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.

Modeling of electrolyte sorption – from phase equilibria to dynamic separation systems

In this thesis, general approach is devised to model electrolyte sorption from aqueous solutions on solid materials. Electrolyte sorption is often considered as unwanted phenomenon in ion exchange and its potential as an independent separation method has not been fully explored. The solid sorbents studied here are porous and non-porous organic or inorganic materials with or without specific functional groups attached on the solid matrix. Accordingly, the sorption mechanisms include physical adsorption, chemisorption on the functional groups and partition restricted by electrostatic or steric factors. The model is tested in four Cases Studies dealing with chelating adsorption of transition metal mixtures, physical adsorption of metal and metalloid complexes from chloride solutions, size exclusion of electrolytes in nano-porous materials and electrolyte exclusion of electrolyte/non-electrolyte mixtures. The model parameters are estimated using experimental data from equilibrium and batch kinetic measurements, and they are used to simulate actual single-column fixed-bed separations. Phase equilibrium between the solution and solid phases is described using thermodynamic Gibbs-Donnan model and various adsorption models depending on the properties of the sorbent. The 3-dimensional thermodynamic approach is used for volume sorption in gel-type ion exchangers and in nano-porous adsorbents, and satisfactory correlation is obtained provided that both mixing and exclusion effects are adequately taken into account. 2-Dimensional surface adsorption models are successfully applied to physical adsorption of complex species and to chelating adsorption of transition metal salts. In the latter case, comparison is also made with complex formation models. Results of the mass transport studies show that uptake rates even in a competitive high-affinity system can be described by constant diffusion coefficients, when the adsorbent structure and the phase equilibrium conditions are adequately included in the model. Furthermore, a simplified solution based on the linear driving force approximation and the shrinking-core model is developed for very non-linear adsorption systems. In each Case Study, the actual separation is carried out batch-wise in fixed-beds and the experimental data are simulated/correlated using the parameters derived from equilibrium and kinetic data. Good agreement between the calculated and experimental break-through curves is usually obtained indicating that the proposed approach is useful in systems, which at first sight are very different. For example, the important improvement in copper separation from concentrated zinc sulfate solution at elevated temperatures can be correctly predicted by the model. In some cases, however, re-adjustment of model parameters is needed due to e.g. high solution viscosity.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Aminohappojen enantiomeerien kromatografinen erottaminen

Enantiomeerit ovat yhdisteitä, jotka ovat toistensa peilikuvamuotoja. Enantiomeerien erotusmenetelmiä ovat neste-nesteuutto, kalvotekniikka, kiteytys, kromatografia ja kapillaarielektroforeesi. Nestekromatografinen erotus perustuu joko suoraan erotukseen tai epäsuoraan erotukseen. Kiraaliset stationaarifaasit erottavat yhdisteet kolonnissa suoralla erotuksella. Derivoimattomia aminohappojen enantiomeerejä on erotettu käyttäen ligandinvaihto-, kruunueetteri-, antibiootti- ja polysakkaridistationaarifaaseja. Epäsuora erotus vaatii erotettavan enantiomeeriparin esikäsittelyn ennen kolonnia. Markkinoilta löytyy niukasti preparatiiviseen mittakaavaan soveltuvia enantiomeerien erotusmateriaaleja. Työn kokeellisessa osassa enantiomeerien erotuksia tehtiin sekä analyyttisessä mittakaavassa että preparatiivisessa mittakaavassa. Tutkittavina pääkomponentteina aminohapoista olivat metioniinin, proliinin ja seriinin enantiomeeriparit. Analyyttisessä mittakaavassa kuparimuotoisella ligandinvaihtokolonnilla tehty erotus onnistui erittäin hyvin. Piikkien resoluutioiden arvot vaihtelivat tyypillisesti välillä 2,0-35 ja erotustekijöiden arvot välillä 1,5-30. Parhaiten onnistuttiin erottamaan metioniinin enantiomeerit toisistaan. Prepatatiivisen mittakaavan erotusmateriaalin tutkimus keskittyi materiaalin kokeiluun ja kehitykseen aminohappojen enantiomeerien erotukseen soveltuvaksi. Erotusmateriaalilla onnistuttiin erottamaan aminohappoja toisistaan, mutta aminohappojen enantiomeerien erottumista ei onnistuttu selkeästi havaitsemaan. Erotusmateriaali toimi parhaiten muunnettuna alkaalisissa olosuhteissa kuparimuotoiseksi. Kuparin pysymättömyys erotusmateriaalissa aiheutti kuitenkin ongelmia kokeiden toistettavuuteen.

Synteesikaasun liukoisuus ja aineensiirto fermentointiliuokseen

Työssä tutkittiin synteesikaasun komponenttien: hiilimonoksidin, vedyn ja hiilidioksidin liukoisuutta ja aineensiirtonopeutta fermentointiliuokseen. Kirjallisuusosassa käsitellään kaasujen liukoisuuksiin ja kaasu-nesteaineensiirtoon vaikuttavia tekijöitä ja esitellään korrelaatioita, jotka on kehitetty volumetrisen aineensiirtokertoimen ennustamiseen sekoitetussa fermentorissa. Kirjallisuus-osassa esitetään myös synteesikaasun komponenttien liukoisuudet veteen, etanoliin ja etikkahappoon 37 ºC lämpötilassa ja esitellään Flowbat-simulointiohjelman MHV2-mallin käyttöä kaasu-neste tasapainojen mallin-nuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin synteesikaasun komponenttien liukoisuuksia veteen ja kasvatusalustaan sekä kehitettiin mittausmenetelmä kaasu-neste tasapainojen mittaukseen. Tasapainomittauksissa tutkittiin etanolin ja etikkahapon konsentraatioiden vaikutusta synteesikaasun liukoisuuteen. Lisäksi mallinnettiin kaasu-neste tasapainoja monikomponenttisysteemeissä MHV2-mallin avulla. Kokeellisen osan aineensiirtomittauksissa tutkittiin sekoitusnopeuden ja kaasun volumetrisen syöttönopeuden vaikutusta hiilimonoksidin ja vedyn volumetriseen aineensiirtokertoimeen kLa kahden litran tilavuuksisessa laboratoriofermentorissa. Mittaustulosten perusteella kasvatusalustan komponentit vaikuttavat merkittävästi hiilidioksidin liukoisuuteen. Lisäys etanolin ja etikkahapon konsentraatioissa parantaa hiilimonoksidin liukoisuutta kasvatusalustaan. Kaasun volumetrinen syöttönopeus ja sekoitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti volumetrisen aineensiirtokertoimen arvoon. Tutkitussa systeemissä korkein teoreettinen solutiheys, joka voitiin saavuttaa suurimmalla hiilimonoksidin aineensiirto-nopeudella, oli 3 g/L. Tämä on kaksinkertainen verrattuna aiemmissa VTT:n kokeissa saavutettuihin solutiheyksiin.

Koboltin ja nikkelin poisto sinkkisulfaattiliuoksesta ioninvaihdolla

Työssä tutkittiin kahden silikapohjaisen erotusmateriaalin soveltuvuutta nikkelin ja koboltin poistoon sinkkisulfaattiliuoksista. Suurin osa kokeista tehtiin ioninvaihtimella, jonka funktionaalinen ryhmä on iminodietikkahappo. Vertailuerotusmateriaalin toiminta perustui adsorptioon. Liuoksina käytettiin sekä autenttista prosessiliuosta että synteettistä ZnSO4-liousta. Ioninvaihtimen kestävyyskokeissa selvisi, että tutkittu ioninvaihdin kestää hyvin sekä 60 oC lämpötilan että happamia olosuhteita. Emäksisissä liuoksissa silikarunko ei kestä. Jo 0,1 M NaOH-liuos liuottaa merkittävästi hartsia vuorokauden aikana. Vaihtimen vetyionikapasiteetiksi saatiin titrauksella 2,3 mekv/g. Tasapainokokeilla saatiin selville, että ioninvaihdin on selektiivinen nikkelille sinkin suhteen ja että selektiivisyys kasvaa liuoksen pH:n laskiessa. Koboltille ioninvaihdin ei ole selektiivinen sinkin suhteen. Mikäli sinkin pitoisuus on tuhansia kertoja nikkelin pitoisuutta suurempi, ei ioninvaihtimen Ni-selektiivisyys riitä myöskään nikkelille. Synteettisillä ZnSO4-liuoksilla tehtyjen kolonnikokeiden perusteella havaittiin, että tutkitulla ioninvaihtimella voidaan laimeista ZnSO4-liuoksista poistaa nikkeliä selektiivisesti. Nikkelin eluointi onnistui helposti 1 M H2SO4:lla. Vertailukokeen perusteella oli ioninvaihtimen Ni/Zn-selektiivisyys referenssiadsorbentin Ni/Zn-selektiivisyyttä pienempi. Ioninvaihtokolonnin mallintaminen ei onnistunut riittävän hyvin kuvaamaan ioninvaihtimessa tapahtuvaa samanaikaista ioninvaihtoa ja adsorptiota. Sen sijaan kun kolonnissa oli vertailumateriaalina käytetty adsorbentti, saatiin kolonnikokeiden tulokset mallilla hyvin ennustettua.

Nesteseosten liukoisuuksien mittaaminen

Diplomityön tarkoituksena on tarkastella isobuteenin dimeroitumisprosessin neste-nestetasapainoja. Tavoitteena on määrittää prosessissa esiintyvien komponenttien väliset neste-nestetasapainot. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu neste-nestetasapainojen teoriaa. Erityisesti on tarkasteltu mittausmenetelmiä sekä kirjallisuudesta löytyneitä laitteistoja binääristen ja ternääristen systeemien neste-nestetasapainojen määritystä varten. Menetelmät ja laitteistot on esitetty erikseen matalassa ja korkeassa paineessa suoritettaville mittauksille. Lisäksi on tarkasteltu näytteenottoa sekä näytteiden analysointimenetelmiä. Kirjallisuusosassa on myös sivuttu kaasu-neste-nestetasapainojen määritystä, mutta työn varsinainen kohde on neste-nestetasapainojen määritys. Työn kokeellisessa osassa määritettiin iso-oktaaniprosessissa esiintyvien komponenttien välisiä binäärisiä ja ternäärisiä neste-nestetasapainoja. Mitattavien komponenttiparien määrää karsittiin ja jäljellejääneiden parien välillä suoritettavat mittaukset jaoteltiin matalassa ja korkeassa paineessa suoritettaviin määrityksiin. Ternääriset mittaukset tulivat kyseeseen sellaisten komponenttiparien kohdalla, joissa toisiinsa täysin liukenevien nesteiden systeemiin kolmatta komponenttia lisättäessä saatiin aikaiseksi kaksi nestefaasia. Tällaisesta mittaustiedosta voidaan määrittää neste-nestetasapainomallien parametrejä. Mittausten lisäksi kokeellisessa osassa tarkasteltiin näytteenottoa sekä näytteiden analysointia.

Reagenssin pinta-aktiivisuuden hyödyntäminen sinkin uutossa

Työssä tutkittiin sinkin uutossa käytettävän di(2-etyyliheksyyli)fosforihappo (D2EHPA) -uuttoreagenssin faasikäyttäytymistä ja miten laimentimen koostumus, lämpötila ja orgaanisen faasin sinkkipitoisuus vaikuttavat faasitasapainoon. Laimentimen vaikutuksen havaittiin olevan pientä, kun taas lämpötilan nostaminen yli huoneenlämpötilan leventää faasidiagrammin yksifaasialuetta. Pienet orgaanisen faasin sinkkipitoisuudet eivät juuri vaikuta faasitasapainoon. Sinkin ja D2EHPA:n moolisuhteen ollessa välillä 0,1–0,2 kompleksin rakenne ilmeisesti muuttuu. Sinkkipitoisuuden kasvaessa yksifaasialue muodostuu pienemmillä ammoniakkimäärillä. Suurilla orgaanisen faasin sinkkipitoisuuksilla ja ammoniakkimäärillä muodostuu orgaanisen faasin ja vesifaasin välille kolmas nestefaasi. D2EHPA:n (40 p %) vesipitoisuuden ja viskositeetin pH riippuvuutta tutkittiin, kun laimentimena oli alifaattinen hiilivetyliuotin. Nostettaessa pH yli 3,5:n uuttoreagenssi alkoi muodostaa käänteismisellejä, jolloin orgaanisen faasin vesipitoisuus ja viskositeetti kasvoivat eksponentiaalisesti. Sinkin mukana uuttautuu epäpuhtauksia kuten Al3+, Co2+, Cu2+, Na+, Ni2+, Cl- ja F-. Takaisinuuton kautta epäpuhtaudet joutuvat talteenottoelektrolyysiin, jossa ne voivat vaikuttaa tuotteen laatuun ja laskea virtahyötysuhdetta. Tarkoituksena oli tutkia väheneekö epäpuhtauksien myötäuuttautuminen jollakin tietyllä sinkin latausasteella. Fluoridin ja kuparin uuttautumisen havaittiin vähenevän vasta, kun sinkin pitoisuus orgaanisessa faasissa oli yli 20 g/L lämpötilasta riippumatta. Fluoridi uuttautuu mahdollisesti alumiinikompleksina ja/tai fluorihappona. Koboltin ja nikkelin myötäuuttautumisen havaittiin vähenevän, kun sinkin latausaste oli yli 10 g/L. Natrium ja kloridi eivät myötäuuttautuneet.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Chromatographic recovery of chemicals from acidic biomass hydrolysates

Lignocellulosic biomasses (e.g., wood and straws) are a potential renewable source for the production of a wide variety of chemicals that could be used to replace those currently produced by petrochemical industry. This would lead to lower greenhouse gas emissions and waste amounts, and to economical savings. There are many possible pathways available for the manufacturing of chemicals from lignocellulosic biomasses. One option is to hydrolyze the cellulose and hemicelluloses of these biomasses into monosaccharides using concentrated sulfuric acid as catalyst. This process is an efficient method for producing monosaccharides which are valuable platforn chemicals. Also other valuable products are formed in the hydrolysis. Unfortunately, the concentrated acid hydrolysis has been deemed unfeasible mainly due to high chemical consumption resulting from the need to remove sulfuric acid from the obtained hydrolysates prior to the downstream processing of the monosaccharides. Traditionally, this has been done by neutralization with lime. This, however, results in high chemical consumption. In addition, the by-products formed in the hydrolysis are not removed and may, thus, hinder the monosaccharide processing. In order to improve the feasibility of the concentrated acid hydrolysis, the chemical consumption should be decreased by recycling of sulfuric acid without neutralization. Furthermore, the monosaccharides and the other products formed in the hydrolysis should be recovered selectively for efficient downstream processing. The selective recovery of the hydrolysis by-products would have additional economical benefits on the process due to their high value. In this work, the use of chromatographic fractionation for the recycling of sulfuric acid and the selective recovery of the main components from the hydrolysates formed in the concentrated acid hydrolysis was investigated. Chromatographic fractionation based on the electrolyte exclusion with gel type strong acid cation exchange resins in acid (H+) form as a stationary phase was studied. A systematic experimental and model-based study regarding the separation task at hand was conducted. The phenomena affecting the separation were determined and their effects elucidated. Mathematical models that take accurately into account these phenomena were derived and used in the simulation of the fractionation process. The main components of the concentrated acid hydrolysates (sulfuric acid, monosaccharides, and acetic acid) were included into this model. Performance of the fractionation process was investigated experimentally and by simulations. Use of different process options was also studied. Sulfuric acid was found to have a significant co-operative effect on the sorption of the other components. This brings about interesting and beneficial effects in the column operations. It is especially beneficial for the separation of sulfuric acid and the monosaccharides. Two different approaches for the modelling of the sorption equilibria were investigated in this work: a simple empirical approach and a thermodynamically consistent approach (the Adsorbed Solution theory). Accurate modelling of the phenomena observed in this work was found to be possible using the simple empirical models. The use of the Adsorbed Solution theory is complicated by the nature of the theory and the complexity of the studied system. In addition to the sorption models, a dynamic column model that takes into account the volume changes of the gel type resins as changing resin bed porosity was also derived. Using the chromatography, all the main components of the hydrolysates can be recovered selectively, and the sulfuric acid consumption of the hydrolysis process can be lowered considerably. Investigation of the performance of the chromatographic fractionation showed that the highest separation efficiency in this separation task is obtained with a gel type resin with a high crosslinking degree (8 wt. %); especially when the hydrolysates contain high amounts of acetic acid. In addition, the concentrated acid hydrolysis should be done with as low sulfuric acid concentration as possible to obtain good separation performance. The column loading and flow rate also have large effects on the performance. In this work, it was demonstrated that when recycling of the fractions obtained in the chromatographic fractionation are recycled to preceding unit operations these unit operations should included in the performance evaluation of the fractionation. When this was done, the separation performance and the feasibility of the concentrated acid hydrolysis process were found to improve considerably. Use of multi-column chromatographic fractionation processes, the Japan Organo process and the Multi-Column Recycling Chromatography process, was also investigated. In the studied case, neither of these processes could compete with the single-column batch process in the productivity. However, due to internal recycling steps, the Multi-Column Recycling Chromatography was found to be superior to the batch process when the product yield and the eluent consumption were taken into account.