Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.

Gold recovery from cyanideand chloride solution using activated carbon

Uusia keinoja kullan erottamiseksi malmista on etsitty viimeaikoina taloudellisista ja ympäristöllisistä syistä kautta maailman. Syanidointimenetelmä on hallinnut kullan talteenottoayli sata vuotta. Menetelmässä kulta liuotetaan laimeaan syanidiliuokseen, jostase otetaan talteen aktiivihiilen avulla. Syanidin käyttöä pyritään kuitenkin vähentämään sen myrkyllisyyden takia. Lisäksi nykyään louhitaan enenemässä määrin malmia, josta on hankala rikastaa kulta kustannustehokkaasti syanidia käyttäen. Kullan talteenottoa syanidi- ja kloridiliuoksesta on selvitetty kirjallisuuden avulla. Kullan kemiaan liuotuksen aikana on perehdytty ennen kullan talteenottoa aktiivihiilellä. Aktiivihiilen elinkaari kullan adsorbenttinaon käsitelty valmistuksesta hylkäämiseen mukaan lukien hiilen myrkyttyminen prosessissa ja regenerointi. Aktiivi-hiilen käyttäytyminen syanidi- ja kloridiliuoksessa on selvitetty erikseen. Kullan talteenottoa kuparipitoisista malmeista on käsitelty. Kullan talteenottoa kloridiliuoksesta aktiivihiiltä käyttäen on tutkittu kokeellisesti. Pääasialliset tutkimuskohteet ovat adsorption kinetiikka, kuparin vaikutus adsorptioon, aktiivihiilen vaikutus adsorptioonja adsorboituneiden metallien strippaus hiilestä selektiivisesti. Hapettavan stippauksen vaikutus kullan desorptioon hiilestä on tutkittu yksityiskohtaisesti. Kullan erotusmenetelmät kuparimalmista aktiivihiiltä käyttäen on selvitetty diplomityön tulosten pohjalta. Diplomityön keskeisten tulosten perusteella kulta ei välttämättä saostu aktiivihiilen pinnalle kloridiliuoksesta. Havainto varmistettiin ladattujen hiilipartikkelien pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista ja partikkeleille tehdyistä mikroanalyyseistä. Kullan pelkistyminen metalliseksi kullaksi aktiivihiilessä voitaneen välttää käyttämällä erittäin hapettavia olosuhteita. Aktiivihiili ilmeisesti hapettuu näissä olosuhteissa, mikä mahdollistaa kultakloridin adsorboitumisen hiileen.

Arvometallien selektiivinen erottaminen kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin jalometallien selektiivistä erottamista kloridiliuoksista synteettisten polymeerihartsien avulla. Laboratoriokokeissa keskityttiin tutkimaan kullan erottamista hydrofiilisen polymetakrylaattipohjaisen adsorbentin avulla. Lähtökohtana oli platinarikaste, joka sisälsi kullan lisäksi platinaa, palladiumia, hopeaa, kuparia, rautaa, vismuttia, seleeniä ja telluuria. Mittauksissa tutkittiin eri metallien ja puolimetallien adsorptiota hartsiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Työssä käytettiin myös adsorption simulointiin monikomponenttierotuksen dynaamiseen mallintamiseen tarkoitettua tietokoneohjelmaa, johon tarvittavat parametrit estimoitiin kokeellisen datan avulla. Tasapainokokeet yhtä metallia sisältäneistä liuoksista osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti kultaa kaikissa tutkituissa suolahappopitoisuuksissa (1-6 M). Kulta muodostaa hartsiin hyvin adsorboituvia tetrakloroauraatti(III)ioneja, [AuCl4]-, jotka ovat erittäin stabiileja pieniin kloridipitoisuuksiin saakka. Suolahappopitoisuudella oli merkitystä ainoastaan raudan adsorptioon, joka kasvoi huomattavasti suolahappopitoisuuden noustessa johtuen raudan taipumuksesta muodostaa hyvin adsorboituvia [FeCl4]--ioneja väkevissä suolahappopitoisuuksissa. Muiden tutkittujen alkuaineiden adsorptiot jäivät alhaisiksi kaikilla suolahappopitoisuuksilla. Rikasteliuoksella tehdyt tasapainokokeet osoittivat, että adsorptiokapasiteetti kullalle riippuu voimakkaasti muista läsnäolevista komponenteista. Kilpaileva adsorptio kuvattiin Langmuir-Freundlich-isotermillä. Kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kullan lisäksi hieman myös rautaa ja telluuria, jotka saatiin kuitenkin eluoitua hartsista täysin 5 M suolahappopesulla ja sitä seuraavalla 1 M suolahappopesulla. Tehokkaaksi liuokseksi kullan desorboimiseen osoittautui asetonin ja 1 M suolahapon seos. Kolonnierotuksen eri vaiheet pystyttiin tyydyttävästi kuvaamaan simulointimallilla.

Separation of ammonia and carbon dioxide by adsorption

Tässä työssä on tutkittu ammoniakin ja hiilidioksidin erottamista adsorptio prosessilla ja suunniteltiin paineen muunteluun perustuvan adsorptioprosessin (PSA) käyttöä. Työn tarkoituksena oli laskea adsorptioon perustuvan prosessin kannattavuus melamiinitehtaan poistokaasujen erotuksessa. Tätä varten työssä suunniteltiin tehdasmitta-kaavainen prosessi ja arvioitiin sen kannattavuus. Työssä mitattiin adsorptiotasapainot, joiden perusteella sovitettiin sopiva kokeellinen adsorptioisotermi. Adsorptioisotermi lisättiin simulointiohjelmaan, jonka avulla suunniteltiin kaksi vaihtoehtoista pilot laitteistoa kaasujen erottamiseksi. Toisella pilot laitteistolla saadaan mitattua vain läpäisykäyrät, mutta paremmalla versiolla saadaan myös tietoa erotettujen komponenttien puhtaudesta. Suunnittelun tärkeimpiä lähtökohtia on molempien komponenttien mahdollisimman korkea puhtaus ja talteenottoaste. Täysimittakaavainen tehdas suunniteltiin simulointiohjelmiston avulla kahdelle eri kapasiteetille ja arvioitiin niiden kustannukset ja kannattavuus. Adsorptioprosessit osoittautuivat kannattaviksi kaasuseoksen erottamisessa kummassakin tapauksessa

Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä. Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon. Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

Study of mesoscopic tunnel junctions between two normal metals

The main purpose of this work was to study different kinds of metal-based tunnel junctions at low temperatures. The problem which had to be solved was creating a junction with appropriate properties at these temperatures. The materials for junctions were found experimentally. The goal was to find an alloy material that can provide a high quality tunnel junction, which remains in the normal conductive state at low temperatures without applying magnetic field. The fabrication technology of such a device, based on an alloy of aluminium and manganese, is described in detail. In this thesis theoretical properties of tunnel junctions are considered and results of experiments with tunnel junctions are described and quantitative properties of the junctions are analyzed based on the experimental data.

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Jatkuvatoiminen ioninvaihto ja kompleksoituvien metallien sorptio kloridiympäristössä

Työn tarkoituksena oli tutkia kompleksoituvien metallien erotusta kloridiliuoksesta ioninvaihdolla. Kirjallisessa osassa perehdyttiin metallikompleksien muodostumiseen, ja erityisesti hopean, kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin muodostamiin komplekseihin kloridin ja nitraatin kanssa. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös metallien erottamista kiintopetikolonneissa jatkuvatoimisilla ioninvaihtomenetelmillä. Tässä työssä jatkuvatoimisen ioninvaihdon prosessivaihtoehdot jaoteltiin pyöriviin ja paikallaan pysyviin kolonneihin, sekä tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtoja kolonnien kytkentöjen suhteen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenarvoisten metallien erottamista yhdenarvoisista metalleista sekä luotiin koedataa vastaavanlaisen erotusprosessin simulointiin. Kokeissa käytettiin anioninvaihtohartsia ja kelatoivaa selektiivistä ioninvaihtohartsia. Kahdenarvoisen kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin adsorptiota hartseihin tutkittiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Anioninvaihtohartsilla tehtyjen tasapaino- ja kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti sinkkiä kloridiliuoksista, koska sinkki muodostaa stabiileja anionisia klorokomplekseja. Muiden tutkittujen kahdenarvoisten metallien adsorptio hartsiin oli huomattavasti vähäisempää. Tulosten perusteella tutkittu anioninvaihtohartsi on hyvä vaihtoehto sinkin erottamiseen muista tutkituista kahdenarvoisista metalleista kloridiympäristössä. Kelatoivalla hartsilla tehdyt tasapaino- ja kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kloridiliuoksista hyvin kahdenarvoista kalsiumia, magnesiumia, lyijyä ja sinkkiä, mutta ei adsorboi yhdenarvoista hopeaa. Tulosten perusteella kahdenarvoisten metallien erottaminen yhdenarvoisista metalleista voidaan toteuttaa kokeissa käytetyllä kelatoivalla ioninvaihtohartsilla.

Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

Atomic level phenomena on transition metal surfaces

In this study we discuss the atomic level phenomena on transition metal surfaces. Transition metals are widely used as catalysts in industry. Therefore, reactions occuring on transition metal surfaces have large industrial intrest. This study addresses problems in very small size and time scales, which is an important part in the overall understanding of these phenomena. The publications of this study can be roughly divided into two categories: The adsorption of an O2 molecule to a surface, and surface structures of preadsorbed atoms. These two categories complement each other, because in the realistic case there are always some preadsorbed atoms at the catalytically active surfaces. However, all transition metals have an active d-band, and this study is also a study of the in uence of the active d-band on other atoms. At the rst part of this study we discuss the adsorption and dissociation of an O2 molecule on a clean stepped palladium surface and a smooth palladium surface precovered with sulphur and oxygen atoms. We show how the reactivity of the surface against the oxygen molecule varies due to the geometry of the surface and preadsorbed atoms. We also show how the molecular orbitals of the oxygen molecule evolve when it approaches the di erent sites on the surface. In the second part we discuss the surface structures of transition metal surfaces. We study the structures that are intresting on account of the Rashba e ect and charge density waves. We also study the adsorption of suphur on a gold surface, and surface structures of it. In this study we use ab-initio based density functional theory methods to simulate the results. We also compare the results of our methods to the results obtained with the Low-Energy-Electron-Difraction method.

Kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistäminen biojalostamon erotusprosesseissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistämistä biojalostamon erotusprosesseissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien erottamista puusta, kalvosuodatusta hemiselluloosien käsittelyssä sekä hemiselluloosien pilkkomista sokereiksi ja sokereiden kromatografista erotusta. Kokeellisessa osassa tutkittiin hemiselluloosahydrolysaatin fraktioimista kalvosuodatuksella ja adsorbenttikäsittelyn vaikutusta hydrolysaatin suodatettavuuteen. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös fraktioinnin vaikutusta hartsien likaantumiseen happohydrolyysin jälkeisessä kromatografisessa erotuksessa. Työssä kokeiltiin useita erilaisia kalvoja, mutta suurin osa suodatuksista tehtiin regeneroidusta selluloosasta valmistetulla kalvolla UC030 ja polyeetterisulfoni kalvolla UFX5. Esikäsittelyyn käytettiin XAD16 adsorbenttia ja hartsien likaantumista tutkittiin CS12GC Na+ hartsilla. Suodatuskokeet tehtiin sekä laboratoriomittakaavan Amicon-suodattimella että pilot-mittakaavan CR- suodattimella. Työn tulokset osoittivat, että konsentroituneen hemiselluloosafraktion tuottaminen tehokkaasti ei onnistu kalvosuodatuksella ilman esikäsittelyä. Kalvon likaantumisen vuoksi permeaattivuo laski hyvin nopeasti niin alhaiseksi, ettei suodatuksen jatkaminen olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolysaatin esikäsittely XAD16 adsorbentillä poisti tehokkaasti kalvoja likaavia uuteaineita ja ligniiniä. Adsorbenttikäsittelyn jälkeen hydrolysaatin suodattaminen onnistui ilman permeaattivuon huomattavaa alenemista toisessa suodatusvaiheessa ja saatiin aikaiseksi hyvin konsentroitunut hemiselluloosafraktio.

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.