50% 10 ml ,2 20,8 4,12 EKOBINDER G 50% 10 ml 580,9 577,5 3,4 0,68 EKOBINDER GEO 10% 10 ml 575,8 540,3 35,5 7,10 Allfix(1+3) + CaCl2 18ml + 6 ml 572, ,5 1,69 EKOBINDER F 1:1 10 ml 577, ,3 11,41 EKOBINDER G 1:1 10 ml 560,1 465,3 94,8 18,96 EKOBINDER GEO 12 ml SUMUTETTU 558, ,9 15,38 15 ml OPA sakka 5 m% SUMUTETTU 561,7 467,4 94,3 18,60 sidonta-aine lisätty sumuttamalla hiekkaan Tehokkaimmin pölyämistä mittausten perusteella estivät biomodifioitu kuitulietteen (Allfix) liuos jo 36 gramman annostuksella sekä Eco-Binder G 50% liuosvahvuudella. Molemmilla pölynä astiasta ilmavirtauksen mukana poistuneen aineksen määrä jäi alle 1%.

11 Toinen teollisuuden sivutuote, paperiteollisuudessa muodostuva kuitusavi (OPA-sakka) ei pystynyt sitomaan hiekan pölyämistä yhtä tehokkaasti. 5 m-% vesiliuos sekoitettuna hiekkaan pölisi kuivatusvaiheen jälkeen selkeästi enemmän kuin tehokkaammiksi havaituilla sidontaaineilla käsitelty hiekka. Pölyämisen määrä kohosi lähes 20 % alkuperäisen näytteen määrästä. Myös sumutettuna levitetyt OPA -sakka eikä Eco-Binder GEO kemikaali eivät kyenneet sitomaan hiekkaa riittävän tehokkaasti. Kehitetyllä pölynsidontamenetelmällä voidaan jatkossa testata myös muita pölyäviä materiaaleja sekä pölyämisen estämiseen tarkoitettuja reagensseja.