Monikäyttöiset bentoniittimateriaalit kiinnostavat tutkijoita

Bentoniitti on laajasti teollisuudessa hyödynnetty raaka-aine, jonka sovellukset perustuvat bentoniitin monikäyttöisiin ominaisuuksiin. Geologian tutkimuskeskuksessa (GTK) bentoniittimateriaalien tutkimus keskittyy niiden pitkäaikaiseen kestävyyteen ja toimintakykyyn erityisesti radioaktiivisen jätteen loppusijoittamisessa.

Bentoniittilouhos Japanissa. Kuva: Heini Reijonen, Geologian tutkimuskeskus 2018.

Bentoniitti on yleisnimitys saville, jotka koostuvat pääasiassa smektiittimineraaleista, joista yleisin on montmorilloniitti. Yleisimmin bentoniitit ovat muodostuneet tulivuoren purkauksista peräisin olevasta vulkaanisesta tuhkasta pitkän ajan muuttumisen tuloksena. Nimi bentoniitti on peräisin Fort Bentonista, joka on pieni kaupunki Yhdysvaltojen Montanassa. Siellä nimitystä käytettiin ensimmäisen kerran 1890-luvulla kuvaamaan paikallista liitukautista tuffikerrostumaa. Nykyään nimitystä käytetään laajalti teollisuuden ja geologian piirissä kuvaamaan vastaavan tyyppisiä savia.

Monikäyttöinen bentoniitti

Bentoniitteja käytetään monissa teollisissa sovelluksissa, kuten lääketeollisuudessa, elintarviketuotannossa, jätehuollossa ja geoteknisissä ratkaisuissa. GTK:lla tutkimukset keskittyvät bentoniitin pitkäaikaiseen kestävyyteen ja toimintakykyyn liittyen erittäin haastavaan alueeseen: radioaktiivisen jätteen loppusijoittamiseen. ”Tässä aihepiirissä bentoniitin tärkein ominaisuus on sen paisumiskyky. Kun bentoniitti on kosketuksissa veden kanssa, se paisuu ja toimii tiivisteenä. Se on siis erinomainen materiaali loppusijoitettaessa käytettyä ydinpolttoainetta, joka pitää eristää loppusijoitustilaan pitkäksi ajanjaksoksi turvallisesti erilleen elävästä ympäristöstä”, kertoo GTK:n johtava asiantuntija Heini Reijonen. Bentoniitti estää veden virtausta suljetussa loppusijoitustilassa ja sulkee sisäänsä käytetyn ydinpolttoaineen kapselit, suojaten niitä syöpymiseltä ja mahdolliselta kallion liikkumiselta.

Bentoniitti tutkimuskohteena GTK:lla

Kansainvälinen yhteisö tutkii aktiivisesti bentoniittimateriaalien eri ominaisuuksia ja tutkitut aiheet vaihtelevat kenttätutkimuksista laboratoriomittakaavaan. GTK:ssa tutkitaan tällä hetkellä bentoniittia materiaalina, luonnollisia bentoniittiesiintymiä ja muita paisuvia savia, sekä tehdään tutkimusmenetelmien kehittämistä savitutkimuksiin liittyen. Teollisuusprosessien osalta pyritään tarjoamaan nopeampia, parempia ja informatiivisempia tapoja tutkia näitä moniin muihin mineraaleihin verrattuna erittäin hienorakeisia, ja siksi vaikeasti tutkittavia, materiaaleja. Tässä apuna ovat erilaiset kuvantamismenetelmät (röntgenkuvat, hyperspektrimittaukset ym.), joiden käyttö antaa nopeasti ja kattavammin tietoa kuin perinteiset satunnaismittaukset.

GTK:ssa tutkitaan tällä hetkellä bentoniittia materiaalina, luonnollisia bentoniittiesiintymiä ja muita paisuvia savia, sekä tehdään tutkimusmenetelmien kehittämistä savitutkimuksiin liittyen.

Suuret esiintymät luonnossa

International Bentonite Longevity (IBL) -hanke tutkii bentoniittimuodostuman kehittymistä japanilaisessa bentoniittikaivoksessa. Tutkimusta tehdään satoja metrejä syvällä maan alla, jotta voidaan paremmin ymmärtää bentoniitin ominaisuuksien kehittymistä luonnossa pitkällä aikavälillä, kattaen jopa miljoonia vuosia. Toistaiseksi GTK on käyttänyt röntgentomografiamenetelmiä kuvaamaan näiden luonnollisten savien rakenteita, jatkossa tavoitteena on tutkia hyperspektri-menetelmien käytettävyyttä bentoniittitutkimuksissa kenttäolosuhteissa.

Massiivista bentoniittia kaivoksessa Japanin Tsukinunossa. Kuva: Heini Reijonen, Geologian tutkimuskeskus 2018.

Pienet esiintymät kallioperässä

GTK osallistuu Suomen kiteisessä kallioperässä esiintyvien, useita smektiittimineraaleja sisältävien paisuvien savien pienten mineraaliesiintymien tutkimiseen. Tutkimusta tehdään osana kansallista BROCTIO-hanketta. GTK on mukana kehittämässä uusia lähestymistapoja tutkimukseen, jolla selvitetään näiden savien stabiiliutta sekä roolia Suomen kallioperässä. Kuten IBL-hankkeessa, myös BROCTIO:ssa tarkastellaan miljoonien vuosien ajanjaksoa. Tärkein kehitystyö hankkeessa on tehty SWIR-hyperspektrisen kuvantamisen sekä VSWIR-pisteanalyysien osalta, joiden tarkoituksena on luoda työvuo murtumapintojen kartoittamiseen. Tulosten perusteella arvioidaan mahdollisuuksia tehdä kartoitusta jatkossa luotettavammin ja tehokkaammin.

Tulokset ovat lupaavia ja sovelluksia on useita, muun muassa:

  • geologisten kairasydännäytteiden kartoitus ja harvinaisten muutosmineraalien tunnistaminen,
  • savipohjaisten materiaalien laadunvalvontamenetelmät,
  • kenttätyöt, joissa yleisesti tutkitaan savia.

Pienen mittakaavan tutkimukset

BROCTIO-hankkeessa tarkoituksena on hakea jopa 5D-tietoa (3D + aika + lämpötila) bentoniitin paisumisprosessista, jotta voidaan tarkemmin kuvata miten bentoniitti toimii kalliorakojen tiivistäjänä. Vastaavaa työtä tehdään myös EU:n rahoittamassa EURAD-HITEC hankkeessa, jossa tutkitaan laajasti saven käyttäytymistä korkeissa lämpötiloissa. GTK tekee Jyväskylän yliopiston kanssa yhteistyötä tutkimuksessa, jossa analysoidaan vettymisen etenemistä bentoniittimateriaalissa lämpötilan ollessa korkea.

Tulosten hyödyntäminen

Bentoniittihankkeet tukevat GTK:n valmiuksia toimia ympäristöprojekteissa sekä kehittämään sovelluksia bentoniittimateriaalin käyttöön, laadunvarmistukseen ja optimointiin erilaisissa sovelluksissa. Valtioilla on eri konsepteja erilaisille jätteille, joten materiaalien vaatimuksetkin vaihtelevat.

Bentoniiteille kehitetyt menetelmät ovat sovellettavissa muihinkin projekteihin. GTK:lla edistetään esimerkiksi hyperspektrimenetelmiä savipitoisten sedimenttikivien tutkimiseen virtuaalisen kairasydänarkiston kehittämisen yhteydessä. Pilottimateriaali sisältää Muhoksen muodostumasta kairatun 1 kilometrin pituisen kairasydännäytteen, joka tarjoaa mahdollisuuden lisätä geologista ymmärrystä tästä yli 1200 miljoonaa vuotta vanhasta sedimenttimuodostelmasta (jotunisia hiekkakivia, lähinnä liuske- ja silttikiviä). Muhoksen paksun sedimenttimuodostelman yksityiskohtaisempi ymmärtäminen tukee myös alueella tehtäviä muita, muun muassa geotermisten ominaisuuksien ja pohjavesien biogeokemiallisia, tutkimuksia.

”Muhoksen muodostuma tarjoaa mahdollisuuden soveltaa menetelmiä kilometrimittakaavassa, ja tuloksia voidaan hyödyntää lisäksi kansainvälisissä projekteissa saman tyyppisiin kivilajeihin. Suomessa tämän tyyppiset sedimenttikivet ovat harvinaisia – maailmalla toki yleisiä – mutta Muhoksen muodostuman tutkimus uusilla menetelmillä voi tuoda lisätietoa maapallon kehityshistoriasta ajalta, joka tunnetaan melko huonosti Suomen geologian osalta”, Reijonen kertoo.

Lisätietoa

BROCTIO-hankkeen etenemistä voi seurata Kansallisen Ydinjätehuollon Tutkimusohjelmassa (KYT2022). Lisätietoa hankkeesta löytyy myös GTK:n verkkosivuilta.

Hiilineutraalia geotermistä energiaa Muhos-muodostumasta

Kansallisen digitaalisen kairasydänarkiston (NDCAF) kehittäminen jatkuu näytteiden hyperspektrikuvauksilla

International Bentonite Longevity -hankkeen verkkosivut

EURAD-HITEC hankkeen verkkosivut