Biohiilen potentiaali käyttöön – laatu ja ominaisuudet ratkaisevat

Biohiili nähdään osana monen aikamme tärkeimmän ympäristöongelman ratkaisua. Sen toivotaan tuovan parannusta elintarviketuotannon ilmastokestävyyteen, urbaaniin hiilensidontaan ja puhtaan energian tuotantoon. Tutkimus- ja kehitystyö on aktiivista sekä Suomessa että kansainvälisesti. Myös biohiilen rooli valtioiden ilmastopolitiikan kulmakivenä on saanut sijaa.

Tällaisessa toimintaympäristössä on ensiarvoisen tärkeää, että alan toimijat ja kehittäjät tuntevat ja ymmärtävät perusteellisesti, miten ja millaiseksi biohiilen laatu muodostuu sen tuotantoprosessin aikana. Lisäksi tulee tietää, miten erilaatuisia hiiliä voidaan hyödyntää eri käyttötarkoituksissa sekä uusien tuotteiden ja ratkaisujen kehityksessä.

Biohiileen liittyvän tutkimus- ja kehitystyön tukemiseksi on Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun BioSampo-tutkimuslaboratoriossa erikoistuttu pyrolyysiprosessien ja eri lopputuotteiden analytiikkaan. BioSampoon on kehittynyt vahva, kansainvälistä yhteistyötä tekevä biohiilen TKI-osaamiskeskittymä, joka palvelee laajasti sekä alan yrityksiä että tutkimusta. Tässä artikkelissa valotamme biohiilen valmistusprosessia, tuomme esille biohiilen eri käyttökohteiden laatunäkökulmia sekä BioSammon laatuanalytiikan mahdollisuuksia biohiilen tutkimuksessa ja tuotekehityksessä.

Biohiilen monet käyttökohteet

Pyrolyysiolosuhteilla ja käytettävien raaka-aineiden valinnalla määritetään prosessissa syntyvän biohiilen laatu ja soveltuvuus eri käyttökohteisiin. Biohiilen käyttökohteita on laaja kirjo ja eri käyttökohteissa tarvitaan ominaisuuksiltaan hyvinkin erilaisia hiiliä.  Maa- ja metsätaloudessa biohiiltä käytetään maaperän veden sitomiskyvyn ja maaperän rakenteen parantamisessa, hiilipitoisuuden nostossa sekä ratkaisuna kasvien ravinnetalouteen.  Lisäksi biohiiltä käytetään uudentyyppisissä kasvualustoissa turpeen korvaajana. Kotieläintaloudessa biohiiltä on kehitetty komponentiksi rehuihin ja kuivikkeisiin. Biohiilen käyttö on laajentumassa myös hiilen sitomiseen erilaisiin materiaaleihin esim. betoniin ja komposiittimateriaaleihin.

Biohiilen mahdolliset käyttökohteet laajenevat koko ajan. Sen suodatinominaisuudet tunnetaan niin ilmanpuhdistuksessa kuin saastuneiden maamassojen puhdistuksessa sekä ravinnepitoisten vesien suodatuksessa. Myös uusia energiaratkaisuja etsittäessä pyrolyysituotteet ovat tutkimuksen ja kehityksen kohteena akkuja ja sähköjohtavia rakenteita varten.

Pyrolyysiprosessi ja sen raaka-aineet ratkaisevat laadun

Biohiilen käyttökohde ratkaisee tarvittavan hiilen laatuvaatimukset. Raaka-aineesta ja pyrolysointiolosuhteista riippuen lopputuloksena voidaan tuottaa laaja kirjo erilaisia hiiliä sekä muita prosessin lopputuotteita. Näiden tuotteiden laadun tunteminen ja analysointi on avain niiden käytön oikealle kohdentamiselle sekä hyödyntämiselle uusien biohiilituotteiden kehittämisessä.  

Biohiilen valmistuksessa on hyvä tiedostaa, että erilaiset retortit eli pyrolyysiuunit ja niiden prosessit poikkeavat toisistaan, vaikka niissä käytettäisiin samoja lämpötiloja ja niiden lämpötilakäyrät ovat samanlaisia. Retorttityypin valinta vaikuttaa pyrolysointiajan pituuteen ja energian käyttöön. Esimerkiksi panostyyppiset retortit ovat varsin hitaita, mutta tuottavat tasalaatuista biohiiltä. Jatkuvatoimiset, nopeat retortit ovat herkkiä raaka-aineen laadulle ja niiden tuottama hiili voi olla laadultaan vaihtelevaa. Rumpumalliset retortit vaativat runsaasti energiaa.  BioSammon mahdollisuudet vertailla erilaisia valmistusprosesseja ovat erinomaiset erilaisten retorttivaihtoehtojen sekä termogravimetrisellä analyysillä (TGA) tehtävän laboratoriomallinnuksen ansiosta. TGA-analyysissa seurataan aineen painohävikkiä sitä kuumennettaessa.

Esimerkiksi maaparannuskäyttöön sopivaa biohiiltä tuotetaan 360–600 °C:ssa, ja teollisiin prosesseihin soveltuvaa korkean lämpötilan hiiltä valmistetaan 1000–3000 °C:ssa suojakaasun avulla. Jalostusastetta voidaan nostaa kaksivaiheisella pyrolyysillä, jolloin biohiilestä voidaan tuottaa aktiivihiiltä ja grafiittia. Aktivoinnissa hyödynnetään hiilidioksidia ja typpeä, ja myös kemiallinen aktivointi on mahdollista.

Myös eri raaka-aineiden tuntemus pyrolyysin lopputuotteiden laadun hallinnassa on osa tutkimustamme. Tutkimustemme perusteella oleellisia biohiilen laatuun vaikuttavia tekijöitä ovat mm. raaka-aineen materiaali, puhtaus ja tuoreus. Olemmekin rakentamassa tietopankkia erilaisten raaka-aineiden käyttäytymisestä ja ominaisuuksista biohiilen tuotannossa.

Biohiiltä voidaan analysoida BioSammossa monipuolisesti

Biohiilestä on tärkeää tuntea sen luokittelun kannalta keskeiset laatuominaisuudet. Kemialliset analyysilaitteet voivat havaita biohiilen sisältämät haitalliset epäpuhtaudet, kuten raskasmetallit, sekä esimerkiksi kasviravinteina käytettävät alkuaineet.

Hiilen (C), vedyn (H), typen (N) ja rikin (S) suhteelliset määrät toisiinsa nähden kertovat paljon biohiilen fysikaaliskemiallisista ominaisuuksista. CHNS-analyysillä saadaan mitattua ilman raskasta näytteen esikäsittelyprosessia esimerkiksi hiilen ja vedyn suhde, mikä kertoo biohiilen stabiilisuudesta ja aromaattisuusasteesta.

Biohiileen voi jäädä pyrolyysin jälkeen kaasuuntuvia orgaanisia yhdisteitä ja niitä voidaan analysoida esimerkiksi turvallisuusnäkökulmasta. Kaasukromatografi-massaspektrometrillä (GC-MS) määritetään polyaromaattisten hiilivetyjen (PAH) pitoisuudet. Laitteistoa voidaan käyttää myös useiden muiden haihtuvien orgaanisten yhdisteiden todentamiseen.

Mikroskopia ja röntgenkuvausmenetelmät mahdollistavat biohiilen sisäisen rakenteen, kiderakenteen ja koostumuksen analysoinnin. Kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskooppi  (FE-SEM) soveltuu erinomaisesti materiaalien hienorakenteen visuaaliseen tarkasteluun ja voi antaa tietoa esimerkiksi biohiilen kyvystä olla vuorovaikutuksessa kasvillisuuden ja maaperän mikrobien kanssa tai sen kyvystä toimia jätevesien puhdistajana.

BioSammon uudet röntgenmittalaiteet WDXRF ja XRD laajentavat analytiikkamahdollisuuksia. Röntgenfluoresenssi eli XRF-analyysi auttaa tunnistamaan alkuaineita ja niiden jäämiä sekä määrittämään alkuaineiden suhteelliset pitoisuudet. Röntgendiffraktiomittaus eli XRD-mittaus tarjoaa tietoa näytteiden kiderakenteesta ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi hiilen grafitoitumisen todentamiseen.

Laadun kustomointi ja tarkkailu kannattaa

Koska biohiiltä tuotetaan monenlaisista raaka-aineista hyvin erilaisilla laitteilla ja eri tavoin räätälöidyissä prosesseissa, tulisi biohiilen laatua tarkkailla ja analysoida säännöllisesti. Laaduntarkkailusta on useita hyötyjä, sillä se auttaa tuotantoprosessien optimoinnissa, laatuvaihtelujen hallitsemisessa ja ajantasaisen laatutiedon tuottamisessa. Biohiilen hyödyntäjät voivat valita oikeanlaisen biohiilen kuhunkin käyttötarkoitukseen ja biohiilestä saatavien hyötyjen maksimoimiseen. Pitkällä tähtäimellä biohiilen kohdennettu käyttö oikeaan käyttötarkoitukseen edistää biohiilen menekkiä ja tukee tuotannon jatkuvuutta.

Osaaminen ja innovaatiomahdollisuudet vahvistuvat yhteistyöllä

BioSammon analyysipalvelut ovat yritysten ja yhteistyökumppanien käytössä. Laboratoriomme laatuanalyysien avulla voimme antaa tietoa biohiilen käyttökohteista. Pyrolyysiprosessin optimointipalvelumme auttaa tehostamaan laitosten toimintaa ja parantamaan niiden tuotteiden laatua. Olemme avoimia erilaisille yhteistyömuodoille. Hanketoiminta on kehitystyömme moottori ja tarjoaa alustan osaamisen kehittämiselle sekä tutkimustiedon levittämiseen hyödyntämään uusien innovaatioiden ja uudenlaisen liiketoiminnan syntymistä.

Kirjoittajat työskentelevät Kaakkois-Suomen Ammattikorkeakoulun (XAMK) BioSampo-laboratoriossa.