Ulla Lassi, Pekka Tynjälä, Sari Tuomikoski

Hydrometallurgista prosessikemian tutkimusta Oulun yliopistossa

Johdanto

Metallurgista tutkimusta tehdään Oulun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa useissa eri tutkimusyksiköissä. Hydrometallurgisesta kemian tutkimuksesta vastaa pääasiassa Kestävän kemian tutkimusyksikkö, jolla on tiivistä yhteistyötä erityisesti Kokkolan alueen epäorgaanisen kemian teollisuuden kanssa (www.kip.fi). Kokkolan yliopistokeskukseen perustettiin vuonna 2006 uutena tutkimusavauksena soveltavan kemian ja prosessikemian professuuri Kokkolan teollisuusalueen yritysten lahjoitusvaroin. Nykyisin Kestävän kemian tutkimusyksikössä toimiva Soveltavan kemian tutkimusryhmä on yli 40 asiantuntijan organisaatio, jossa professorin lisäksi työskentelee 5 senioritutkijaa, 11 tutkijatohtoria, 22 tohtorikoulutettavaa sekä useita laborantteja ja tutkimusavustajia. Heistä Kokkolassa työskentelee reilut 20 henkilöä. Oulun yliopisto vastaa myös Kokkolassa kemian ja kemiantekniikan korkea-asteen koulutusväyläyhteistyöstä ja tarjoaa mahdollisuuden ylempään korkeakoulututkintoon ja jopa tohtorintutkinnon suorittamiseen Kokkolassa. Vuonna 2007 alkanut maisterivaiheen koulutusyhteistyö laajeni vuonna 2021 kansainväliseksi maisteriohjelmaksi, ”Master´s Program in Sustainable Processes and Materials”, johon vali taan vuosittain 20 uutta (aikuis)opiskelijaa. Vuosittain tutkimusryhmässä kirjoitetaan reilut 30 tieteellistä julkaisua ja tohtoreita valmistuu vuosittain 2-3.

Tutkimusmenetelmät

Hydrometallurgian tutkimus perustuu laboratoriomittakaavaisiin kokeisiin, laboratorio- ja teollisuusnäytteiden analysointiin sekä mallinnukseen. Kestävän kemian tutkimusyksikössä tehtävä hydrometallurginen kokeellinen ja laskennallinen kemian tutkimus painottuu epäorgaaniseen materiaalikemiaan, erityisesti liuotukseen ja kemialliseen saostukseen liittyvien ilmiöiden syvälliseen ymmärtämiseen värimetalliteollisuudessa. Tutkimusryhmän työssä keskeisiä tutkimuslaitteita ovat (jatkuvatoimiset) liuotus- ja saostusreaktorit sekä materiaalien karakterisointiin soveltuvat Oulun MNT-tutkimuskeskuksen (www.oulu.fi/mnt) tarjoamat laiteresurssit. Mallinnus muodostaa keskeisen tutkimusmenetelmän tarkasteltaessa hydrometallurgisissa prosesseissa tapahtuvia kemiallisia reaktioita ja faasimuutoksia. Tärkeimpiä mallinnusmenetelmiä ovat reaktiokinetiikan mallinnus ja laskennallinen termodynamiikka.

Tutkimuksen painopisteet

Kestävän kemian tutkimusyksikössä (https:// www.oulu.fi/kestavakemia/) hydrometallurginen kemian tutkimus keskittyy pääosin liuotuksen, kemiallisen saostuksen ja liuospuhdistuksen kokeelliseen tutkimukseen, mutta yksikössä tehdään myös tätä tukevaa termodynaamista laskentaa ja reaktiokinetiikan mallinnusta. Tutkimusta tehdään sekä primääri- että sekundääriraaka-aineiden parissa. Kaikessa tutkimuksessa on keskeistä vahva yritysyhteistyö.

Litiumioniakkukemikaalien valmistus

Tutkimusryhmässä vuonna 2006 alkanut akkukemian tutkimus tähtää litiumioniakuissa käytettävien korkean kapasiteetin omaavien katodimateriaalien valmistukseen. Erityisesti tutkitaan NCM-katodiprekursoreiden valmistusta jatkuvatoimisessa prosessissa ja tässä vaikuttavia muuttujia, mutta myös muita katodi- ja anodimateriaaleja on tutkittu kansainvälisissä yhteishankkeissa. Ryhmän tutkimus kattaa myös akkukemikaalien litiointi- ja karakterisointiosaamisen sekä akkukennojen (pussikennot) valmistuksen, jotta katodi/anodimateriaalin toimivuus applikaatiossa voidaan varmentaa. Viime vuosina on enenevässä määrin tutkittu myös kierrätysraaka-aineiden soveltuvuutta akkukemikaalien valmistukseen sekä epäpuhtauksien käyttäytymistä kemiallisessa saostuksessa ja edelleen akkukennossa lataus-purkaussyklien aikana.

Litiumioniakkuihin liittyvä katodimateriaalien kehitystyö on keskeinen osa Soveltavan kemian tutkimusryhmän tutkimusosaamista.

TAO HU

Akkukemikaalien valmistuksen ohella kemiallista saostusta hyödynnetään jätevesien ja prosessivesien käsittelyssä. Tutkimusryhmä on ollut mukana kehittämässä mm. kaivoksien prosessivesien sulfaatinpoistoa hyödyntäen sekundäärisiä kalkkiraaka-aineita ja tutkimalla kipsin liukoisuuteen vaikuttavia tekijöitä laskennallisesti ja kokeellisesti. Tehostetussa sulfaatin poistossa muodostunut sakka on edelleen hyödynnetty adsorbenttimateriaalina arseenin poistossa. Teollisuuden prosessivesien ohella jätevesien ravinteiden (ammonium-typpi ja liukoinen fosfori) talteenotossa on hyödynnetty teollisuuden sivutuotteita. Näitä maa-alkalipitoisia tuotteita (kuten tuhkaa ja paperiteollisuuden lietteitä) on käytetty saostuskemikaalina typen ja fosforin samanaikaisessa saostuksessa ammoniumfosfaattiyhdisteiksi. Sakkojen soveltuvuutta mm. lannoitekäyttöön tutkitaan yhteistyössä partnereiden kanssa käynnissä olevassa kansainvälisessä hankkeessa. Yksikössä on myös sähkösaostukseen liittyvä sekä jatkuvatoiminen että panostoiminen EC-laitteisto, jota on hyödynnetty em. tutkimuksissa.

Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntäminen

Tutkimusryhmä on osallistunut useisiin kiertotaloushankkeisiin, joissa mm. teollisten lietteiden ja kuonien hyödyntämistä on tutkittu. Näistä mainittakoon vanadiini- ja masuunikuonaan sekä anodiliejuun liittyvät tutkimukset. Lisäksi on tutkittu useiden sekundääriraaka-aineiden soveltuvuutta akkukemikaalien valmistukseen. Oulun yliopisto on profiloitunut epäorgaanisten materiaalien kiertotalouteen (InStreams Hub, https:// www.oulu.fi/en/instreams-hub-inorganic-circular-economy-research-community), ja tutkimusryhmä on vahvasti mukana tässä vastaten erityisesti energiamateriaaleihin liittyvästä kokonaisuudesta. Tutkimusryhmän teollinen yhteistyö on vahvaa ja tutkijat ovat vahvasti mukana kehittämässä ratkaisuja yhteistyössä yritysten kanssa. Esimerkkinä on alkaliparistojen kierrätykseen liittyvä tutkimus, jossa ryhmän tutkimusidean pohjalta on perustettu Tracegrow-niminen yritys, joka tuotteistaa paristojätteestä lannoitehivenainetta. ▲

TEKSTI: ULLA LASSI, PROFESSORI, YKSIKÖNJOHTAJA, PEKKA TYNJÄLÄ, YLIOPISTOTUTKIJA SARI TUOMIKOSKI, YLIOPISTOTUTKIJA KESTÄVÄN KEMIAN TUTKIMUSYKSIKKÖ, OULUN YLIOPISTO/KOKKOLAN YLIOPISTOKESKUS CHYDENIUS