Iron(III) as Lewis acid catalyst in organosilicon and carbonyl chemistry

Iron is one of the most common elements in the earth’s crust and thus its availability and economic viability far exceed that of metals commonly used in catalysis. Also the toxicity of iron is miniscule, compared to the likes of platinum and nickel, making it very desirable as a catalyst. Despite this, prior to the 21st century, the applicability of iron in catalysis was not thoroughly investigated, as it was considered to be inefficient and unselective in desired transformations. In this doctoral thesis, the application of iron catalysis in combination with organosilicon reagents for transformations of carbonyl compounds has been investigated together with insights into iron catalyzed chlorination of silanes and silanols. In the first part of the thesis, the synthetic application of iron(III)-catalyzed chlorination of silanes (Si-H) and the monochlorination of silanes (SiH2) using acetyl chloride as the chlorine source is described. The reactions proceed under ambient conditions, although some compounds need to be protected from excess moisture. In addition, the mechanism and kinetics of the chlorination reaction are briefly adressed. In the second part of this thesis a versatile methodology for transformation of carbonyl compounds into three different compound classes by changing the conditions and amounts of reagents is discussed. One pot reductive benzylation, reductive halogenation and reductive etherification of ketones and aldehydes using silanes as the reducing agent, halide source or cocatalyst, were investigated. Also the reaction kinetics and mechanism of the reductive halogenation of acetophenone are briefly discussed.

Preparative ion exchange for salt solutions

Työssä tutkittiin moniarvoisten metalliformiaattien valmistusta ioninvaihto-menetelmällä. Kirjallisuustutkimus käsitteleetunnettuja alumiiniformiaatin ja rautaformiaatin valmistusmenetelmiä, kationinvaihtohartsien ominaisuuksia, ioninvaihtohartsien selektiivisyyttä ja alumiinin, raudan, magnesiumin ja sinkin vesikemiaa. Laboratoriokokeiden avulla tutkittiin sinkki-, magnesium-, rauta(II)- ja alumiiniformiaattien valmistusta ioninvaihdolla. Kokeet suoritettiin kolonnissa, joka oli pakattu makrohuokoisella tai geelimäisellä vahvalla kationin-vaihtohartsilla. Hartsi vaihdettiin natriummuodosta metallimuotoon metallikloridi- tai metallisulfaattiliuoksella.Metalli eluoitiin hartsista natriumformiaatilla. Formiaattien valmistus onnistui makrohuokoista vahvaa kationinvaihtohartsia käyttämällä. Rauta(II)formiaatin valmistus oli vaikeampaa kuin muiden formiaattien, koska rauta(II) hapettui osittain rauta(III):ksi valmistuksen aikana. Alumiiniformiaattia valmistettiin käyttäen sekä makrohuokoista että geelimäistä hartsia. Makrohuokoisen hartsin havaittiin soveltuvan geelimäistä hartsia paremmin alumiiniformiaatin valmistukseen. Kungeelimäistä hartsia käytettiin, noin 30 % alumiinista jäi kiinni hartsiin eikä siten eluoitunut. Ioninvaihdon selektiivisyyskertoimien saamiseksi suoritettiin tasapainokokeita. Selektiivisyyskertoimia käytettiin ioninvaihtokolonnin dynaamisessa simuloinnissa. Ioninvaihdon simuloiminen dynaamisella kolonnimallilla onnistui hyvin.

Germaniumin talteenotto ioninvaihtohartseilla

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa germaniumin talteenottoa happamista hydrometallurgisista sulfaattiliuoksista käyttäen kaupallisia ioninvaihtohartseja. Germaniumin talteenottoa tutkittiin sekä tasapaino- että kolonnikokein syöttöliuoksista joiden pH oli alueella 0,8–3,0. Tutkituista hartseista parhaiten germanium voitiin erottaa käyttäen emäsmuotoista N-metyyli-D-glukamiini-tyyppistä ioninvaihtohartsia (esim. Rohm & Haasin IRA-743). Germaniumille määritettiin adsorptioisotermit tasapainokokein sekä emäs- että happomuotoisilla hartseilla. Adsorptioisotermien perusteella parhaiten germa-niumia adsorboi emäsmuotoinen IRA-743-hartsi kun liuoksen alku-pH oli tutkitun alueen korkein. Lämpötilassa 25 °C kapasiteetti oli 114 mg Ge/g. Tasapainokokein määritettiin emäsmuotoisilla hartseilla germaniumin lisäksi myös kuparia ja kobolttia sisältävillä liuoksilla Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co. Havaittiin, että IRA-743:lla alku-pH:ssa 3,0 Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co olivat selvästi suuremmat kuin muilla tutkituilla hartseilla. Arseenin, nikkelin, sinkin ja rauta(III):n adsorboitumista emäsmuotoiseen IRA-743:een tutkittiin monimetallisella liuoksella syöttöliuoksen pH:n ollessa alueella 1,4–3,6. Kokeissa havaittiin, että hartsi adsorboi hieman Ni:a ja Zn:a tasapaino-pH:n ollessa yli 5,5. Arseenia ei tutkitulla pH-alueella havaittu adsorboituvan. Lisäksi huomattiin, että rauta alkaa saostua pH:n ollessa hieman alle kolme. Kolonnikokeissa havaittiin, että emäsmuotoinen IRA-743-hartsi toimii hyvin germaniumin talteenotossa myös kolonnissa. Pelkästään germaniumia ja kobolttia sisältäneellä liuoksella hartsin dynaamiseksi kapasiteetiksi saatiin 54 mg Ge/g. Germaniumin eluointi IRA-743:sta onnistui parhaiten 0,5 M H2SO4:lla. Kolonnikokeita IRA-743:lla ajettiin myös monimetallisilla liuoksilla, mutta silloin havaittiin hartsin kapasiteetin pienenevän hartsin myrkyttymisen takia.

Optimization of the procedure for removing iron deposits on ceramic filter media

In this thesis, cleaning of ceramic filter media was studied. Mechanisms of fouling and dissolution of iron compounds, as well as methods for cleaning ceramic membranes fouled by iron deposits were studied in the literature part. Cleaning agents and different methods were closer examined in the experimental part of the thesis. Pyrite is found in the geologic strata. It is oxidized to form ferrous ions Fe(II) and ferric ions Fe(III). Fe(III) is further oxidized in the hydrolysis to form ferric hydroxide. Hematite and goethite, for instance, are naturally occurring iron oxidesand hydroxides. In contact with filter media, they can cause severe fouling, which common cleaning techniques competent enough to remove. Mechanisms for the dissolution of iron oxides include the ligand-promoted pathway and the proton-promoted pathway. The dissolution can also be reductive or non-reductive. The most efficient mechanism is the ligand-promoted reductive mechanism that comprises two stages: the induction period and the autocatalytic dissolution.Reducing agents(such as hydroquinone and hydroxylamine hydrochloride), chelating agents (such as EDTA) and organic acids are used for the removal of iron compounds. Oxalic acid is the most effective known cleaning agent for iron deposits. Since formulations are often more effective than organic acids, reducing agents or chelating agents alone, the citrate¿bicarbonate¿dithionite system among others is well studied in the literature. The cleaning is also enhanced with ultrasound and backpulsing.In the experimental part, oxalic acid and nitric acid were studied alone andin combinations. Also citric acid and ascorbic acid among other chemicals were tested. Soaking experiments, experiments with ultrasound and experiments for alternative methods to apply the cleaning solution on the filter samples were carried out. Permeability and ISO Brightness measurements were performed to examine the influence of the cleaning methods on the samples. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) analysis of the solutions was carried out to determine the dissolved metals.