Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Auton renkaat

FM Pauliina Nevalainen, väitös 21.12.2021: Uudet ympäristökatalyytit vähentävät liikenteen ja lämmityksen päästöjä

Kemian alaan kuuluva väitöstutkimus tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Joensuun kampuksella.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe?

Ilmastonmuutoksen hillitseminen on aikakautemme polttavimpia kysymyksiä, ja siksi on tärkeä etsiä ratkaisua päästöttömämpään liikenteeseen sekä ympäristöystävällisempään puunpolttoon.

Väitöstutkimukseni aiheena ovat ympäristökatalyytit, joiden tehtävänä on vähentää ja muuntaa raskaan liikenteen ajon aikana muodostuvia haitallisia kaasumaisia päästöjä vähemmän vaarallisiksi yhdisteiksi. Ympäristökatalyytit vähentävät myös tulisijassa palon aikana muodostuvia pienhiukkaspäästöjä, jotka ovat korkea riski ihmisen terveydelle.

Maakaasun käyttö polttoaineena tarjoaa raskaalle liikenteelle puhtaamman vaihtoehdon, kuin esimerkiksi bensiini, mutta silti maakaasuautoissa muodostuu myös päästöjä, joita varten täytyy kehittää juuri näihin ajoneuvoihin suunniteltuja päästöjenkäsittelyjärjestelmiä.

Vuonna 2022 voimaan tulevan EU-direktiivin myötä uusiin kotikäyttöisiin tulisijoihin tulevat myös päästörajat, joten keinoja pienentää näitä päästöjä täytyy kehittää lisää. Tällä hetkellä keinot tulisijojen päästöjen vähentämiseksi ovat vielä lapsenkengissä. Ympäristökatalyytit tarjoavat oivan ratkaisun vähentää liikenteen sekä tulisijojen päästöjä.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Autossa kolmitoimikatalysaattorin normaalissa toimintaprosessissa muodostuu sivutuotteina vaarallisia ja haitallisia ammoniakki- sekä ilokaasupäästöjä. Ammoniakki on haitallinen ihmisen terveydelle, ja ilokaasu luokitellaan voimakkaaksi kasvihuonekaasuksi – se on 300-kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.

Maakaasulla toimivan raskaan liikenteen ajoneuvon kolmitoimikatalysaattorin (TWC) suunnittelussa havaittiin, että moottorista tuleva raakapäästö vaikuttaa ammoniakki- ja ilokaasupäästöjen määriin. Katalyytin ikääntyminen kasvattaa päästöjä, jos moottorin toimintaa ei muuteta.

Pakokaasun koostumuksella ja lämpötilalla on paljon vaikutusta muodostuneiden sivutuotteiden määrään. Katalyytin ikääntyminen lisäsi etenkin ilokaasun muodostumista, koska ikääntyminen vaikutti katalyytin rakenteeseen.

Väitöskirjassa tutkittiin myös uudenlaisia kytkettyjä katalyyttejä raskaan liikenteen kaksoispolttoaineen (maakaasu + diesel) ajoneuvoihin, joissa yhdistettiin kolmitoimikatalysaattori (TWC) ja metaaninpolttokatalysaattori (MOC) toisiinsa. Rikkimyrkyttyminen on yksi isoimpia ongelmia päästökatalyytin toiminnassa. Yhdistelmäkatalysaattori (TWC-MOC) sieti paremmin rikkimyrkyttymistä, kuin pelkkä MOC, sillä TWC suojasi MOC:a myrkyttymiseltä. TWC:n lisäys MOC:n eteen vaikutti myös katalyytissä tapahtuviin reaktioihin lisäten katalyytin aktiivisuutta. Yhdistelmäkatalysaattorille kehitettiin myös sopivia regenerointitekniikoita, jolla yhdistelmäkatalyytin aktiivisuus saatiin palautettua lähtötilanteeseen rikkimyrkyttymisen jälkeen.

Tulisijoihin kehitettiin toimiva hopeapohjainen noenpoltto-katalyytti, jossa käytettiin sideainetta helpottamaan katalyytin kiinnitystä keraamiseen materiaaliin, joka voitaisiin sitten sijoittaa tulisijaan. Tämän katalyytin avulla saatiin noen palamislämpötilaa laskettua 165 °C verrattuna tilanteeseen, jossa katalyytti ei ollut käytössä. Katalyytin avulla noki palaisi tulisijassa jo matalammassa lämpötilassa, eikä pienhiukkasia muodostuisi näin ollen yhtä paljon, vaikka tulisijan lämpötila jäisikin alle ideaalin noen palamislämpötilan.

Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?

Autokatalyyttien tutkimustuloksia voidaan käyttää suunnittelemaan tehokkaampia päästöjenkäsittelyjärjestelmiä raskaan liikenteen maakaasuajoneuvoihin. Tulisijaan suunniteltua noenpolttokatalyyttiä voitaisiin sellaisenaan käyttää vähentämään pienhiukkaspäästöjä tulisijoissa.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?

Väitöskirjatyöni keskeinen tutkimus suoritettiin laboratoriossa pakokaasusimuloidulla mittalaitteistolla, jolla pystyttiin jäljittelemään tarkasti ajon aikaisia pakokaasun olosuhteita, sekä jäljittelemään tulisijassa tapahtuvan palamisen olosuhteita. Mittauksen tuloksia pystyttiin seuraamaan reaaliaikaisesti jatkuvavirtaus-FTIR-laitteistolla. Näin ollen katalysaattoreiden toimintaa pystyttiin tutkimaan laboratoriomittakaavassa, kuitenkin niin että tutkimustulokset olivat rinnastettavissa realistiseen tapahtumaan.

Autokatalyyttien tutkimuksen aikana toimin yhteistyössä HDGAS ja COLHD projekteissa, jotka olivat osa European Horizon 2020 hanketta, joiden tarkoituksena oli saavuttaa maakaasua käyttäviin raskaanliikenteen ajoneuvoihin toimiva päästöjenkäsittelyjärjestelmä sekä tulisijatutkimuksessa EVIM-projektissa, joka oli osa Business Finland/ERDF hanketta.

FM Pauliina Nevalaisen  kemian alaan kuuluva väitöskirja Environmental catalysts study– Emission abatement in heavy-duty transportation and stationary applications (Ympäristökatalyyttinen tutkimus - Päästöjen hillitseminen raskaan liikenteen ajoneuvoissa sekä paikallaan olevissa sovellutuksissa) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa, Joensuun kampuksella, Futura, F100,  21.12.2021 kello 12. Vastaväittäjänä toimii dosentti Toni Kinnunen, Proventia Oy, ja kustoksena professori Mika Suvanto, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on suomi.

Väittelijän painolaatuinen kuva

Väitöskirja verkossa (tulossa)