Teolliset symbioosit Pohjois-Pohjanmaalla-hanke. Koetoimintaraportti

Transkriptio

1 Teolliset symbioosit Pohjois-Pohjanmaalla-hanke Koetoimintaraportti Tapio Patrikainen, Rauno Hurme 2018

2 Sisällysluettelo 1. Koekappaleiden valmistus mineraalivillasta geopolymeroimalla Koekappaleiden valmistaminen saniteettiposliinista lujuusmittauksiin Rakeistaminen lautasrakeistimella Oulu Mining Schoolilla Biodieselin valmistustestit eri reagensseilla Geopolymeerit Osaon rakennustyömaalla Jatkotoimenpiteet... 11

3 1. Koekappaleiden valmistus mineraalivillasta geopolymeroimalla Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitieteen osaston kanssa aloitettuiin yhteistyö heti Teolliset symbioosit tapahtuman Teollisuuden mineraalisten sivuvirtojen hyödyntäminen jälkeen. Tutkijoiden Juho Yliniemi ja Tero Luukkonen kanssa otettiin suunniteltaviksi koeajotoiminta, jossa OSAO:lla valmistettaisiin yliopiston ohjeistuksen mukaisesti seuraavia geopolymeerejä: Mineraalivillasta kuulamyllyllä jauhamalla valmistettua jauhetta ja aktivaattoriliuosta sopivassa suhteessa sekoittamalla saadaan massaa, josta voidaan valaa muotissa erilaisia esineitä. OSAO:n tavoiteeksi otettiin hankkia jo olemassa olevaan kuulamyllyyn riittävästi jauhinkappaleita tätä geopolymeerin raaka-aineen tekemistä varten. Lisäksi prosessiteollisuuden perustutkinto-opiskelijoiden käyttöön hankittiin massansekoitukseen riittävän tehokas, pölysuojalla varustettu yleiskone, jossa aktovaattoriliuoksen ja mineraalivillajauheen sekoittaminen mahdollistui. Näillä laitteilla saadaan opiskelojoille uudenlainen, mielenkiintoinen, kiertotalouteen liittyvä prosessiharjoitustyö. Kuvassa 1 ovat jauhatus ja sekoitus prosessivaiheissa käytettävät välineet.

4 Kuva 1. mineraalivillan jauhatusmylly ja massan sekoituslaitteisto Koetoiminnan tuloksena saatiin tehtyä muovisilla muoteilla Amisskooli kappaleita. Kuva 2 Amiskooli

5 2. Koekappaleiden valmistaminen saniteettiposliinista lujuusmittauksiin Tero Luukkosen geopolymeerikokeiden aiheena oli saniteettiposliini kierrätysmateriaalin ominaisuuksia tutkiminen. OSA:lla murskattiin yliopistolta vastaanotettua lasitettua posliinimursketta, joka leukamurskaimella murskattiin pienempään raekokoon ja seulottiin. Näin seulasarjalla, jossa seulakoot olivat alle 45 µm, 45 µm, 63 µm, 125 µm, 250 µm, 500 µm, 1 mm ja 2 mm, pystyttiin erottelemaan raekoot, joista tutkijoilat saadulla sekoitussuhteella yhdessä masuunikuonajauheen kanssa voitiin sekoittaa voimakkaammalla sekoituslaitteella (kuva 3) seokset prismoiksi lujuuskokeisiin. Prismojen valun tekemiseksi vuokrattiin OAMK:n betonilabotaroriosta tiivistyslaite ja prismamuotit. Kuva 3. Saniteettiposliinin geopolymerointi lujuusmittausprismoiksi.

6 Oulun yliopisto jatkoi testaamalla valmiit, optimiolosuhteissa kosteuden suhteen kovettuneet prismat. Oulun yliopiston kanssa yhteistyössä tutkittiin myös vuolukiven jauhatusta ja seulontaa jauhatusaikaan varioimalla. Yliopisto seostaa reologisesti optimaalisen seoksen valmistetuista jakeista. 3. Rakeistaminen lautasrakeistimella Oulu Mining Schoolilla NOISS-hankkeen ja Stora-Enson välisessä palaverissa nousi esiin muutamia koetoimintaa edellyttäviä sivuvirtoja. Tällainen mm. oli Stora.Enson paperikoneen toiminnan yhteydessä muodostuva kuitusavi, jota Oulussa kutsutaan OPA -sakaksi. Oulun yliopiston Oulu Mining Schoolin tiloista löytyy lautasrakeistin, jossa tutkija Matti Kuokkasen johdolla testattiin OSAO:n opiskelijaryhmän toimesta muutamia erilaisia seoksia niiden rakeistumisominaisuuksen suhteen. OPA sakka saatiin rakeistumaan hyvin toisena reagenssina käytetyn kuorikattilan lentotuhkan kanssa, kun kostutujseen käytettiin joko vettä tai aktivoitua kuitulietettä. Rakeistuksen raakaaineina tutkittiin OPA-sakkaa, lentotuhkaa, villakuitupölyä sekä kuitulietettä erilaisilla seossuhteilla. Viimeisimmät kokeet liittyivät etanolituotannon sivutuotteen, vinassin, ja puutuhkan rakeistamiseen. Seuraavissa kuvissa on muutamia rakeistuskokeiden tuloksia.

7 Kuva 4. Rakeistuskokeiden toimintaa ja tuloksia Oulu Mining Schoolin rakeistimella toteutettuna.

8 4. Biodieselin valmistustestit eri reagensseilla OSAO:lla on käytössään kiertotalouteen liittyvä prosessilaitteisto, jossa grillikioskien käytetystä uppokuumennusöljystä voidaan transeseröinnillä muodostaa biodieselpolttoainetta. Prosessi on kataloitu kaliumhydroksidilla ja esteröinnon toisena raaka-aineena öljyn lisksi käytetään erittäin myrkyllistä metanolia. Metanolilla esteröinti on kuitenkin tähän saakka ollut parhaiten onnistunut sekä taloudellisesti vähiten kustannuksia aiheuttanut prosessireitti biodieselin valmistamiseksi. Opiskelijaharjoitustyönä esteröintiprosessi on mielenkiintoinen ja sisältää useita opetuksellisesti hyviä elementtejä yksikköprosessien hallinnan opettamiseen. Jotta vaaratilanteita voitaisiin minimoida, päätetiin testata laboratoriomittakaavassa esteröintiä myös muilla lyhytketjuisilla alkoholeilla etanolilla ja isopropanolilla. Laboratoriomittakaavan sekoitustesteissä transesteröinti etanolin kanssa onnistuu, mutta kustannukset kasvaisivat huomattavasti, koska vedetön etanoli on hyvän kallista ja tarvitsee luvat. Tästä syystä esteröinti isopropanolilla eli 2-propanolilla vaikuttivat erittäin mielenkiintoisilta. Isopropanoli ei ole myrkyllinen kuten metanoli ja isopropanolia on kohtuuhintaisena saatavissa vedettömänä. Tehdyssä koekeissa sekoitettiin erilaisia määriä isopropanolia rypsiöljyyn käyttämällä katalysoivana aineena kaliumhydroksidia. Vaikuttaisi siltä, että esteröityminen tapahtuisi hyvin pienellä KOH-lisäyksellä, joka oli huomattavasti pienempi kuin metanolilla esteröitäessä. Esteröitymisen täydellisyys oli kuitenkin epävarmaa ja tarvitaan lisää testejä sekä lopputuotteen ominaisuuksien testausta ennen kuin voidaan sanoa isopropanolilla tapahtuvan biodieselin valmistamisen toimivan.

9 Kuva 5. Biodiesel testisarjaa eri esteröintiaineilla 5. Geopolymeerit Osaon rakennustyömaalla Oulun seudun ammattiopiston rakennustyömaiden hyödyntämistä geoloymeerien raaskaainelähteinä sekä valmiiden tuotteiden käyttämisessä lähestyttiin yhdessä Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitekniikan osaston, Lapin yliopiston taiteiden tiedekunnan sekä OSAO:n RaPu osaamisalan suunnitteluja ideointiriihissä. Lapin yliopistosta tutkija Salla-Mari Koistinen yhdessä Oulun yliopiston tutkijan Juho Yliniemen kanssa vierailivat esittelemässä OSAO:n rakennustyömaalla 1. ja 2. vuoden opiskleija ryhmille

10 geopolymeerejä. Koistinen järjesti ideointiriihen, jossa opiskelijat saivat kuvata piirroksin oman päivänsä kulkua työmaalla. Piirroksiin ideoitiin asioita, joissa kierrätystä ja sivuvirtoja voitaisiin paremmin huomioida. Myös ideoita sivuvirroista kuten ylimääräisestä mineraalivillasta valmistetuille kappaleille haettiin opiskelijoilta. Toinen ideapaja järjestettiin OSAO:n puuartesaani opiskelijaryhmän kanssa OSAOlla. Tuoteideioita ja niiden valmistusideoita kerättiin nyt artesaaneiksi opiskelevlta opettaja Kari Hillan johdolla. Kuva 5. Puuartesaanien ryhmä ideoimassa geopolymeerien käyttöä Salla-Mari Koistisen johdolla Seuraava vaihe on tehdä riittävä määrä villajauhetta jauhatusmyllyllä. Villa on saatu talteen OSAO:n korjausrakennuskohteesta Oinaanasuolta. Artesaaniopiskelijat suunnittelevat sopivat muotit hyödyntäen myös Lapin yliopistoa tarvittaessa. Muotteihin valetaan OSAOn prosessialan opiskelijoiden toimesta valmistettua geopolymeerimassaa. Valmiita tuotteita voidaan käyttää mm. elävöittämään OSAO:n valmistamien omakotitalojen syntyhistoriaa vaikkapa jonkinlaisella hyödyllisellä käytännön tarve.esineellä, jossa on raaka-aineena geopolymeeriä.

11 6. Jatkotoimenpiteet Geopolymeereistä tehdään koekappaleita yhteistyössä OSAO:n puuartesaanialan opiskelijoiden ryhmän kanssa. Valut toteutetaan prosessialan opiskelijoiden kanssa. Villapölyn valmistamiseen ylijäämä mineraalivillasta kehitetään laitteistoa OSAOn konetekniikan osaston kanssa. Toteutuessaan laitteistolla voitaisiin prosessoida tehokkaammin jauhatusvaihetta ja saada siten enemmän mineraalivillapölyä geopolymeroitavaksi. Rakeistuskokeiden seuraava vaihe on tutkia valmistetujen rakeiden koossapysyvyyttä sekä kemiallista koostumusta. Kemiallinen koostumus eri rakeistusreseptien mukaan valmistetuille rakeille määritetään yhteistyössä Oulun yliopiston ja OAMK:n kanssa. Lisäksi suoritetaan uuttotestejä ravinne ja kalkutusvaikutusten arvioimiseksi Oulu yliopiston kanssa. Rakeistuskokeissa edetään pilot-kokoluokkaan helmikuun aikana. Mahdollisia kenttäkokeita suunnitellaan kasvukaudelle kesällä. Pölynsidontakokeet vaativat vielä laitteistokehitystä kuitusaven ja kuitulietteen testaamiseksi.