Sellutehtaan prosessien jätevesien puhdistaminen membraanitekniikalla

Tässä työssä tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia sellutehtaan eri jätevesien puhdistukseen uudelleenkäyttöä varten. Yleensä tutkimuksen kohteena ovat yleensä valkaisun alkalisen suodokset, koska niiden suodattaminen on ollut helppoa membraanitekniikalla. Tässä tutkimuksessa kuitenkin kiinnostuksen kohteena ovat valkaisun happamat suodokset ja kuorimon jätevedet. Tutkimuksessa käytettiin viittä membraania, joista kolme on ultrasuodatusmembraaneja ja kaksi nanosuodatusmembraaneja. Näiden katkaisukoot ovat väillä 30 000 -200 Da. Konsentraatiosuodatukset suoritettiin CR 250 -suodattimella. Syötöstä, konsentraatista ja permeaatista otettujen näytteiden analyysien pohjalta laskettujen retentioiden perusteella nanosuodatusmembraani NF270 antoi parhaan tuloksen. Tällä membraanilla kuorimon jätevesien suodatuksessa retentioksi saatiin kaikilla osa-alueilla vähintään 80 %, mutta valkaisun happamien suodosten tulokset olivat alhaisempia. Suodatusten perusteella voitiin laskea tarvittava kapasiteetti ja suodatuspinta-ala suodatus yksiköille. Kummassakin tapauksessa suodatuksen syöttömäärät määräytyivät erään suomalaisen sellutehtaan valkaisussa ja kuorimolla syntyvien jätevesimäärien mukaan. Suodatusyksiköiden kooksi saatiin valkaisun happamien suodosten suodattamiseen 54 CR 1010 -suodatinta ja kuorimon jätevesien suodattamiseen 4 CR 1010-suodatinta.

Magnetic properties of multi-walled nanotubes on polysterene substrate

Nanotubes are one of the most perspective materials in modern nanotechologies. It makes present investigation very actual. In this work magnetic properties of multi-walled nanotubes on polystyrene substrate are investigated by using quantum magnetometer SQUID. Main purpose was to obtain magnetic field and temperature dependences of magnetization and to compare them to existing theoretical models of magnetism in carbon-bases structures. During data analysis a mathematical algorithm for obtained data filtration was developed because measurement with quantum magnetometer assume big missives of number data, which contain accidental errors. Nature of errors is drift of SQUID signal, errors of different parts of measurement station. Nanotube samples on polystyrene substrate were studied with help of atomic force microscope. On the surface traces of nanotube were found contours, which were oriented in horizontal plane. This feature was caused by rolling method for samples. Detailed comparison of obtained dependences with information of other researches on this topic allows to obtain some conclusions about nature of magnetism in the samples. It emphasizes importance and actuality of this scientific work.

Membrane development for oil contaminated water treatments

The aim of this Master’s thesis study was to develop a membrane for oil contaminated water treatments. Oily wastewaters are a big problem to environment and therefore it is important to find an efficient method for their treatment. There are several treatment methods, but one of the most promising methods is membrane filtration. In the theoretical part of this study the membrane technology and polymeric membrane preparation with phase inversion and membrane modification methods was discussed. It was also told about the most important properties of the membranes. Oily waters, their treatment methods and oily wastewater sources were discussed more specifically. In the experimental part membranes from cellulose acetate were prepared and membranes were modified with two different methods. Modification methods were surface modification and polymer mixing. The modification purpose was to make membranes more hydrophilic and increase surface charge, which can reduce fouling. Membranes were characterized by determining zeta potential, contact angle, oil retention, pure water permeability, pressure-normalized flux and fouling. It were used both synthetic and real spent oil-water emulsion in membrane filtration. Surface modification resulted membranes, which had better properties than unmodified membrane. The amount of substance used in surface modification affected a lot to membrane properties, so it would be necessary to try different amounts of substance to develop the best membrane for oil-water emulsion treatment.

Suodattimen simulointi Aspen Plus simulointiohjelmistolla

Tässä työssä tutkittiin Aspen Plus-ohjelmiston soveltuvuutta suodattimen simulointiin. Tämän työn kirjallisuusosassa on esitelty eri suodatusmekanismit sekä joitain prosessisimulointiin soveltuvia ohjelmistoja lähdekirjallisuuden perusteella. Kokeellisessa osassa on tutkittu Aspen Plus-ohjelmiston soveltuvuutta suodattimen simuloimiseen. Simulointi suoritettiin käyttäen Aspenin suodatinmoduulin suunnittelumallia. Lähtökohtana käytettiin buchnersuppilolla ZnS-suspensiolle tehtyä koesuodatusta, jonka perusteella saatiin lähtöparametrien, kuten kakun- ja kankaan vastusten arvot. Simuloinnissa mitoitettiin samalle kapasiteetille rumpusuodatin, jonka suodatuspinta-alaa ja kiintoainekakun tilavuutta verrattiin koesuodatuksen vastaaviin arvoihin. Lisäksi vastaava simulointi suoritettiin filtration-and-separation.com sivuston omaa vakiopaineisen vakuumisuodattimen simulointiin tarkoitettua laskentapohjaa käyttäen, jonka tuloksia verrattiin myös Aspenilla saatuihin simulointituloksiin.

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.

Typenpoiston tehostaminen kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa membraanibioreaktorin avulla

Tämä diplomityö tehtiin Vihdin Vesihuoltolaitoksen Nummelan jäteveden puhdistamolle. Työssä tutkittiin typenpoistoa kunnallisista jätevesistä membraanibioreaktorin (MBR) avulla. MBR:ssä yhdistyvät perinteinen aktiivilieteprosessi ja kalvosuodatus. Työn tavoite oli päästä yli 95 % typenpoistoon. Aluksi typenpoisto oli yli 80 %, kun pilot-mittakaavan MBR-laitosta operoitiin perinteisen prosessin parametrein. Typenpoistoa onnistuttiin tehostamaan nostamalla nitraattipitoisen palautuslietteen kierrätystä prosessin alkupäähän (1600 L/h) ja lisäämällä aktiivista biomassaa reaktorissa. Yli 90 % typenpoisto edellytti myös pidempää viipymäaikaa (noin kaksinkertainen perinteiseen prosessiin verrattuna). Tutkimuksessa päästiin parhaimmillaan jopa 95 % typenpoistumaan operoimalla laitteistoa pienellä typpikuormalla (0,1 kg/vrk) ja alhaisemmalla lietepitoisuudella (10 g/L). Typpikuorman noustessa (0,3 kg/vrk) typenpoistoteho laski. Tätä onnistuttiin parantamaan (yli 90 %) nostamalla biomassan määrää reaktorissa (15 g/L). Hyvän typenpoiston saavuttaminen edellytti myös suurempaa metanolin ja hapen syöttöä.

Kunnallisen jätevedenkäsittelyn tehostaminen membraanitekniikan avulla – esimerkkinä Savitaipaleen jätevedenpuhdistamo

Työssä tutkittiin mahdollisuutta tehostaa kunnallista jätevedenpuhdistusta membraanitekniikkaa käyttäen. Teoriaosassa perehdyttiin kunnallisen jäteveden omi-naisuuksiin ja perinteiseen puhdistusprosessiin. Tämän lisäksi membraanien yleisiä ominaisuuksia, membraanityyppien kykyä erottaa jäteveden sisältämiä yhdisteitä sekä erilaisia mahdollisuuksia membraanisuodatukselle perinteisen jäteve-denpuhdistusprosessin yhteydessä käytiin läpi. Kokeellisessa osassa keskityttiin Savitaipaleen puhdistamon puhdistetun jäteveden laadun parantamiseen membraanisuodatukseen perustuvalla jälkikäsittely-yksiköllä eli tertiäärisuodatuksella. Erilaisia paineavusteisia membraanitekniikoita (MF, UF, NF ja RO) tutkittiin jäteveden puhdistamiseksi ja erotustehokkuuden vertailemiseksi. Tavoitteena oli löytää tehokas ja käytännössä toimiva tapa poistaa fosforia ja typpeä puhdistetusta jätevedestä. Tasomaisilla membraaneilla tehdyissä suodatuksissa MF-membraanit poistivat tehokkaasti fosforia (97 – 98 %) sekä kiintoainesta (100 %) jätevedestä. RO-membraanit alensivat fosfori- (100 %) ja typpipitoisuutta (90 – 94 %) tehokkaasti, poistaen myös liuenneita orgaanisia yhdisteitä (DOC, 90 – 94 %). Mikrosuodatukseen perustuvilla onttokuitumembraaneilla saavutettiin tehokkaan fosforinpoiston lisäksi tasainen kapasiteetti suodatuksen aikaista puhdistusmene-telmää optimoimalla. Pitoisuusalenemat olivat myös erittäin korkeita fosforille (97 – 99 %), kiintoaineelle (100 %), sameudelle (96 – 99 %) sekä COD:lle (38 – 55 %). Tulosten perusteella membraanitekniikkaan perustuva onttokuitusuodatus olisi tehokas ja toimiva jälkikäsittelyprosessi fosforinpoistoon ja jäteveden laadun pa-rantamiseen. Typen poistamiseen parhaiten toimi RO-membraani.

Teollinen öljyn erotus koalesenssisuodatuksella väliaineessa

Koalesenssi on ilmiö, jossa dispergoidun faasin pisarat pyrkivät muodostamaan suurempia pisaroita kunnes erotettava faasi muodostuu. Koalesenssi tapahtuu kolmessa päävaiheessa, jotka ovat lähestyminen, kiinnittyminen ja irrotus. Lähestymiseen vaikuttavat mekanismit ovat muuan muassa sieppaus, diffuusio, törmäysvaikutus, sedimentaatio, sähköiset repul-siovoimat ja van der Waalsin voimat. Kiinnittymisvaiheessa dispergoidun faasin pisarat syrjäyttävät väliaineen nestekalvon samalla kostuttaen väliaineen pinnan. Irrotusvaiheessa pisaran hydrodynaaminen voima voittaa pisaran ja väliaineen välisen adheesiovoiman. Koalesenssin tehokkuuteen vaikuttavat useat eri parametrit kuten virtausnopeus, pedin ominaisuudet, väliaineen ominaisuudet sekä emulsion ominaisuudet. Nämä kaikki asiat tulee ottaa huomioon koalesenssisuodatuksen suunnittelussa. Koalesenssisuodatus lukeutuu syväsuodatusmenetelmiin, jotka on ollut käytössä jo yli 100 vuotta. Koalesenssisuodatusmenetelmä on tehokas menetelmä pienten pisaroiden erottami-seen. Menetelmää käytetään esimerkiksi öljyisten jätevesien puhdistuksessa. Teollisen öljyn syväsuodatuksen etuihin kuuluu muun muassa sen kompakti koko, alhaisemmat käyt-tökustannukset, korkea erotusaste, kyky erotella pienetkin pisarat sekä helppo operointi, automatisointi ja huolto. Suurin haittapuoli on kuitenkin väliaineen tukkeutuminen, joten prosessi vaatii puhdistuksen tai väliaineen uusimisen. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli koota kirjallisuustyö öljyn koalesenssisuodatuk-sesta. Työssä kartoitettiin koalesenssisuodatuksen lähtökohdat, teoria, tärkeimmät teolli-suuden sovellukset sekä väliaineet.

Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa. Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina. Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen. Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.

Maximizing of water recovery in nanofiltration of mine process waters by using antiscalants

Reverse osmosis and nanofiltration are among the most effective and widely used desalination and water softening technologies. They can also be used to treat mining wastewaters and are capable of producing water of extremely high purity, regardless of the high concentrations of toxic heavy metals and extreme pH and salinity. However, challenges with recovering the salts and metals from mining wastewaters in exploitable form, as well as problems with scaling still limit the process efficiency and the ratio of purified water recoverable from process waters. To address the problem of membrane scaling caused by calcium sulfate, batch filtration experiments with the Desal-5 DL nanofiltration membrane, three commercial antiscalants and actual mine process water from a copper mine were performed. The aim of these experiments was to find process conditions where maximum water recovery would be achieved before significant scaling or irreversible membrane fouling would occur and to further improve water recovery by addition of antiscalants. Water recovery of 70 % was reached with the experimental setups by optimizing process conditions. PC-504T antiscaling agent was determined to be the most effective of the three antiscalants used and the addition of 5 ppm of PC-504T allowed the water recovery to be further increased from 70 % to 85 % before major scaling was observed. In these conditions 92 % calcium rejection was achieved.

Isolation and Characterization of Ovomucin - a Bioactive Agent of Egg White

The hen’s egg is a source of new life. Therefore, it contains many biologically active compounds. In addition to being a very nutritious food and also commonly used in the food industry due to its many techno-functional properties, the egg can serve as a source of compounds used as nutra-, pharmaand cosmeceuticals. One such interesting compound is ovomucin, an egg white protein responsible for the gel-like properties of thick egg white. Previous studies have indicated that ovomucin and ovomucin-derived peptides have several different bioactive properties. The objectives of the present study were to develop isolation methods for ovomucin, to characterize the structure of ovomucin, to compare various egg fractions as sources of ovomucin, to study the effects of various dissolving methods for ovomucin, and to investigate the bioactive properties of ovomucin and ovomucin-derived peptides. A simple and rapid method for crude ovomucin separation was developed. By using this method crude ovomucin was isolated within hours, compared to the 1-2 days (including a dialysis step) needed when using several other methods. Structural characterization revealed that ovomucin is composed of two subunits, α- and β-ovomucin, as egg white protein formerly called α1-ovomucin seemed to be ovostatin. However, it might be possible that ovostatin is associated within β- and α-ovomucin. This interaction could even have some effect on the physical nature of various egg white layers. Although filtration by-product fraction was a very prominent source of both crude and β-ovomucin, process development has reduced its amount so significantly that it has no practical meaning anymore. Thus, the commercial liquid egg white is probably the best option, especially if it generally contains amounts of β-ovomucin as high as were found in these studies. Crude ovomucin was dissolved both by using physical and enzymic methods. Although sonication was the most effective physical method for ovomucin solubilisation, colloid milling seemed to be a very promising alternative. A milk-like, smooth and opaque crude ovomucin suspension was attained by using a colloid mill. The dissolved ovomucin fractions were further tested for bioactive properties, and it was found that three dissolving methods tested produced moderate antiviral activity against Newcastle disease virus, namely colloid milling, enzymatic hydrolysis and a combination of sonicaton and enzymatic hydrolysis. Moreover, trypsin-digested crude ovomucin was found to have moderate antiviral activity against avian influenza virus: both subtype H5 and H7.

Suodattimessa tapahtuvan kiintoaineen laskeutumisen vaikutus suodinkakun ominaisuuksiin

Laskeutus ja suodatus ovat paljon tutkittuja ja laajassa käytössä olevia mekaanisia erotusmenetelmiä. Laskeutumisen vaikutusta suodatuksen yhteydessä ei kuitenkaan ole tutkittu juurikaan. Tämän työn tavoitteena on selvittää suodattimessa ennen vakiopaine suodatusta tapahtuvan kiintoaineen laskeutumisen vaikutusta suodatuksen tuloksiin. Työn kirjallisuusosuudessa käsitellään työhön liittyvää teoriaa partikkelikokojakaumista, laskeutumisesta, suodatuksesta ja flokkulanttien käytöstä sekä tehdään yhteenvetoa aiemmasta laskeutumista ja suodatusta yhdistävästä tutkimuksesta. Koska käsitellyt aiheet ovat laajoja ja niitä on useita, joudutaan teorian esittämisessä tekemään rajauksia. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan suodattimessa tapahtuvan laskeutuksen vaikutusta suodatukseen. Kokeet suoritetaan 20 m-% kalsiumkarbonaattilietteellä. Kokeissa tutkitaan laskeutumisen vaikutusta antamalla lietteen laskeutua suodattimessa tietyn ajan ennen suodatuksen aloitusta. Lisäksi tutkitaan flokkulanttien lisäämisen vaikutusta mahdollisiin ilmiöihin. Koetuloksista nähdään pidemmän laskeutusajan ennen suodatusta alentavan kakun keskimääräistä ominaisvastusta ja vaikutus kasvaa merkittävästi kun lietteeseen on lisätty flokkulanttia. Suodatusta edeltävä laskeutus siis helpottaa varsinaista suodatusta.

Modification of Photocatalyst with Enhanced Photocatalytic Activity for Water

Increasing demand and shortage of energy resources and clean water due to the rapid development of industry, population growth and long term droughts have become an issue worldwide. As a result, global warming, long term droughts and pollution-related diseases are becoming more and more serious. The traditional technologies, such as precipitation, neutralization, sedimentation, filtration and waste immobilization, cannot prevent the pollution but restrict the waste chemicals only after the pollution emission. Meanwhile, most of these treatments cannot thoroughly degrade the contaminants and may generate toxic secondary pollutants into ecosystem. Heterogeneous photocatalysis as the innovative wastewater technology attracts many attention, because it is able to generate highly reactive transitory species for total degradation of organic compounds, water pathogens and disinfection by-products. Semiconductor as photocatalysts have demonstrated their efficiency in degrading a wide range of organics into readily biodegradable compounds, and eventually mineralized them to innocuous carbon dioxide and water. But, the efficiency of photocatalysis is limited, and hence, it is crucial issue to modify photocatalyst to enhance photocatalytic activity. In this thesis, first of all, two literature views are conducted. A survey of materials for photocatalysis has been carried out in order to summarize the properties and the applications of photocatalysts that have been developed in this field. Meanwhile, the strategy for the improvement of photocatalytic activity have been explicit discussed. Furthermore, all the raw material and chemicals used in this work have been listed as well as a specific experimental process and characterization method has been described. The synthesize methods of different photocatalysts have been depicted step by step. Among these cases, different modification strategies have been used to enhance the efficiency of photocatalyst on degradation of organic compounds (Methylene Blue or Phenol). For each case, photocatalytic experiments have been done to exhibit their photocatalytic activity.The photocatalytic experiments have been designed and its process have been explained and illustrated in detailed. Moreover, the experimental results have been shown and discussion. All the findings have been demonstrated in detail and discussed case by case. Eventually, the mechanisms on the improvement of photocatalytic activities have been clarified by characterization of samples and analysis of results. As a conclusion, the photocatalytic activities of selected semiconductors have been successfully enhanced via choosing appropriate strategy for the modification of photocatalysts.

Flow in porous media of oil-water systems

Fluid flow behaviour in porous media is a conundrum. Therefore, this research is focused on filtration-volumetric characterisation of fractured-carbonate sediments, coupled with their proper simulation. For this reason, at laboratory rock properties such as pore volume, permeability and porosity are measured, later phase permeabilities and oil recovery in function of flow rate are assessed. Furthermore, the rheological properties of three oils are measured and analysed. Finally based on rock and fluid properties, a model using COMSOL Multiphysics is built in order to compare the experimental and simulated results. The rock analyses show linear relation between flow rate and differential pressure, from which phase permeabilities and pressure gradient are determined, eventually the oil recovery under low and high flow rate is established. In addition, the oils reveal thixotropic properties as well as non-Newtonian behaviour described by Bingham model, consequently Carreau viscosity model for the used oil is given. Given these points, the model for oil and water is built in COMSOL Multiphysics, whereupon successfully the reciprocity between experimental and simulated results is analysed and compared. Finally, a two-phase displacement model is elaborated.

Bio and chemocatalysis for stereo and regioselective one-pot reaction applications

The development of cost efficient, selective and sustainable chemical processes for production of chiral building blocks is of great importance in synthetic and industrial organic chemistry. One way to reach these objectives is to carry out several reactions steps in one vessel at one time. Furthermore, when this kind of one-pot multi step reactions are catalyzed by heterogeneous chemo- and bio-catalysts, which can be separated from the reaction products by filtration, practical access to chiral small molecules for further utilization can be obtained. The initial reactions studied in this thesis are the two step dynamic kinetic resolution of rac-2-hydroxy-1-indanone and the regioselective hydrogenation of 1,2-indanedione. These reactions are then combined in a new heterogeneously catalyzed one-pot reaction sequence enabling simple recovery of the catalysts by filtration, facilitating simple reaction product isolation. Conclusively, the readily available 1,2-indanedione is by the presented one-pot sequence, utilizing heterogeneous enzyme and transition metal based catalysts, transferred with high regio- and stereoselectivity to a useful chiral vicinal hydroxyl ketone structure. Additional and complementary investigation of homogeneous half-sandwich ruthenium complexes for catalyzing the epimerization of chiral secondary alcohols of five natural products containing additional non-functionalized stereocenters was conducted. In principle, this kind of epimerization reactions of single stereocenters could be utilized for converting inexpensive starting materials, containing other stereogenic centers, into diastereomeric mixtures from which more valuable compounds can be isolated by traditional isolation techniques.