Hoppa direkt till innehållet

Information till studenter och medarbetare med anledning av covid-19 (Uppdaterad: 18 januari 2021)

printicon

Grundläggande studier av den kemiska omgivningen för fosfor och tungmetaller i askfraktioner

Forskningsprojekt En stor del av de näringsämnen som finns och tillförs inom skogsbruk och jordbruk går idag förlorade. Dessa näringsämnen späds ut och försvinner i takt med att den biomassa som producerats använts i olika processer eller konsumerats och bildats restströmmar.

Oftast hamnar en stor del av dessa näringsämnen efter konsumtion i ett energiåtervinningssteg som kan vara förbränning eller förgasning. Den aska som bildas där innehåller en mycket stor del av den fosfor som fanns i växterna men även de mikronäringsämnen som biomassan tar upp när den växer ute i markerna.

Projektledare

Nils Skoglund
Universitetslektor
E-post
E-post
Telefon
090-786 68 01

Projektöversikt

Projektperiod:

2018-01-01 2021-12-31

Finansiering

FORMAS mobilitetsstöd till forskare tidigt i karriären

Medverkande institutioner och enheter vid Umeå universitet

Institutionen för tillämpad fysik och elektronik

Forskningsämne

Energiteknik

Projektbeskrivning

Endast en liten del av dessa näringsämnen återförs idag till produktiva marker, till stor del på grund av askan ses som ett problem snarare än som en resurs. Det beror delvis på en okunskap om hur fosfor är bundet i askan och om den är tillgänglig för växter men också på att det kan finnas för höga koncentrationer av mikronäringsämnen som är nyttiga i små mängder. För att en direkt återföring av aska ska bli säker krävs det goda kunskaper om hur höga koncentrationer av grundämnen som exempelvis koppar och bly är i askorna och helst kunskap om hur de är kemiskt bundna. Forskning har visat att det är möjligt att delvis styra vissa av dessa grundämnen bort från den askfraktion än där det mesta av fosforföreningarna återfinns. Det sker genom att styra själva förbränningsprocessen så att vissa problematiska grundämnen styrs mot en mer finkornig och partikulär askfraktion som inte är lika lämplig för återvinning av näringsämnen. Tidigare studier har även visat att det går att påverka vilken typ av fosforförening som bildas genom att ändra den totala oorganiska sammansättningen på de biomassor eller restströmmar som förbränns. Det kan ske genom användning av additiv eller genom att olika biomassor eller restströmmar sameldas. De fosfater som bildas har visat sig vara tillgängliga för växter och ha en låg benägenhet att lakas ut i porvattnet, vilket gör att risken för fosforläckage eventuellt kan minska om mer aska användes för fosforåtervinning. Även om det genom smart bränsledesign och styrning av processen för energiåtervinning går att sänka halterna av problematiska grundämnen till säkra nivåer i den fosforrika askan är det viktigt att reda ut hur dessa grundämnen är kemiskt bundna. Studier har visat att sådana grundämnen finns som joner i den här typen av fosforrik aska och jonerna inte löses ut så lätt i vatten, men om de sitter kemiskt bundna till fosforföreningar så kan kanske den lösligheten öka när fosfor i askan fungerar som gödsel. Genom att utforska om fosfater binder in vissa grundämnen som vid olika koncentrationer kan man bättre förstå hur bränsleblandningar bör se ut för att producera en bra fosforrik aska. Det är ett steg i att möjliggöra en integrerad återvinning av näringsämnen i samhället i användning av biomassa och restströmmar i energiproduktion för att ersätta fossila energikällor. Sådana detaljerade studier av den kemiska sammansättningen omkring fosfor kräver avancerade analysmetoder som kan observera små förändringar i kemisk bindning. Den röntgenbaserade analysmetoden X-ray absorption spectroscopy, XAS, är väldigt väl lämpad för den typen av studier. Med hjälp av en synkrotron kan man med yttersta noggrannhet styra energin hos röntgenstrålning vilket med XAS kan användas för att titta på den kemiska omgivningen runt ett grundämne. Det är dock inte alla synkrotroner som har möjlighet att mäta vid den energinivå som krävs för att detaljstudera omgivningen för fosfor.Projektet går därför ut på att utföra detaljerade studier av fosfor, mikronäringsämnen, och tungmetaller med hjälp av XAS vid Advanced Light Source, beamline 10.3.2, vid Lawrence Berkeley National Laboratory, USA. Vidare kommer XAS-stationen BALDER vid den svenska synkrotronen MAX IV att användas för att studera tyngre grundämnen än fosfor. Askfraktioner från förgasning och förbränning som producerats vid TU Wien och BioEnergy2020+, Österrike samt Umeå Universitet av fosforrika biomassor och restströmmar analyseras först med svepelektronmikroskopi och röntgendiffraktion för att välja ut lämpliga prover innan de tas vidare till analys med XAS. Resultaten utvärderas sedan med hjälp av multivariat dataanalys för att förstå den detaljerade kemiska omgivningen kring fosfor i aska som funktion av ingående bränslesammansättning. Den här typen av studie som syftar till att direkt koppla struktur hos fosforföreningar i aska till mikronäringsämnen eller tungmetaller är den första i sitt slag.