Tero Luukkonen, Katja Kilpimaa, Sima Kamali: Suolavedet kiven sisään

Useat vihreän ja digitaalisen siirtymän vaatimat teollisuuden alat kuten akkumateriaalien tuotanto, kaivostoiminta tai tuhkien jalostaminen tuottavat runsaasti suolapitoisia jätevesiä. Julkisuudessa runsaasti esillä olleita esimerkkejä tällaisista toiminnoista Suomessa ovat BASF:n akkumateriaalien tuotantolaitos Harjavallassa, Terrafamen kaivos Sotkamossa ja Fortumin tuhkanjalostamo Porissa. Suolapitoisia vesiä muodostuu myös käänteisosmoosilaitoksilla, missä puoliläpäisevä kalvo jakaa syötteen suolavapaaseen veteen ja konsentraattiin.

Suolapitoisissa jätevesissä pääkomponentteina ovat yleensä natrium, sulfaatti ja kloridi. Nämä suolat eivät ole varsinaisesti myrkyllisiä tai sinänsä ympäristölle haitallisia – samoja suoloja on merivedessä. Tyypillisesti suolapitoiset jätevedet pyritään käsittelemään siten, että muut haitta-aineet kuten haitalliset metallit poistetaan, minkä jälkeen suolavesi johdetaan vesistöihin, joihin se laimenee. Suolavedet voivat kuitenkin aiheuttaa ongelmia eliöstölle vähäsuolaisessa Itämeressä ja erityisesti sisävesistöissä. Äärimmäisenä esimerkkinä Talvivaaran kaivosonnettomuuden (2012) jälkeen havaittiin suoloilla saastuneissa järvissä pysyvää veden kerrostuneisuutta, mikä voi aiheuttaa pohjaan happikatoa.

Oulun yliopistossa tutkitaan uutta menetelmää, jossa väkevät suolavedet voitaisiin stabiloida betonirakenteisiin käyttäen portlandsementin sijasta alkaliaktivoitua sideainetta. Menetelmässä alumiinisilikaattipitoinen raaka-aine sekoitetaan pienen natriumhydroksidimäärän ja suolaveden kanssa. Lokakuussa 2024 Desalination-tiedelehdessä julkaistussa tutkimuksessa [1] havaittiin, että masuunikuona soveltuu raaka-aineeksi suolabetonin sideainetta valmistettaessa. Muita tutkittuja raaka-aineita olivat metakaoliini sekä masuunikuonan ja metakaoliinin seos. Nämä raaka-aineet valittiin tutkimukseen, koska niiden kemiallinen käyttäytyminen on aiemmasta tutkimuskirjallisuudesta hyvin tunnettua. Uutena tuloksena havaittiin, että suolaveden pääkomponentit – natrium, sulfaatti ja kloridi – eivät enää juurikaan liuenneet muodostuvasta rakenteesta veteen, ja sen puristuslujuus oli erittäin lupaava, noin 40 MPa 28 päivän iässä. Tällaista lujuutta voisi jo hyödyntää useissa rakennussovelluksissa. Rajoituksena kuitenkin on, että tavanomaisia raudoituksia tämäntyyppisessä betonissa ei voida käyttää suolan aiheuttaman ruostumisriskin vuoksi. Lisäksi yllättävä tulos tutkimuksessa oli, että korkea suolapitoisuus paransi alkaliaktivoidun massan ominaisuuksia, esimerkiksi lujuutta, verrattuna suolattomaan veteen. Suolojen havaittiin tehostavan masuunikuonan liukoisuutta. Käytännössä tämä mahdollistaa erittäin pienen natriumhydroksidimäärän käytön, mikä alentaa menetelmän kustannuksia.

Suolavettä ja siitä masuunikuonan kanssa valmistettuja sideainepalikoita

Masuunikuonan ja natriumhydroksidin tiedetään muodostavan kalsium-alumiini-silikaatti-hydraattia, joka vastaa muodostuvan sideaineen lujuudesta. Kehitetty menetelmä voisi olla erityisen kiinnostava, mikäli masuunikuona voitaisiin korvata halvemmilla ja paremmin saatavilla raaka-aineilla. Tällainen voisi olla alumiini-, pii-, ja kalsiumpitoinen kaivosten rikastushiekka: esimerkiksi tietyissä rikastushiekoissa esiintyvä kalkkimaasälpä (anortiitti) muodostaa samoja kalsium-alumiini-silikaatti-hydraatti-tyyppisiä sideaineita alkaliaktivoinnissa jauhatuksen jälkeen kuin masuunikuona [2]. Näin ollen kaivosympäristöissä voitaisiin yhdistää kaksi haasteellista jätevirtaa, rikastushiekat ja suolavedet, ja saada aikaan hyödynnettävää materiaalia. Muodostuvaa massaa voisi olla mahdollista käyttää kaivostäytöissä, joissa tällä hetkellä hyödynnetään tavallista sementtiä. Rikastushiekkojen käyttö suolavesien stabiloinnissa vaatisi kuitenkin vielä lisätutkimuksia.

Tutkija Sima Kamali ja tutkimuksissa käytetty suolavesi

Entä prosessin mittakaava? Käänteisosmoosilaitoksen rejektivettä voi muodostua kaivoksella esimerkiksi 20 m³/h. Jos tämä koko vesimäärä stabiloitaisiin tutkituilla seossuhteilla, tarvittaisiin masuunikuonaa (tai muuta soveltuvaa alumiinisilikaattia) noin 1300 tonnia päivässä. Jos mukaan otetaan betoniin lisättävä kiviaines ja hiekka, määrä nousee jo noin 7400 tonniin tai noin 3200 m³ päivässä. Muodostuvan materiaalin määrä on siis niin suuri, että se on prosessia rajoittava tekijä, eikä esimerkkilaskelman mukaista 20 m³/h suolavesimäärää ole realistista stabiloida kokonaan. Toisaalta menetelmällä olisi kyllä potentiaalia tuottaa riittävästi materiaalia kaivostäytön tarpeisiin – tällöin suolavedet saataisiin kiven sisään. ▲

TERO LUUKKONEN, KATJA KILPIMAA, SIMA KAMALI OULUN YLIOPISTO, KUITU- JA PARTIKKELITEKNIIKAN TUTKIMUSYKSIKKÖ

1. S. Kamali, V. Ponomar, G. Dal Poggetto, C. Leonelli, K. Kilpimaa, T. Luukkonen, Reverse osmosis reject water management by immobilization into alkali-activated materials, Desalination 586 (2024) 117859. https://doi.org/10.1016/ j.desal.2024.117859.

2. P. Perumal, H. Niu, J. Kiventerä, P. Kinnunen, M. Illikainen, Upcycling of mechanically treated silicate mine tailings as alkali activated binders, Minerals Engineering 158 (2020) 106587. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106587.