Kestäviä sovelluksia biohiilestä – materiaalin muokkauksella korkean teknologian ratkaisuja 

Biohiili tunnetaan monikäyttöisenä ja ympäristöystävällisenä materiaalina, jolla on merkittävä rooli hiilen sitomisessa ja ravinteiden pidättämisessä maaperässä. Biohiilen muokkaus, kuten funktionalisointi ja fabrikointi, on tuonut biohiileen uusia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä entistä käyttökelpoisemman korkean lisäarvon sovelluksissa. Lisäarvoa tuovia sovelluksia löytyy muun muassa veden- ja ilmanpuhdistuksessa, terveydenhuollossa, energianvarastoinnissa ja rakennusmateriaaleissa.

Biohiilen muokkaus voi tarkoittaa esimerkiksi pintarakenteen kemiallista käsittelyä – funktionalisointia – jolla parannetaan tai lisätään tiettyjä ominaisuuksia. Fabrikoinnissa muokataan biohiilen fysikaalista muotoa halutun käyttötarkoituksen mukaan. Yhdistämällä nämä kaksi menetelmää valmistetaan eri teollisuudenaloille tarkasti räätälöityjä biohiilirakenteita ja -materiaaleja.  

Biohiili uusien teknologioiden kärjessä  

Funktionalisoidut biohiilisuodattimet erilaisissa puhdistus- ja suodatusratkaisuissa ovat merkittävä biohiilisovellusten alue, sillä niiden avulla sidotaan raskasmetalleja ja ravinteita tehokkaasti vedestä ja ilmasta. Biohiilen funktionalisointi esimerkiksi magnesium- tai kalsiumyhdisteillä parantaa ravinteiden sitomiskykyä. Nämä funktionalisoidun biohiilen sovellukset voivat hyödyttää sekä maataloutta että maaperän parannuskohteita vähentämällä lannoitteiden tarvetta ja parantamalla vedenpidätyskykyä. Näin magnesiumilla tai kalsiumilla funktionalisoitu ja pelletöimällä fabrikoitu biohiili voi puolestaan toimia hallitusti ravinteita vapauttavana aineena, joka tukee kasvien tasapainoista kasvua ja säilyttää maaperän kosteuden pidempään. Pelletöity ja funktionalisoitu biohiili tukee paitsi maaperän viljavuusominaisuuksia myös vähentää ravinteiden huuhtoutumista vesistöihin.  

Biohiiltä polttokennoihin ja sähköajoneuvojen akkuihin 

Nanorakenteistamalla biohiilestä fabrikoidaan nanohiukkasia, joilla on suuri pinta-ala ja hyvät sähkökemialliset ominaisuudet ja potentiaalia akkujen ja superkondensaattorien elektrodeiksi. Funktionalisoidut biohiilikomposiitit, joissa biohiilen pintaan on lisätty sähkökemiallisesti aktiivisia yhdisteitä tai nanohiukkasia, mahdollistavat hyvän elektronien siirron ja tehokkaamman energiankulutuksen hallinnan. Metalleilla, kuten platinalla tai palladiumilla funktionalisoitu biohiili on lupaava sähkökemiallisten prosessien katalyyttina, esimerkiksi polttokennoissa ja sähköajoneuvojen akuissa.  

Rooli rakennusteollisuudesta terveydenhuoltoon 

Biohiili-biomuovikomposiiteissa biohiili parantaa biomuovin lujuutta, kestävyyttä ja lämmöneristyskykyä. Biohiili-biomuovikomposiitteja voidaan käyttää esimerkiksi eristeissä, julkisivulevyissä ja kevyissä rakennuselementeissä. Funktionalisoidut biohiilikomposiitit sopivat myös sähkö- ja elektroniikkateollisuuden tarpeisiin sähkönjohtavuutensa ansiosta.   

Terveydenhuolto ja biolääketiede ovat myös kasvavia markkinoita funktionalisoidulle biohiilelle, jota voidaan käyttää antibakteerisissa haavanhoitotuotteissa.  

Funktionalisoidun ja fabrikoidun biohiilen yhdistelmäteknologiat tuovat biohiilen käytön mukaan korkean lisäarvon sovelluksiin. Tämä tarjoaa uutta liiketoimintapotentiaalia ympäristö- ja teknologiasektoreilla ja edistää samalla kestävän kehityksen tavoitteita – tämä on askel kohti puhtaampaa ja kestävämpää tulevaisuutta.  

Elinkaarimallinnus kestävän biohiilituotannon mahdollistajana   

Biohiiltä valmistetaan suurissa määrin korvaamaan fossiilipohjaisia materiaaleja, esimerkiksi koksia, jolloin on tärkeää todentaa biohiilen ympäristövaikutukset. Elinkaarimallinnus (LCA) on tärkeä työkalu biohiilen tuotannon ja käytön kestävyyden arvioinnissa. LCA:n avulla voidaan tarkastella biohiilen tuotantoprosessien ja elinkaaren aikaisia ympäristövaikutuksia raaka-aineiden hankinnasta aina tuotteiden käyttöön ja hävittämiseen asti. 

LCA:n avulla voidaan todentaa raaka-ainevalinnan vaikutuksia biohiilen ekologiseen jalanjälkeen. Metsäperäiset materiaalit ja nopeasti kasvavat puulajit tarjoavat kestävän vaihtoehdon, sillä ne mahdollistavat tehokkaan hiilen sitomisen ja nopean uusiutumisen. LCA ohjaa myös tuotantomenetelmien valintaa, jotta biohiilen ominaisuudet voidaan räätälöidä eri käyttötarkoituksiin samalla minimoiden ympäristövaikutukset. 

Funktionalisoinnin ja fabrikoinnin avulla muokattua biohiiltä voidaan hyödyntää monipuolisesti teollisuudessa fossiilisten hiilimateriaalien korvaajana. LCA-tutkimuksilla on varmistettu korvaamisen vähentävän ympäristövaikutuksia merkittävästä. LCA-tutkimustiedon avulla biohiiliteknologioita voidaankin kehittää ympäristöystävällisempään suuntaan ja tarjota mahdollisuus monikäyttöisempiin ja korkealaatuisiin ratkaisuihin ympäristövaikutukset huomioiden. 

Markkinoille vahvaa kasvua 

Funktionalisoidun ja fabrikoidun biohiilen markkinoiden arvioidaan kasvavan merkittävästi seuraavien vuosikymmenten aikana, ja niiden arvon odotetaan saavuttavan 3–5 miljardia euroa vuoteen 2030 mennessä. Markkinoiden kasvua vauhdittavat erityisesti puhdistusratkaisut, maaperän parannukseen liittyvät ratkaisut ja energian varastointiin liittyvät sovellukset. Energiavarastointi ja akkuteknologia ovat tulevaisuuden kannalta kriittisiä sovelluksia, joissa nanorakenteinen, jalometalleilla tai harvinaisilla maametalleilla funktionalisoitu biohiili voi löytää sijansa. 

Kasvumahdollisuuksien ohella funktionalisointi ja fabrikointi tuovat mukanaan myös haasteita. Prosessien korkeat kustannukset ja teknologiset vaatimukset voivat rajoittaa laajamittaista kaupallista käyttöä. Erityisesti terveydenhuollon sovelluksissa tiukat sääntelyvaatimukset tuovat lisähaasteita. 

Pääkuvassa Ari Pappinen ja Suvi Kuittinen Itä-Suomen yliopistosta tarkastelemassa biohiili-biomuovikomposiittien testikappaleita.

Kirjoittajat ovat Itä-Suomen yliopistosta, Luonnonvarakeskuksesta ja Karelia ammattikorkeakoulusta.