Metallien eluointi kelatoivasta ioninvaihtimesta

Kelatoivat ioninvaihtimet ovat yleensä makrohuokoisia hartseja, joiden avulla metalleja poistetaan ja otetaan mahdollisesti talteen teollisuuden puhdistettavista jätevirroista. Ne muodostavat metalli-ionien kanssa komplekseja runkomateriaaliin kovalenttisesti liitettyjen aktiivisten funktionaalisten ryhmiensä välityksellä. Ioninvaihtimen selektiivisyys eri metalli-ioneja kohtaan vaihtelee riippuen siihen liitetystä kelatoivasta ryhmästä. Työssä tutkitaan metallien tarttumista kelatoiviin ioninvaihtimiin, sekä niiden eluoitumista adsorbentistaan. Kelatoivat ioninvaihtimet sitovat metalli-ioneja tehokkaasti ligandiensa monihampaisuudesta johtuen. Metallien tarttuminen kelatoivaan ioninvaihtimeen ei kuitenkaan ole yksiselitteistä, vaan siihen vaikuttaa muun muassa pH yhdessä monen muun tekijän kanssa. Ioninvaihtimien selektiivisyyttä tarkastellaan työssä lähinnä kovien ja pehmeiden happojen ja emästen HSAB -teorian näkökulmasta. Regeneroinnilla ioninvaihdin saadaan jälleen alkuperäiseen muotoonsa, minkä jälkeen se voidaan käyttää uudelleen. Yleensä regenerointi suoritetaan kemiallisesti. Tässä työssä ioninvaihtimien regenerointia ja kohdemetallin eluointia tarkastellaan paitsi teoriassa, myös kokeellisessa osuudessa. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan kuparin (Cu2+) eluoitumista kelatoivasta Dowex M-4195 kationinvaihtohartsista. Kokeissa hartsi ladattiin kuparilla erillisessä panoksessa kuparin ollessa syöttöliuoksessa kuparisulfaattina. Eluointiliuoksina käytettiin 2 ja 5 molaarista rikkihappoa, sekä 2 molaarista ammoniumhydroksidia. Eluointi suoritettiin panostoimisena kolonniajona ja eluaatista otetut näytteet analysoitiin atomiadsorptiospektrofotometrillä. Analyysitulokset esitetään läpäisykäyrinä, joiden perusteella 2M ammoniumhydroksidi on kolmesta tutkitusta eluentista tehokkain eluoimaan kuparia Dowex M-4195 hartsista.

The pH-dependent phase distribution of wood pitch components in papermaking processes

Wood contains only a very small amount of lipophilic extractives, commonly known as wood pitch. The pitch is known to cause severe problems in papermaking processes. The amount of pitch in process waters can be decreased by seasoning of the raw material prior to pulping, pulp washing, removal of pitch by flotation, adsorption of pitch onto various mineral surfaces, and retention of pitch to the fibre material by cationic polymers. The aim of this study was to determine the influence of pH on some of the methods used for pitch control. Experiments were performed using laboratory-made wood pitch emulsions with varying pH, salt concentration, hemicellulose concentration and pitch composition. These emulsions were used to study the phase distribution of resin and fatty acids, the colloidal stability of pitch with and without steric stabilisation by galactoglucomannans, and the interactions between wood pitch and mineral particles. Purification of unbleached and peroxidebleached mill process water was performed by froth flotation in combination with a foaming agent. The distribution of resin and fatty acids (RFAs) between colloidal pitch droplets and the water phase was very dependent on pH. At pH 3, almost all of the RFAs were attached to the pitch droplets, while increasing the pH led to increasing concentration of dissolved RFAs in the water phase. The presence of salt shifted the release of RFAs towards higher pH, while lower ratio of neutral pitch in the emulsion resulted in release of RFAs at lower pH. It was also seen that the dissolution and adsorption of RFAs at sudden pHchanges takes place very quickly. Colloidal pitch was more stable against electrolyte-induced aggregation at higher pH, due to its higher anionic charge. The concentration of cationic polymers needed to aggregate colloidal pitch also increased with increasing pH. The surface characteristics of solid particles, such as amount of charged groups, were very important for understanding their interactions with colloidal wood pitch. Water-soluble galactoglucomannans stabilised the colloidal pitch sterically against aggregation, but could not completely prevent interactions between wood pitch and hydrophilic particles. Froth flotation of unbleached and peroxidebleached process water showed that the pitch could be removed more effectively and selectively at low pH, compared to at neutral pH. The pitch was removed more effectively, using lower concentrations of foaming agent, from peroxide-bleached water than from unbleached water. The results show that pH has a major impact on various pulping and papermaking processes. It determines the anionic charge of the colloidal pitch and the solubility of certain pitch components. Because of this, the pH influences the effectiveness of pitch retention and removal of pitch. The results indicate that pitch problems could be diminished by acknowledging the importance of pH in various papermaking processes.

Ravinnepitoisen teollisen jäteveden tuotteistaminen

Tässä työssä selvitettiin ravinnepitoisen jäteveden väkevöintiä erityisesti ammoniumtypen ja orgaanisten happojen osalta. Konsentrointiin käytettiin pääasiassa käänteisosmoosia sekä haihdutusta, mutta myös nanosuodatusta tutkittiin. Jätevesi oli Honkajoki Oy:n lauhdevettä. Kirjallisuusosassa esiteltiin Honkajoki Oy:n toimintaa, membraanierotus-prosesseja, lihantuotannossa syntyvän jätteen ominaisuuksia sekä sen puhdistamista. Keskeisimmät suodatukset tehtiin DOW FILMTEC SW30HR -membraanilla, ja käytetty laitteisto oli DSS LabStak M20. Suodatuksia tehtiin eri pH-olosuhteissa typen ja orgaanisten happojen erottumisen kannalta optimaalisten olosuhteiden löytämiseksi. Lisäksi tutkittiin, kuinka puhtaaksi permeaatti voidaan saada uudelleensuodatuksen avulla. Työssä käytettiin myös haihdutusta lauhteen väkevöintiin. Ammoniumtypen konsentroituminen suodatuksissa oli tehokkainta pH:n ollessa 7 tai sen alle. Kaksivaiheisella suodatuksella permeaatin laatu alitti selvästi Karvianjokeen laskettaville jätevesille asetetut laatu- ja kuormitusrajat. Yhdistämällä suodatus- ja haihdutusprosessit, pystyttiin valmistamaan liuosta, jonka ammoniumtyppipitoisuus oli noin 7,6 %. Tuolloin suodatus tehtiin pH 7:ssä ja haihdutus pH 3:ssa rotavaporilla 26 mbar paineessa ja 50 °C lämpötilassa. Syöttöliuoksen tilavuuden alenema oli noin 65-kertainen. Haihdutuksessa muodostuneessa lauhteessa oli paljon orgaanisia happoja ja käytännössä ei lainkaan ammoniumtyppeä. Tuotejakeita saatiin siten kaksi kappaletta: ammoniumtyppijae ja orgaanisia happoja sisältävä jae.

Karboksyylihappojen kromatografinen fraktiointi

Suurin osa alifaattisista karboksyylihapoista tuotetaan nykyään synteettisesti, mutta öljyn hinnan nousu ja ekologisempi ajattelutapa on aiheuttanut kiinnostusta tuottaa näitä karboksyyli- ja hydroksihappoja jatkossa fermentoimalla tai sellun valmistuksen sivuvirtana syntyvästä mustalipeästä. Nykyään mustalipeä poltetaan sellaisenaan soodakattiloissa keittokemikaalien regeneroimiseksi, energiaksi ja sähköksi. Jatkossa mustalipeästä voisi erottaa arvokkaat orgaaniset hapot ennen polttamista. Saadusta happoseoksesta tulisi erottaa yksittäiset alifaattiset karboksyylihapot toisistaan jatkojalostusta varten. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää, millä kromatografisella erotusmenetelmällä fermentointituotteina ja teollisuuden sivuvirtoina syntyvistä karboksyylihapposeoksista saadaan yksittäiset alifaattiset karboksyylihapot erotettua toisistaan. Mittaukset suoritettiin kolonnilla, jossa hartsipedin halkaisija oli 1,5 cm ja korkeus 15 cm. Kolonnin erototusmateriaaleina kokeiltiin vahvoja ja heikkoja kationinvaihtohartseja, vahvaa anioninvaihtohartsia ja polymeerisiä adsorbentteja. Erotettavaksi happoseokseksi valittiin sitruuna-, viini-, glykoli-, maito- ja etikkahapon seos. Tehokkain erotus saatiin Puroliten valmistamalla Macronet 270:lla, joka on mikrohuokoinen polymeerinen adsorbentti. Macronet 270:lla saatiin erotettua erityisesti viini- ja glykolihappo sitruuna-, maito- ja etikkahaposta. Yksittäisiä happoja ei saatu kuitenkaan kunnolla erotettua. Parhaat koeolosuhteet erotustehokkuuden ja retentioaikojen kannalta saatiin vesieluentin virtausnopeudella 2 mL/min, syöttöpulssin tilavuudella 5 mL ja kolonnin lämpötilassa 75 °C.

Biomassaperäisen liuoksen fraktiointi membraanisuodatuksella

Työn tavoitteena oli hiilihydraattien ja aminohappojen talteenotto biomassaperäisistä liuoksista erilaisina fraktioina ultra- ja nanosuodattamalla niitä erilaisilla membraaneilla. Työ tehtiin selvitystyönä Senson Oy:lle syystalven 2015 ja kevään 2016 välisenä aikana. Teoriaosassa perehdyttiin nanosuodatukseen ja sen erilaisiin sovelluksiin teollisuudessa, sekä lyhyesti muihin paineavusteisiin membraanisuodatusprosesseihin. Teoriaosassa myös keskityttiin erityisesti nanosuodatuksessa käytettyihin membraaneihin sekä niiden likaantumismekanismeihin. Kokeellisessa osassa keskityttiin hiilihydraattien ja aminohappojen talteenottoon kolmesta biomassaperäisestä liuoksesta. Tutkimuksen osa-alueita olivat ultrasuodatus, ultrasuodatuksen konsentraatin kirkastaminen sekä ultrasuodatuksen permeaatin fraktiointi nanosuodatuksella. Tutkimuksessa kiinnitettiin myös erityistä huomiota suodatuskalvojen likaantumiseen ja peseytyvyyteen sekä kalvojen käytettävyyteen pesujen jälkeen. Ultrasuodatuksessa kaikkien kolmen liuoksen kohdalla tutkittavien hiilihydraattien saanto permeaattiin oli hyvä, noin 90 %. Ultrasuodatuksissa käytettyjen membraanien osalta ei myöskään ollut havaittavissa merkittävää likaantumista. Ultrasuodatuksen konsentraattien kirkastamiskokeissa sameutta aiheuttavat komponentit saatiin poistettua kaikista liuoksista yli 94 %:in tehokkuudella. Nanosuodatuksissa monosakkaridit saatiin erotettua suuremmista hiilihydraattikomponenteista joko täysin tai lähes täysin (97 - 100 %). Nanosuodatuksissa käytettyjen membraanien osalta huomattavaa likaantumista oli havaittavissa vain membraanilla 2. Tulosten perusteella nanosuodatuksen voidaan sanoa olevan tehokas tapa erottaa pienet monosakkaridit suuremmista hiilihydraattiyhdisteistä.

Ultrasound-assisted electrochemical treatment of wastewaters containing organic pollutants by using novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes

Advanced oxidation processes (AOPs) are modern methods using reactive hydroxyl radicals for the mineralization of organic pollutants into simple inorganic compounds, such as CO2 and H2O. Among AOPs electrochemical oxidation (EO) is a method suitable for coloured and turbid wastewaters. The degradation of pollutants occurs on electrocatalytic electrodes. The majority of electrodes contain in their structure either expensive materials (diamond and Pt-group metals) or are toxic for the environment compounds (Sb or Pb). One of the main disadvantages of electrochemical method is the polarization and contamination of electrodes due to the deposition of reaction products on their surface, which results in diminishing of the process efficiency. Ultrasound combined with the electrochemical degradation process eliminates electrode contamination because of the continuous mechanical cleaning effect produced by the formation and collapse of acoustic cavitation bubbles near to the electrode surface. Moreover, high frequency ultrasound generates hydroxyl radicals at water sonolysis. Ultrasound-assisted EO is a non-selective method for oxidation of different organic compounds with high degradation efficiencies. The aim of this research was to develop novel sustainable and cost-effective electrodes working as electrocatalysts and test their activity in electrocatalytic oxidation of organic compounds such as dyes and organic acids. Moreover, the goal of the research was to enhance the efficiency of electrocatalytic degradation processes by assisting it with ultrasound in order to eliminate the main drawbacks of a single electrochemical oxidation such as electrodes polarization and passivation. Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes were developed and found to be electrocatalytically active towards water (with 5% Ta content, 10 oxide film layers) and organic compounds oxidation (with 7.5% Ta content, 8 oxide film layers) and therefore these electrodes can be applicable in both environmental and energy fields. The synergetic effect of combined electrolysis and sonication was shown while conducting sonoelectrochemical (EO/US) degradation of methylene blue (MB) and formic acid (FA). Complete degradation of MB and FA was achieved after 45 and 120 min of EO/US process respectively in neutral media. Mineralization efficiency of FA over 95% was obtained after 2 h of degradation using high frequency ultrasound (381, 863, 1176 kHz) combined with 9.1 mA/cm2 current density. EO/US degradation of MB provided over 75% mineralization in 8 h. High degradation kinetic rates and mineralization efficiencies of model pollutants obtained in EO/US experiments provide the preconditions for further extrapolation of this treatment method to pilot scale studies with industrial wastewaters.