JYUnity

Kulta ja muut arvometallit eivät jää jatkossa enää elektroniikan jätekasoihin. Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella hyrähtää käyntiin lähipäivinä ainutlaatuinen koelaitteisto, joka viitoittaa tietä suuremmille teollisille ratkaisuille. Kemian laitoksen hydrometallurginen laitteisto soveltuu jalometallien ja harvinaisten metallien talteenottoon.

Hydrometallurginen laitteisto toimii kuuden litran mittakaavassa, mutta tulevaisuudessa siintää jo teollinen konsepti. Kun metallit otetaan talteen jätteestä, hiilidioksidipäästöt jäävät arvioiden mukaan kymmenesosaan maankuoresta louhimiseen verrattuna.

Täyden mittakaavan laitoksia voisi nousta esimerkiksi suurkaupunkien kupeeseen. Ne mullistaisivat harvinaisten ja kriittisten metallien talteenoton jätemateriaaleista, kuten elektroniikkajätteestä, sanoo tutkimushanketta johtava analyyttisen kemian ja kiertotalouden professori Ari Väisänen.

Jyväskylän yliopiston kemian laitokselle rakennetulla hydrometallurgisella laitteistolla voidaan mallintaa teollisia prosesseja. Enää ei pelata koeputkien kanssa, vaan jätemateriaaleja käsitellään puolen kilon suuruusluokassa. Reaktioastiat ovat kuuden litran vetoisia – ämpärimittakaavassa siis.

”Näin menetelmien toimivuudesta teollisessa mittakaavassa saadaan koeputkimittakaavaa realistisempi arvio”, kertoo Ari Väisänen.

Professori Ari Väisänen johtaa koelaitteistolla tehtävää tutkimusta.

Koelaitteiston avulla tutkijat testaavat ja hiovat patentteja sisältävän talteenottoprosessin sellaiseen kuntoon, että sitä voitaisiin käyttää lähivuosina huomattavasti suurempia jätemääriä vetävässä käsittelylaitoksessa. Sellainen on suunnitteilla Jyväskylään ja laitos on energiayhtiö Alvan, Tapojärvi- ja Elker -yhtiöiden yhteinen projekti.

”Prosessin optimointi vaatii paljon testaamista. Tutkimme paljon esimerkiksi happojen kierrätystä ja miten kiintoaines kannattaa erottaa liuoksesta”, Väisänen sanoo.

Laitteisto on rakennettu Ylistönrinteelle Euroopan aluekehitysrahaston EAKR:n tuella Kiertotalouden tutkimusalusta -hankkeessa (KITA).  Lisäksi projekti sai hiljattain rahoituksen Business Finlandilta.

Metallien talteenotossa ei vielä kaupallisia toimijoita

Tärkeitä ja harvinaisia metalleja on elektroniikassa käytettävien piirilevyjen ohella etenkin myös tietokoneiden kovalevyissä, matkapuhelimien komponenteissa, kestomagneeteissa ja katalysaattoreissa. Elektroniikkajätteen kierrätys ja käsittely on valtakunnallisesti järjestetty, mutta metallien talteenottoon ei ole olemassa vielä viimeisteltyä kokonaisprosessia tai kaupallisia toimijoita.

”Vaikka moni haluaisi olla avuksi kierrätyksessä, ja minullekin aina tarjotaan vanhoja kännyköitä materiaaliksi, prosessi ei ole niin yksioikoinen. Ennen kuin talteenottoon voidaan keskittyä, materiaali vaatii lajittelua ja kullekin jakeelle soveltuvaa esikäsittelyä”, kertoo Väisänen.

Hydrometallurgisen laitteiston toiminta perustuu happoliuotuksiin ja erilaisten metallien talteenottotekniikoiden kytkemiseen toisiinsa saumattomaksi kokonaisuudeksi.

Hydrometallurgisen koelaitteiston reaktioastiat kiiltelevät vielä uutuuttaan. Prosessissa metallit liukenevat erilaisiin happoihin astioissa. Tässä pullossa on kuparia rikkihapossa.

Prosessin hienous liittyy 4D Filter -sieppariteknologiaan, joka on kehitetty Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella. Siepparien toiminta perustuu kemiallisesti aktiivisiin molekyyleihin. Siepparissa tapahtuu reaktio, jossa läpivirtaavasta happopitoisesta liuoksesta otetaan talteen haluttu metalli tai metallit. Metallit voidaan pestä siepparista, jonka jälkeen se on valmis uudelleenkäytettäväksi.

Kultaa valuu talteen – minne se menee?

Ylistönrinteen laitteisto on nyt viritetty erityisesti piirilevyjätteen käsittelyyn. Sieppareihin tarttuvat niin kulta, hopea kuin platinaryhmän metallit sekä harvinaiset maametallit.

Kemian laitoksella kulta ei kiillä, kun sitä valutetaan reaktioastiasta.

”Aluksi kulta on liuosmuodossa, josta se pelkistetään ja jalostetaan kiinteään muotoon”, kertoo projektitutkija Antti Tiihonen kemian laitokselta.

Kilosta piirilevyjätettä kultaa huuhdotaan gramman verran. Minne kulta laitoksen tiloista matkaa?

”Laitteistolla tuotettu kulta jää kemian laitokselle nähtäville todisteeksi toimivasta prosessista”, kertoo Ari Väisänen.

Vähemmän tunnettuja talteen otettavia metalleja ovat esimerkiksi harvinaiset maametallit kuten kestomagneeteissa hyödynnettävät neodyymi ja praseodyymi, platinaryhmän metalleihin kuuluva palladium sekä puolijohteissa käytetty germanium. Ne kuuluvat EU:n arvion mukaan kriittisiin raaka-aineisiin, joiden saatavuuteen, hintakehitykseen ja korvattavuuteen liittyy merkittäviä riskejä.

”Yhdessä kilossa kestomagneetteja on noin 300 grammaa neodyymiä sekä 40 grammaa muita harvinaisia maametalleja”, arvioi Väisänen.

Kilosta piirilevyjätettä huuhdotaan kultaa gramman verran, kertoo professori Ari Väisänen.

Miten prosessi toimii?

Raaka-aineen eli piirilevyjätteen kemian laitokselle toimittaa sähkö- ja elektroniikkajätteen kierrätykseen erikoistunut Elker Oy. Jätemassa on murskattuja ja poltettuja piirilevyjä. Polttamalla elektroniikkajätteestä on saatu poistettua esimerkiksi muovit ja hartsit.

Kun jätejae on siirretty reaktoreihin, siihen sekoitetaan vaiheittain erilaisia happoja. Metallit liukenevat happoon, jonka jälkeen liuoksesta poistetaan kiintoaines. Seuraavaksi liuos kulkee eri uuttovaiheiden kautta ja valutetaan lopuksi kemiallisen siepparin läpi tai johdetaan elektrolyysilaitteistoon. Prosessi on suunniteltu siten, että eri vaiheissa pystytään eristämään liuoksesta tietyt metallit.

Kun tärkeät metallit on saatu talteen, ne jatkavat matkaa jatkotutkimuksiin, esimerkiksi puhtauden analysointiin kemian laitoksen muille laitteille.

Prosessissa syntyy jätettä, josta osa toimitetaan hävitettäväksi tavallisena kemikaalijätteenä ja pieni osa vaarallisten aineiden jätteenä. Suurin osa jätteistä neutraloidaan ja tehdään vaarattomiksi prosessin aikana.

Talteenotosta vähemmän hiilidioksidipäästöjä kuin louhimisesta

Kemian laitoksen laitteistohankinta edistää sekä korkean teknologian metallien prosessointia että ympäristöystävällisiä tavoitteita. Talteenottoteknologioiden kehittäminen kuuluu kemian kiertotalouden alaan, joka on yksi kemian laitoksen tutkimuksen painoaloista. Tutkimuksella edistetään luonnonvarojen kestävää käyttöä.

”Jätevirtojen hyödyntämisellä on merkittäviä vaikutuksia ympäristöön ja hiilidioksidipäästöihin. Jätteestä talteen otettujen metallien hiilidioksidipäästöjen arvioidaan olevan kymmenesosa maankuoresta louhimiseen verrattuna”, sanoo Ari Väisänen.

Elämäntavan teknologisoituessa metallien tarve kasvaa valtavasti. Tällä hetkellä monin paikoin hukkaamme näitä arvokkaita raaka-aineita jätteiden puutteellisen käsittelyn vuoksi, sanoo Väisänen.

Uuden talteenottoprosessin vahvuutena on se, että prosessin sisäiset virrat voidaan tehokkaasti sulkea happoja kierrättämällä.

Ari Väisänen toivoo, että laitteisto tekee pohjatyötä tulevaisuudessa kansainvälisille innovaatioille.

”Tehdaskonsepti olisi vientituote. Olen kuullut sanottavan, että tähän tekniikkaan perustuva metallien talteenottoyksikkö pitäisi olla lähes jokaisen miljoonakaupungin kupeessa”, Väisänen sanoo.

Kemian kiertotalouden tutkimuksiin voit tutustua tutkimuksen verkkosivuilla