04/02/2019

Geoblogi: Ihmeaine biohiili

Text:
Auri Koivuhuhta, tutkija
Anna Tornivaara, tutkija
Kristiina Nuottimäki, geologi
Raija Pietilä, geologi

”Ihmeaine biohiili tulee vauhdilla moneen käyttöön yhteiskunnassa.”, kuten puutarha-alalla asia hyvin ilmaistaan [1]. Biohiili on kuitenkin ollut menestyksekkäässä käytössä jo pitkään viljelyssä sekä puutarhoissa. Jopa Etelä-Amerikan intiaanien kerrotaan parantaneen maaperää biohiilellä jo 500–2000 vuotta sitten [2]. Viime aikoina biohiilen toimivuutta ja soveltuvuutta muissakin ympäristöissä on laajemmin alettu tutkia ja maanparannuksen lisäksi biohiilen uskotaan myös sitovan maaperään hiilidioksidia siinä määrin, että sillä voisi olla ilmaston muutosta hillitsevä vaikutus [3]. Siksi biohiilen nykymuotoinen kierrätystaloutta tukeva käyttö on muuttunut yhä merkittävämmäksi tutkimusaiheeksi.

GTK osallistuu ajankohtaiseen ja kiinnostavaan biohiilen tutkimukseen sen ominaisuuksia ja käytön soveltuvuutta kartoittavassa vuonna 2017 alkaneessa Biopeitto-projektissa. Projektin yhtenä tuotoksena julkaistiin tämän vuoden alussa kirjallisuusselvitys ”Kaivannaisjätealueiden peittomateriaalivalinnan koerakenteet ja -järjestelyt” [4], jossa pohditaan biohiilen soveltuvuutta kaivannaisjätealueen peittoratkaisuissa esim. moreenin käyttöä vähentävänä materiaalina. Projektissa tehdyn selvityksen mukaan biohiilen kustannukset em. hyödyntämiseen ovat Suomessa korkeat, vaikkakin kiinnostusta tällaiseen on jo olemassa. Biohiilen käytöstä kaivannaisjätealueilla puuttuu tutkimustietoa ja kokemusta, mihin Biopeitto-projektissa pyritään löytämään osatutkimusten avulla vastauksia. Muun muassa peittomateriaalien ja biohiilen kemiallisten ominaisuuksien ja käyttöön liittyvien testauksien osalta saatavilla oleva tieto on vähäistä. Kirjallisuusselvitykseen on koottu olemassa olevaa tietoa mm. biohiilestä, sen lähteistä ja käytöstä kaivannaisjätealueilla, lähinnä peittomateriaaleissa. Projektin muihin osatehtäviin kuuluu myös biohiilen ominaisuuksia ja soveltuvuutta tarkastelevia laboratorio- ja kenttäkokeita, joiden tuloksia julkaistaan projektin edetessä.

Vaikka biohiili terminä ymmärretään yleisesti monin eri tavoin, tarkoittaa se lähtökohtaisesti kiinteää ainetta, jota muodostuu pyrolyysissa orgaanista lähtömateriaalia kuumennettaessa happirajoitteisissa olosuhteissa. Biohiilen lähtömateriaalina voivat siten olla erilaiset puulajit, rakentamisesta muodostuva puuhakejäte, kunnallisen jätevedenpuhdistamon liete, kasvijäänteet, tms. orgaaninen aines. Biohiileksi ei kuitenkaan luokitella energiantuotantoon, ruoanvalmistukseen (grillihiili) tai terästeollisuuteen käytettäviä hiiliä, joiden sisältämä hiilidioksidi vapautuu käytön myötä takaisin ilmakehään. [4]

Biohiilen koostumukseen ja ominaisuuksiin vaikuttavat niin lähtömateriaali kuin pyrolysointimenetelmä. Lisäksi kemialliseen koostumukseen vaikuttavat lähtömateriaalin kasvuolosuhteet ja käsittelytavat. Erilaiset puulajit sitovat eläessään itseensä eri määrät ravinteita maaperästä, mihin puolestaan vaikuttaa mm. kasvualustan kivilajien koostumus. Tämän lisäksi eri puulajien rakenne vaihtelee keskenään, vaikuttaen haitta-aineiden, kuten raskasmetallien, kulkeutumiseen ja siten niiden sijaintiin puumateriaalissa. Toisin sanoen eri puulajit sisältävät usein eri määrän mm. metalleja, mutta myös saman puulajin puut voivat sisältää eri määrät metalleja kasvupaikasta riippuen. Lisäksi kuumennuslämpötilalla on merkitystä pyrolysoidun biohiilen toiminnallisuuteen: mitä kuumempi lämpötila, sitä vähemmän esim. metallien kanssa reagoivia happea sisältäviä funktionaalisia ryhmiä ja sitä vähemmän biohiili vaikuttaa metallien pidättymiseen yleisesti. Edellä mainituista syistä johtuen esim. saman prosessin tai saman puulajin biohiilillä voi olla toisistaan poikkeavia ominaisuuksia. Biohiileen voidaankin myös tuottaa erilaisia toivottuja ominaisuuksia pyrolyysiprosessin avulla. [4]

Olemassa olevien tutkimusten perusteella biohiilimateriaali reagoi ympäristönsä kanssa koko ajan olosuhteista riippuen joko sitoen tai vapauttaen metalleja. Lisäulottuvuutta tutkimukseen Suomen olosuhteissa tuo biohiilen kestävyys pakkasta ja veden jäätymisen aiheuttamaa rikkoutumista vastaan. Kysymyksiä ilmenee tutkimuksen edetessä: Onko biohiili niin kestävää, että se voisi toimia kaivannaisjätteiden pintarakenteissa tai muilla jätealueilla pintarakenteissa satoja vuosia muuttumattomana, haitta-aineita sitoen? Mitä tapahtuu, kun sitomiskyky heikkenee tai loppuu kokonaan? Voiko biohiilestä tulla haitta-aineiden luovuttaja vai ovatko haitta-aineet tällöin sellaisessa muodossa, ettei niistä enää olekaan haittaa?

Lähtömateriaalista ja pyrolysoinnin lämpötilavaihteluista johtuvien ominaisuuserojen vuoksi biohiilimateriaaleja ei voida rinnastaa keskenään tai soveltaa eri käyttötarkoituksiin ilman laaja-alaista tutkimusta. Tutkimukseen käytettävien resurssien rajallisuudesta on kyse nytkin, ja vaikka kaikkiin mieltä askarruttaviin kysymyksiin ei pystytä vastaamaan valmistuneessa kirjallisuusselvityksessä eikä Biopeitto-projektissa, niin alulla on jotain todella kiinnostavaa. Kuten uuden edessä yleensä, alku on haastavaa, mutta ajan myötä sekä osaavien yhteistyökumppaneiden (Luonnonvarakeskus ja Oulun yliopisto) kanssa asiantuntevuus laajenee ja syvenee.

 

 

Viitteet

[1] Elina Vuori ja Niina Kangas, Ihmeaine Biohiili. Puutarhakauppa-verkkosivusto. Viitattu 8.3.2019. https://www.puutarhakauppa.fi/index.php/uusin-juttu/79-ihmeaine-biohiili

[2] Viherrinki. Biohiili on tullut jäädäkseen. Nettiartikkeli. Viherrinki Oy-sivusto. Viitattu 8.3.2019.  https://www.viherrinki.fi/biohiili/

[3] Kolehmainen I., 2017. Biohiili parantaa maaperää ja sitoo hiilidioksidia – mallia 2000 vuoden takaa. Biotalous-verkkosivusto. Artikkeli on julkaistu 28.11.2017, päivitetty 16.3.2018 ja viitattu 8.3.2019. https://www.biotalous.fi/biohiili-parantaa-maaperaa-ja-sitoo-hiilidioksidia-mallia-2000-vuoden-takaa/

[4] Koivuhuhta A., K. Nuottimäki  A. Tornivaara, 2019 (toim.). Kaivannaisjätealueiden peittomateriaalivalinnan koerakenteet ja –järjestelyt. Geologian tutkimuskeskus. Työraportti 79/2018. http://tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/79_2018.pdf

 

Auri Koivuhuhta

Text: Auri Koivuhuhta

Auri Koivuhuhta työskentelee tutkijana tuotantoympäristöt ja kierrätys -yksikössä.

Anna Tornivaara

Text: Anna Tornivaara

Anna Tornivaara työskentelee tutkijana tuotantoympäristöt ja kierrätys -yksikössä.

Kristiina Nuottimäki

Text: Kristiina Nuottimäki

Kristiina Nuottimäki työskentelee geologina ympäristögeologia -yksikössä.

Raija Pietilä

Text: Raija Pietilä

Raija Pietilä on Biopeitto-projektin projektipäällikkö. Hän työskentelee geologina ympäristögeologia-yksikössä.