Selluloosa membraaneiksi – jätteestä halutuksi vedenkäsittelytuotteeksi

Blogi - Julkaistu 1.3.2021

Membraani on puoliläpäisevä kalvo, jota voidaan hyödyntää vedenpuhdistuksessa. Sen huokoisen rakenteen läpi pääsee vain osa käsiteltävän jäteveden tai prosessiveden sisältämistä yhdisteistä. Membraanisuodatuksella voidaan esimerkiksi poistaa jätevedessä olevia lääkeaineita tai viruksia ja bakteereita. Membraanisuodatus soveltuu myös kemikaalittomaan fosforin poistoon kunnallisessa jätevedenkäsittelyssä. Teollisuudessa membraanisuodatusta voidaan käyttää jätevedenkäsittelyn lisäksi myös tehtaissa kiertävän veden puhdistuksessa. Näin voidaan vähentää tarvetta ottaa tehtaan käyttöön uutta puhdasta vettä ja vähentää tuotetun jäteveden määrää. Membraanisuodatuksella voidaan myös tuottaa jätteistä tai sivuvirroista esimerkiksi hemiselluloosa- tai ligniinijakeita biojalostamolle.

Selluloosamembraani on haluttu tuote

Selluloosasta valmistetut membraanit ovat hydrofiilisiä. Hydrofobisella pinnalla vesi kerääntyy pisaraksi, kun hydrofiiliselle pinnalle vesi leviää tasaisesti ja imeytyy huokoisen pinnan, kuten membraanin sisälle. Näin ollen pinnan hydrofiilisyys on haluttu membraanin ominaisuus vedenkäsittelyprosesseissa. Hydrofiilisyyden tiedetään myös vähentävän membraanin likaantumista monissa käyttökohteissa. Hydrofiilisyytensä vuoksi selluloosamembraanit ovat muihin membraaneihin verrattuna haluttuja kasvavilla ja globaaleilla vedenkäsittelymarkkinoilla. Tällä hetkellä selluloosapohjaisia membraaneja on saatavilla vain rajoitetusti. Ne valmistetaan yleensä monivaiheisessa ja useita liuottimia ja kemikaaleja sisältävässä prosessissa, jossa selluloosaa muokataan kemiallisesti. Prosessissa käytettävät kemikaalit ovatkin REACH-asetuksen voimaantulon jälkeen olleet yksi merkittävä syy selluloosamembraanien valmistuksen hiipumiseen. Suurin osa tällä hetkellä markkinoilla olevista polymeerimembraaneista on valmistettu öljypohjaisista materiaaleista, kuten polyeetterisulfonista ja polysulfonista, jotka ovat melko hydrofobisia.

Veden säästäminen on tärkeää erityisesti alueilla, joilla on pulaa puhtaasta vedestä. Hydrofiiliset membraanit sopisivat hyvin esimerkiksi sellu- ja paperitehtaiden sekä elintarviketeollisuuden prosessivesien sisäiseen puhdistukseen ja kierrätykseen. Näissä prosessivesissä membraaneja likaavat yhdisteet ovat usein hydrofobisia ja hydrofiilisen membraanin käyttäminen vähentää näissä sovelluksissa pesuntarvetta huomattavasti. Vesipohjaisten prosessiliuosten käsittelyssä myös suodatuskapasiteetti on yleensä suurempi hydrofiilisillä kuin hydrofobisilla membraaneilla. Selluloosamembraanit olisivat erittäin hyvä vaihtoehto myös puusta uuttamalla liuotettujen yhdisteiden, kuten hemiselluloosien, talteenottoon. Selluloosamembraanien valmistamisen vähentymisen myötä markkinoilta on kuitenkin tällä hetkellä vaikeaa löytää näihin sovelluksiin hyvää hydrofiilistä membraania sopivalla erotuskyvyllä.

Selluloosamembraani suoraan puusta tai vanhoista lakanoista

LUT-yliopiston tutkimuksessa on osoitettu, että selluloosamembraanin valmistus on mahdollista erilaisia metsäteollisuuden sivuvirtoja tai biomassaperäisiä jätteitä hyödyntäen. Membraani voidaan valmistaa esimerkiksi ”suoraan puusta” erottamalla hakkeesta tai sahanpurusta hiilihydraattijae, josta voidaan saostaa membraani faasi-inversio -menetelmällä. Membraanin ominaisuuksiin vaikuttavat sekä valmistusolosuhteet että valmistukseen käytetyn hiilihydraattijakeen puhtaus. Näin valmistettu selluloosamembraani olisi arvokas vedenpuhdistustuote metsäteollisuuden sivutuotteeksi.

Selluloosamembraania voidaan valmistaa myös vanhoista puuvillalakanoista. Ne sisältävät lähinnä selluloosaa, mikä yksinkertaistaa prosessia verrattuna membraanin valmistamiseen hakkeesta tai sahanpurusta. Puuvillalakanan selluloosa voidaan liuottaa ioniseen nesteeseen membraanin valmistusta varten. Alustavien tulosten mukaan yhdestä neliömetristä puuvillalakanaa saadaan yli 35 m2 membraania. Puuvillalakanat ovat tekstiilijätteen jae, joka voisi olla mahdollista kerätä erikseen jatkojalostukseen.

Tutkimus on toteutettu toistaiseksi laboratoriomittakaavassa ja parhaiden mahdollisten membraaniominaisuuksien saavuttamiseksi valmistusprosessissa on vielä optimoitavaa. Tulokset osoittavat kuitenkin selvästi mahdollisuuden jalostaa jätejakeissa oleva selluloosa halutuksi ja arvokkaaksi vedenpuhdistustuotteeksi, jolla on globaali ja kasvava markkina. Tällainen jätteeksi päätyneen selluloosan hyödyntäminen lisäisi osaltaan biomassan käytön resurssitehokkuutta.

Tätä tutkimusta toteutetaan LUT-yliopistossa Etelä-Karjalan Säästöpankkisäätiön rahoituksella.