Polymeerien valmistaminen hiilidioksidista

Abstract

Ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi tarvitaan uusia keinoja. Hiilidioksidin talteenotto on tekniikka, jolla CO2-päästöt saadaan talteen esimerkiksi energiantuotannon tai teollisuuden prosesseista ja ehkäistään näin hiilidioksidin päätymistä ilmakehään. Talteenotettu hiilidioksidi voidaan hyödyntää kemikaalien, kuten polymeerien raaka-aineena. Työn tavoitteena on selvittää, miten hiilidioksidista voidaan valmistaa polymeerejä, mitä polymeerejä voidaan tuottaa, ja minkälaisilla reiteillä niihin päästään. Työ on kirjallisuuskatsaus, jossa käsitellään hiilidioksidin talteenottoa, hiilidioksidipohjaisia polymeerejä, teknologian tulevaisuutta ja suomalaisia hankkeita.

Hiilidioksidin talteenottomenetelmiä on kolme: polttoa edeltävä talteenotto, polton jälkeinen talteenotto ja happipoltto. Polton jälkeinen talteenotto on tällä hetkellä käytetyin menetelmä. Siinä hiilidioksidi poistetaan aineen palaessa syntyvistä savukaasuista. Hiilidioksidi täytyy myös erottaa muista aineista talteenoton yhteydessä. Tähän on useita tekniikoita, joista edistynein on kemiallinen absorptio amiiniliuoksilla.

Hiilidioksidia voidaan hyödyntää polymeerien valmistuksessa joko suoraan monomeerinä tai muuttaa se ensin joksikin yhdisteeksi, jota käytetään polymeerin valmistuksessa. Merkittävimpiä hiilidioksidipohjaisia polymeerejä tällä hetkellä ovat polykarbonaatit, polyuretaanit ja polyolefiinit. Polykarbonaatteja (PC) saadaan epoksidin ja hiilidioksidin kopolymeraatiolla. Tällä reitillä saatavia polykarbonaatteja ovat muun muassa polypropeenikarbonaatti (PPC) ja polysyklohekseenikarbonaatti (PCHC). Keskeisin reitti CO2-pohjaisiin polyuretaaneihin on hiilidioksidista valmistetun polyolin ja isosyanaatin välinen askelpolymeraatio. Toinen työssä käsitelty reitti polyuretaaneihin on isosyanaatittoman polyuretaanin valmistus, jolloin lopullinen polymeeri on polyhydroksiuretaani (PHU). Hiilidioksidipohjaisia polyolefiineja, eli polyeteeniä (PE) ja polypropeenia (PP) voidaan valmistaa useilla reiteillä. Merkittävimpiä prosesseja olefiinien valmistamiseksi ovat Fisher-Tropsch-synteesi ja MTO/MTP-prosessi (Methanol to olefins/propylene).

Hiilidioksidipohjaisten polymeerien arvioidaan lisääntyvän, ja markkinoiden oletetaan noin kolminkertaistuvan vuosien 2022 ja 2033 välillä. Tällä hetkellä kaupallisesti merkittävimpiä CO2-polymeerejä ovat polykarbonaatit sekä polyolit polyuretaanituotantoon ja näiden oletetaan pysyvän tärkeimpinä polymeereinä myös tulevaisuudessa. Suomessa on käynnissä useita hankkeita, jotka keskittyvät hiilidioksidista valmistettuihin polymeereihin. Näihin hankkeisiin kuuluvat VTT:n sekä suomalaisten yritysten BECCU ja Forest CUMP, sekä Fortumin Carbon2x.