Adsorption of hydrogen sulfide by modified cellulose nano/microcrystals

Hydrogen sulfide is toxic and hazardous pollutant. It has been under great interest for past few years because of all the time tighten environmental regulations and increased interest of mining. Hydrogen sulfide gas originates from mining and wastewater treatment systems have caused death in two cases. It also causes acid rains and corrosion for wastewater pipelines. The aim of this master thesis was to study if chemically modified cellulose nanocrystals could be used as adsorbents to purify hydrogen sulfide out from water and what are the adsorption capacities of these adsorbents. The effects of pH and backgrounds on adsorption capacities of different adsorbents are tested. In theoretical section hydrogen sulfide, its properties and different purification methods are presented. Also analytical detection methods for hydrogen sulfide are presented. Cellulose nano/microcrystals, properties, application and different modification methods are discussed and finally theory of adsorption and modeling of adsorption is shortly discussed. In experimental section different cellulose nanocrystals based adsorbents are prepared and tested at different hydrogen sulfide concentrations and in different conditions. Result of experimental section was that the highest adsorption capacity at one component adsorption had wet MFC/CaCO3. At different pH the adsorption capacities of adsorbents changed quite dramatically. Also change of hydrogen sulfide solution background did have effect on adsorption capacities. Although, when tested adsorbents’ adsorption capacities are compared to those find in literatures, it seems that more development of MFC based adsorbents is needed.

Modified nano- and microcellulose based adsorption materials in water treatment

In recent decades, industrial activity growth and increasing water usage worldwide have led to the release of various pollutants, such as toxic heavy metals and nutrients, into the aquatic environment. Modified nanocellulose and microcellulose-based adsorption materials have the potential to remove these contaminants from aqueous solutions. The present research consisted of the preparation of five different nano/microcellulose-based adsorbents, their characterization, the study of adsorption kinetics and isotherms, the determination of adsorption mechanisms, and an evaluation of adsorbents’ regeneration properties. The same well known reactions and modification methods that were used for modifying conventional cellulose also worked for microfibrillated cellulose (MFC). The use of succinic anhydride modified mercerized nanocellulose, and aminosilane and hydroxyapatite modified nanostructured MFC for the removal of heavy metals from aqueous solutions exhibited promising results. Aminosilane, epoxy and hydroxyapatite modified MFC could be used as a promising alternative for H2S removal from aqueous solutions. In addition, new knowledge about the adsorption properties of carbonated hydroxyapatite modified MFC as multifunctional adsorbent for the removal of both cations and anions ions from water was obtained. The maghemite nanoparticles (Fe3O4) modified MFC was found to be a highly promising adsorbent for the removal of As(V) from aqueous solutions due to its magnetic properties, high surface area, and high adsorption capacity . The maximum removal efficiencies of each adsorbent were studied in batch mode. The results of adsorption kinetics indicated very fast removal rates for all the studied pollutants. Modeling of adsorption isotherms and adsorption kinetics using various theoretical models provided information about the adsorbent’s surface properties and the adsorption mechanisms. This knowledge is important for instance, in designing water treatment units/plants. Furthermore, the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent as well as adsorption mechanisms were also discussed. On the whole, both the experimental results and theoretical considerations supported the potential applicability of the studied nano/microcellulose-based adsorbents in water treatment applications.

Adsorption of arsenic from ammonia containing waste water by ferrous hydroxide waste

Arsenic is a toxic substance. The amount of arsenic in waste water is a raising problem because of increasing mining industry. Arsenic is connected to cancers in areas where arsenic concentration in drinking water is higher than recommendations. The main object in this master’s thesis was to research how ferrous hydroxide waste material is adsorbed arsenic from ammonia containing waste water. In this master’s thesis there is two parts: theoretical and experimental part. In theoretical part harmful effects of arsenic, theory of adsorption, isotherms modeling of adsorption and analysis methods of arsenic are described. In experimental part adsorption capacity of ferrous hydroxide waste material and adsorption time with different concentrations of arsenic were studied. Waste material was modified with two modification methods. Based on experimental results the adsorption capacity of waste material was high. The problem with waste material was that at same time with arsenic adsorption sulfur was dissolving in solution. Waste material was purified from sulfur but purification methods were not efficient enough. Purification methods require more research.

An EDTA-β-cyclodextrin adsorbent for the adsorption of rare earth elements and its application in preconcentration of ultratrace rare earth elements from seawater

The objectives of this work were synthesizing an EDTA-β-CD adsorbent and investigating its adsorption potential and applications in preconcentration of REEs from aqueous phase. The adsorption capacity of EDTA-β-CD was investigated. The adsorption studies were performed by batch techniques both in one- and multi-component systems. The effects of pH, contact time and initial concentration were evaluated. The analytical detection methods and characterization methods were presented. EDTA-β-CD adsorbent was synthesized successfully with high EDTA coverage. The maximum REEs uptake was 0.310 mmol g-1 for La(III), 0.337 mmol g-1 for Ce(III) and 0.353 mmol g-1 for Eu(III), respectively. The kinetics of REEs onto EDTA-β-CD fitted well to pseudo-second-order model and the adsorption rate was affected by intra-particle diffusion. The experimental data of one component studies fitted to Langmuir isotherm model indicating the homogeneous surface of the adsorbent. The extended Sips model was applicable for the isotherm studies in three-component system. The electrostatic interaction, chelation and complexation were all involved in the adsorption mechanism. The preconcentration of RE ions and regeneration of EDTA-β-CD were successful. Overall, EDTA-β-CD is an effective adsorbent in adsorption and preconcentration of REEs.

Investigation of adsorption of dyes onto modified titanium dioxide

Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles with different sizes and crystalloid structures produced by the thermal method and doped with silver iodide (AgI), nitrogen (N), sulphur (S) and carbon (C) were applied as adsorbents. The adsorption of Methyl Violet (MV), Methylene Blue (MB), Methyl Orange (MO) and Orange II on the surface of these particles was studied. The photocatalytic activity of some particles for the destruction of MV and Orange II was evaluated under sunlight and visible light. The equilibrium adsorption data were fitted to the Langmuir, Freundlich, Langmuir-Freundlich and Temkin isotherms. The equilibrium data show that TiO2 particles with larger sizes and doped with AgI, N, S and C have the highest adsorption capacity for the dyes. The kinetic data followed the pseudo-first order and pseudo-second order models, while desorption data fitted the zero order, first order and second order models. The highest adsorption rate constant was observed for the TiO2 with the highest anatase phase percentage. Factors such as anatase crystalloid structure, particle size and doping with AgI affect the photocatalytic activity significantly. Increasing the rutile phase percentage also decreases the tendency to desorption for N-TiO2 and S-TiO2. Adsorption was not found to be important in the photocatalytic decomposition of MV in an investigation with differently sized AgI-TiO2 nanoparticles. Nevertheless C-TiO2 was found to have higher adsorption activity onto Orange II, as the adsorption role of carbon approached synchronicity with the oxidation role.

Arvometallien selektiivinen erottaminen kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin jalometallien selektiivistä erottamista kloridiliuoksista synteettisten polymeerihartsien avulla. Laboratoriokokeissa keskityttiin tutkimaan kullan erottamista hydrofiilisen polymetakrylaattipohjaisen adsorbentin avulla. Lähtökohtana oli platinarikaste, joka sisälsi kullan lisäksi platinaa, palladiumia, hopeaa, kuparia, rautaa, vismuttia, seleeniä ja telluuria. Mittauksissa tutkittiin eri metallien ja puolimetallien adsorptiota hartsiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Työssä käytettiin myös adsorption simulointiin monikomponenttierotuksen dynaamiseen mallintamiseen tarkoitettua tietokoneohjelmaa, johon tarvittavat parametrit estimoitiin kokeellisen datan avulla. Tasapainokokeet yhtä metallia sisältäneistä liuoksista osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti kultaa kaikissa tutkituissa suolahappopitoisuuksissa (1-6 M). Kulta muodostaa hartsiin hyvin adsorboituvia tetrakloroauraatti(III)ioneja, [AuCl4]-, jotka ovat erittäin stabiileja pieniin kloridipitoisuuksiin saakka. Suolahappopitoisuudella oli merkitystä ainoastaan raudan adsorptioon, joka kasvoi huomattavasti suolahappopitoisuuden noustessa johtuen raudan taipumuksesta muodostaa hyvin adsorboituvia [FeCl4]--ioneja väkevissä suolahappopitoisuuksissa. Muiden tutkittujen alkuaineiden adsorptiot jäivät alhaisiksi kaikilla suolahappopitoisuuksilla. Rikasteliuoksella tehdyt tasapainokokeet osoittivat, että adsorptiokapasiteetti kullalle riippuu voimakkaasti muista läsnäolevista komponenteista. Kilpaileva adsorptio kuvattiin Langmuir-Freundlich-isotermillä. Kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kullan lisäksi hieman myös rautaa ja telluuria, jotka saatiin kuitenkin eluoitua hartsista täysin 5 M suolahappopesulla ja sitä seuraavalla 1 M suolahappopesulla. Tehokkaaksi liuokseksi kullan desorboimiseen osoittautui asetonin ja 1 M suolahapon seos. Kolonnierotuksen eri vaiheet pystyttiin tyydyttävästi kuvaamaan simulointimallilla.

Polymeeriadsorbenttien käyttö kromatografisessa erotuksessa

Polymeeriadsorbentteja valmistetaan silloittamalla styreeniä, akrylaattia tai fenoliformaldehydiä. Useimmiten ristisilloittajana toimii divinyylibentseeni. Polymeeriadsorbenteissa ei itsessään ole ioninvaihtoryhmiä, joten ne sopivat ionittomien ja heikosti ionisoitujen aineiden adsorptioon. Usein polymeeriadsorbentteja käytetään vaihtoehtona aktiivihiilelle eri sovelluksissa. Työn kirjallisuusosassa on katsaus polymeeriadsorbenttien sovelluksiin lähinnä elintarviketeollisuudessa. Lisäksi siinä selvitetään polymeeriadsorbenttien rakennetta ja synteesimenetelmiä. Kokeellisessa osassa tutkittiin valittujen styreeni- ja akrylaattipohjaisten polymeeriadsorbenttien soveltuvuutta kromatografisen erotuksen stationaarifaasiksi. Kromatografia-ajoissa käytettiin eluenttina vettä, jonka lämpötila oli pääasiassa joko 75 tai 125 °C. Jälkimmäisessä lämpötilassa vesi on paineistettua neste, jota kutsutaan myös alikriittiseksi vedeksi. Malliaineina oli eri sokereita, aminohappoja sekä bentsoehappoa ja bentsyylialkoholia. Kromatografisen soveltuvuuden lisäksi selvitettiin adsorbenttien termistä kestävyyttä ja rakennetta. Termisesti polymeeriadsorbentit kestivät hyvin lämpötiloja 125 °C:eseen saakka. Polymeeriadsorbenteilla, joilla on suuri ominaispinta-ala, on myös suuri adsorptiokapasiteetti. Styreenipohjaiset adsorbentit erottivat kaikkia tutkittuja malliaineita akrylaattipohjaisia paremmin. Jotkut adsorbentit eivät erottaneet mitään tutkituista yhdisteistä. Lämpötilan nostaminen kavensi piikkejä ja nopeutti malliaineiden retentoitumista, mutta ei parantanut erottumista.

Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

Kullan talteenotto takaisinuuttoliuoksista

Työssä tutkittiin kirjallisuuden ja laboratoriomittausten avulla vaihtoehtoja kullan pelkistämiseen ja talteenottoon kultauuton takaisinuuttoliuoksista. Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla saadaan puhdasta kiinteää lopputuotetta ilman kullan häviöitä. Käytettyjä pelkistimiä olivat D-(+)-glukoosi, natriumboorihydridi, L-askorbiinihappo, D-(-)-isoaskorbiinihappo ja aktiivihiili. Laboratoriokokeiden perusteella D-(-)-isoaskorbiinihappo sekä aktiivihiili olivat sopivimmat pelkistimet kokeissa käytetylle kultaliuokselle. Isoaskorbiinihapolla suoritettiin panoskokeita lasireaktorissa eri alku-pH:ssa sekä erilaisilla pelkistimen ja kullan moolisuhteilla. Tulosten perusteella havaittiin pH:n ja pelkistimen ylimäärän vaikuttavan merkittävästi lopputuotteen puhtauteen. Myös redox-potentiaalia säätämällä ja happopesulla pelkistyksen jälkeen voidaan vaikuttaa lopputuotteen puhtauteen. Aktiivihiilellä suoritettiin panoskokeita adsorptiotasapainojen (latausisotermi) ja kinetiikan tutkimiseksi. Hiileen on mahdollista saada kultaa 383 mg/g kuivaa hiiltä. Suurempi lataus voitaisiin saavuttaa käyttämällä hiiltä, jolla on pienempi partikkelikoko. Kolonnikokeita tehtiin eri virtausnopeuksilla. Kolonnikokeissa kullan dynaaminen adsorptiokapasiteetti hiileen odotetusti kasvoi virtausnopeuden laskiessa. Pienin käytetty virtausnopeus oli 2,40 BV/h, jolloin kapasiteetti oli 75,4 mg/g kuivaa hiiltä (c (Au feed) = 129 mg/L). Kullasta voidaan poistaa myös kolonnipelkistyksen jälkeen epäpuhtauksia happopesulla. Isoaskorbiinihapolla pelkistyksen kinetiikka on nopea ja sillä saatiin pelkistettyä puhdasta lopputuotetta. Sekä isoaskorbiinihappo, että aktiivihiili ovat potentiaalisia menetelmiä kullan talteenottoon.

Characterization of amine-based CO2 adsorbent for Direct Air Capture

Direct air capture technologies extract CO2 from air at a concentration of as low as 400ppm. The captured CO2 can be used for the production of synthetic methane or liquid fuels. In the literature survey of this thesis, results related to direct air capture by using solid sorbents are presented and critically discussed. In the experimental part, a proprietary amine functionalized resin is characterized for direct air capture. Structural comparison is also made to a commercial resin of similar type. Based on the literature survey, the most important parameters in direct air capture process are low adsorption and desorption temperatures, good cyclic stability in dry and humid conditions, high CO2 outlet purity and a high working capacity. Primary amine functionalized solid sorbents are found to often have good qualities for direct air capture, but overall process performance is rarely studied exhaustively. Based on FTIR spectra, both resin adsorbents are found to be consisted of polystyrene functionalized with primary amine, and capture CO2 by forming carbamate. The commercial resin is more porous, has a slightly higher particle size and contains fewer impurities. Important physical parameters are gained of the proprietary resin, such as internal porosity and median particle size. The resin’s amine group is found to endure thermal treatment reasonably well. CO2 adsorption capacity gained by thermal gravimetry from 400ppm CO2 is highest at 25oC, and is found to be reasonable compared to values presented in literature. Thus, the resin is stated to exhibit promising qualities for direct air capture.

Kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistäminen biojalostamon erotusprosesseissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistämistä biojalostamon erotusprosesseissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien erottamista puusta, kalvosuodatusta hemiselluloosien käsittelyssä sekä hemiselluloosien pilkkomista sokereiksi ja sokereiden kromatografista erotusta. Kokeellisessa osassa tutkittiin hemiselluloosahydrolysaatin fraktioimista kalvosuodatuksella ja adsorbenttikäsittelyn vaikutusta hydrolysaatin suodatettavuuteen. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös fraktioinnin vaikutusta hartsien likaantumiseen happohydrolyysin jälkeisessä kromatografisessa erotuksessa. Työssä kokeiltiin useita erilaisia kalvoja, mutta suurin osa suodatuksista tehtiin regeneroidusta selluloosasta valmistetulla kalvolla UC030 ja polyeetterisulfoni kalvolla UFX5. Esikäsittelyyn käytettiin XAD16 adsorbenttia ja hartsien likaantumista tutkittiin CS12GC Na+ hartsilla. Suodatuskokeet tehtiin sekä laboratoriomittakaavan Amicon-suodattimella että pilot-mittakaavan CR- suodattimella. Työn tulokset osoittivat, että konsentroituneen hemiselluloosafraktion tuottaminen tehokkaasti ei onnistu kalvosuodatuksella ilman esikäsittelyä. Kalvon likaantumisen vuoksi permeaattivuo laski hyvin nopeasti niin alhaiseksi, ettei suodatuksen jatkaminen olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolysaatin esikäsittely XAD16 adsorbentillä poisti tehokkaasti kalvoja likaavia uuteaineita ja ligniiniä. Adsorbenttikäsittelyn jälkeen hydrolysaatin suodattaminen onnistui ilman permeaattivuon huomattavaa alenemista toisessa suodatusvaiheessa ja saatiin aikaiseksi hyvin konsentroitunut hemiselluloosafraktio.

Capacity of riparian buffer zones to reduce sediment concentrations in discharge from peatlands drained for forestry

Abstract

Timing of Capacity Change: Models for Capital Intensive Industry

The suitable timing of capacity investments is a remarkable issue especially in capital intensive industries. Despite its importance, fairly few studies have been published on the topic. In the present study models for the timing of capacity change in capital intensive industry are developed. The study considers mainly the optimal timing of single capacity changes. The review of earlier research describes connections between cost, capacity and timing literature, and empirical examples are used to describe the starting point of the study and to test the developed models. The study includes four models, which describe the timing question from different perspectives. The first model, which minimizes unit costs, has been built for capacity expansion and replacement situations. It is shown that the optimal timing of an investment can be presented with the capacity and cost advantage ratios. After the unit cost minimization model the view is extended to the direction of profit maximization. The second model states that early investments are preferable if the change of fixed costs is small compared to the change of the contribution margin. The third model is a numerical discounted cash flow model, which emphasizes the roles of start-up time, capacity utilization rate and value of waiting as drivers of the profitable timing of a project. The last model expands the view from project level to company level and connects the flexibility of assets and cost structures to the timing problem. The main results of the research are the solutions of the models and analysis or simulations done with the models. The relevance and applicability of the results are verified by evaluating the logic of the models and by numerical cases.