Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

Freezing Point Depressions of Dilute Solutions of Alkali Metal Chlorides and Bromides

Freezing point depressions (¿Tf) of dilute solutions of several alkali metal chlorides and bromides were calculated by means of the best activity coefficient equations. In the calculations, Hückel, Hamer and Pitzer equationswere used for activity coefficients. The experimental ¿Tf values available in the literature for dilute LiCl, NaCl and KBr solutions can be predicted within experimental error by the Hückel equations used. The experimental ¿Tf values for dilute LiCl and KBr solutions can also be accurately calculated by corresponding Pitzer equations and those for dilute NaCl solutions by the Hamer equation for this salt. Neither Hamer nor Pitzer equations predict accurately the freezing points reported in the literature for LiBr and NaBr solutions. The ¿Tf values available for dilute solutions of RbCl, CsCl or CsBr are not known at the moment accurately because the existing data for these solutions are not precise. The freezing point depressions are tabulated in the present study for LiCl, NaCl and KBr solutions at several rounded molalities. The ¿Tf values in this table can be highly recommended. The activity coefficient equations used in the calculation of these values have been tested with almost allhigh-precision electrochemical data measured at 298.15 K.

Control and Simulation of Batch Crystallization

Concerning process control of batch cooling crystallization the present work focused on the cooling profile and seeding technique. Secondly, the influence of additives on batch-wise precipitation process was investigated. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model for simulation of controlled batch cooling crystallization was developed. A novel cooling model to control supersaturation level during batch-wise cooling crystallization was introduced. The crystallization kinetics together with operating conditions, i.e. seed loading, cooling rate and batch time, were taken into account in the model. Especially, the supersaturation- and suspension density- dependent secondary nucleation was included in the model. The interaction between the operating conditions and their influence on the control target, i.e. the constant level of supersaturation, were studied with the aid of a numerical solution for the cooling model. Further, the batch cooling crystallization was simulated with the ideal mixing model and CFD model. The moment transformation of the population balance, together with the mass and heat balances, were solved numerically in the simulation. In order to clarify a relationship betweenthe operating conditions and product sizes, a system chart was developed for anideal mixing condition. The utilization of the system chart to determine the appropriate operating condition to meet a required product size was introduced. With CFD simulation, batch crystallization, operated following a specified coolingmode, was studied in the crystallizers having different geometries and scales. The introduced cooling model and simulation results were verified experimentallyfor potassium dihydrogen phosphate (KDP) and the novelties of the proposed control policies were demonstrated using potassium sulfate by comparing with the published results in the literature. The study on the batch-wise precipitation showed that immiscible additives could promote the agglomeration of a derivative of benzoic acid, which facilitated the filterability of the crystal product.

Potentiometric titration as a method of determining the stoichiometric dissociation constants of weak acids from the thermodynamic dissociation constants of aqueous solutions at 298.15 K

The simple single-ion activity coefficient equation originating from the Debye-Hückel theory was used to determine the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of weak acids from data concerning galvanic cells. Electromotive force data from galvanic cells without liquid junctions, which was obtained from literature, was studied in conjuction with the potentiometric titration data relating to aqueous solutions at 298.15 K. The dissociation constants of weak acids could be determined by the presented techniques and almost all the experimental data studied could be interpreted within the range of experimental error. Potentiometric titration has been used here and the calculation methods were developed to obtain the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of some weak acids in aqueous solutions at 298.15 K. The ionic strength of titrated solutions were adjusted using an inert electrolyte, namely, sodium or potassium chloride. Salt content alonedetermines the ionic strength. The ionic strength of the solutions studied varied from 0.059 mol kg-1 to 0.37 mol kg-1, and in some cases up to 1.0 mol kg-1. The following substances were investigated using potentiometric titration: aceticacid, propionic acid, L-aspartic acid, L-glutamic acid and bis(2,2-dimethyl-3-oxopropanol) amine.

Comprehensive Study of Crystal Growth from Solution

Crystal growth is an essential phase in crystallization kinetics. The rate of crystal growth provides significant information for the design and control of crystallization processes; nevertheless, obtaining accurate growth rate data is still challenging due to a number of factors that prevail in crystal growth. In industrial crystallization, crystals are generally grown from multi-componentand multi-particle solutions under complicated hydrodynamic conditions; thus, it is crucial to increase the general understanding of the growth kinetics in these systems. The aim of this work is to develop a model of the crystal growth rate from solution. An extensive literature review of crystal growth focuses on themodelling of growth kinetics and thermodynamics, and new measuring techniques that have been introduced in the field of crystallization. The growth of a singlecrystal is investigated in binary and ternary systems. The binary system consists of potassium dihydrogen phosphate (KDP, crystallizing solute) and water (solvent), and the ternary system includes KDP, water and an organic admixture. The studied admixtures, urea, ethanol and 1-propanol, are employed at relatively highconcentrations (of up to 5.0 molal). The influence of the admixtures on the solution thermodynamics is studied using the Pitzer activity coefficient model. Theprediction method of the ternary solubility in the studied systems is introduced and verified. The growth rate of the KDP (101) face in the studied systems aremeasured in the growth cell as a function of supersaturation, the admixture concentration, the solution velocity over a crystal and temperature. In addition, the surface morphology of the KDP (101) face is studied using ex situ atomic force microscopy (AFM). The crystal growth rate in the ternary systems is modelled on the basis of the two-step growth model that contains the Maxwell-Stefan (MS) equations and a surface-reaction model. This model is used together with measuredcrystal growth rate data to develop a new method for the evaluation of the model parameters. The validation of the model is justified with experiments. The crystal growth rate in an imperfectly mixed suspension crystallizer is investigatedusing computational fluid dynamics (CFD). A solid-liquid suspension flow that includes multi-sized particles is described by the multi-fluid model as well as by a standard k-epsilon turbulence model and an interface momentum transfer model. The local crystal growth rate is determined from calculated flow information in a diffusion-controlled crystal growth regime. The calculated results are evaluated experimentally.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Kemikaalitaseen hallinta sellutehtaassa

Kun sellun tuotantomäärä kasvaa, niin klooridioksidin kulutus valkaisussa kasvaa. Ja kun klooridioksidin tuotanto kasvaa, niin sivutuotteena syntyvän hapansuolan määrä kasvaa. Hapansuolaa lisätään kemikaalikiertoon niin paljon kuin mahdollista ilman, että valkolipeän sulfiditeetille määritetty yläraja 38 % ylittyy. Rikin ja natriumin suhde hapansuolassa on huomattavasti suurempi kuin valkolipeässä, joten hapansuolan talteenotto lisää kemikaalikierron rikkipitoisuutta, jolloin myös sulfiditeetti kasvaa. Ylimääräinen hapansuola poistetaan jätevedenpuhdistamolle. Työssä lasketaan eri osastoilla käytettävien kemikaalien koostumuksia ja tuotantomääristä johtuvia muutoksia kemikaalikierrossa, joiden avulla lasketaan mm. kemikaalikierron sallima hapansuolan talteenottomäärä. Lisäksi tutustutaan erilaisiin vaihtoehtoihin, joilla hapansuolan poistamista jätevedenpuhdistamolle voitaisiin pienentää. Simuloidun lokakuun 2002 tuotannosta saatavilla arvoilla saatiin laskennalliseksi hapansuolan poistomääräksi 2115 tonnia, kun muodostuva kokonaismäärä oli 2545 tonnia.

Sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja kalkkikierron aukaisu.

Työssä selvitettiin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron eräiden virtojen vierasainepitoisuudet. Tavoitteena oli myös laatia kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä arvioida kalkkikierron aukaisun vaikutusta kierron vierasainetasoihin. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu sulfaattisellutehtaan kemikaalikiertoa ja sen osaprosesseja. Kirjallisuusosassa on keskitytty tarkastelemaan eri vierasaineiden käyttäytymistä kemikaalikierrossa. Lisäksi kalkkikierron prosesseja sekä kalkkikierron taselaskentaa on tarkasteltu. Kokeellisessa osassa määritettiin Metsä-Botnia Oy:n Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja verrattiin niitä muiden tehtaiden vierasainetasoihin. Kokeellisessa osassa selvitettiin myös ne prosessin kohdat, joihin vierasaineet rikastuvat. Lisäksi laadittiin kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä tehtiin arvio kalkkikierron vierasainetasojen ja kalkkikierron aukaisun välisestä korrelaatiosta. Tehtyjen määritysten perusteella Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan eräiden prosessivirtojen vierasainetasot ovat selvästi muiden Metsä-Botnian tehtaiden tasoja korkeammalla. Etenkin valkolipeän kaliumpitoisuus ja meesan fosforipitoisuus ovat korkeita. Kloridi rikastuu voimakkaasti soodakattilan lentotuhkaan ja fosfori rikastuu meesauunin sähkösuodinpölyyn. Laadittujen taseiden perusteella vierasaineista fosfori ja magnesium rikastuvat selvästi kalkkikiertoon. Niiden määrät kalkkikierrossa ovat huomattavasti suuremmat kuin muiden vierasaineiden määrät. Kalkkikierron fosforitasoa voidaan alentaa poistamalla kierrosta meesauunin sähkösuodinpölyä ja korvaamalla poisto make-up kalkilla. Tällöin muiden vierasaineiden määrä kalkkikierrossa kuitenkin kasvaa.

Epäpuhtauksien vaikutus monokaliumfosfaattikiteen kasvuun

Työssä on tutkittu epäpuhtauksien vaikutusta kastelulannoitesuolojen monokaliumfosfaatin, kaliumnitraatin ja ureafosfaatin kiteytyksessä. Kirjallisuusosassa on käsitelty kastelulannoiteprosessit ja epäpuhtauksien vaikutus kastelulannoitteiden valmistuksessa. Kiteytys ja kiteenkasvu on esitetty perusyhtälöin, joissa on otettu epäpuhtauksien vaikutus huomioon. Tarkemmin on perehdytty monokaliumfosfaatin kiteytykseen ja kolmenarvoisten kationeiden, Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutukseen kiteiden kasvuun. Kolmenarvoiset metalli-ionit adsorboituvat kiteen pintaan haitaten kiteenkasvua, mikä vaikuttaa erityisesti kiteen prismapinnan kasvuun. Lisäksi on esitelty muita kiteenkasvuun vaikuttavia olosuhteita. Lopuksi on käsitelty kompleksinmuodostajia metalli-ionien haitallisten vaikutusten ehkäisijöinä. Kokeellisessa osassa suoritettiin liukoisuuskokeita monokaliumfosfaatin liukoisuuden selvittämiseksi eri pH-olosuhteissa. Suoritetuissa yksikidekokeissa tutkittiin pH:n ja kolmenarvoisten kationeiden; Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutus monokaliumfosfaattikiteen pituus- ja leveyskasvuun ja kidemuotoon eri ylikylläisyyksillä. Lisäksi tutkittiin voidaanko lämpötilaa ja pH muuttamalla tai pyrofosfaattia lisäämällä poistaa raudan kasvua inhiboima vaikutus. Kiteytyslämpötilaa nostamalla voidaan poistaa raudan haitallinen vaikutus kiteen kasvuun.

DSA-elektrodien testaaminen kulumisen arvioimiseksi

Työn tavoitteena oli tutkia eri mittausmenetelmillä metallipinnoitettujen elektrodien kulumista kulumiskokeiden aikana. Mittausmenetelminä olivat käytössä syklinen voltammetria, polarisaatiokäyrän määritys ja sähkökemiallinen impedanssispektrometria, jotka olivat offline-mittausmenetelmiä. Näiden menetelmien avulla pystyttiin seuraamaan yksittäisten elektrodien kulumista ajon aikana. Elektrodin pinnoitteen alkuaineiden pitoisuuksia tutkittiin myös elektronimikroskoopin röntgenspektrometrin avulla. Työn aikana tehdyissä kulumiskokeista havaittiin elektrodin kuluvan sitä nopeammin mitä suurempi on virrantiheys. Työssä tehtyjen elektronimikroskooppikokeiden avulla havaittiin, että harvinaisten metallien seostaminen pinnoitteeseen pidentää metallipinnoitetun elektrodin käyttöikää. Syklisen voltammetrian avulla pystyttiin seuraamaan elektrodin pinta-alan muuttumista ajon aikana. Työssä käytettyjen kulumiskokeiden avulla ei suoranaisesti pystytty määrittämään elektrodin jäljellä olevaa elinikää.