Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Production of Chemicals from Woody Biomass by Wet Oxidation

The production of chemicals from sawdust by wet oxidation has been investigated. Two different concentrations of sawdust; 54054 mg/l and 32683 mg/l were used in the study. The wet oxidation operating conditions were; 175 deg.C – 225 deg.C, 1MPa Oxygen, and 40 minutes to 120 minutes reaction time. Carboxylic acids were among the chemicals produced in the process. The total yield of carboxylic acids was found to increase with temperature. Also, higher yields of carboxylic acids were observed at a lower sawdust concentration. This was probably due to the high oxygen-biomass ratio at lower sawdust concentration. Higher oxygen availability at low sawdust concentration resulted in increased conversion of the sawdust; hence the higher yields of carboxylic acids. At lower sawdust concentration, a total carboxylic acid yield of 25.59 wt% was attained at 200 deg.C and 40 minutes reaction time. At higher sawdust concentration, a total carboxylic acid yield of 15.57 wt% was attained at 200 deg.C and 40-minutes reaction time. The carboxylic acids identified include formic acid, acetic acid, succinic acid and oxalic acid. The optimum temperature for the production of formic acid was found to be 200 deg.C, while the optimum temperature for the production of acetic acid was found to be 225 deg.C. A temperature of 225 deg.C and relatively short reaction time of 10 minutes was found to be the optimal condition for the production of succinic acid. Formic acid was produced in the highest yield, with an optimal yield of 13.69wt %, when the reaction temperature and time are 200 deg.C and 40 minutes respectively. The yield of formic acid was found to decrease significantly when further increasing the temperature to 225 deg.C. This was presumably due to thermal decomposition of formic acid at relatively higher temperature. However, the yield of acetic acid was found to steadily increase with temperature. This is because acetic is more thermally stable than formic acid. The yield of acetic acid did not decrease after the temperature was increased to 225 deg.C. Optimal yield of acetic acid (7.98wt %) was achieved at; 225 deg.C, and 40 minutes reaction time. Succinic acid was produced only at temperatures of 200 deg.C and 225 deg.C. Optimal yield of succinic acid (5.66wt %) was attained under the following conditions; 32683 mg/l, 225 deg.C, 1MPa O2, and 10-minutes reaction time. Oxalic acid was produced in the lowest yield and, less frequently. The optimal yield of oxalic acid (4.02 wt%) was attained at 175 deg.C and 80-minutes of reaction time The Total Organic Carbon (TOC) is found to be higher when increasing the operating temperature, thus suggesting that more organic compounds are formed at higher temperatures. The identified carboxylic acids could only account for less than 30% of the measured COD content of the various wet oxidation samples. This implies that some other unidentified compounds (reaction products) must have been present. In general, wet oxidation seems to be an effective method for converting lignocellulosic biomass into useful chemicals. Relatively higher temperatures have been found to favor the production of carboxylic acids from sawdust.

New aspects in limestone dissolution for wet flue gas desulfurization

Fortsättningsvis tillgodoses största delen av världens energibehov genom förbränning av fossila bränslen, dessutom forsätter världens totala energibehov att öka. Eftersom förbränning av fossila bränslen som t.ex. olja och kol orsakar utsläpp av svaveldioxid som är skadligt för både människa och natur, finns det fortfarande ett akut behov av forskning och utveckling av metoder för svavelrening. De vanligaste teknikerna för svavelrening är våt- och semitorrskrubbning, där svaveldioxiden absorberas av en skrubbervätska. Det är allmänt känt att våtskrubbning är en av de effektivaste teknikerna för svavelrening både ekonomiskt och tekniskt sett samt den mest använda. Våtskrubbningsprocessen har dock flera nackdelar, som dess höga vatten- och energiförbrukning. I större kraftverk går ca 1-3% av dess eleffekt åt till rökgasreningsprocessen, vilket kraftigt motiverar utveckling av nya reningsprocesser samt effektivering av existerande reningsanläggningar. Skrubbervätskan som till huvudsak består av vatten innehåller vanligtvis även kalcium vars syfte är att binda svavlet. Kalciumet kan tillsättas i flera former varav bränd kalk och kalksten är de vanligaste formerna. Kalksten används ofta i svavelreningsprocessen p.g.a. dess låga pris och för att den ger upphov till den användbara biprodukten gips. Kalkstenens upplösningshastighet är en de av faktorer som kraftigast påverkar reningsprocessen. En detaljerad experimentell karakterisering och analys av kalkstenspartiklar i fast form och i vätskeform har utförts i detta arbete. En experimentell metod för att studera kalkstenens upplösningshastighet vid låg till obegränsad massöverföring har även utvecklats i detta arbete. Metoden möjliggör identifieringen av systemoberoende kinetiska parametrar, vilka kan användas för att undersöka reningsprocesser samt för att planera nya reningsanläggningar. Kinetiska modeller utvecklades genom att använda kalkstenpartiklars specifika yta, som mättes genom kväveadsorption. Efter att de kinetiska parametrarna bestämts experimentellt utvecklades en skrubbermodell för att optimera en i driftvarande skrubber. Genom att kombinera experimentellt bestämda modeller med matematisk optimering erhölls en djupare insikt i hur olika råmaterial påverkar processen och hur driftparameterar bör justeras för att minska elförbrukningen.