Biomassasta aktiivihiileksi - biohiilen aktivointimenetelmistä ja sovelluksista Virpi Siipola, VTT Kestävää liiketoimintaa biohiilestä-workshop HAMK, Forssa 15.3.2019 VTT beyond the obvious 1
Aktiivihiili Aktiivihiili on yleisnimitys huokoisille hiilille, jotka tuotetaan käsittelemällä hiiltä kaasuilla (fysikaalinen aktivointi) tai kemiallisilla reagensseilla (kemiallinen aktivointi) Kemiallinen aktivointi voidaan tehdä myös lähtien biomassasta Pinta-alat suuria, jopa lähes 4000 m 2 g -1! Huokostilavuus suuri, erityisesti mikrohuokostilavuus (<2 nm) Korkean arvon hiilituote VTT beyond the obvious 2
Aktiivihiilen raaka-aineet Aktiivihiiltä voidaan valmistaa mistä tahansa raaka-aineesta, missä on (riittävästi) hiiltä Biomateriaalit puumateriaali (koko puu, kuoret, oksat ), kasvi- ja eläinjäte (puutarhajäte, oljet, kalansuomut, höyhenet) Biomassan ominaisuudet vaikuttavat lopputuotehiileen 3
Hydroterminen hiilto = HTC = märkähiilto Männynkuori HTC Biohiili Aktiivihiili
Aktivointimenetelmistä Käytetään myös vesihöyryä tai vesihöyryn ja CO2:n yhdistelmää Vaatii hiilen pesun aktivointikäsittelyn jälkeen -> kustannustekijä Ei tarvitse pesua -> halvempi menetelmä -> tuhka voi olla ongelma
Biopohjaisen aktiivihiilen ominaisuuksista Aktivointimenetelmän valinnalla voidaan vaikuttaa aktiivihiilen ominaisuuksiin, mitkä vaikuttavat niiden sopivuuteen eri käyttökohteissa (Mohanty ym 2018, Siipola ym 2018). VTT beyond the obvious 6
Aktiivihiilien ominaisuuksia eri menetelmillä HTC paju HTC SPB SP paju SP SPB HTC paju HTC SPB SP paju SP SPB HTC paju HTC SPB SP paju SP SPB HTC paju HTC SPB SP paju SP SPB Lähtöbiohiili H 3 PO 4 -aktivointi KOH-aktivointi CO 2 -aktivointi Aktivointisaanto % - - - - 68.5 69.0 98.1 96.3 44.5 25.6 71.6 78.3 51.5 53.5 80.4 81.4 Tot saanto % Pinta-ala m 2 /g - - - - 25.1 37.5 33.0 38.8 16.3 13.9 24.1 31.6 18.9 29.1 27.1 32.8 3.7 42.5 7.96 19.4 1682 3505 376 339 966 748 1594 1056 257 238 339 347 O % 24.7 24.5 10.3 9.77 8.95 5.60 5.64 8.48 10.9 6.48 9.36 7.92 1.29 0.96 3.29 1.98 C % 69.6 69.0 78.4 78.3 78.5 83.0 84.4 77.5 85.9 83.6 84.0 82.9 89.6 90.9 84.4 86.0 H % 5.13 4.98 2.76 2.72 2.51 1.66 1.96 2.55 0.83 0.66 0.68 0.65 0.65 0.71 0.66 0.70 N % 0.63 0.28 0.81 0.34 0.74 0.22 0.45 0.32 0.26 0.14 0.05 0.15 0.23 0.23 0.63 0.20 S % 0 0 0 0 0 0 0 0 0.05 0 0 0 0 0 0 0 Tuhka % 1.14 2.09 6.9 4.02 2.32 2.56 0.44 3.92 2.71 4.73 3.88 5.87 2.45 4.11 7.31 7.01
Aktiivihiilien huokoskokojakaumia eri menetelmillä 100% Huokoskokojakauma (pore size distribution) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% HTC willow HTC SPB SP willow SP SPB HTC willow H3PO4 HTC SPB H3PO4 SP willow H3PO4 SP SPB H3PO4 HTC willow KOH HTC SPB KOH SP willow KOH SP SPB KOH HTC willow CO2 HTC SPB CO2 SP willow CO2 SP SPB CO2 Micropore Mesopore Macropore
Aktivoidun Biohiilen Sovelluksista VTT beyond the obvious 9
Perinteisiä ja uusia sovelluksia Vesien puhdistus Orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet Kaasujen puhdistus ja varastointi Esim rikkivedyn poisto, hajujen poisto Terveys- ja kosmetiikkatuotteet Sähkökemian sovellukset Superkondensaattorit, akut, patterit Hiilikatalyytit ja katalyytinkantajat pixabay.com/fi/savu-putki-power-plant-kivihiili-712471/ pixabay.com/fi/saastuminen-ymp%c3%a4rist%c3%b6- biotooppi-293300/ VTT beyond the obvious 10
Vesihöyryaktivoitu biohiili vedenpuhdistuksessa Fenolin adsorptio kasvaa hiilen pintaalan kasvaessa. Aktivointi parantaa huomattavasti adsorptiota verrattuna eiaktivoituun materiaaliin
Mikromuovien poisto aktivoidulla biohiilellä Näytelaadut Yksi aktivoitu kuusenkuorihiili, kaksi männynkuorihiiltä, pinta-alat 187 603 m 2 /g Puhdistustulos: Mikromuovi suodattimess <5 mm partikkelit 90-95 % Sylinterimalliset 2-3 mm PE partikkelit 100 % Fleece-kuidut > 90 % 2-10 µm tulos heikompi; kehitettävä oikea biohiilen huokoskoko Yhteistyö HY Lahti, Ympäristötieteiden yksikkö, Prof. Stephan Pflugmacher Poistuva vesi
Biomassasta aktiivihiiltä korkean arvon energiaapplikaatioihin Aurinkokennot Superkondensaattorit Biomassa Aktivoitu biohiili Paristot
Entäs se talous? Raaka-aineet Hinta Saatavuus Epähomogeenisuus Tarvittava esikäsittely, esim kuivaus Valmistusmenetelmä kannattaa valita sovelluksen mukaan Kemiallinen aktivointi vs fysikaalinen aktivointi Lopputuotteen arvo Joskus pelkkä biohiili riittää! https://commons.wikimedia.org/wiki/file:cash_register,_grimme,_natalis,_%26_co._(l ater_brunsviga_maschinenwerke),_braunschweig,_late_1800s_- _Braunschweigisches_Landesmuseum_-_DSC04775.JPG VTT beyond the obvious 14
Bio- ja aktiivihiilitutkimus VTT:llä Pilot-mittakaavan laitteisto Bioruukissa ja Otaniemessä Hidas pyrolyysi ja aktivointi Hydroterminen hiilto Kokemusta applikaatiopuolella, esim. biohiilien maaperäkäyttö. Aktiviihiilen menetelmänkehitystä korkeamman arvon tuotteisiin, kuten superkondensaattorit, polttokennot ja ilman ja vedenpuhdistus Tekno-ekonomiset arvioinnit ja elinkaarilaskennat (LCA) Hidas pyrolyysi / aktivointiuuni Bioruukissa Aktivointimenetelmät Fysikaalinen aktivointi: CO 2 ja vesihöyry Ominaispinta-alat yleensä ~500-1000 m 2 /g Sopii esim. vedenpuhdistukseen Kemiallinen aktivointi (esim. KOH, H 3 PO 4 ) Hyvin korkeat pinta-alat mahdollisia 4000 m 2 /g asti Kalliimpi menetelmä -> korkeamman arvon tuotteet, esim erilaiset sähkökemian sovellukset
Hiilien karakterisointi Tuotteiden saannot ja analyysit (biohiili, tisleet, tervat, kaasut) Massa- ja energiataseet Monipuolinen valikoima analytiikkaa hiilille, esim. C,H,N,S,O ja tuhka BET ominaispinta-ala ja huokoisuus FTIR Boehm-titraus pinnan happiryhmien kvantitointiin TGA GC/MS
Kiitos! VTT beyond the obvious 17