Katalyytin avulla sellun voi valkaista sekunneissa

Puukemian professori Tapani Vuorisella on idea: kehittää sellumassan valkaisua niin, että haluttuun lopputulokseen päästään kahdella tai jopa yhdellä valkaisuvaiheella. 

Tavallaan kyseessä on paluu menneeseen, sillä puuvilla- ja pellavalumppujen valkaisu aloitettiin yhden vaiheen tekniikalla 1700-luvun lopulla. Tuolloin massaa sekoitettiin kattilassa käsivoimin, ja samalla lisättiin kemikaaleja, kunnes tulos näytti sopivalta – määristä ja ympäristövaikutuksista murehtimatta.

Kahdessa vuosisadassa sellun laatu on parantunut, kemikaalit ovat kehittyneet ja ympäristövaikutukset pienentyneet kasvaneista tuotantomääristä huolimatta. Samalla valkaisusta on kuitenkin tullut monivaiheinen, aikaa, energiaa ja suuria investointeja vaativa prosessi. Nyt Vuorinen ja hänen tutkimusryhmänsä uskovat voivansa lyhentää ja tehostaa valkaisuprosessia alan yritysten tuella kehittämänsä katalyyttisen valkaisun avulla.

– Käyttämämme katalyytti, DABCO-niminen tertiäärinen amiini, reagoi valkaisuaineen kanssa ja tehostaa huomattavasti sen toimintaa.  Jos yhden vaiheen reaktioaika on tähän asti ollut noin tunti, kehittämällämme menetelmällä sama tulos saavutetaan parhaimmillaan alle sekunnissa. Perinteisesti vaiheita on ollut 4–5; katalyytin ansiosta kaksi vaihetta riittää, Tapani Vuorinen tiivistää keksinnön idean.

Reaktori huonekoossa

Teollisuudelle vaiheiden lyheneminen ja väheneminen merkitsee suuria säästöjä. Modernin sellutehtaan rakentaminen on mittava investointi, osin juuri valkaisuprosessin asettamien vaatimusten takia. Yhden valkaisuun tarvittavan reaktorin tilavuus voi olla tuhansia kuutiometrejä, ja jokainen vaiheista vaatii oman reaktorinsa.

– Miljoona tonnia vuodessa tuottavan sellutehtaan valkaisuyksikön rakentaminen voi maksaa jopa 200 miljoonaa euroa, sillä valkaisureaktorien lisäksi on rakennettava myös tehdas, jossa valkaisukemikaalit valmistetaan , kertoo tohtorikoulutettava Naveen Chenna. 

Katalyytin ansiosta kemikaaleja tarvitaan vähemmän ja suuria reaktoreita vain yksi, muilta osin valkaisuprosessi mahtuu tavallisen huoneen kokoiseen tilaan. Ajan, investointien ja kemikaalien lisäksi katalyyttinen valkaisu säästää myös energiaa.

– Reaktorit voivat olla jopa 50 metriä korkeita, ja niiden lämmittäminen vesihöyryllä nykyisten valkaisumenetelmien vaatimaan 80–90 asteeseen vaatii valtavasti energiaa. Katalyyttinen valkaisu taas voidaan tehdä jopa huoneenlämpötilassa, Chenna selittää.

Valikoivampaa valkaisua

Sellumassan valkaisussa käytetään yleisimmin klooridioksidia joko yksinään tai happikaasun ja vetyperoksidin kanssa. Valkaisu voidaan toteuttaa myös täysin ilman klooriyhdisteitä, otsonin ja peroksidin avulla. Katalyyttisessä valkaisussa käytetään jo kertaalleen torjuttua kemikaalia, hypokloriittia.

– Tämä onkin jännä juttu, Tapani Vuorinen paljastaa.

– Katalyyttisessä vaiheessa käyttämämme hypokloriitti hylättiin 1900-luvun loppupuolella sen käytössä syntyvän kloroformin takia. Hypokloriitti on ollut vuosia melkein tabu, josta ei ole haluttu teollisuudessa puhua, ja koordinaatioryhmässäkin arkailtiin sen käyttöä.  Me olemme kuitenkin pystyneet osoittamaan kokeilla, että katalyyttisessä valkaisussa päästään kloroformin suhteen alhaisempiin päästöihin kuin perinteisessä valkaisussa, jossa käytetään klooridioksidia. Olemme tavallaan tulleet asiassa ympäri, eli saaneet jo hylätyllä kemikaalilla ympäristön kannalta parempia tuloksia tekemällä asiat uudella tavalla.

Yksi perinteisen valkaisun ongelmista on klooridioksidin tehottomuus. Vain osa siitä kuluu haluttuun tehtävään, eli ligniinin poistamiseen, ja lopusta muodostuu prosessissa kloraattia sekä jätevesien eloperäisiin yhdisteisiin sitoutuvaa klooria. Katalyyttisessä valkaisussa puolestaan syntyy hypokloriitin ja DABCOn reaktiosta vahva elektrofiili, joka reagoi valikoiden juuri ligniinin ja muiden poistettavien yhdisteiden kanssa. Hypokloriittia syntyy myös perinteisen klooridioksidivalkaisun aikana määrä, joka on riittävä katalyyttisen valkaisun toteuttamiseen.

Unelma ulottuvilla

Katalyyttinen valkaisu on keksintönä niin lupaava, että kaikki kolme vuotta sitten mukaan tulleet yritykset – Stora Enso, UPM, Metsä Fibre, Kemira ja Andritz – näkevät tärkeäksi jatkaa tutkimusta.  Katalyytin toimivuus on jo varmistettu; seuraavaksi pitää selvittää, miten sen käyttö onnistuu teollisessa mittakaavassa.

– Tiedämme, että DABCOa käytetään jo teollisuudessa esimerkiksi polymeereistä tehtävien vaahtojen valmistuksessa. Euroopan kemikaaliviraston asettama raja on tällä hetkellä kaksi kiloa tonnia kohden, ja me olemme käyttäneet kilon tai vähemmän. Koska markkinat ovat kansainväliset ja monet maat seuraavat Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto FDA:n päätöksiä, tarvitsemme hyväksynnän myös sieltä, Chenna selittää.

Tapani Vuorinen on optimistinen, mutta korostaa, että tutkittavaa on vielä paljon.

– Yritämme tehostaa prosessia edelleen niin, että katalyyttikustannukset saadaan alemmas. Myös massan laadusta pitää saada lisää tietoa. Tällä hetkellä käytettävissä valkaisumenetelmissä viipymät ovat pitkiä ja olosuhteet happamia, mikä heikentää kuidun laatua. Meidän ajatuksemme on, että katalyyttisellä valkaisulla massa on parempilaatuista.

Myös katalyyttistä vaihetta seuraavasta toisesta valkaisusta on saatava mahdollisimman tehokas. Tohtorikoulutettava Ghazaleh Afsahi on jo saanut otsonilla lupaavia tuloksia. Kahden vaiheen yhdistelmällä on mahdollista saada erittäin valkoista sellua muutamissa sekunneissa.

– Tapani uskoo, että tulevaisuudessa ei välttämättä edes tarvita reaktoria, vaan valkaisu pystytään hoitamaan sekoittimessa. Olemme jo aika lähellä hänen unelmaansa yhden vaiheen valkaisusta, Afsahi ja Chenna sanovat.

Kuvassa: Professori Tapani Vuorinen ja tohtorikoulutettavat Ghazaleh Afsah ja Naveen Chenna tutkivat sellun valkaisemista katalyytin ja hypokloriitin avulla.

Kuvat: Heidi-Hanna Karhu

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazine 11 -lehdessä. Lue lehti (issuu.com).