Tallinna Tehnikaülikool

Anorgaaniliste materjalide teaduslabor | Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituut

Sisukord

Anorgaaniliste materjalide teaduslabori tutvustus

Anorgaaniliste materjalide teaduslabor on kasvanud välja 1965. a. akadeemik Mihkel Veiderma initsiatiivil asutatud mineraalväetiste probleemlaborist, mis kandis hiljem, temaatika laienemise ja muutumise järel, ka anorgaaniliste ainete tehnoloogia laboratooriumi nime. Aastani 2015 juhtis ja kujundas labori teadustööd Dr. Rein Kuusik.  Tallinna Tehnikaülikooli struktuurireformi tulemusena 1. jaanuarist 2017. a. kuulub labor uurimisrühma staatuses Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi koosseisu.

Labori tegevus katab üldises materjaliteaduses anorgaaniliste materjalide osa – tema tegevusvaldkond on anorgaaniliste materjalide keemia ja tehnoloogia, kitsamalt alus- ja rakendusuuringud anorgaanilistes mitmekomponentsetes süsteemides uute omadustega materjalide väljatöötamiseks, uute kasutusalade leidmiseks Eesti mineraalsetele maavaradele, tööstusheitmete vähendamiseks ja taaskasutamiseks ning nende loodushoidlikuks ladustamiseks.

Käesoleval perioodil on laboratooriumi teadustöö suunatud jäätmete käitlusele valdavalt põlevkiviga seotud tööstuses – põlevkivituha kasutamisele ja kasvuhoonegaaside emissiooni piiramisele eesmärgiga selgitada keemilis-tehnoloogilised alusteadmised sellega seotud protsessidest komplekssetes mineraalorgaanilistes lahustepõhistes või gaas - tahke süsteemides. Uurimissuunad on seotud sadestatud kaltsiumkarbonaadi ja tarduvmaterjalide saamisega, tuha kasutamisega fosfori sorbendina ja laiemalt fosfaatide keemiaga, põlevkivi hapnikus-põletamisega jt. termiliste protsessidega, võimaldades jõuda teostatavate, keskkonnasõbralike, optimeeritud rakendusteni nii eksperimentaalsel teel kui matemaatilise modelleerimise abil.

Pikemalt on labori teadustemaatikast aastani 2002 kirjutanud labori kauaaegne teaduslik juhendaja akadeemik Mihkel Veiderma (1929-2018).

Andres Trikkel
labori juhataja
andres.trikkel@taltech.ee

Koosseis 2018

Inimesed ja aparatuur

Laboris töötavad:

Nimekiri Taltech veebis (ruumi number, telefon)

Teadusaparatuurist on olemas järgmised seadmed:

  • TG-DTA + MS mõõtekompleks (termoanalüsaator Setaram Labsys Evo koos MS spektromeetriga Pfeiffer);
  • TG-DTA termoanalüsaator Setaram Setsys Evo;
  • TG-DTA termoanalüsaator Linseis STA-PT 1600 töötamiseks rõhu all kuni 5 bar;
  • Dilatomeeter (Setaram);
  • AAS spektromeeter Varian SpectrAA 50/55;
  • UV-VIS spektromeeter Biochrome Libra;
  • Sorptomeeter KELVIN 1042 eripinna määramiseks N2 adsorptsiooni meetodil;
  • Kõrgrõhu Hg-porosimeeter Poremaster 60-17 poorsusjaotuse määramiseks;
  • Laseranalüsaator Horiba LA-950V2 osakeste suurusjaotuse määramiseks;
  • Süsiniku analüsaator ELTRA CS-580 (TC ja TIC);
  • Reaktorikompleks tööks lahustega erinevate gaaside keskkonnas Lara Controlled Laboratory Reactor (Radleys);
  • Automaattitraator Mettler Toledo T90;
  • Ekstruuder Bonnot 2 1/4" graanulite valmistamiseks;
  • Graanulite survetugevuse määramise seade CT3 25K (Brookfield Engineering);
  • Gaasianalüsaator Testo 350-S/-XL Flue Gas Analyzer (CO2, SO2, H2S, O2)

Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi laborite teenused

Teadustöö

Laboris on välja kujunenud kaks peamist uurimissuunda:

Looduslike materjalide ning tööstusheitmete suund

(Mai Uibu, Rein Kuusik, Tiit Kaljuvee, Can Rüstü Yörük jt.)

  • Heterogeensed protsessid multikomponentses süsteemis CaCO3 – CaO – SO2 – CO2 – O2 – CaSO4 ja sellega seotud erinevates alamsüsteemides, mis on olulise tähtsusega keskonnatehnoloogias;
  • Väävlit või süsinikku sisaldavate anorgaaniliste komponentide keemia ja transformatsioonid fossiilsete või jääkkütuste (Eesti põlevkivi, tema poolkoks, põlevkivituhad, süsi jms) termilisel töötlemisel;
  • Kiirendatud karboniseerimise protsessid;
  • Lubimaterjalide kaltsineerimise – karboniseerimise – sulfatiseerimise protsessid: modelleerimine ja simuleerimine;
  • Sadestatud kaltsiumkarbonaat (PCC) põlevkivituha baasil;
  • Põlevkivi hapnikus-põletamise alusnähtused;
  • Põlevkivituha granuleerimistehnoloogiad ja lämmastikväetiste omaduste parendamine;
  • Keraamilised materjalid põlevkivituha baasil;
  • Kõrgtemperatuurse keevkihi tehnoloogia ja rakendused.

Fosfaatsete materjalide suund

(Kaia Tõnsuaadu, Kadriann Tamm jt.)

  • ~50 aastat uurimiskogemust looduslike fosfaatide koostise, struktuuri ja lagundamistehnoloogiate alal;
  • Katioon- ja anioonasendustega apatiitide süntees sadestus ja sool-geel meetodil;
  • Erinevate asendustega apatiitide koostise ja struktuuri kompleksne kirjeldamine, nende kasutamine orgaanilises katalüüsis;
  • Raskmetallide sidumine lahustest erinevate asendustega apatiitidega, nende protsesside kemism ja mehhanism;
  • Põlvekivituhk sorbendina fosfori taaskasutuseks;
  • Eesti fosforiidi omaduste ja rikastusvõimaluste selgitamine;
  • Eesti fosforiidi ja kaasnevate mineraalide uued töötlemistehnooloogiad.

Publikatsioonid

Olulisemad projektid

Alates aastast 2017 muutus ülikooli struktuur ning labori projekte ja publikatsioone ETIS enam eraldi ei registreeri, kuna labor kuulub nüüd Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi alla. Lühiinfo labori uuemate projektide kohta on toodud siin, vanemate projektide kirjeldused on lingitud ETISe veebi.

ResTA23: Eesti karbifosforiidi kvaliteet ja omadused potentsiaalse fosfori ning haruldaste muldmetallide toormena ja selle komplekssed ümbertöötlemistehnoloogiad (2020-2023, ETAG, A.Trikkel)

Nii haruldased muldmetallid kui fosfor kuuluvad Euroopa kriitiliste toormete nimekirja, mis tingib vajaduse uute ressursside leidmiseks, kasutuselevõtuks ja vastavateks uuringuteks. Eesti karbifosforiidid on Euroopa suurimaks teadaolevaks fosforiidi ressursiks, samuti leidub nendes kõrgendatud kontsentratsioonides haruldasi muldmetalle. Fosforiidi väärindamise perspektiivis on kriitiliseks uute fosforhappe ja fosforväetiste tootmise tehnoloogiate arendamine, et leida sobivad, uudsed ja keskkonnasäästlikud lahendused kõrge kvaliteediga lõpp-produktide saamiseks. Integreeritud geoloogilistele ja mineraloogilistele meetoditele, maavara geometallurgilisele analüüsile ja tehnoloogilistele katsetele tugineva uuringu eesmärk on selgitada karbifosforiitide toormetüüpide klassifitseerimise võimalusi lähtudes fosfori ja haruldaste muldmetallide sisaldustest, interpreteerida vastavate toormetüüpide levikut ning analüüsida sellise toorme potentsiaalseid töötlemistehnoloogiaid. (Projekt ETISe  veebis)

IUT3319: Multikomponentsete mineraal-orgaaniliste süsteemide käitlemise alused: keemia, modelleerimine ja kestlik kasutus (2015-2020, ETAG, A.Trikkel)

Projekt on suunatud jäätmete käitlusele põlevkiviga seotud tööstuses – põlevkivituha kasutamisele ja kasvuhoonegaaside emissiooni piiramisele läbi tihedalt seotud meetodite ja ideede kompleksi lahuste keemias ja termokeemias põimituna modelleerimisega. Peamine eesmärk on selgitada keemilis-tehnoloogilised alusteadmised protsessidest multikomponentsetes heterogeensetes mineraalorgaanilistes lahustepõhistes või gaas - tahke süsteemides, mis on seotud sadestatud kaltsiumkarbonaadi saamisega, põlevkivi või poolkoksi hapnikus-põletamisega, fosfori ringlusega, laiendatult koos katioonasendustega apatiitide keemiaga keemilises sünteesis, ja mis võimaldaksid jõuda teostatavate, keskkonnasõbralike, optimeeritud rakendusteni ja üldistada saadud uudsed teadmised. (Projekt ETISe  veebis) (Põhitulemuste kokkuvõte)

RITA 1: Kliimamuutuste leevendamine läbi CCS ja CCU tehnoloogiate (2019-2021, ETAG, M.Uibu, A.Trikkel)

Eesti on elaniku kohta üks kõige kõrgema kasvuhoonegaaside (KHG) heite ning ressursi- ja süsinikumahukusega majandus Euroopa Liidus. KHG emissioonide oluline vähendamine eeldab parimate süsiniku püüdmis- ning utiliseerimistehnoloogiate rakendamisvõimaluste väljaselgitamist. Projekti põhieesmärgiks on hinnata erinevate süsiniku püüdmistehnoloogiate sobivust ning töötada välja stsenaariumid nende tehnoloogiate rakendamiseks Eesti põlevkivitööstuses. Samuti analüüsitakse efektiivseimate lahenduste keskkonnamõju ning Eesti tööstussektori tehnoloogilist ja majanduslikku võimekust püütud CO2 kasutada. Majandusanalüüs keskendub sobivaimate püüdmistehnoloogiate ühikukulude erinevustele, tundlikkusele CO2 kvootide ja elektri hindade suhtes ning investeeringute subsideerimisvajadusele, aga ka püütud CO2 ekspordipotentsiaalile. Projekti tulemuseks on süsiniku püüdmistaristusse investeerimise põhjendatuse mitmekülgne uuring, aitamaks minimeerida KHG heitkoguseid Eesti põlevkivitööstuses. (Projekt TalTech veebis) (Projekt ETISe veebis)

FLAME: Fly Ash to Valuable Minerals (2017-2020, EIT-KIC, A.Trikkel)

Projekt FLAME arendab tolmuplasma separatsiooni (DPS) tehnoloogiat, mis võimaldab kuiva (ultra)peenikese mineraalide fraktsiooni klassifitseerimist ja eraldamist kas primaarsetest või sekundaarsetest allikatest, vähendades sellega materjalikadu. Suure koguse kõrge kvaliteediga (ultra)peenikeste materjalide turuletulek peaks omakorda soodustama vastupidavamate ning säästlikumate materjalide ning toodete arendamist nagu kõrgkvaliteetsed ehitus- ja komposiitmaterjalid. Esmased DPS tehnoloogia kasutajad on söe/põlevkivi elektrijaamad, mis toodavad suures koguses lendtuhka, ja peavad selle ladustama või sellele kasutust leidma. Projekti eesmärgiks on saada kolm lisaväärtusega produkti – DPS seade ise ning sellega toodetav lendtuha ultrapeen- ja peenfraktsioon. Projekti lõpuks skleeritakse DPS seadme prototüüp tööstuslikku mastaapi (TRL 7). (Projektist lähemalt)

CLEANKER: Clean Clinker Production by Calcium Looping Process (2017-2021, Horizon 2020, M.Uibu)

Tsemenditööstus omab võtmetähtsust CO2 emissioonide vähendamisel, olles vastustav ligikaudu 27% globaalse antropogeense tööstusliku CO2 heitme eest. CLEANKER programmi fookus on demonstreerida integreeritud kaltsiumitsükli kasutatavust tööstuslikus mastaabis uues demosüsteemis, kus töödeldakse Vernasca Buzzi Unicem (Piacenza, Itaalia) tsemenditehase heitgaase (4000 m3/h). Projekti koordineerib L.E.A.P. (Laboratory for Energy and Environment) Itaaliast ning osavõtjaid on 13 seitsmest riigist sh. Eestist kaks TTÜ instituuti (Geoloogia instituut ning Materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi Anorgaaniliste materjalide teaduslabor). TTÜ koordineerida on Tööpakett 7 (transpordi, utiliseerimise ja ladustamise uuring). Ülesannete seas on: valitud lokaalsete ja regionaalsete CCUS stsenaariumite tehno-majanduslik modelleerimine Vernasca, Kunda ja Slantsõ tsemenditehaste baasil (TTÜ-GI); laboratoorses mastaabis eksperimendid põlevkivituha ning CDW karboniseerimiseks ning soovitused Vernasca mineraliseerimisreaktorile (TTÜ-MK); projekti tulemina demonstreeritakse betooni tootmist tsemenditehase heitmaterjalidest ja Vernasca deomosüsteemis kaltsiumtsükliga seotud CO2-st. (Projektist lähemalt)

RITA 1: Maapõueressursside efektiivsemate, keskkonnasõbralikumate ja säästvamate kasutusvõimaluste väljatöötamine (2017-2020, ETAG, K.Tõnsuaadu, M.Uibu, A.Trikkel)

Käesoleva interdistsiplinaarse projekti eeemärk on selgitada teaduslikult põhjendatud innovaatilisi võimalusi Eestis praegu kaevandatavate ja uute potentsiaalsete maapõueressursside säästlikuks kasutamiseks. Selleks analüüsitakse valitud ressursside kasutamise geoloogilisi ja tehnoloogilisi probleeme ning keskkonna-/sotsiaal-majanduslikku mõju. Alaprogrammis RITA1/01-01-07 hinnatakse nende põlevkivi (PK) töötlemise tahkjäätmete omadusi, mis tekivad viimastel aastatel käivitatud uut tüüpi boilerites ja retortides, keskendudes nende materjalide taaskasutusele ning keskkonnamõjudele, selgitades välja PK tahkjäätmete kasulikumad ning keskkonnasõbralikumad taaskasutuse tehnoloogiad. Alaprogrammis RITA1/01-01-11 uuritakse uute rikastamismeetodite rakendamise võimalusi Eesti fosforiidimaagile, saadava kontsentraadi töötlemist lõpp-produktideks ning kaasnevate kahjulike ja/või kasulike komponentide jaotust ning eraldamist. (Projektist lähemalt)

Lep19098: Põlevkivituha väärindamise ja ringlusse suunamise võimaluste rakendusuuring (2019−2021, R-OSA Service OÜ, M.Uibu).
(Projektist lähemalt)
(Projektist ERR uudistes)

Varasemad:

  • Uuring tööstusjäätmetest ehituslike täitematerjalide saamiseks koos CO2 sidumisega / Production of construction materials from industrial wastes and CO2 (2016-2018, KIK, M.Uibu). (Link lõpparuandele)
  • Vanemad projektid ja lepingud (Link ETISe veebi)

Lõputööd

Laboris on võimalik teha praktilise suunitlusega magistri- ja doktoritöid nii keskkonnakaitselistel kui mitmetel muudel anorgaaniliste materjalide tehnoloogiaga seotud teemadel.

Paljud teemad puudutavad energeetikaga, Eesti kontekstis eriti põlevkivienergeetikaga seotud keskkonnaprobleeme - CO2 emissioonide vähendamine, põlevkivituhad ja nende kasutamise uued võimalused, põlevkivi hapnikus-põletamine, mineraalse karboniseerimise protsessid. Üheks uurimistöö liiniks on ka looduslike ja sünteetiliste apatiitidega seotud küsimused (apatiidid kui katalüsaatorid, apatiidid raskmetallide sidujana looduses) ning taas päevakorda kerkinud Eesti fosforiidi ja sellega kaasnevate mineraalide (glaukoniit, graptoliit-argilliit) töötlemise uued, keskkonnasõbralikumad tehnoloogiad.

Allpool loetelu laboris tehtud ja kaitstud doktori- ja magistritöödest.

  • Hakan Berber. Hinnang Iru elektrijaamas olmejäätmete põletamisel tekkiva lendtuha kasutusvõimalustele (juhendajad V. Voronova, M.Uibu, kaitstud aprillis 2020)
  • Can Rüstü Yörük. Põlevkivi hapnikus põletamise eksperimentaalne uurimine ja modelleerimine (juhendajad A.Trikkel, R.Kuusik, kaitstud oktoobris 2016)
  • Kadriann Tamm. Kaltsiumiühendite leostumine põlevkivituha vesisüsteemides (juhendajad M.Uibu, J.Kallas, R.Kuusik, kaitstud mais 2016)
  • Irina Klimova. Ammooniumnitraatväetiste modifitseerimine (juhendajad T.Kaljuvee, A.Trikkel, kaitstud detsembris 2014)
  • Aleksandr Käkinen. Vase ja hõbeda nanoosakeste füüsikalis-keemiliste omaduste ja testikeskkonna mõju nende bioloogilisele toimele (juhendajad A.Kahru, KBFI; R.Kuusik, kaitstud 2014)
  • Karin Viipsi. EDTA ja humiinaine mõju Cd ja Zn eraldamisele vesilahusest apatiidiga (juhendaja K.Tõnsuaadu, kaitstud veebruaris 2012)
  • Riina Salmimies, Lappeenranta University of Technology.  Acidic dissolution of iron oxides and regeneration of a ceramic filter medium (juhendaja J.Kallas, kaitstud detsembris 2012)
  • Olga Velts. Põlevkivituhk kaltsiumkarbonaadi toormena: protsessi teostatavus, mehhanism ja modelleerimine (juhendajad R.Kuusik, J.Kallas, kaitstud detsembris 2011)
  • Mai Uibu. CO2 emissiooni vähendamisvõimalused põlevkivienergeetikas (juhendajad R.Kuusik, A.Trikkel, kaitstud detsembris 2008)
  • Merike Peld. Asendustega apatiidid raskmetallide sidujatena (juhendaja K:Tõnsuaadu, kaitstud jaanuaris 2005)
  • Andres Trikkel. Eesti karbonaatsed kivimid ja põlevkivituhk vääveldioksiidi sorbendina (juhendajad R.Kuusik, M.Veiderma, kaitstud detsembris 2001)

  • Effect of flotation time and collector dosage on Estonian phosphorite beneficiation / Flotatsiooni aja ja kollektori doosi mõju Eesti fosforiidi rikastamisele (Z.A.Zadeh, 2020)
  • Sulfaatioonide mõju uurimine Ca(2+) ekstraktsiooniprotsessile ja produkti kvaliteedile solvendi retsirkulatsiooni tingimustes (A.Leier, 2020)
  • Rägavere fosforiidi soolhappeline lagundamine (L.-L. Jaanisoo, 2020)
  • Beneficiation of phosphate ore by flotation / Fosfaadimaagi rikastamine flotatsioonmeetodil. (I.Piir, 2019)
  • Tööstusjäätmetest granuleeritud täitematerjali saamise optimeerimine ja produkti kvaliteedi hindamine (M.-L. Leinus, 2019)
  • Wet route carbonation of industrial wastes: model-based process optimization and upscale prediction / Tööstusjäätmete poolkuiv karboniseerimine: mudelipõhine protsessi optimeerimine pilootseadme mastaabis (A.Zuravljova, 2019)
  • Experimental study of CO2 mineralization in burnt oil shale and cement bypass dustbased systems / Süsinikdioksiidi mineraliseerimisprotsessi uurimine põlevkivi- ning tsemenditööstuse jäätmetel põhinevates süsteemides (M.C.Usta, 2019)
  • Utilization of Fly Ash in Clay Bricks / Lendtuha kasutamine savitellistes (D.S.Mohan, 2019)
  • Põlevkivienergeetika uute tehnoloogiate mõju tuhkade sideainelistele omadustele (R.Viires, 2018)
  • Thermal analysis and modelling studies of blended fuels in oxy-fuel combustion / Kütusesegude hapnikus põletamise termoanalüüs ja modelleerimine (S.Sener, 2017)
  • L-seriini ja fosfo-L-seriini sidumine vesilahustes Cu ja Zn asendatud Ca-hüdroksüülapatiitidega (F.Kriisa, 2016)
  • Fosfori sidumine olmereoveest hüdratiseeritud põlevkivituhaga ja seda mõjutavad tegurid mudelsegude baasil (M.Kivistik, 2016)
  • Põlevkivi mineraalsete jäätmete leostustasakaalud mudelsüsteemides (P.Kallaste, 2015)
  • Lubjakivi ja dolomiidi reaktsioonivõime muutused CO2 tsüklilisel sidumisel (R.Übner, 2015)
  • Põlevkivi hapnikuspõletamise alused (M.Lukk, 2015)
  • Apatiit heterogeense katalüsaatorina orgaanilistes reaktsioonides (B.Maaten, 2014)
  • Sadestatud kaltsiumkarbonaadi saamine desintegraatorseadmes põlevkivituha baasil (H. Koha, 2014)
  • Granuleeritud komposiitmaterjalid põlevkivituhast ja nende võimalik kasutamine lubiväetistena (H.Hälvin, 2013)
  • Põlevkivi hapnikus-põletamise alused (C.R.Yörük, 2012)
  • Cd2+ ja Zn2+ ioonide sorptsioon hüdroksü- ja fluorapatiidil multikomponentses lahuses EDTA juuresolekul (K.Kaju, 2011)
  • Väävliühendite käitumine põlevkivituha leostamisel ja märgkarboniseerimisel (K.Tamm, 2011)
  • Tuhavee omaduste selgitamine kaltsiumkarbonaadi sadestustingimuste optimeerimiseks (J.Aavik, 2011)
  • Lubimaterjalide tsükliline karboniseerimine (L.Kaar, 2010)
  • Orgaaniliste kompleksimoodustajate mõju katioonide sidumisele apatiidiga vesilahustes (M.Sikk, 2008)
  • Kaltsiumi leostamine põlevkivi põletamisel tekkivatest tuhkadest (I.Rudjak, 2008)
  • Põlevkivituha transpordivee neutraliseerimine (M.-L.Muulmann, 2008)
  • Põlevkivi keevkihis põletamisel tekkiva tuha karboniseerimine süsteemis gaas - tahke (A.Aranson, 2008)
  • Lubimaterjalide mõju ammooniumnitraadi termostabiilsusele (E.Edro, 2007)
  • SO2 emissioon ja sidumine fossiilkütuste termooksüdatsioonil (M.Radin, 2007)
  • Põlevkivituhkade kui SO2 sorbentide aktiveerimine (M.Toom, 2007)
  • Eesti põlevkivi poolkoksist süsinikurikka osa eraldamise võimalused (N.Maljukova, 2006)
  • Triloon-B mõju Cd2+ liikuvusele süsteemis apatiit-vesi (K.Vatter, 2005)
In the lab