Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Pyöreitä tarroja lasiseinällä.

Väitös, MSc Rinez Thapa, 26.11.: Uusi adsorbenttimateriaali kerää skandiumia ja uraania liuoksista

Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöstutkimus tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Kuopion kampuksella.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?

Tutkimus keskittyi adsorptioteknologiaan ja sen tavoitteena oli kehittää uusi adsorbenttimateriaali. Kehitetty materiaali kykeni selektiivisesti keräämään skandiumia ja uraania liuoksista muiden liuenneiden metallien joukosta.

Skandiumia käytetään monissa sovelluksissa, kuten kiinteäoksidipolttokennoissa ja alumiiniseoksissa, mutta sen laajamittainen hyödyntäminen ei ole mahdollista sen huonon saatavuuden ja korkean hinnan vuoksi. Skandiumia löydetään malmeista vain harvoin korkeissa pitoisuuksissa, ja sitä tuotetaankin lähinnä sivutuotteena muiden metallien valmistuksen yhteydessä syntyneestä rikastusjätteestä. Skandiumin rikastaminen on kuitenkin hankalaa, koska sen pitoisuudet ovat tyypillisesti paljon matalammat muiden metallien pitoisuuksiin verrattuna. Siksi tarvitaan uusia tehokkaita menetelmiä skandiumin talteenottoon, jotta korkean teknologian teollisuus voisi hyödyntää skandiumia kohtuulliseen hintaan.

Uraani on radioaktiivinen ja myrkyllinen metalli. Uraanille altistuminen pienissäkin pitoisuuksissa voi olla haitallista ihmisille aiheuttaen muun muassa munuaisten vajaatoimintaa. Uraania sisältävien malmien louhinnasta, käsittelystä ja hävittämisestä peräisin oleva uraani voi saastuttaa pohjavesiä ja päätyä jopa juomavesikaivoihin. Puhtaan luonnon ja ihmisten terveyden varmistamiseksi on tärkeää poistaa uraani jätevesistä ja varastoida se turvallisesti.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Adsorptio on vähän energiaa vaativa ja skaalautuva menetelmä metallien keräämiseen, konsentrointiin ja puhdistukseen vesiliuoksista. Jotta menetelmä olisi myös taloudellisesti kannattava ja ympäristöystävällinen, adsorbentin pitäisi pystyä keräämää haluttu metalli selektiivisesti ja oltava uudelleenkäytettävissä useita kymmeniä tai satoja kertoja.

Tutkimuksessa kehitetty adsorbentti on nanorakenteinen hybridimateriaali, joka koostuu mesohuokoisesta piistä, joka on karbidoitu ja pinnoitettu bisfosfonaateilla. Bisfosfonaattien tehtävänä on sitoa metallit liuoksista. Mesohuokoinen pii puolestaan toimii stabiilina tukirakenteena bisfosfonaateille.

Tutkimuksessa havaittiin materiaalin kapasiteetin kerätä metalleja riippuvan liuoksen pH-arvosta siten, että pH:n ollessa kolme kapasiteetti oli kaksinkertainen verrattuna kapasiteettiin pH:n ollessa yksi. Johtuen bisfosfonaattien kyvystä sitoa skandiumia ja uraania, adsorbenttimateriaalin havaittiin keräävän skandiumia ja uraania selektiivisesti liuoksista, joissa oli myös runsaasti muita metalleja. Materiaalin selektiivisyys oli selvästi parempi kaupallisiin adsorbentteihin verrattuna.

Adsorboituneet metallit voitiin myös tehokkaasti irrottaa materiaalista. Uraanin konsentraatio oli mahdollista kasvattaa viisitoistakertaiseksi yhden adsorptio-desorptio-syklin aikana, joka helpottaa merkittävästi uraanijätteen turvallista varastointia. Adsorbenttimateriaalin osoitettiin myös kestävän uusikäyttöä 50 adsorptio-desorptiosyklin ajan.

Miten tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?

Tutkimuksen tuloksia voidaan käyttää uusien kiertotalouteen pohjautuvien talteenottomenetelmien kehityksessä, joissa esimerkiksi skandiumia kerätään kaivosten jätevirroista. Tulosten avulla on myös mahdollista rajoittaa uraanin kulkeutumista luontoon.

Kehitetyn adsorbentin nanohuokoinen rakenne edesauttaa veden kulkeutumista materiaalin lävitse. Tämä on erityisen hyödyllinen ominaisuus, kun materiaalia käytetään läpivirtaussysteemissä. Veden käsittely läpivirtaussysteemillä on perinteiseen erä kerrallaan tapahtuvaan käsittelyyn verrattuna nopeampaa ja energiatehokkaampaa, joten se soveltuu hyvin taloudelliseen ja ympäristöystävälliseen teollisuuden jätevesien käsittelyyn.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?

Tutkimus yhdistelee menetelmiä nanoteknologian, organomatallisen kemian ja adosrptioteknologian saroilta skandiumin ja uraanin tehokkaaseen keräämiseen vesistä. Materiaalin adsorptio-ominaisuuksia selvitettiin sekä läpivirtaussysteemissä että panos kerrallaan tehdyissä kokeissa tutkimalla eri parametrien kuten pH:n ja metallien konsentraation vaikutusta adsorptiokinetiikkaan ja -kapasiteettiin. Adsorbentin fysikaaliskemiallisia ominaisuuksia kuten morfologiaa, ominaispinta-alaa, huokostilavuutta, huokoskokoa ja bisfosfonaatin määrää tutkittiin monilla eri tekniikoilla kuten elektronimikroskopialla, Fourier-muunnos infrapunaspektroskopialla, kaasuadsorptiolla ja termogravimetrialla.

MSc Rinez Thapan sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Recovery of scandium and uranium with bisphosphonate modified mesoporous silicon (Skandiumin ja uraanin talteenotto bisfosfonaateilla käsitellyllä nanohuokoisella piillä) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 26.11.2021 klo 12 Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Ulla Lassi, Oulun yliopisto, ja kustoksena yliopistotutkija Joakim Riikonen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.

Lisätietoja:

Rinez Thapa, rinez.thapa (a) uef.fi, p. 045 354 6470

Väittelijän painolaatuinen kuva
Väitöskirja verkossa

Rinez Thapa

Apurahatutkija

Avainsanat