PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF AQUEOUS SOLUTIONS OF JET FUEL AND ICING INHIBITORS

The present paper is devoted to the results of experimental research undertaken into photocatalytical oxidation (PCO) of aqueous solutions of de-icing agents and aqueous extract of jet fuel. The report consists of introduction, literature review, description of materials and methods, discussion of results and conclusions. TiO2 was selected as a photocatalyst for the experiments with synthetic solutions of ethylene glycol, 2-ethoxyethanol and aqueous extract of jet fuel. To explain the PCO mechanisms affecting certain behaviour of de-icing agent under distinctive conditions, the following factors were studied: the impact of initial concentration of pollutant, the role of pH, the presence of tert-butanol as OH·-radicals scavenger and mineral admixtures. PCO under solar radiation performed in two ways: catalysed by irradiated TiO2 slurry or by TiO2 attached to buoyant hollow glass micro-spheres. Special attention was paid to the energy-saving PCO with reduced intensity mixing of the slurry. The effect of PCO was assessed by determination of residual chemical oxygen demand of solution (COD) and by measuring of concentration of glycols. The PCO process efficiency was assumed to be dependent on the TiO2 suspension fractional composition. Thus, the following effects of solutions’ media were viewed: presence of organic admixtures, pH influence, mixing mode during the PCO. The effects of mineral admixtures - Ca2+, Fe3+/2+, Mn2+, SO42- - that are often present in natural and wastewater systems or produced during the degradation of organic pollutants and which can affect the rate of PCO of de-icing agents, were also investigated.

Mangaani mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Mangaanilla on havaittu olevan haitallisia vaikutuksia mekaanisen massan peroksidivalkaisussa. Suurin ongelma on mangaanin katalyyttisen aktiivisuuden aiheuttama peroksidin hajoaminen. On havaittu, että mangaanin hapetusasteella voisi olla merkittävä vaikutus mangaanin kelatoitumiseen sekä sen katalysoimaan peroksidin hajoamiseen valkaisun aikana. Työssä selvitettiin, miten massan mangaanipitoisuus ja mangaanin hapetusasteen muutos vaikuttavat valkaisuun ja mangaanin kelatoitumiseen. Laboratoriokokeiden tulokset osoittavat, että mangaani kelatoituu hapetusasteilla +II ja +III happamissa oloissa yhtä hyvin. pH:n nousu heikentää enemmän hapetusasteella +III olevan mangaanin kelatoitumista. Mangaani ei kelatoidu hapetusasteella +IV lainkaan. Valkaisukokeiden perusteella mangaani katalysoi peroksidin hajoamista hapetusasteilla +II ja +III yhtä voimakkaasti, mikä näkyy samalla vaaleuden nousun heikkenemisenä peroksidin määrän vähetessä. Mn(IV) ei katalysoi peroksidin hajoamista ollenkaan ja sen vaikutus vaaleuteen on selvästi pienempi kuin hapetusasteilla +II ja +III. Laboratoriokokeiden tulokset osoittavat myös, että kompleksinmuodostajalla on valkaisussa selvä positiivinen vaikutus. DTPA estää hapetusasteen +II katalyyttistä aktiivisuutta voimakkaammin kuin hapetusasteen +III. Valkaisusakeuden nosto pienensi mangaanin katalyyttistä aktiivisuutta, minkä oletettiin johtuvan stabilointikemikaalien konsentraation noususta.

STYREENI-BUTADIEENILATEKSIN VALMISTUS EMULSIOPOLYMEROIN-NILLA JA LATEKSIN VISKOSITEETTIIN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT.

Työn tavoitteina oli kirjallisuusosassa selvittää emulsiopolymeroinnin perusperiaatteet ja lateksien viskositeettiin vaikuttavat tekijät. Kokeellisessa osassa selvitettiin eräiden kaupallisten lateksien viskositeettiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkittujen kaupallisten lateksien viskositeettien riippuvuudelle kuiva-ainepitoisuudesta saatiin tulokset, jotka ovat melko hyvin yhtäpitäviä kirjallisuudesta saatujen tulosten kanssa. Tutkitut lateksit erosivat lähinnä maksimaalisen polymeeripartikkelin tilavuusosuuden kohdalla kirjallisuudesta saaduista arvoista. Tämän todettiin johtuvan sähköisen kaksoiskerroksen ja partikkelin pintaan kiinnittyneiden ryhmien vaikutuksesta. Tämä tulos varmentui elektrolyyttipitoisuuden vaikutusta selvitettäessä. Elektrolyyttilisäys laski lateksien viskositeetteja ja pienensi lateksien välisiä viskositeettieroja. Lateksin pH:n nostolla oli selvästi viskositeettia kasvattava vaikutus. Tämä johtuu osaltaan myös sähköisen kaksoiskerroksen kasvamisesta happoryhmien ionisoituessa. Latekseja toisiinsa verrattaessa havaittiin selkeästi karboksyylihapon ja initiaattorista peräisin olevien happoryhmien määrän vaikutus lateksin viskositeetin muutokselle. Paljon karboksyylihappoa ja initiaattoria sisältävien lateksien viskositeetti muuttui selvästi voimakkaammin pH:n muuttuessa. Latekseissa havaittiin myös ero heikkojen karboksyylihapporyhmien ja vahvojen initiaattorista peräisin olevien happoryhmien ionisoitumisen välillä. Vahvat happoryhmät ionisoituivat matalammassa pH:ssa kuin vahvat ja nostavat näin myös viskositeettia matalammassa pH:ssa kuin karboksyylihapporyhmät. Anionisen emulgaattorin lisäyksellä ei havaittu olevan kovinkaan suurta vaikutusta viskositeettiin. Partikkelikoon vaikutusta voitiin tutkia ainoastaan prosessista saadun mittausaineiston avulla. Partikkelikoon vaikutukset peittyivät suurelta osin muiden tekijöiden alle. Ainoastaan yhdelle lateksityypille saatiin selkeä riippuvuus partikkelikoon ja viskositeetin välille. Riippuvuus noudattaa kirjallisuudesta saatuja tietoja eli partikkelikoon kasvaessa viskositeetti laskee. Myös lateksin viskositeetin riippuvuus käytetystä leikkaus-nopeudesta noudattaa hyvin kirjallisuudesta saatuja tuloksia. Lateksin viskositeetti laskee leikkausnopeuden kasvaessa.

Kalvojen vertailu heran nanosuodatuksessa

Työssä verrattiin kaupallisia nanosuodatuskalvoja heran konsentroinnissa. Tutkitut kalvot olivat Desal-5 DK, NF45 ja Koch SR1. NF45-kalvosta tutkittiin kahta eri sukupolven kalvoa. Konsentrointiajoja tehtiin sekä laboratoriomittakaavan levysuotimella että pilot-mittakaavan spiraalimoduulilaitteella. Lisäksi tutkittiin juoksute- ja happoheran konsentrointien eroja. Erityistä huomiota kiinnitettiin permeaattivuon arvoihin konsentroinnissa ja kalvojen suolojen ja laktoosin pidätyskykyyn. NF45-kalvon uuden sukupolven malli osoittautui mittauksissa samankaltaiseksi suolojen ja laktoosin pidätyskyvyltään kuin Desal-5 DK. Koch SR1-kalvo, jonka suolojen ja laktoosin pidätyskyky on Desal-5 DK-kalvoa heikompi, puolestaan vastaa ominaisuuksiltaan NF45 vanhan sukupolven kalvoa. Vanhan sukupolven NF45-kalvon valmistus on loppunut keväällä 2000. Vaihdettaessa vanhan sukupolven NF45-kalvot uuden sukupolven kalvoihin on odotettavissa pienemmät permeaattivuot ja suuremmat suolojen ja laktoosin retentiot kuin aiemmin NF45-kalvolla. Juoksuteheran konsentroinnissa suurimmat permeaattivuot saatiin Koch SR1-kalvolla. Levysuotimella ja spiraalimoduulilla saadaan koostumukseltaan samanlainen juoksuteheratiiviste. Levysuotimella permeaattivuot ovat samalla konsentrointikertoimella suuremmat kuin spiraalimoduulilla. Tämä johtuu spiraalimoduuliin jäävistä kuolleista alueista, joissa ei ole virtausta. Uutta prosessia suunniteltaessa voidaan käyttää laboratoriomittakaavan levysuodinkokokeita, kun halutaan tietoa saatavan tuotteen koostumuksesta. Prosessin tuotantokapasiteetin arvioimiseen tarvitaan pilot-mittakaavan spiraalimoduulikokeita. Happoheratiiviste sisältää enemmän suoloja kuin samalla kalvolla valmistettu juoksuteheratiiviste. Tämä johtuu happoheran juoksuteheraa suuremmasta suolapitoisuudesta. Lisäksi happoheran konsentroinnin permeaattivuo on pienempi kuin juoksuteheran permeaattivuo, sillä happoheran alhainen pH, noin 4,5, vaikuttaa kalvon permeabiliteettiin heikentävästi.

TCF-valkaisimon laatuvaihtelun pienentäminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli pienentää TCF-valkaisimon laatuvaihtelua ja vähentää kemikaaleista aiheutuvia kustannuksia. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin valkaisuun vaikuttavia tekijöitä. Valkaisukemikaaleista olivat mukana TCF-valkaisussa käytettävät otsoni ja vetyperoksidi. Lisäksi selvitettiin metallien poistoa massasta sekä vesikierron sulkemisesta aiheutuvia ongelmia. Kokeellisessa osassa etsittiin Oy Metsä-Botnia Ab Rauman tehtaan valkaisuprosessin suurimmat laatuominaisuuksien vaihteluun vaikuttavat tekijät. Tavoitteena oli pienentää vaihtelua valmiin massan laatuominaisuuksissa sekä vähentää raaka-aineista ja kemikaaleista aiheutuvia kustannuksia laatuominaisuuksien tasoa laskematta. Tutkimuksessa käytettiin hyväksi Taguchi-menetelmää sekä monimuuttuja-analyysiä. Tutkimuksessa tehtiin kaksi Taguchi-koetta, joissa tutkittiin valkaisimon ensimmäistä otsonivaihetta sekä koko valkaisimoa. Otsonivaiheen merkittävimmiksi tekijöiksi osoittautuivat otsoniannos, otsonin väkevyys sekä pH. Kaikkia valkaisimon vaiheita tutkittaessa löydettiin merkittävimmiksi tekijöiksi ensimmäisen peroksidivaiheen lämpötila, vetyperoksidin jakaminen peroksidivaiheisiin, kelatointi sekä otsonivaiheen otsoniannos ja pH. Optimiajomallin avulla saatiin valkaisimon laatuvaihtelua pienennettyä. Kemikaalikustannuksiin vaikuttavista tekijöistä merkittävimmiksi osoittautuivat kelatoinnin vaikutus, vetyperoksidin annosteleminen molempiin vaiheisiin sekä ensimmäisen peroksidivaiheen lämpötila. Optimiajomallien avulla vetyperoksidikulutusta saatiin pienennettyä noin 24 %.

Biocide analysis, usability and stability

Biosidien toimittajat tavallisesti suorittavat biosidien annostelumäärien hallinnan paperi- ja kartonkiteollisuudessa. Useimmiten annostelun hallinta määritetään epäsuorilla menetelmillä, kuten esimerkiksi määrittämällä bakteerien kasvua. Biosidien tehoaineiden todellista konsentraatiota tai määrää prosessivesissä tai lopputuotteessa ei tavallisesti mitata. Diplomityössä kehitettiin kolmelle paperiteollisuudessa yleisesti käytetyllä biosidin tehoaineelle analyyttiset menetelmät. Menetelmät kehitettiin glutaraldehydille, 2,2-dibromi-3-nitriilipropionamidi:lle (DBNPA) ja 5-kloori-2-metyyli-4-isotiatsoliini-3-oni:lle (CMI). Kehitettyjä menetelmiä käytettiin tehoaineiden stabiilisuuden seuraamiseen vesiliuoksessa eri pH:ssa ja lämpötilassa. Lisäksi kartonkinäytteistä tehtiin uuttokokeita ja yritettiin kehittää uuttomenetelmät, joilla pystyttäisiin määrittämään biosidien tehoaineiden jäännöspitoisuuksia lopputuotteesta. Glutaraldehydille ja CMI:lle onnistuttiin kehittämään uuttomenetelmät, joilla pystyttiin määrittämään kartongista tutkittujen tehoaineiden jäännöspitoisuudet. Saadut tulokset vaikuttavat realistisilta. Glutaraldehydille ja DBNPA:lle tehtiin stabiilisuuskokeita ja tulokset ovat samankaltaisia mitä muut tutkijat ovat saaneet.

Kalvoerotusprosessin esikäsittely

Työn tavoitteena oli tutkia kiertoveden puhdistamiseen käytetyn kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmien vaikutusta ultrasuodatukseen. Suodatettava vesi oli kierrätyskuitua käyttävän paperikoneen kiekkosuotimen kirkassuodosta. Koeajon loppuosassa käytettiin biokirkassuodosta. Paperitehtaassa oli suljettu vesikierto. Pilot-laitteistona käytettiin Metso PaperChemin OptiFilter CR550/40 ultrasuodatusyksikköä. Testatut kalvot olivat C30 kalvoja. Suodatuksissa seurattiin esikäsittelymenetelmien vaikutusta permeaatin määrään ja laatuun. Ultrasuodatus tehtiin sekä ilman esikäsittelyä että lamelliselkeytin esikäsittelynä. Esikäsittelykemikaalina käytettiin talkkia. Ultrasuodatuksissa havaittiin, että suodatuslämpötilalla oli suora vaikutus kapasiteettiin. Lämpötila vaikutti lineaarisesti kirkassuodoksen ja biokirkassuodoksen permeaattivuohon. Lämpötila nostettiin 55oC:een suodatuslämpötilasta 35 – 40oC. Korkeassa lämpötilassa kirkassuodos oli kapasiteetiltaan suurempi kuin biokirkassuodos. Konsentrointiajoista nähtiin, että ultrasuodatuksen syötön konsentraatioaste vaikutti kirkassuodoksen permeaattivuohon. Syötön konsentraatioastetta lisättäessä kapasiteetti laski. Konsentrointiajoja vertailtaessa havaitaan, että ilman esikäsittelyä vuo laski konsentroitaessa nopeammin kuin suodatuksissa, joissa käytettiin esikäsittelyä. Lamelliselkeyttimellä ja talkilla esikäsitelty suodatus laski kapasiteettia vähiten. Konsentraatioasteen nostaminen lisäsi konsentraatin kemiallista hapenkulutusta. Konsentraatin viskositeetti nousi konsentraatioastetta lisättäessä. Analyysitulosten perusteella saadaan ultrasuodatuskalvoille tyypilliset reduktiot. COD-reduktio oli 10 – 30 %, anionisuuden 40 – 70 % ja värin 80 – 90 %. Vuon kanssa korreloivat pH, uuteaine, ligniini, viskositeetti ja hemiselluloosat.

Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

Sakkaroosin hydrolyysi immobilisoidulla entsyymillä

Työssä tutkittiin sakkaroosin hydrolyysiä anioninvaihtohartseihin immobilisoidun entsyymin avulla tavoitteena löytää sellainen kantaja-entsyymi -yhdistelmä, jolla konversio halutuiksi lopputuotteiksi olisi mahdollisimman korkea. Työhön valittiin aikaisemmissa laboratoriokokeissa parhaita tuloksia saavuttaneet kantaja-entsyymi -parit. Entsyymeinä oli kaksi nestemäistä Saccharomyces cerevisiae -hiivasta eristettyjä entsyymivalmistetta. Kokeissa käytetyt kantajamateriaalit olivat erilaisia heikkoja anioninvaihtohartseja. Entsyymit immobilisoitiin kantajaan sekoitusreaktorissa ja niiden aktiivisuudet määritettiin sitomisen jälkeen. Hydrolyysikokeet tehtiin jatkuvatoimisessa kiintopetireaktorissa ja lisäksi panos-kokeina tutkittiin ominaisuuksiltaan erilaisten kantajien eroja hydrolyysissä. Reaktio-olosuhteet pidettiin kaikissa kokeissa samoina. Sakkaroosiliuoksen pitoisuus oli 50 p-%, reaktiolämpötila 50 oC ja pH 5. Kiintopetikolonnissa tutkittiin myös sakkaroosi-liuoksen viipymäajan vaikutusta sivutuotteiden syntyyn. Näytteet analysoitiin neste-kromatografilla. Kiintopetikolonnissa lyhimmän viipymäajan (15 min) kokeissa ainoastaan hitaimmilla kantaja-entsyymi -pareilla muodostui sivutuotteita, jotka hydrolyysireaktion edetessä kuitenkin hävisivät. Kun viipymäaikaa kasvatettiin sivutuotteiden synty väheni ja lopulta niitä ei havaittu syntyvän lainkaan. Hydrolyysin edetessä viipymäajan ollessa tarpeeksi pitkä pienet sivutuotekomponentit hävisivät sakkaroosin hajotessa kokonaan glukoosiksi ja fruktoosiksi. Verrattaessa partikkelikoon ja hartsimatriisin vaikutusta samaan entsyymiin sidottuna havaittiin, että niillä kummallakin on vaikutusta sekä sakkaroosin hydrolyysi-nopeuteen että sivutuotteiden muodostumiseen.

Brown algal phlorotannins: Improving and applying chemical methods

Phlorotannins are the least studied group of tannins and are found only in brown algae. Hitherto the roles of phlorotannins, e.g. in plant-herbivore interactions, have been studied by quantifying the total contents of the soluble phlorotannins with a variety of methods. Little attention has been given to either quantitative variation in cell-wall-bound and exuded phlorotannins or to qualitative variation in individual compounds. A quantification procedure was developed to measure the amount of cell-wall-bound phlorotannins. The quantification of soluble phlorotannins was adjusted for both large- and small-scale samples and used to estimate the amounts of exuded phlorotannins using bladder wrack (Fucus vesiculosus) as a model species. In addition, separation of individual soluble phlorotannins to produce a phlorotannin profile from the phenolic crude extract was achieved by high-performance liquid chromatography (HPLC). Along with these methodological studies, attention was focused on the factors in the procedure which generated variation in the yield of phlorotannins. The objective was to enhance the efficiency of the sample preparation procedure. To resolve the problem of rapid oxidation of phlorotannins in HPLC analyses, ascorbic acid was added to the extractant. The widely used colourimetric method was found to produce a variation in the yield that was dependent upon the pH and concentration of the sample. Using these developed, adjusted and modified methods, the phenotypic plasticity of phlorotannins was studied with respect to nutrient availability and herbivory. An increase in nutrients decreased the total amount of soluble phlorotannins but did not affect the cell-wall-bound phlorotannins, the exudation of phlorotannins or the phlorotannin profile achieved with HPLC. The presence of the snail Thedoxus fluviatilis on the thallus induced production of soluble phlorotannins, and grazing by the herbivorous isopod Idotea baltica increased the exudation of phlorotannins. To study whether the among-population variations in phlorotannin contents arise from the genetic divergence or from the plastic response of algae, or both, algae from separate populations were reared in a common garden. Genetic variation among local populations was found in both the phlorotannin profile and the content of total phlorotannins. Phlorotannins were also genetically variable within populations. This suggests that local algal populations have diverged in their contents of phlorotannins, and that they may respond to natural selection and evolve both quantitatively and qualitatively.