Kolloid- ja keskkonnakeemia õppetool
Teadustöö põhisuunad
Nanostruktuursete ja keemiliselt modifitseeritud materjalide uurimine (Kaido Tammeveski)
- uudsete katoodimaterjalide väljatöötamine madalatemperatuuriliste kütuseelementide jaoks
- hapniku redutseerumine lämmastikuga dopeeritud süsiniknanomaterjalidel jt mitteväärismetall-katalüsaatoritel
- hapniku elektrokeemilise redutseerumise uurimine nanostruktuursetel metallelektroodidel
- süsiniknanotorudele ja grafeenile seondatud metalli nanoosakeste elektrokatalüütiliste omaduste uurimine
- keemiliselt modifitseeritud elektroodide elektrokatalüütiliste omaduste uurimine hapniku redutseerumisel
- pinnale seondatud orgaaniliste kilede mõju erinevate elektroodimaterjalide (C, Au, Ni jt.) elektrokeemilistele omadustele
Hapniku redutseerumise elektrokatalüüsi uurimine pakub eelkõige huvi seoses madalatemperatuuriliste kütuseelementide (vt skeemi) väljatöötamisega. Hapniku elektrokeemiline redutseerumine toimub kütuseelemendi katoodil ning enamasti on katalüsaatormaterjalina kasutusel plaatina (Pt) ja selle sulamid. Pt kõrge hind ning piiratud kättesaadavus on põhilised tegurid, mis piiravad kütuseelementide laiemat rakendust. Seetõttu oleme viimastel aastatel intensiivselt tegelenud selliste elektrokatalüsaatorite uuringutega, mis oleksid alternatiiviks kallihinnalisele plaatinale. Peamisteks nõueteks uudsetele ja oluliselt odavamatele katoodimaterjalidele on kõrge elektrokatalüütiline aktiivsus ja stabiilsus nende pikaaegsel kasutamisel kütuseelemendi tingimustes. Põhitähelepanu oleme pööranud hapniku redutseerumise kineetika uurimisele nendel katalüsaatormaterjalidel.
Kütuseelemendid, mis töötavad madalamal temperatuuril kui 100 ºC, on osutunud väga atraktiivseks energia muundamise tehnoloogiaks mitmes valdkonnas (sh autotranspordis). Tegemist on keskkonnasõbraliku seadmega, sest vesiniku kasutamisel kütusena on kütuseelemendis toimuvate protsesside ainsaks saaduseks vesi.
Aastatel 2010-2015 on töörühmas kaitstud neli doktoritööd (Nadežda Kongi, Marko Kullapere, Ivar Kruusenberg ja Elo Kibena) ning neli magistritööd. Ilmunud 50 artiklit.
Keskkonnakeemia ja –tehnoloogia (Taavo Tenno)
Keskkonnakeemia- ja tehnoloogia töörühma suunaks on reovee- ja reoveesette tehnoloogiate uurimine ja parendamine, sh reoveepuhastusprotsessidest eralduvate toitainete väärtustamisvõimaluste uurimine, metallide ja orgaaniliste saasteainete toime hindamine ning puhastusprotsesside uurimine energiaefektiivsuse tõstmiseks ning kliimamõjude vähendamiseks. Reoveepuhastitel on oluline roll veekaitses, nende efektiivne ja keskkonnasäästlik opereerimine võimaldab vähendada negatiivset mõju veekogude seisundile, põhjaveele ja panustada süsinikneutraalse energiamajanduse arengusse.
Töörühmas viiakse läbi uuringuid reovee- reoveesettetehnoloogiatest, samuti keskkonda emiteerunud ühendite mõjust, mudeldatakse ja optimeeritakse kaasnevaid protsesse ning töötatakse koos erasektoriga praktiliste rakenduste juurutamisel.
Biosensorite uurimine ja väljatöötamine (Toonika Rinken)
- biosensorite konstrueerimine ja modelleerimine
- biosensorrivide uurimine
- biosensorite väljatöötamine ja rakendamine: antibiootikumide jääkide määramiseks toorpiimas, biogeensete amiinide määramiseks jm.
- biosensorites kasutatavate ensüümide jm. bioaktiivse materjali eraldamine, puhastamine ja immobiliseerimine
- mikroobidel põhinevate biosensorite väljatöötamine ja rakendamine biokeemilise hapnikutarbe (BHT) mõõtmisel
BSR WATER – Integreeritud veealase koostöö platvorm
Eesmärgiks edendada rahvusvahelist veemajandusalast koostööd, pakkudes interaktiivset veebiplatvormi kogemuste ja heade praktikate jagamiseks ning pakkudes sealjuures põhjalikku ülevaadet nii hetkel kehtivatest kui tulevastest veealastest poliitikameedetest. Nimetatud eesmärkide täitmisesse panustab projektipartnerina kolloid- ja keskkonnakeemia õppetooli heitmete käitlemise tehnoloogia töörühm.
Projektis on kolm suuremat tööpaketti – veemajanduse heade praktikate, lahenduste ja oskuste kogumine ning süntees, mille jaoks on loodud veebiportaal www.balticwaterhub.net; koostööplatvormi levitamine ja huvirühmade kaasamine; dialoogi tekitamine jätkusuutliku veemajanduse regionaalse seadusandluse arendamiseks. Projekti põhipartneriteks on Balti Linnade Ühenduse Jätkusuutlike Linnade Komisjon, HELCOM, Berliini Tehnikaülikool, Tartu Ülikool ja Gdanski Tehnikaülikool, Soome Keskkonnakool, Helsinki ja Riia linnad ning Venemaapoolse koostöö koordineerimiseks ECAT-Kaliningrad ning ettevõte SC-Mineral. Platvorm koondab seitme Interregi Läänemereregiooni poolt rahastatud projekti tulemusi (IWAMA, BEST, VillageWaters, Manure Standards, RBR, iWATER ja CliPLivE), eesmärgiga saavutada nende laialdasem kõlapind ning integreerida saadud tulemused ka uutesse HELCOM-i poolt antavatesse soovitustesse toitainete taaskasutamisest ja ohtlike ainete ja komponentide piirväärtustest vees, vee-, sette- ja energiaalase koostöömudeli loomiseks ning jätkusuutlikuks linnakeskkonna sademevee majandamiseks.
Platvormi projekti rahastuse on andnud Interreg Baltic Sea Region Programm 2014-2020, lisaks aitab rahalist abi Vene Föderatsioon.
Projekt IWAMA (Taavo Tenno)
Reoveepuhastitel on oluline roll veekaitses, nende efektiivne ja keskkonnasäästlik opereerimine võimaldab vähendada negatiivset mõju veekogude seisundile, põhjaveele ja kliimamuutustele. Projekti „Interaktiivne veemajandus Läänemere piirkonnas“ (Interactive Water Management in Baltic sea region, IWAMA) eesmärgiks on panustada HELCOMi nõuete täitmisesse reoveepuhastite efektiivse opereerimise, settekäitlustehnoloogiate parendamise ja elukestva õppe kaudu. Nimetatud eesmärkide täitmisesse panustab projektipartnerina kolloid- ja keskkonnakeemia õppetooli heitmete käitlemise tehnoloogia töörühm.
KIK-i projekt "Sekundaarsete polümeerjäätmete ja põlevkivituha taaskasutamine ehitusmaterjali toormena. Ruumilise eelpingestatud polümeerarmatuuriga komposiitmaterjal turba baasil"
Projekti eesmärgiks on 3D-prinditava turbakomposiitmaterjali loomine. Turbal on väga head termilised ja organoleptilised omadused, kuid seni pole seda kasutatud anorgaanilise sideainega komposiitides, sest turbas suurel hulgal leiduvad humiinained takistavad tsemendi kõvastumist. Sideainena kasutatakse põlevkivituhka, mida seni tarvitatakse lisandina portlandtsemendile. Eraldi sideainena on tema kasutamine problemaatiline tema väga pika tardumisaja ja tekkiva materjali rabeduse tõttu. Mõlemad probleemid lahendati edukalt. Loodi väga heade omadustega prinditav ehitusmaterjal, mille tootmiseks kasutatakse ainult jäätmeid (põlevkivituhk, plastijäätmed) ja kohalikku seni madala lisandväärtusega turvast.
Projekti aruanne
KIK-i projekt ”Reoveesette tootestamise nõuete praktiline rakendamine Eesti vee-ettevõtetes, humifikatsiooni, kompostimise ja kuivatuse mõju reoveesette kvaliteedinäitajatele”
2018-2020. Vastutav täitja Taavo Tenno
Reoveesete sisaldab olulisel määral taimetoitaineid – lämmastikku (N), fosforit (P), kaaliumi (K), magneesiumi (Mg), mikrotoitained, mistõttu on see efektiivse käitlemise järel kasutatav väetisena nii haljastuses, rekultiveerimisel kui ka põllumajanduses. Reoveesette otsekasutus on orgaanikasisalduse tõttu otstarbekas piirkondades, kus pinnases on orgaanilise aine vähesus, ent reoveesettes sisalduvad lisaks taimetoitainetele erinevad keskkonnale ja inimese tervisele potentsiaalselt ohtlikud ühendid, näiteks raskmetallid ja ravimijäägid.
Eestis tekkiv aastane reoveesette märgmaht on ca 150 000 tonni, mis kuivkaaluna on 30 000 tonni/KA. Reoveepuhastusprotsessi tulemusena seotakse reoveesettesse ka taimede kasvuks vajalikud toitained, millest olulisimad on lämmastik ja fosfor. Kvaliteetse sette (mille ohtlike ainete jms sisaldused on nõuetekohased) otsekasutamisega saaksime taaskasutada kogu settes leiduva fosfori ilma kadudeta, lisaks saaks mulda viia ka muud vajalikud mikrotoitained. Samuti on väga tähtsal kohal ka reoveesettes sisalduv huumuse olemasolu, mida ei ole võimalik nt keemiliste väetusainetega tekitada. Projektis viiakse läbi rakendusuuring reoveesette otsekasutamise teostatavuse kohta Eesti vee-ettevõtete näidetel, töö tulemusena selguvad sette ohtlike ainete sisaldused, reoveesette praktilise kasutamise „know-how“ ning samuti võimalikud kitsaskohad.
Auranne
KIK-i projekt ”Kasvuhoonegaaside heitmete piiramine süsinikunegatiivse ehitusmaterjali rakendamise teel”
2021-2023. Vastutav täitja Ergo Rikmann
Kõigist majandussektoritest on ehitussektoril üks suurimaid ökoloogilisi jalajälgi. Ainuüksi tsemendi tootmine annab umbes 8% kogu inimtekkelise süsihappegaasi heitkogusest. Teisalt ladestatakse kogu maailmas suurel hulgal CaO-rikkaid või potsolaaniliste omadustega tuhkasid ning muid leeliselisi jäätmeid prügilatesse , samuti ladestatakse igal aastal prügilatesse või põletatakse tohutul hulgal orgaanilisi jäätmeid. Käesolev projekt on suunatud ülalmainitud jäätmete kasutamisele keskkonnasõbraliku, odava ja hõlpsalt kättesaadava komposiitehitusmaterjali valmistamiseks. Antud materjalil on suurepärased tehnilised parameetrid - surve- ja paindetugevus, soojus- ja heliisolatsioonivõime, kerge kaal, tulekindlus ning vastupidavus ilmastikule ja kahjuritele. Materjal sobib tervete majade 3D-printimiseks, võimaldades veelgi vähendada jäätmeteket, parandada tööviljakust ja tööohutust, vähendada ehituskulusid ja suurendada ehitustööde kiirust. Materjali madal hind, kättesaadavus ja paindlikkus rakendatava ehitustehnoloogia osas võimaldavad kiiret ehitustööd katastroofipiirkondades või pagulaskriisidest mõjutatud piirkondades. Mainitud põhjustel sobib käesolevas projektis välja töötatud materjal nii arengumaadele (nt Aafrikas) kui ka arenenud riikidele. Süsihappegaasi heitkoguste vähendamine võrreldes "traditsioonilise" betooniga saavutatakse materjali kõikides olelusringi etappides, alates toorainete hankimisest kuni ehitustööde lõpuleviimise, valmis ehitiste ekspluatatsiooni ja kasutusea ületanud hoonete lammutamiseni. Süsinikdioksiid on talletunud komposiidi orgaanilises osas, mis on struktuurselt seotud mineraalse osaga, mille kõvenemise käigus omakorda seotakse atmosfäärist süsinikku. Lisaks välditakse süsihappegaasi heitmeid seeläbi, et materjali retseptis ei kasutata portlandtsementi. Kokkuvõttes ulatub süsihappegaasi heitmete vähendamine ja vältimine kokku 916 kg-ni ehk 475000 liitrini 1 m³ müüritise kohta. Ühe väikese eramaja (60-70 m² pinnaga, mille kontsruktsioonid sisaldavad umbes 100 m³ uudset seinamaterjali) ehitamine võimaldab vähendada süsihappegaasi heitmeid umbes 64,1 tonni võrra. Meie uudse materjali laialdane kasutamine aitaks oluliselt kaasa rohelise visiooni täitumisele, mille on välja pakkunud Maailma Rohelise Ehituse Nõukogu (WorldGBC). Visioonis on ette nähtud kuidas hooned ja taristuobjektid kogu maailmas võivad saavutada 2030. aastaks 40% võrra väiksema süsihappegaasi emissiooni ja saavutada 100% neto nullheitmetega ehitised aastaks 2050.
Õppetöö
Keskkonnakeemia suunal viiakse õppetoolis läbi erinevas mahus ja tasemel loengukursusi, seminare ning praktikume keskkonnakeemias ning keskkonna analüüsis, samuti mitmeid reovee- ja jäätmekäitlusega seonduvaid erikursusi. Kolloidkeemia suunal toimuvad kolloid- ja pindnähtuste keemia loeng ning erikursused, mis käsitlevad protsesside modelleerimist heterogeensetes süsteemides.
