Mitä saadaan, kun pannaan yhteen epäorgaanisen ja analyyttisen kemian osaajat?
Vastaus: uusi keksintö, jolla voidaan ottaa metalleja talteen jätevesistä.
Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella aistii tekemisen meiningin. Professori Matti Haukka kutsuu itseään läänintaiteilijaksi, joka voi touhuta ja hullutella.
Vastapainona toimii dosentti Ari Väisänen ja hänen tutkimusryhmänsä, jonka lähestymistapa kemiaan on analyyttisempi.
Vaikka näkökulmat kemiaan ovat erilaiset, niin tavoite on kuitenkin sama: maailman pelastaminen. Tai ainakin kiertotalouden edistäminen.
Mitä jos kahvikuppi tekisi jotakin?
3D-tulostusta käytetään erilaisten kappaleiden valmistukseen, mutta kappaleet eivät varsinaisesti tee mitään. Esimerkiksi kahvikuppi on kahvikuppi. Mutta mitäpä, jos kahvikuppi nappaisi itseensä kofeiinin?
Tästä kysymyksestä lähti liikkeelle 3D-printatun metallisiepparin idea.
Kemisteillä on ollut jo pitkään tiedossa se, että tietynlainen nylon sitoo itseensä kultaioneja, kertoo Haukka.
– Ensimmäiset artikkelit ilmiöstä on julkaistu joskus 70 –luvulla, mutta ei sitä kukaan ole koskaan käyttänyt kullan talteen ottoon.
Tutkimusryhmä aloitti oikeanlaisen nylonseoksen etsimisen testaamalla, miten erilaiset nylonsukat kaappaavat metalleja.
Kauppojen alennuslaareista kerättiin halvimpia sukkahousuja sekä urheilusukkia ja kiikutettiin ne laboratorioon.
– Maakuntayliopiston rahat ovat sen verran tiukassa, että pitää käyttää mielikuvitusta, kun tarvitaan testimateriaalia, nauraa Väisänen.
Urheilusukat eivät päässeet jatkoon, sillä ne keräsivät itseensä liian monen metallin seoksen.
Kun kemiallisesti oikea seos pelkän kullan kaappaamiseksi löytyi, siitä tehtiin 3D-printterillä ensimmäiset pienet testisuodattimet.
Suodatin tarkkaan näytteenottoon tai isoon jätevesiputkeen
3D-tulostimella suodattimista saa juuri oikean muotoisia ja sopivan kokoisia erilaisiin tarpeisiin. Jyväskylän yliopiston kemianlaitoksella itse tulostetut metallisuodattimet ovat jo omassa käytössä.
Aspiriinin näköinen suodatintabletti laitetaan näyteruiskuun, jonka läpi imetään analysoitava neste. Metalli irtoaa suodattimesta imemällä sen läpi huuhteluneste. Huuhtelunesteestä voidaan mitata, paljonko tutkittavaa metallia vedessä on. Puhdistetun suodattimen voi käyttää uudelleen.
Oikeanlainen siepparimateriaali on jo löytynyt kullan lisäksi esimerkiksi palladiumille, platinalle, uraanille, harvinaisiin maametalleihin kuuluvalle skandiumille ja elohopealle. Lista täydentyy koko ajan, kertoo Haukka.
– Kun niitä ei oteta talteen, ne päätyvät ympäristöön. Ja vaikka esimerkiksi raskasmetalleja lähtisi jäteveden mukana pieniä määriä, niin ajan kuluessa niitä kasaantuu ympäristöön suuri määrä.
Teollisuuden jätevesistä voi poistaa esimerkiksi elohopean asentamalla jätevesiputkeen sitä varten tehty sieppari. Jos tietää, että veteen on liuennut myös palladiumia, ruuvataan ensimmäisen suodattimen perään palladiumsieppari. Vesi virtaa suodattimien läpi ja ne kaappaavat itseensä liukoiset metallit.
Yksinkertaisella menetelmällä kaapataan arvokkaat raaka-aineet talteen ja jätevesi lähtee eteenpäin puhtaampana.
Pienistä jätevesipuroista voi syntyä kokonainen kaivos
Metallikaappari toimii ionitasolla, eli talteen saatavat määrät voivat tuntua todella vähäisiltä. Jäteveteen metallit liukenevat useista eri lähteistä, suurin osa teollisuudesta.
Esimerkiksi kultaioneja valuu viemäriin joka kerta, kun peset kätesi vihkisormus sormessa.
Väisänen kertoo, että Jyväskylän kaupungin jätevedenpuhdistuslaitoksen lietteessä on tutkittu olevan kultaakin kalliimpaa palladiumia (Great Mining) noin 1,3 grammaa tonnissa.
– Se voi kuulostaa todella pieneltä määrältä, mutta esimerkiksi Australiassa (Podium Minerals) on kaivos, jossa malmissa on täsmälleen sama pitoisuus ja sieltä sitä otetaan talteen.
Palladiumia käytetään muun muassa elektroniikkateollisuudessa ja ennen kaikkea autojen katalysaattoreissa vähentämään päästöjen myrkyllisyyttä. Yhdessä rekkakuormassa jyväskyläläisten puhdistamolietettä on harvinaisia maametalleja noin 600 matkapuhelimen tarpeisiin.
– Kun ne metallit on tuolta mineraaliaineksesta jo kerran louhittu ja jalostettu siitä eteenpäin, niin miksi emme kierrättäisi niitä mahdollisuuksien mukaan? kysyy Väisänen.
Mitkä ihmeen kriittiset metallit?
Tietyt metallit ovat kriittisiä (Huoltovarmuuskeskus) niin teollisuuden kuin yhteiskunnan eteenpäin menemisen kannalta. Sähköinen liikenne, uudet energiamuodot, ja ylipäänsä digitaalisuus eivät etene ilman erilaisia metalleja.
Metallien tuotanto on keskittynyt harvoihin valtioihin. Kiina hallinnoi harvinaisten maametallien tuotannosta ja kaupankäynnistä 90 prosenttia. Harvinaiset maametallit ovat tärkeä raaka-aine monille korkean teknologian aloille.
Euroopassa käytettävästä fosforista 85–90 prosenttia on tuontitavaraa ja iso osa maailman platina- ja palladiumvaroista on Etelä-Afrikan ja Venäjän hallussa.
Huoltovarmuusorganisaation Teknologiapoolin arvion mukaankriittisiä metalleja ja mineraaleja tullaan tarvitsemaan enenevässä määrin ja EU:n riippuvuus tuonnista tuskin tulee vähentymään.
Metallien nykyistä tehokkaampi talteen ottaminen ja tehokas kierrätys tulevat väistämättä eteen jollain aikavälillä. Raaka-aineita on pakko alkaa ottaa irti jätteestä.
3D-tulostetuilla metallisieppareilla voitaisiin myös tehostaa olemassa olevan kaivosteollisuuden tuotantoa ja vesien puhdistusta.
Dosentti Ari Väisänen peräänkuuluttaakin ajattelumallin muutosta metallien tuottamiseen.
– Se on perinne, että vain kaivostoiminnalla tuotetaan metalleja. Samaan aikaan hukkaamme niitä valtavia määriä, vaikka ne ovat tässä ihan käden ulottuvilla.
Siihen tarvitaan vain oikeanlaista kemiaa.
Voit keskustella aiheesta 25.3. klo 16 saakka.