Polymeerien valmistus

Hiilidioksidin käyttö

Pääosin muovit valmistetaan fossiilisesta öljystä ja niiden valmistuksessa käytetään fossiilisia polttoaineita myös energiantuotantoon. Hiilidioksidin käyttö muovien valmistuksessa on herättänyt kiinnostusta viime vuosina yhtenä polkuna power-to-x-teknologioissa, erityisesti uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien tuotannossa. Muovien etuna polttoaineisiin verrattuna on hiilidioksidin pitkäaikainen sitoutuminen. Hiilidioksidi sitoutuu tuotteisiin niiden elinkaaren ajaksi, jopa kymmeniksi vuosiksi.

Hiilidioksidia ja uusiutuvaa vetyä käyttäen voidaan valmistaa orgaanisia kemikaaleja, joilla muovien valmistukseen nykyisin käytetty öljy voidaan korvata. Mm. Fischer-Tropsch-teknologialla (FT) voidaan tuottaa öljyjakeita, joilla on mahdollista valmistaa kaikkia tuotteita, joita nykyisin valmistetaan fossiilisesta öljystä (Kärki et al. 2018).

BIOSYKLI-hankkeessa on selvitetty hiilidioksidipohjaisen polypropeenin (PP) ilmastovaikutuksia elinkaarimallinnuksella tavoitteena selvittää, voisiko tuote toimia tulevaisuudessa jopa hiilinieluna (Kuusela ja Uusitalo 2020). Tutkimuksessa on tarkasteltu propeenin valmistusta metanolista (methanol-to-propylene (MTP) -prosessi). Kyseessä on kaupallinen prosessi, joka on käytössä ainakin Kiinassa. Toisena vaihtoehtona on prosessi, joka tuottaa metanolista mm. propeenia ja eteeniä (methanol-to-olefins -prosessi).

Polykarbonaatin valmistus

Hiilidioksidi voidaan katalyyttisesti muuntaa polykarbonaateiksi, joista voidaan edelleen tuottaa erilaisia polymeerejä (Alberici et al. 2017). Tällä hetkellä polymeerejä tuotetaan pääosin fossiilisista raaka-aineista. Lukuisia prosesseja on kehitetty ja kehitteillä niiden korvaamiseksi uusiutuvilla vaihtoehdoilla. Polyuretaanit ovat yksi yleisimmin käytetyistä polymeereistä ja tarjoavat merkittävän potentiaalin hiilidioksidin hyödyntämiseen (Muthuraj and Mekonnen 2018).

Polymeerejä käytetään muovien, vaahtomuovien ja hartsin tuotannossa. Hiilidioksidi voi korvata osin fossiilisen raaka-aineen polymeerien tuotannossa (International Energy Agency (IEA) 2019). Hiilidioksidipohjaisten polymeerien tuotannon energiankulutus on pienempi kuin esimerkiksi hiilidioksidipohjaisten polttoaineiden tuotannon energiankulutus, mikä auttaa prosessien kannattavuudessa. Polymeerien markkinat ovat kuitenkin pienemmät kuin polttoaineiden tai rakennusmateriaalien. Hiilidioksidipohjaisten polymeerien tuotannossa jopa 50 % tuotteen massasta voi olla hiilidioksidia (Muthuraj and Mekonnen 2018; Alberici et al. 2017).

Aiemmassa tutkimuksessa (von der Assen and Bardow 2014) selvitettiin polyeetterikarbonaattipolyolien valmistuksen ympäristövaikutuksia. 20 % hiilidioksidia sisältävän tuotteen todettiin vähentävän kasvihuonekaasupäästöjä 11–19 % verrattuna vastaavaan perinteiseen tuotteeseen. Tämä vastaa jopa kolmea hiilidioksidiekvivalenttikilogrammaa tuotteeseen käytettyä hiilidioksidikilogrammaa kohti. Polyeetterikarbonaattipolyolien tuotanto polyuretaanin valmistusta varten on lupaava esimerkki hiilidioksidin käytöstä teollisessa sovellutuksessa (Langanke et al. 2014). Polyuretaanin laajat markkinat tarjoavat mahdollisuuden laajamittaiseen hiilidioksidin hyötykäyttöön

Polyuretaanin valmistus

Polyuretaani (PU) on yleisesti käytetty umpisoluinen muovimateriaali, jonka pääraaka-aineet ovat isosyanaatti, polyoli ja ponneaine. Raaka-aineiden sekoittaminen laukaisee kemiallisen reaktion, jolloin ponneaine kaasuuntuu ja seoksen tilavuus kasvaa. Polyuretaania käytetään esimerkiksi solumuovipehmusteena, rakennusten eristeenä ja kenkien pohjissa.

Polyuretaani muodostuu kaasua tai ilmaa sisältävistä soluista, joiden ansiosta sen eristyskyky on parempi kuin muilla solumuovieristeillä. Polyuretaanin valmistuksessa materiaalit reagoivat, ja reaktiossa syntyvä lämpö saa ponneaineen höyrystymään. Ponneaineena käytetään esimerkiksi pentaania tai hiilidioksidia. Ponneaineen määrällä voidaan säädellä polyuretaanivaahdon tilavuutta ja tiheyttä. Hiilidioksidia voidaan käyttää lähes kaikkien solumuovityyppien vaahdotuksessa. (Oinonen and Soimakallio 2001)

Haitalliset yhdisteet ja puhtausvaatimukset

• Rikkiyhdisteet, kuten SO2 ja H2S

Hiilidioksidia sisältävän kaasun hyödynnystä ja puhdistusta on tutkittava tapauskohtaisesti.

Viitteet

Alberici, Sacha, Paul Noothout, Goher Ur Rehman Mir, Michiel Stork, Frank Wiersma, Niall Mac Dowell, Nilay Shah ja Paul Fennell. 2017. Assessing the Potential of CO2 Utilisation in the UK. Final Report. London. https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/799293/SISUK17099AssessingCO2_utili ationUK_ReportFinal_260517v2__1_.pdf.

Assen, Niklas von der ja André Bardow. 2014. Life Cycle Assessment of Polyols for Polyurethane Production Using CO2 as Feedstock: Insights from an Industrial Case Study. Green Chemistry 16 (6): 3272–80. https://doi.org/10.1039/C4GC00513A.

Kuusela, Kaisa ja Ville Uusitalo. 2020. Muovit päästölähteestä hiilinieluksi. http://www.muoviyhdistys.fi/2020/09/07/muovit-paastolahteesta-hiilinieluksi/

Kärki, Janne, Markus Hurskainen, Sampo Mäkikouri, Kristian Melin, Eemeli Tsupari, Cyril Bajamundi, Tapio Vehmas,Tomi Thomasson, Marjut Suomalainen, Juha Lehtonen ja Eija Alakangas. 2018. Uutta kestävää liiketoimintaa bioperäisestä hiilidioksidista - kooste projektin päätuloksista. Tekniikan Tutkimuskeskus VTT. https://projectsites.vtt.fi/sites/BioCO2/www.vtt.fi/sites/BioCO2/PublishingImages/tiedotteet/BioCO2%20kooste.pdf

Langanke, J., A. Wolf, J. Hofmann, K. Böhm, M. A. Subhani, T. E. Müller, W. Leitner ja C. Gürtler. 2014. Carbon Dioxide (CO2) as Sustainable Feedstock for Polyurethane Production. Green Chemistry 16 (4): 1865–70. https://doi.org/10.1039/c3gc41788c.

Muthuraj, Rajendran ja Tizazu Mekonnen. 2018. “Recent Progress in Carbon Dioxide (CO2) as Feedstock for Sustainable Materials Development: Co-Polymers and Polymer Blends.” Polymer 145: 348–73. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.04.078.

Oinonen, Teemu ja Sampo Soimakallio. 2001. HFC- Ja PFC-yhdisteiden sekä SF6:n päästöjen tekniset vähentämiskeinot ja niiden kustannukset Suomessa. Espoo, Finland.