Abstract Biomass is the most abundant renewable material present on Earth and has been widely used e.g. in energy production. Recently, new applications for biomass utilization have been developed, e.g. the use of biomass as a raw material for synthesizing new chemicals. This research aimed to produce activated carbon (AC) from waste wood-based materials and peat through carbonization followed by physical or chemical activation. Physical steam activation and chemical activation generate the porosity in AC after the carbonization. The desired properties of AC (porosity, pore size distribution, surface functionality) are dependent on the application in which AC is used. The first part of the research focused on setting up the carbonization and activation device. The most important variables affecting carbonization and activation and the AC properties were studied. The process parameters were optimized through the design of experiments (DOE). The results showed that in the physical activation, the most important variables affecting the characteristics of AC are the holding time, temperature, and the steam feed. Consequently, a model for tailoring the microporosity or mesoporosity of AC and maximizing the yield is proposed. The second part of the research focused on chemical activation using zinc chloride. The aim was to study the effect of activation variables on the yield and properties of AC. Finally, the use of AC as an adsorbent was studied. Especially, the applicability of birch sawdust based activated carbon on the removal of dyes, zinc metal, nitrate, phosphate, and sulfate ions was evaluated. Based on the results, a difference was shown between one and two step process for carbonization and activation, and a single-step process was suggested to maximize the quality of AC. / Tiivistelmä Biomassa on maapallon eniten saatavilla olevaa uusiutuvaa materiaalia, jota on hyödynnetty jo pitkään mm. energiantuotannossa. Viime aikoina uusia biomassan käyttökohteita on kehitetty laajalti, kuten esimerkiksi uusien kemikaalien valmistukseen. Tässä tutkimuksessa puupohjaista jätebiomassaa ja turvetta hyödynnetään fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoidun aktiivihiilen valmistuksessa. Fysikaalinen höyryaktivointi ja kemiallinen aktivointi lisäävät aktiivihiilen huokoisuutta hiilestyksen jälkeen. Aktiivihiilen halutut ominaisuudet (huokoskokojakauma, pinnan toiminnalliset ryhmät) määräytyvät käyttökohteen mukaan. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa keskityttiin hidas pyrolyysilaitteiston ja aktivointilaitteiston rakentamiseen sekä hiilestyksen ja aktivoinnin kannalta keskeisimpien muuttujien tutkimiseen. Prosessimuuttujien vaikutusten tarkastelussa ja optimoinnissa hyödynnettiin koesuunnitteluohjelmaa. Tulosten perusteella todettiin, että fysikaalisessa aktivoinnissa olennaisimmat muuttujat olivat lämpötila, pitoaika sekä höyrysyöttö. Tämän pohjalta esitettiin malli aktiivihiilen mikro- ja mesohuokoisuuden muokkaamiseksi ja saannon maksimoimiseksi. Tutkimuksen toisessa vaiheessa tutkittiin kemiallista aktivointia hyödyntämällä sinkkikloridia aktivointikemikaalina. Tavoitteena oli selvittää eri aktivointimuuttujien vaikutusta saantoon ja aktiivihiilen laatuun. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa tutkittiin valmistettujen aktiivihiilien käyttöä adsorbenttina. Erityisesti tutkittiin koivupurusta valmistetun aktiivihiilen soveltuvuutta väriaineiden, metallien ja anionien sidontaan. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena voitiin osoittaa merkittävä ero yksi- ja kaksivaiheisen hiilestyksen ja aktivoinnin välillä, ja ehdotettiin yksivaiheista prosessia hiililaadun optimoimiseksi. / Sommario La biomassa è il materiale rinnovabile più abbondante presente sulla Terra ed è stata intensamente usata e.g. nella produzione di energia. Recentemente sono state sviluppate nuove applicazioni per la biomassa, ad esempio come materiale di base per sintetizzare nuovi prodotti chimici. Lo scopo di questa ricerca è produrre carbone attivo (CA) attraverso attivazione fisica e chimica da materiali legnosi di scarto come segatura, cippato e torba. L’attivazione fisica e l’attivazione chimica, creano la porosità nel CA dopo la carbonizzazione. Il prodotto finale può essere usato in differenti applicazioni in base a diversi fattori tra cui la distribuzione della porosità e la tipologia dei gruppi funzionali presenti sulla superficie. La prima fase della ricerca è stata dedicata alla progettazione e installazione dell’hardware necessario per l’attivazione e nell’individuazione dei parametri di processo più importanti. I parametri di processo sono stati ottimizzati attraverso il design of experiments (DOE) e sono state considerate le differenti variabili che interagiscono nella formazione del CA. I risultati hanno mostrato che i parametri di processo più importanti che influiscono sulle caratteristiche del CA sono il tempo, la temperatura di attivazione e la quantità di vapore iniettato nel reattore. È stato proposto un modello per progettare CA microporoso o mesoporoso con massa finale massimizzata. La seconda parte della ricerca è stata incentrata sull’attivazione chimica con cloruro di zinco. Lo scopo é stato studiare l’effetto delle variabili di attivazione su massa finale e proprietà del carbone attivo. Infine, è stata studiato il CA come adsorbente. In particolare è stata considerata l’applicabilità del CA da segatura di betulla per la rimozione di coloranti, zinco metallico, ioni di nitrato, fosfato e solfato. In base a questi risultati, una differenza é stata evidenziata tra il processo di carbonizzazione e attivazione a uno o due stadi, ed il processo a singolo stadio è stato proposto per massimizzare la qualità del CA.

Abstract About 4 Mt of ladle slag is generated in steelmaking processes in Europe per year, a large proportion of which (80%) is placed in landfills or stored. This pattern is expected to continue without further research for their valorisation due to increasing demand for quality steel products worldwide. Ladle slag (LS) produced in Finland possesses large amounts of calcium and aluminium and mineralogical phases which can exhibit cementitious capabilities and can be utilized in applications where expensive commercial cements are currently being used. The aim of this thesis is to investigate the properties of ladle slag in different activation pathways, including alkali activation and use as a hydraulic binder with gypsum. The results showed that ladle slag can be used alone as a precursor in alkali activation or as the sole binder or a co-binder with gypsum in hydraulic binding. Depending on the activation pathway, compressive strength between 35–92 MPa can be achieved after 28 days. The reaction properties of alkali activated ladle slag are characterized, and it is confirmed through X-ray diffraction (XRD) that the reaction product after alkali activation is mainly an x-ray amorphous (calcium aluminate silicate hydrate-like) phase. Characterization techniques (SEM, XRD, TGA and NMR) used to analyze the LS paste binder with just water showed the hydration products of ladle slag to be dicalcium aluminate octahydrate (C₂AH₈), tricalcium aluminate hexahydrate (C₃AH₆), gibbsite (AH₃) and stratlingite (C₂ASH₈) was also identified after a prolonged period of hydration. Furthermore, it was found that to minimize the conversion, the ideal water-to-binder ratio is 0.35. The conversion mechanism is reduced at this ratio and the strength is slightly affected. Another pathway that can be used to annul the conversion of calcium aluminate hydrates formed in LS paste is through the addition of gypsum to the LS paste system to produce an ettringite-rich binder (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). When ettringite is formed in place of calcium aluminate hydrates the strength increases, frost resistance is improved, and drying shrinkage is enhanced. Lastly, a potential application of ladle slag as a refractory material was also investigated. / Tiivistelmä Euroopassa syntyy vuosittain noin 4 Mt terästeollisuden sivutuotetta, JV-kuonaa, josta 80 % läjitetään tai kaatopaikoitetaan. Maailmanlaajuisesti syntyvän kuonan määrä tulee todennäköisesti kasvamaan laadukkaiden terästuotteiden ennustetun kysynnän kanssa. Tämän vuoksi kuonalle tulisi löytää hyötökäyttökohde, jota vältyttäisiin läjitykseltä. JV-kuona sisältääkin suuria määriä kalsiumia ja alumiinia sekä mineralogisia faaseja, joilla on sementtimäisiä ominaisuuksia. Näin kuonaa voitaisiin käyttää sovelluksissa, joissa tällä hetkellä käytetään kalliita kaupallisia sementtejä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia JV-kuonan ominaisuuksia sementtimäisenä sideaineena alkali-aktivoinnissa sekä hydraulisena sideaineena yksinään että kipsin kanssa sekoitettuna. Väitöskirjan tulokset osoittivat, että JV-kuonaa voidaan käyttää prekursorina alkali-aktivoinnissa tai hydraulisena sideaineena pelkästään veden kanssa tai yhdessä kipsin ja veden kanssa. Saavutetut puristuslujuuset vaihtelivat 35 ja 92 MPa:n välillä, jotka vastaavat normaalin ja erityislujan betonin lujuuksia. JV-kuonan reaktiotuotteet alkali-aktivonnin jälkeen analysoitiin XRD- ja FTIR-analyyseillä. Tuloksista nähtiin, että alkali-aktivoinnin jälkeen reaktiotuote on sementin kaltainen kalsium-aluminatti-silikaati-hydraati (C-A-S-H) -tyyppinen faasi. XRD-, SEM-, TGA- ja NMR-analyysit osoittivat JV-kuonan hydrataatiotuotteiden olevan erilaisia kalsium-aluminaattihydraatteja (C₂AH₈, C₃AH₆, AH₃ ja C₂ASH₈). Tämän vuoksi työssä tutkittiin eri vesi–kuona-suhteita, ja havaittiin, että kun käytetään alhaista kuona-vesi –suhdetta (0,35), reaktiotuoteiden muutos vähenee ja lujuus paranee. Toinen tapa, jolla voidaan estää reaktiotuotteiden muuttuminen, on kipsin lisäys: lisäämällä kipsiä tuotetaan runsaasti ettringiittiä (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). Kun ettringiittiä muodostuu kalsium-aluminaattihydraattien sijaan, lujuus kasvaa, pakkaskestävyys paranee ja kuivumiskutistuma paranee. Väitöskirjan viimeisessä osiossa tutkittiin JV-kuonan mahdollista käyttöä tulenkestävänä materiaalina ja huomattiin, että sen tulenkestävyysominaisuudet vaihtelevat käytetyn aktivointityypin mukaan.

Abstract Millions of tons of mine tailings are generated worldwide annually. Since many valuable metals such as Ag, Cu, Pb, Zn, Au and Ni are usually incorporated into sulphidic minerals, a large proportion of the tailings generated contain high amounts of sulphates and heavy metals. Some of these tailings are used as paste backfill material at mining sites, but large amounts are still being deposited into the tailings dams under water coverage. Sulphidic minerals are stable underground but after mining of the ore and several processing steps these minerals can be oxidized when they come into contact with water and air. This oxidation generates acid and thus reduces the pH of the surrounding environment. Furthermore, the heavy metals present in the mine tailings can be leached into the environment. This phenomenon, called Acid Mine Drainage (AMD), is one of the most critical environmental issues related to the management of sulphidic-rich tailings. Since AMD generation can still occur hundreds of years after closure of the mine, the mine tailings need stable, sustainable and economically viable management methods in order to prevent AMD production in the long term. The aim of this PhD thesis was to study various solidification/stabilization (S/S) methods for the immobilization of sulphidic mine tailings. The main focus was to develop a suitable chemical environment for achieving effective heavy metal (mainly arsenic) and sulphate immobilization while simultaneously ensuring good mechanical properties. Three treatment methods were tested: alkali activation, stabilization using hydrated lime (Ca(OH)2) and blast furnace slag (GBFS), and calcium sulphoaluminate-belite (CSAB) cement stabilization. The mine tailings used in this study contained large amounts of sulphates and heavy metals such as Cr, Cu, Ni, Mn, Zn, V and As. The leaching of arsenic and sulphates from powdered tailings exceeded the legal limits for regular and inert waste. All treatment methods were found to generate a hardened matrix that was suitable for use as a backfilling or construction material, but the calcium-based binding system was the most suitable for effective immobilization of all the heavy metals (including arsenic) and the sulphates. Precipitation in the form of calcium sulphates/calcium arsenate and the formation of ettringite are the main stabilization methods employed in calcium-based stabilization/solidification (S/S) systems. Some evidence of physical encapsulation occurring simultaneously with chemical stabilization was noted. These results can be exploited further to develop more sustainable mine tailing management systems for use in the future. The tailings could be stored in a dry landfill area instead of in tailing dams, and in this way a long-term decrease in AMD generation could be achieved, together with a high potential for recycling. / Tiivistelmä Monet arvometallit kuten kulta, kupari ja nikkeli ovat sitoutuneena sulfidipitoisiin mineraaleihin. Louhittaessa ja rikastettaessa näitä sulfidimineraaleja syntyy miljoonia tonneja sulfidipitoisia rikastushiekkoja vuosittain. Rikastushiekat voivat sisältää myös runsaasti erilaisia raskasmetalleja. Osa rikastushiekoista hyödynnetään kaivostäytössä, mutta suurin osa rikastushiekoista läjitetään edelleen ympäristöön rikastushiekka-altaisiin veden alle. Kun sulfidipitoinen malmi kaivetaan ja käsitellään, sulfidiset mineraalit hapettuvat ollessaan kosketuksissa veden ja hapen kanssa. Hapettuessaan ne muodostavat rikkihappoa, laskien ympäristön pH:ta jolloin useimmat raskasmetallit liukenevat ympäristöön. Muodostuvia happamia kaivosvesiä voi syntyä vielä pitkään kaivoksen sulkemisen jälkeen ja ovat näin ollen yksi suurimmista kaivosteollisuuteen liittyvistä ympäristöongelmista. Lisäksi suuret rikastushiekka-altaat voivat aiheuttaa vaaraa myös ihmisille, mikäli altaan rakenteet pettävät. Rikastushiekkojen kestäviä ja ympäristöystävällisiä varastointimenetelmiä täytyy kehittää, jotta näitä ongelmia voidaan tulevaisuudessa ehkäistä. Tässä työssä tutkittiin menetelmiä, joilla kultakaivoksella syntyvät sulfidipitoiset vaaralliseksi jätteeksi luokitellut rikastushiekat saataisiin stabiloitua tehokkaasti. Työssä keskityttiin kolmeen erilaiseen menetelmään: alkali-aktivointiin, stabilointiin kalsiumhydroksidin ja masuunikuonan avulla ja stabilointiin CSAB sementin avulla. Valmistettujen materiaalien mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia arvioitiin. Tavoitteena oli ymmärtää, miten eri menetelmät soveltuvat raskasmetallien (erityisesti arseenin) ja sulfaattien sitoutumiseen ja mikä on eri komponenttien rooli reaktioissa. Alkali-aktivoimalla rikastushiekkaa sopivan sidosaineen kanssa saavutettiin hyvät mekaaniset ominaisuudet ja useimmat haitta-aineet sitoutuivat materiaaliin. Ongelmia aiheuttivat edelleen sulfaatit ja arseeni. Kalsiumpohjaiset menetelmät sitoivat raskasmetallit (myös arseenin) ja sulfaatit tehokkaimmin. Sulfaatit ja arseeni saostuivat muodostaen niukkaliukoisia komponentteja kalsiumin kanssa. Samanaikaisesti rakenteeseen muodostui ettringiittiä, jolla on tutkitusti hyvä kyky sitoa erilaisia raskasmetalleja rakenteeseensa. Raskasmetallit myös kapseloituivat rakenteen sisään. Työn tuloksia voidaan hyödyntää, kehitettäessä rikastushiekkojen turvallista varastointia. Kun materiaalille saavutetaan riittävän hyvä lujuus ja kemiallinen stabiilius, rikastushiekat voitaisiin läjittää tulevaisuudessa kuivalle maalle altaan sijaan. Näin vältyttäisiin rikastushiekka-altaiden rakentamiselta ja voitaisiin vähentää happamien kaivosvesien muodostumista pitkällä ajanjaksolla. Saavutettujen tulosten perusteella rikastushiekkoja voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää myös erilaisissa betonin tapaisissa rakennusmateriaaleissa.

Abstract Gasification is an energy conversion method for the utilisation of biomass for obtaining energy (heat and power). In the gasification process carbon residue is formed as a waste. For improving the cost-effectiveness of the gasification process the utilisation of this waste is important and the present legislation also creates requirements for the utilisation of waste material. Activated carbon is typically used for purification of water, for example, wastewaters as well as gaseous emissions. Consequently, commercial activated carbon is fairly expensive and its preparation is energy consuming. However, this inhibits sometimes its widespread use in wastewater treatment and therefore there is a need to develop cost-effective adsorbents from alternative biomass-based low-cost raw materials to remove harmful substances from aqueous solutions. The first aim of this thesis was to determine physical and chemical properties of carbon residues from wood gasification, and fly ashes from burning processes were used as reference samples. The properties are essential to known when evaluating the potential utilisation applications for unknown carbon residue samples. Properties of carbon residue indicate that it would be suitable adsorbent due to the high carbon content but its activation or modification is needed. The second aim was to modify this industrial carbonaceous by-product by physical and chemical activation and chemical modification methods to maximise the adsorption capacity of material. Based on our results, adsorption properties can be enhanced by using zinc chloride as a chemical activating agent, carbon dioxide as a physical activating agent and ferric chloride in the chemical modification and adsorbents with specific surface areas 285, 590 and 52 m2 g-1 were produced, respectively. The third aim was to test produced adsorbents to anions removal. Chemically activated carbon residue removes phosphate well and physically activated carbon residue removes phosphates and nitrates. Chemically modified carbon residue was observed to be suitable sorbent for sulphate removal. Optimal initial pH and concentration were determined and effect of time was studied and kinetic calculations and isotherm analysis was done for studied adsorbents. / Tiivistelmä Kaasutus on tehokas tapa hyödyntää biomassaa sähkön- ja lämmöntuotannossa. Kaasutuksessa muodostuu jätteenä hiilijäännöstä, jonka hyödyntäminen on tärkeää kaasutusprosessin kustannustehokkuuden parantamiseksi. Myös nykyinen lainsäädäntö asettaa vaatimuksia jätemateriaalien hyödyntämiselle. Aktiivihiiltä on tyypillisesti käytetty mm. jäteveden sekä kaasujen puhdistukseen. Aktiivihiili on kuitenkin kallista ja sen valmistaminen on energiaa kuluttava prosessi, mikä rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi tarvitaan uutta tietoa myös kustannustehokkaampien adsorbenttien valmistamiseen soveltuvista vaihtoehtoisista biomassapohjaisista raaka-aineista. Tutkimuksen tavoitteena oli aluksi määrittää puun kaasutuksessa muodostuneen hiilijäännöksen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joiden tunteminen on tärkeää arvioitaessa soveltuvia hyödyntämiskohteita kyseiselle tuntemattomalle jätemateriaalille. Referenssinäytteinä käytettiin polttolaitoksilla muodostunutta lentotuhkaa. Hiilijäännöksen ominaisuuksien perusteella se voisi olla soveltuva adsorbentti, mutta aktivointi tai modifiointi on välttämätöntä hiilijäännöksen adsorptiokapasiteetin parantamiseksi. Työn toinen tavoite oli parantaa hiilijäännöksen adsorptio-ominaisuuksia fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoimalla tai kemiallisesti modifioimalla. Tulosten perusteella adsorptio-ominaisuuksia voidaan parantaa parhaiten käyttämällä sinkkikloridia kemiallisessa aktivoinnissa, hiilidioksidia fysikaalisessa aktivoinnissa ja rautakloridia kemiallisessa modifioinnissa, jolloin valmistettujen adsorbenttien ominaispinta-alat olivat 285, 590 ja 52 m2 g-1. Työn kolmas tavoite oli tutkia valmistettujen adsorbenttien adsorptiokykyä anionien poistossa laboratoriomittakaavassa. Kemiallisesti aktivoitu hiilijäännös poistaa tehokkaasti fosfaattia, fysikaalisesti aktivoitu fosfaattia ja nitraattia ja kemiallisesti modifioitu hiilijäännös on hyvä sorbentti sulfaatinpoistossa. Adsorptiokokeissa määritettiin optimaalinen alku pH ja alkukonsentraatio ja lisäksi tutkittiin ajan vaikutusta adsorptioon. Tulosten perusteella tehtiin kinetiikkamallinnusta sekä isotermianalyysi.

Abstract Pollutant (such as metals and sulphate) contamination exists in the wastewaters of many industries, including mining operations, metal plating facilities, and tanneries. Adsorption is one of the most commonly used processes for the removal of pollutants from waters and wastewaters due to its high efficiency and simple operation. Activated carbon is the most frequently used adsorbent material, although its high cost inhibits its widespread use in wastewater treatment. Therefore, there is a need to develop other adsorbents from alternative inexpensive raw materials such as locally available industrial and mineral waste and by-products. The aim of this thesis was to study the possibility of using industrial waste materials such as carbon residue, metakaolin, blast-furnace slag and analcime as an inexpensive sorbent for iron, copper, nickel, arsenic, antimony and sulphate removal from aqueous solutions. To enhance their adsorption capacity, different chemical treatments (i.e. activation, modification, geopolymerisation) were performed. As a result, the level of removal of iron, copper and nickel by carbon residue and zinc chloride activated carbon residue was higher than that by the commercial activated carbon. Iron chloride modified carbon residue was the most effective sorbent material for sulphate removal when compared to the other studied chemically modified/activated carbon residues. Blast-furnace slag and metakaolin geopolymers as well as their raw materials, were examined for the simultaneous removal of nickel, arsenic and antimony from the spiked mine effluent. In the case of blast-furnace slag, geopolymerisation clearly increased the efficiency of nickel, arsenic and antimony removal to a beneficial level. The barium chloride modified blast-furnace-slag geopolymer was a very efficient sorbent material for sulphate removal and it could thus be a technically feasible sulphate sorbent for wastewater treatment (e.g. in the mining industry in applications in which very low sulphate levels are desired). Barium chloride modified acid washed analcime could also be a potential sorbent for sulphate removal. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet kuten kaivosvedet ja metalliteollisuuden prosessien jätevedet voivat sisältää monenlaisia haitallisia ja jopa myrkyllisiä aineita kuten metalleja ja sulfaattia. Adsorptiota käytetään yleisesti esimerkiksi metallien ja orgaanisten yhdisteiden poistossa vesiliuoksista, koska se on tehokas ja yksinkertainen menetelmä. Aktiivihiili on yleisimmin käytetty adsorbenttimateriaali vedenpuhdituksessa, mutta sen hinta joissain tapauksissa rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi on tarvetta kehittää vaihtoehtoisia adsorbenttimateriaaleja edullisista raaka-aineista. Viime vuosien aikana on raportoitu mm. teollisuus- ja mineraalijätteistä, joita voidaan hyödyntää vesien ja jätevesien puhdistuksessa. Tämän työn tavoitteena oli hyödyntää teollisuudesta muodostuvia jätemateriaaleja (hiilijäännös, metakaoliini, masuunikuona ja analsiimi) raudan, kuparin, nikkelin, arseenin, antimonin tai sulfaatin poistossa malli- ja jätevesistä. Materiaaleja käsiteltiin erilaisilla kemikaaleilla (aktivointi, modifiointi tai geopolymerointi), jotta niiden adsorptiotehokkuudet paranisivivat poistettavia aineita kohtaan. Tulokset osoittivat, että raudan, kuparin ja nikkelin poisto oli sekä käsittelemättömällä että sinkkikloridilla aktivoidulla hiilijäännöksellä korkeampi kuin kaupallisella aktiivihiilellä. Arseenin, nikkelin ja antimonin poistoa kaivosvedestä tutkittiin masuunikuona- ja metakaoliinigeopolymeereillä, joista masuunikuonageopolymeeri osoittautui tehokkaimmaksi metallien poistajaksi. Bariumkloridilla modifioitu masuunikuonageopolymeeri puolestaan poisti erittäin tehokkaasti sulfaattia kaivoksen jätevedestä. Rautakloridilla modifioitu hiilijäännös ja happopesty bariumkloridilla modifioitu analsiimi osoittatuivat myös lupaavaksi materiaaliksi sulfaatin poistossa.

Abstract The subject of the thesis was to analyze by an engineering approach the global CO₂ balance and CO₂ utilisation. The aim was to apply methods and knowledge used in engineering sciences to describe the global CO₂ balance and the role of CO₂ in anthropogenic utilisation applications. Moreover barriers restricting commercialisation of new applications are discussed. These subjects were studied by literature reviews and calculations based on thermodynamics models. Engineering methods have shown to be applicable to describe the global balance of CO₂ and to define by a numerical way the Earth’s system carrying capacity. Direct and indirect actions, which mitigate the overload situation, were derived from the results. To screen out the attractive CO₂ properties in utilisation applications a mapping analysis was carried out. Properties, which enhance mass and heat transfer, are one of the most meaningful characteristics from the chemical engineering point of view. Attractive properties are often achieved at the supercritical state. Engineering thermodynamic methods were used in fluid phase determination of the case studies. Even simple methods are sufficient to advice experimental research work. The thermodynamic knowledge is the basement in creation of industrial scale chemical processes. If detailed information on system properties is needed, a model development due to the special requirements of high pressure systems and CO₂ features is required. This knowledge covers property information from all the components involved in chemical reactions. In addition to engineering knowledge successful technology transfer requires positive social structure as well. Finally, if the humankind is willing to mimic Nature and use light of the Sun as an energy source in engineering systems, development of thermodynamic methods is required also in this area. Especially the work terms, originally defined in classical mechanical thermodynamics and afterwards formulised also in other parts of the engineering fields, play a key role. If this development work is successful, we may see the shift from thermodynamics approach to ‘photodynamics’. Mitigation of global warming is a problem, which needs several kinds of activities. As a result of this study, there are listed a few engineering actions, which have a possibility to contribute to the work towards the carbon neutral society. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä sovelletaan insinööritieteissä käytettyjä metodeja ja tietämystä määriteltäessä ilmakehän CO₂-tase sekä antropogeenisten hyötykäyttökohteiden merkitys teollisissa prosesseissa ja globaaleissa CO₂-virroissa. Lisäksi pohditaan uusien CO₂-hyötykäyttösovellusten kaupallistamiseen liittyviä rajoitteita. Näitä aiheita on tutkittu käymällä läpi tieteellistä kirjallisuutta ja tekemällä laskelmia. Insinööritieteistä tutun taselaskennan avulla tarkastellaan ilmakehän CO₂-virtoja. Sen pohjalta määritetään numeerisesti maapallon CO₂-kantokyky. Tuloksista johdetaan suoria ja epäsuoria toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla voidaan lieventää ilmakehän CO₂-ylikuormaa. Kartoitusmenetelmän avulla selvitetään hyötykäytön kannalta edulliset CO₂:n aineominaisuudet. Kemiantekniikan näkökulmasta ominaisuudet, jotka parantavat aineen- ja lämmönsiirtoa, ovat kiinnostavimpia. Nämä ominaisuudet tulevat esille silloin, kun fluidi on ylikriittisessä olomuodossa. Termodynaamisia laskentamenetelmiä sovelletaan esimerkkiseosten olomuodon eli faasin määrityksessä. Tulokset osoittavat, että jopa verraten yksinkertaiset menetelmät antavat tietoja, jotka auttavat ymmärtämään laboratoriokokeiden faasikäyttäytymistä. Teollisen mittakaavan kemiallisten prosessien kehityksessä ja suunnittelussa termodynamiikan hallitseminen on keskeinen edellytys. Jos CO₂:n kiinnostavia ominaisuuksia toivotaan hyödynnettävän teollisesti, korkeapaineisten systeemien termodynaamisen teorian hallinta sekä aineominaisuuksien määrittäminen kaikille systeemiin osallistuville komponenteille ja niiden seoksille nousee merkittävään asemaan. Läpikotainen teorian ja teknisten perusteiden hallitseminen ei vielä takaa menestyksellistä teknologiansiirtoa pienestä suureen mittakaavaan. Lisäksi tarvitaan myönteinen ja kannustava yhteiskuntajärjestelmä. Mikäli tavoitellaan vielä rohkeampaa kehitysnäkymää, tilannetta, jossa luonnon tavoin CO₂-prosessien energianlähteenä käytettäisiin auringonvaloa, havaitaan, että tämäkin askel edellyttäisi termodynaamista menetelmäkehitystä. Keskeinen termodynaaminen konsepti on työ. Työ siirtää energiaa ympäristön ja systeemin välillä. Tämä on määritelty jo klassisessa mekaniikassa; kappaleen siirto tietystä paikasta toiseen. Kemiantekniikassa työlle on kehitetty käyttökelpoisia kaavoja paine–tilavuus–lämpötila-systeemeihin. Mikäli työn elementit kyettäisiin määrittelemään auringonvalon fotoenergialle, avaisi se uusia näkymiä reaktiokemiaan. Silloin termodynamiikan sijaan voitaisiin ehkä mieluummin puhua 'photodynamiikasta'. Ilmaston lämpeneminen on ongelma, jonka lieventämiseen tarvitaan useanlaisia toimia. Etsittäessä tietä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa, insinöörit voivat avustaa suunnan löytämisessä hyödyntämällä tieteenalallaan käytettyjä metodeja ja teorioita sekä tarpeen vaatiessa kehittää niitä edelleen uusille alueille.