Recovery of organic acids with liquid-liquid extraction contactors

Liquid-liquid extraction is a mass transfer process for recovering the desired components from the liquid streams by contacting it to non-soluble liquid solvent. Literature part of this thesis deals with theory of the liquid-liquid extraction and the main steps of the extraction process design. The experimental part of this thesis investigates the extraction of organic acids from aqueous solution. The aim was to find the optimal solvent for recovering the organic acids from aqueous solutions. The other objective was to test the selected solvent in pilot scale with packed column and compare the effectiveness of the structured and the random packing, the effect of dispersed phase selection and the effect of packing material wettability properties. Experiments showed that selected solvent works well with dilute organic acid solutions. The random packing proved to be more efficient than the structured packing due to higher hold-up of the dispersed phase. Dispersing the phase that is present in larger volume proved to more efficient. With the random packing the material that was wetted by the dispersed phase was more efficient due to higher hold-up of the dispersed phase. According the literature, the behavior is usually opposite.

The Role of Surfactant Properties of Extractants in Hydrometallurgical LiquidLiquid Extraction Processes

The amphiphilic nature of metal extractants causes the formation of micelles and other microscopic aggregates when in contact with water and an organic diluent. These phenomena and their effects on metal extraction were studied using carboxylic acid (Versatic 10) and organophosphorus acid (Cyanex 272) based extractants. Special emphasis was laid on the study of phase behaviour in a pre neutralisation stage when the extractant is transformed to a sodium or ammonium salt form. The pre neutralised extractants were used to extract nickel and to separate cobalt and nickel. Phase diagrams corresponding to the pre neutralisation stage in a metal extraction process were determined. The maximal solubilisation of the components in the system water(NH3)/extractant/isooctane takes place when the molar ratio between the ammonia salt form and the free form of the extractant is 0.5 for the carboxylic acid and 1 for the organophosphorus acid extractant. These values correspond to the complex stoichiometry of NH4A•HA and NIi4A, respectively. When such a solution is contacted with water a microemulsion is formed. If the aqueous phase contains also metal ions (e.g. Ni²+), complexation will take place on the microscopic interface of the micellar aggregates. Experimental evidence showing that the initial stage of nickel extraction with pre neutralised Versatic 10 is a fast pseudohomogeneous reaction was obtained. About 90% of the metal were extracted in the first 15 s after the initial contact. For nickel extraction with pre neutralised Versatic 10 it was found that the highest metal loading and the lowest residual ammonia and water contents in the organic phase are achieved when the feeds are balanced so that the stoichiometry is 2NH4+(org) = Nit2+(aq). In the case of Co/Ni separation using pre neutralised Cyanex 272 the highest separation is achieved when the Co/extractant molar ratio in the feeds is 1 : 4 and at the same time the optimal degree of neutralisation of the Cyanex 272 is about 50%. The adsorption of the extractants on solid surfaces may cause accumulation of solid fine particles at the interface between the aqueous and organic phases in metal extraction processes. Copper extraction processes are known to suffer of this problem. Experiments were carried out using model silica and mica particles. It was found that high copper loading, aromacity of the diluent, modification agents and the presence of aqueous phase decrease the adsorption of the hydroxyoxime on silica surfaces.

Determining, Balancing and Controlling of Pitch and White Pitch at Stora Enso Kabel Production Line 4

Työn ensimmäisenä tarkoituksena oli kartoittaa kiinteä-neste ja neste-neste uuttomenetelmillä pihkan ja valkopihkan määrä Stora Enso Kabelin tuotantolinja 4:llä. Työn kannalta oli myöstärkeää saada selvyys saostumien koostumuksesta. Lopullinen päämäärä oli automatisoida fiksatiivin annostelu uuden, jatkuvatoimisen märänpäänanalysaattorin avulla. Mäntyosuuden kasvattaminen hiokemassassa lisää hydrofobisten partikkeleiden lukumäärää, minkä uskotaan lisäävän saostumariskiä. Työtä varten kehitetty neste-neste uuttomenetelmä, jota ei ole liiemmin paperiteollisuudessa käytetty, voi olla hyvä menetelmä lipofiilisten komponenttien määrän arviointiin tietyssä määrässä massa- tai prosessivesinäytettä. Virtaussytometri-menetelmän avulla tutkittiin pihka- tai valkopihkapartikkeleiden määrää ja kokojakaumaa eri prosessinäytteissä. Virtaussytometri-menetelmällä mitattujen valkopihkapartikkeleiden lukumäärän ja päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuden välille löytyiselvä korrelaatio. Fiksatiivimäärän vaikutusta päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuteen tutkittiin koeajojaksolla, jossa fiksatiivin annostelua säädettiin käsin. Käytetyt annosmäärät eivät riittäneet sameuden pitämiseen tasaisena matalalla tasolla.

Laimentimen merkitys metallien neste-nesteuutossa

Työssä tutkittiin korkean leimahduspisteen laimentimien vaikutusta uuton tehokkuuteen ja turvallisuuteen. Kirjallisuusosa sisältää katsauksen uuttolaitoksilla tapahtuneista suuronnettomuuksista, staattisen sähkön aiheuttamista vaaroista uuttolaitoksilla ja kaupallisesti saatavista laimentimista. Lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan hiilivetyjen molekyylirakenteen vaikutusta niiden leimahduspisteeseen, haihtuvuuteen, viskositeettiin ja liuotinominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin uuton tehokkuutta kuvaavia ominaisuuksia, joita olivat sekoituksen pisarakoko, faasien selkeytymisnopeus,uuton ja takaisinuuton kinetiikka, orgaanisen faasin viskositeetti ja tiheys. Uuttoliuosten turvallisuusominaisuuksia tutkittiin mittaamalla synteettisten uuttoliuosten ja laimentimien leimahduspisteitä sekä sähköisesti varattujen laimentimien relaksaatioaikoja. Korkean leimahduspisteen laimentimena käytettiin Orfom SX 11-laimenninta. Vertailukohteena käytettiin Shellsol D70- ja Escaid 100- laimentimia. Malliuuttona käytettiin kuparin uuttoa hydroksioksiimireagensilla happamasta sulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin, että korkean leimahduspisteen laimentimen viskositeetti oli huomattavasti suurempi kuin Shellsol D70- laimentimella. Korkea viskositeetti hidasti faasien selkeytymistä uutossa, mutta sillä ei ollut vaikutusta uuton kinetiikkaan tai sekoituksen aiheuttamaan pisarakokoon. Uuttoliuoksen reagenssipitoisuudella havaittiin olevan vaikutusta uuttoliuoksen leimahduspisteeseen, mutta uuttoliuoksen latausasteella ei havaittu olevan vaikutusta. Sähköisesti varattujen laimentimien varauksien relaksaatioajoissa oli hieman eroja, mutta relaksaatioajat olivat kaikilla laimentimilla liian pitkiä staattisen sähkön aiheuttaman vaaran poistamiseksi.

Epäpuhtaudet sinkin uutossa

Työssä tutkittiin metalli- ja anioniepäpuhtauksien myötäuuttautumista sinkin mukana di(2-etyyliheksyyli)fosforihappoalla (D2EHPA). Laboratoriokokeissa selvitettiin pH:n vaikutusta metalliepäpuhtauksien uuttautumiseen pH-alueella -O, l... 3 sekä pesujen vaikutusta sinkillä ladatun orgaanisen faasin metallipitoisuuksiin. Kokeita tehtiin sekä synteettisillä että autenttisilla prosessiliuoksilla. Anionikokeissa tutkittiin raudan ja sinkin vaikutusta kloridin ja fluoridin uuttautumiseen. Synteettisillä liuoksilla tehdyissä kokeissa tutkittiin kadmiumin, koboltin, nikkelin, kuparin sekä antimonin uuttautumista sinkkisulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin D2EHPA:n uuttavan sinkkiä selvästi em. metalleja paremmin. Sinkki uuttautui sulfaattiliuoksesta lähes täydellisesti tasapaino-pH:n ollessa yli 2,3. Sinkin jälkeen muista metalleista uuttautui eniten kadmium ja järjestyksessä sitten kupari, koboltti ja nikkeli. Epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista lisääntyi uuton tasapaino-pH:n kasvaessa ja väheni sinkkilatauksen kasvaessa. Kahdella peräkkäisellä pesuaskeleella, joissa ensimmäinen pesuliuos sisälsi 5 g/L rikkihappoa ja toinen sekä 15 g/L rikkihappoa että 5 g/L sinkkiä saatiin kaikkien epäpuhtausmetallien pitoisuudet jäämään alle 3 mg/L. Antimonin uuttokokeissa huomattiin antimonin uuttautuvan täydellisesti D2EHPA:lla pH:sta riippumatta pH-alueella0...3. Prosessiliuoksilla tehdyissä kokeissa todettiin D2EHPA:n pystyvän tehokkaasti erottamaan sinkin magnesiumista ßzn,Mg ˜107 ja kadmiumista ßzn,cd ˜106. Havaittiin myös, että mitä suurempi sinkki- ja rautalataus orgaanisessa faasissa on sitä vähemmän magnesiumia ja kadmiumia uuttautuu. Ensimmäisessä pesussa saatiin sekä kadmiumin että magnesiumin pitoisuudet putoamaan keskimäärin 0,1 mg/L eli 30 alkuperäisestä pitoisuudesta. Toisella pesuaskeleella ei enää ollut vaikutusta kadmiumin ja magnesiumin pitoisuuksiin orgaanisessa faasissa. Kokeissa havaittiin myös, että D2EHPA:n latausasteen ylittäessä 0,7 alkaa sinkki-D2EHPA-kompleksit polymeroitua ja faasit eivät enää selkeytyneet helposti. Anionikokeissa huomattiin, ettei D2EHPA uuttanut kloridi tai fluoridi sinkin tai raudan mukana. D2EHPA:n havaittiin myös itsessään sisältävän hieman kloridia.

Sterolin valmistus selluprosessin yhteydessä

Työssä tutkittiin UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla käytössä olevia steroliprosesseja. Steroleita erotetaan sulfaattiselluloosan keitossa syntyvasta suovasta uutetusta neutraaliainejakeesta. Neutraaliaine sisältää β-sitosterolia, α-sitosterolia ja kampesterolia yhteensä noin 20 p-%. Primal-laadun valmistus perustuu neste-nesteuuttoon sekä kiteytykseen ja Ultra-laadun kaksivaiheiseen suorakiteytykseen. Työn kirjallisessa osassa perehdytään sterolien kemiaan sekä neste-nesteuuttoon ja kiteytykseen erotus- ja puhdistusmenetelminä. Laboratoriokokeissa tutkittiin kolmen eri alkoholin ja kahden eri hiilivetyliuottimen soveltuvuutta Primal-sitosterolin uuttoon ja kiteytykseen. Lisaksi tutkittiin liuotinseoksen vesipitoisuuden vaikutusta. Tavoitteena oli löytää uuttoliuottimien koostumus, jolla uuton sterolisaanto ja sterolikiteiden puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Havaittiin, että uuton sterolisaanto voitiin maksimoida pitämällä uuttoalkoholin vesipitoisuus niin alhaisena, että faasit juuri ja juuri erottuvat toisistaan. Laboratoriokokeissa saatujen tulosten perusteella tehtiin tehdasmittakaavan koeajo Primal-sitosterolin valmistuslaitteistolla UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla. Talloin uutossa saavutettiin noin 50 %:n sterolisaanto. Ultra-sitosterolin laboratoriomittakaavaisissa kiteytyskokeissa vertailtiin neljän eri alkoholin ja kahden muun orgaanisen liuottimen soveltuvuutta kiteytysliuoksen komponenteiksi. Lisaksi tutkittiin vesipitoisuuden liuotinseoksen vaikutusta. Tarkoituksena oli löytää se liuotinkoostumus, jolla sterolikiteiden saanto ja puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Sopivalla kiteytysliuoksen koostumuksella saavutettiin melko hyvä sterolisaanto ja lähes 98 %:n puhtaus.

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.

Kapillaarielektroforeesin soveltaminen uuttofaasin koostumuksen analysointiin

Työn tarkoituksena oli löytää kapillaarielektroforeesimenetelmä (CE), joka soveltuisi metallien neste-nesteuutossa käytettävien orgaanisten uuttofaasien koostumuksen analysointiin. Kapillaarielektroforeesissa käytetyn elektrolyyttiliuoksen analyytti-kohtaista optimointia ei tässä työssä tehty, vaan liikkeelle lähdettiin fenoleille tarkoitetulla menetelmällä. Tarkasteltavia uuttoreagenssiryhmiä olivat hydroksi-oksiimit sekä fosfiinihappo- ja fosforihappopohjaiset reagenssit. Tutkittavia kaupallisia laimentimia olivat Orfom SX 11 ja Shellsol D70. Lisäksi tutkittiin kahta modifiointiainetta, TOPOa (tri-n-oktyylifosfiinioksidi) ja TXIB:tä (2,2,4-trimetyyli-1,3-pentaanidiolidi-isobutyraatti). Työssä tavoiteltiin kapillaarielektroforeesin hyötyjä erityisesti hydrometallurgisessa teollisuudessa. Suurimpana hyötynä ennakoitiin mahdollisuus analysoida suuria molekyylejä, kuten uuttoreagenssi-metallikomplekseja, joita ei pystytä analysoimaan kaasukromatografilla (GC). Näytteet voidaan myös analysoida ilman hidasta ja usein ei-kvantitatiivista derivatisointia. Kirjallisuudesta ei löytynyt aiempia artikkeleita CE:n soveltamisesta kyseisille aiheille. Kapillaarielektroforeesianalyyseissa pystyttiin esimerkiksi havaitsemaan hydroksi-oksiimin kuparikompleksi orgaanisessa faasissa. Seulonta-ajoissa yleisenä ongelmana oli kuitenkin tulosten heikko toistettavuus. Kapillaari-elektro-foreesi-menetelmä tarjoaa selvästi mahdollisuuksia tulevaisuudessa, mutta vielä sillä ei päästy luotettavaan toistoon sähkökentän häiriöiden ja elektrolyyttiliuoksen riittämättömän optimoinnin vuoksi. Lisäksi teollisissa olosuhteissa käytetyille autenttisille hydroksioksiimi- ja fosfiinihapponäytteille tehtiin perinteisiä kaasukromatografia-analyysejä, joiden perusteella voitiin nähdä uuttofaasin koostumuksen muuttuneen prosessissa. Hapettuminen sekä eri hydrolyysireaktiot ovat tärkeimmät syyt reagenssien ja laimentimien muuttumiselle. Näitä hajoamistuotteita ei tässä työssä onnistuttu analysoimaan kapillaarielektroforeesilla.

Recovery of carboxylic acids from aqueous solutions

Carboxylic acids are commonly used organic acids and have many applications in industries producing food and pharmaceutical products, surfactants and detergents. Especially formic, acetic, propionic and butyric acid are important organic chemicals. These compounds can be found in many side streams and plant effluents. Recovery costs of carboxylic acids are high when they are removed from dilute solution. Conventional processes for the recovery of carboxylic acids from aqueous solutions are classical distillation or extractive distillation, azeotropic distillation or liquid-liquid extraction. The literature part of this Master’s of Science Thesis comprises possible extractants in liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions and methods for their regeneration form the extract. The experimental part of this Thesis investigates liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions. The aim of this work was to find a suitable extractant for liquid-liquid extraction and suitable process conditions to recover carboxylic acids from aqueous solutions. Also, back extraction of carboxylic acids and their thermal decomposition in relation to distillation of were. Experiments showed that there is more than one possible extractant for liquid-liquid extraction of carboxylic acids. Results also showed that it is possible to separate carboxylic acids and regenerate all the used extractants by vacuum distillation at suitable temperature.

Biomassahydrolysaattien puhdistus uutolla

Lignoselluloosasta koostuvasta biomassasta valmistetaan hydrolysoimalla sokereita, jotka jatkojalostetaan fermentoimalla bioetanoliksi. Bioetanolia käytetään fossiilisten polttoaineiden korvaajana esimerkiksi ajoneuvoissa. Bioetanolin valmistuksessa pyritään mahdollisimman hyvään saantoon, jotta sen valmistus olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolyysin aikana syntyy sokerien lisäksi orgaanisia happoja, furaanin johdannaisia sekä fenolisia yhdisteitä. Yleisimpiä syntyviä yhdisteitä ovat muun muassa etikkahappo, furfuraali ja hydroksimetyylifurfuraali. Nämä yhdisteet haittaavat sokerien fermentointiprosessia ja pienentävät etanolin saantoa. Fermentointiprosessia haittaavien yhdisteiden poistoon hydrolysaattiliuoksesta voidaan käyttää esimerkiksi haihdutusta, membraanierotusta, adsorptiota, saostusta, sekä uuttoa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia leikkaussekoittimen soveltuvuutta biomassahydrolysaatin epäpuhtauksien erotukseen. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty hydrolysointiprosessissa syntyviä haitta-aineita ja niiden erotusmenetelmiä.

Litiumin talteenotto väkevistä kloridiliuoksista solvatoivilla uuttoreagensseilla

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää voidaanko litiumia erottaa suolaliuoksesta solvatoivien uuttoreagenssien avulla suoraan ilman tavanomaisia monivaiheisia prosesseja. Kirjallisessa osassa esitellään neste-nesteuuton periaatteet ja tarkastellaan litiumin talteenotossa käytettyjä uuttomenetelmiä sekä litiumin merkitystä yhteiskunnallisti. Kokeellisessa osassa tutkittiin litiumin uuttoa litiumtetrakloroferraattina vesiliuoksesta, jonka koostumus oli lähellä Argentiinan Rinconin alueen suolajärvien vettä sisältäen litium-, kalsium-, magnesium-, sekä natriumkloridia. Kokeet suoritettiin erotussuppiloissa huoneenlämmössä käyttäen orgaanisena faasina tributyylifosfaatin (TBP) ja kerosiini, tributyylifosfaatin ja di-isobutyyliketonin sekä tributyylifosfaatin ja metyyli-isobutyyliketonin seoksia. Kullakin orgaanisella faasilla tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäisessä vaihdettiin liuoksen [Fe3+]/[Li+]-suhdetta orgaanisen faasin TBP-pitoisuuden ollessa vakio. Toisessa muutettiin orgaanisen faasin TBP-pitoisuutta [Fe3+]/[Li+]-suhteen pysyessä vakiona. Litium saatiin talteenotettua hyvin selektiivisesti magnesiumin ja kalsiumin suhteen. Rautakonsentraation lisäyksen huomattiin lisäävän litiumin saantoa, mutta suurilla rautakonsentraatioilla selektiivisyys oli huonompi. Litiumia ei saatu erotettua kovin tehokkaasti, johtuen todennäköisesti suuresta natriumkonsentraatiosta. Suurin osa natriumista tulisi poistaa ennen uuttoa. Jos natriumin saisi poistettua tehokkaasti ennen uuttoa, voisi tutkittu menetelmä olla huomattavasti nopeampi verrattuna perinteiseen monivaiheiseen litiumin talteenottoprosessiin. Menetelmän huonona puolena on kuitenkin sen suuri raudan kulutus

Hemiselluloosien talteenotto paineistetulla kuumavesiuutolla tuotetuista puu-uutteista

Puunjalostusteollisuus keskittyy tällä hetkellä lähinnä sellun ja paperin tuotantoon. Sellun tuotannossa käytetään puun komponenteista vain selluloosa. Puun muita pääkomponentteja ovat hemiselluloosa ja ligniini. Nämä yhdisteet ovat mahdollisia tulevaisuuden biomateriaalien lähtöaineita, mutta tähän mennessä ne on jätetty käyttämättä hyödyksi. Paineistettu kuumavesiuutto on menetelmä, jolla hemiselluloosat ja ligniinit olisi mahdollista erottaa puumateriaalista ennen sellunkeittoa, ja sen jälkeen fraktioida uutteesta erilleen jatkojalostusta varten. Fraktioinnista on tehty tutkimusta monella erilaisella menetelmällä ja eri menetelmiä yhdistelemällä. Tämä kandidaatin työ on kirjallinen työ, jossa käsitellään paineistettua kuumavesiuuttoa, sekä eri yksikköoperaatioita ja niiden mahdollisuuksia hemiselluloosan erotukseen puu-uutteista. Membraanisuodatus on menetelmä, jolla puu-uutteesta saadaan erotettua konsentroitu hemiselluloosafraktio. Membraanisuodatuksessa on kuitenkin puu-uutteiden tapauksessa havaittu ongelmia muun muassa kalvon likaantumisen kanssa. Yhdistämällä muutamia eri yksikköoperaatioita, saadaan parannettua membraanisuodatuksen tehoa, sekä hemiselluloosan puhtautta ja saantoa. Näitä mahdollisia yksikköoperaatioita ovat adsorptio, hapetus, saostus, kromatografiset menetelmät ja neste-nesteuutto.

Ion mobility spectrometry in liquid analysis

Ion mobility spectrometry (IMS) is a straightforward, low cost method for fast and sensitive determination of organic and inorganic analytes. Originally this portable technique was applied to the determination of gas phase compounds in security and military use. Nowadays, IMS has received increasing attention in environmental and biological analysis, and in food quality determination. This thesis consists of literature review of suitable sample preparation and introduction methods for liquid matrices applicable to IMS from its early development stages to date. Thermal desorption, solid phase microextraction (SPME) and membrane extraction were examined in experimental investigations of hazardous aquatic pollutants and potential pollutants. Also the effect of different natural waters on the extraction efficiency was studied, and the utilised IMS data processing methods are discussed. Parameters such as extraction and desorption temperatures, extraction time, SPME fibre depth, SPME fibre type and salt addition were examined for the studied sample preparation and introduction methods. The observed critical parameters were extracting material and temperature. The extraction methods showed time and cost effectiveness because sampling could be performed in single step procedures and from different natural water matrices within a few minutes. Based on these experimental and theoretical studies, the most suitable method to test in the automated monitoring system is membrane extraction. In future an IMS based early warning system for monitoring water pollutants could ensure the safe supply of drinking water. IMS can also be utilised for monitoring natural waters in cases of environmental leakage or chemical accidents. When combined with sophisticated sample introduction methods, IMS possesses the potential for both on-line and on-site identification of analytes in different water matrices.