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.

Development of Raman microscopy methods for polymer coatings of polyfilms

Työn tavoitteena oli tutkia Raman-spektrometrin soveltuvuutta muovipäällystettyjen kartonkien syvyyssuuntaisiin mittauksiin. Lisäksi pyrittiin selvittämään voidaanko kiteisyyttä nähdä Raman-laitteistolla. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty Raman-laitteiston teknisiä ominaisuuksia. Kokeellinen osa suoritettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Membraanitekniikan ja teknillisen polymeerikemian laboratoriossa. Työssä käytettiin Horiban Jobin Yvon¿in valmistamaa konfokaalista Raman-spektrometri-laitteistoa (LabRam). Syvyyssuuntaisissa mittauksissa käytettiin apuna motorisoitua x-, y- ja z-suuntaan liikkuvaa tasoa. Mittaukset suoritettiin pistemäisesti tietyllä askelvälillä fokusoimalla näytteen pinnasta sisällepäin. Syvyysprofilointimittaukset aloitettiinmäärittelemällä laitteiston syvyysresoluutio eri konfokaalireikäkoolla. Lisäksityössä tehtiin syvyysprofilointimittauksia sekä läpinäkyvillä monikerrosmuoveilla että muovipäällystetyillä kartongeilla. Työssä mitatut muovipäällysteet sisälsivät pääasiassa polyeteeniä. Tulokset osoittivat, että Raman laitteistolla voidaan havainnoida Raman-aktiiviset ryhmät näytteen eri kerroksista. Lisäksi polyeteenin kiteisyysaste voidaan havaita tietyillä aallonpituuksilla.

Suodatuskalvon puhdistaminen UV-valolla tai ultraäänellä aktivoidulla titaanidioksidilla

Kalvotekniikan suurin ongelma on edelleen kalvon likaantuminen, jonka tuloksena kalvon erotuskyky voi muuttua ja liuoksen vuo kalvon läpi pientyä huomattavasti. Kalvotekniikan teollisissa sovelluksissa kalvojen puhdistus on yksi tärkeimmistä pääkohdista, sillä se määrittää kalvon käyttöikää ja käyttötehokkuutta. Yleisimmin käytetyn kemiallisen pesun tuloksena muodostuu hävitettävä pesuliuos, joka sisältää sekä kemikaaleja, että kalvosta poistetun lian. Työssä on tutkittu kalvon puhdistusta ultravioletti-valo- tai ultraäänikäsittelyssä titaanidioksidin läsnäollessa. Menetelmien mahdollisina etuina ovat kalvosta poistetun lian hajotus harmittomiksi komponenteiksi ja mahdollisesti kalvon pienempi kuluminen pesussa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden hajottamista ultraviolettivalon tai ultraäänikäsittelyn avulla titaanidioksidin läsnäollessa sekä olosuhteiden vaikutusta menetelmien tehokkuuteen. Tämän lisäksi työssä on keskitytty polymeerikalvojen UV-valo- ja ultraäänikäsittelykestävyyteen. Kokeellisessa osassa on tutkittu UV-valo- ja ultraäänikäsittelyjen sopivuutta liatun PVDF-kalvon puhdistukseen titaanidioksidin läsnäollessa. Tavoitteena oli liatun kalvon permeabiliteetin palautus puhtaan kalvon tasolle käsittelyn avulla. Kalvon kestävyyttä on myös tutkittu. Tämän työn perusteella tutkittuja menetelmiä ei voida soveltaa tarkistettavan PVDF-kalvon puhdistukseen, ainakaan testeissä käytetyissä olosuhteissa, sillä kalvon ominaisuudet muuttuvat käsittelyissä.

Fractionation of Wood Extracts

The aim of this thesis was to fractionate wood extracts into pure fractions using membrane technology, to observe membrane behaviour in solvents and to study the effect of conditioning on membrane performance. Four different wood extracts were used in the performed filtrations. In the literature part, the focus was on the effect of different solvent properties on polymeric membranes, especially on their retention and flux. Solute properties, such as shape, polarity and charge, were examined. Transport models, membrane stability and ways to improve the stability, when solvents were filtered, were also discussed. The experimental part consisted of a series of filtrations, where the effect of the wood extracts and solvent concentration on solute retention was observed. Polymeric and ceramic membranes were tested under different conditions and the solute analyses were performed with GC and GC-MS. It was discovered that it is possible to fractionate wood extracts using membrane technology to some extent, but more research must be done to understand the mechanisms behind the various interactions between the solvent and the membrane. Conditioning was also considered as an important part of the membrane pre-treatment.

Happaman hydrometallurgisen PLS-liuoksen puhdistaminen kiintoaineesta kalvosuodatustekniikalla

Tässä diplomityössä tutkittiin keraamisten mikrosuodatuskalvojen soveltuvuutta kiintoaineen erottamiseen happamasta PLS-liuoksesta eri huokoskoon omaavilla mikrosuodatuskalvoilla. Koelaitteistolla suodatettiin puhdasta vettä, kaoliinipitoista vesiliuosta sekä hapanta kuparia, kalsiumia ja kaoliinia sisältävää malliliuosta. Koeajojen tavoitteena oli saada tietoa permeaattivuon maksimimäärästä eri mikrosuodatuskalvoilla sekä tuotteen puhtaudesta. Näiden lisäksi saatiin tietoa kalvojen likaantumisesta ajon aikana. Teoriaosassa käsiteltiin yleisesti kalvosuodatusta, esitettiin yleiset kalvotekniset menetelmät ja sovellukset sekä käytiin läpi tutkimuksia samankaltaisiin kalvoihin ja sovelluksiin liittyen. Lisäksi teoriaosuudessa pohdittiin mahdollisuutta käyttää myös muita, kuin putkimoduulisia mikrosuodatuskalvoja. Myös työhön oleellisena taustana kuuluvaa hydrometallurgiaa tarkasteltiin teoreettiselta kannalta. Puhtaan veden suodatuskoetuloksista havaittiin, että kaikki kalvot jäivät selvästi valmistajan ilmoittamista arvoista. 1,0 µm CoMetas CoMem® kalvon teoreettinen vesivuo on 10 m3/(h bar) ja 3,0 µm CoMetas CoMem® teoreettinen vesivuo on yli 50 m3/(h bar). Näistä parhaimman vuon arvon sai 1,0 µm CoMetas CoMem® mikrosuodatuskalvo. Tämä kalvo oli paras sekä veden suodatuksissa että malliliuoksella tehdyillä suodatuksilla. Malliliuoksella saavutettiin n. 2000 L/(m2 h) paineen ollessa 2,0 bar ja virtausnopeuden ollessa 4,4 m/s. Vastaavat vesiajon tulokset olivat n. 1100 L/(m2 h) paineen ollessa 1,0 bar ja virtausnopeuden 2,9 m/s. Kaikki kolme käytettyä kalvoa pidättivät kaoliiniliuoksen 81–100 %:sesti. Kuparipitoista malliliuosta suodatettaessa pystyttiin vastaavasti erottamaan 77–99 % kiintoaineesta. Koeajoissa kuitenkin havaittiin huomattava vuon arvojen putoaminen, joka johtui kalvon likaantumisesta. Huomioitavaa oli kuitenkin, että hapanta malliliuosta suodatettaessa permeaattivuon arvot olivat kaoliiniliuoksen suodatuksessa saatuja vastaavia arvoja korkeammat.

Membraanien kestävyys ionisessa nesteessä

Tämän diplomityön tavoitteena oli etsiä mahdollisimman hyvin ionista nestettä kestävä yleisesti kaupallisesti saatavilla oleva nano- tai ultrasuodatusmembraani. Kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti membraanitekniikan ja ionisten nesteiden historiaan sekä niiden ominaisuuksiin ja käyttösovelluksiin. Membraaniprosesseista on lyhyesti käyty läpi mikro-, ultra- ja nanosuodatus sekä käänteisosmoosi ja pervaporaatio. Kokeellisessa osassa tutkittiin neljäntoista kaupallisesti saatavilla olevien nano- ja ultrasuodatusmembraanien kestävyyttä ionisessa nesteessä. Tutkimuksessa käytettyjen membraanien vesi- ja malliaineliuosvuon arvoja sekä retentioita vertailtiin ennen ja jälkeen ioniselle nesteelle altistusta. Tulokset osoittivat, että polyamidista, polyeetterisulfonista ja sulfonoidusta polyeetterisulfonista valmistettujen membraanien suodatusominaisuudet muuttuivat niiden altistuessa ioniselle nesteelle. Näiden membraanien permeabiliteetit ja retentiot laskivat viikon altistuksen jälkeen merkittävästi. Erityisesti liuottimia kestäviksi suunnitellut membraanit säilyttivät erotusominaisuutensa paremmin.

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.

Susteinable steelmaking by process integration

Environmental issues, including global warming, have been serious challenges realized worldwide, and they have become particularly important for the iron and steel manufacturers during the last decades. Many sites has been shut down in developed countries due to environmental regulation and pollution prevention while a large number of production plants have been established in developing countries which has changed the economy of this business. Sustainable development is a concept, which today affects economic growth, environmental protection, and social progress in setting up the basis for future ecosystem. A sustainable headway may attempt to preserve natural resources, recycle and reuse materials, prevent pollution, enhance yield and increase profitability. To achieve these objectives numerous alternatives should be examined in the sustainable process design. Conventional engineering work cannot address all of these substitutes effectively and efficiently to find an optimal route of processing. A systematic framework is needed as a tool to guide designers to make decisions based on overall concepts of the system, identifying the key bottlenecks and opportunities, which lead to an optimal design and operation of the systems. Since the 1980s, researchers have made big efforts to develop tools for what today is referred to as Process Integration. Advanced mathematics has been used in simulation models to evaluate various available alternatives considering physical, economic and environmental constraints. Improvements on feed material and operation, competitive energy market, environmental restrictions and the role of Nordic steelworks as energy supplier (electricity and district heat) make a great motivation behind integration among industries toward more sustainable operation, which could increase the overall energy efficiency and decrease environmental impacts. In this study, through different steps a model is developed for primary steelmaking, with the Finnish steel sector as a reference, to evaluate future operation concepts of a steelmaking site regarding sustainability. The research started by potential study on increasing energy efficiency and carbon dioxide reduction due to integration of steelworks with chemical plants for possible utilization of available off-gases in the system as chemical products. These off-gases from blast furnace, basic oxygen furnace and coke oven furnace are mainly contained of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and partially methane (in coke oven gas) and have proportionally low heating value but are currently used as fuel within these industries. Nonlinear optimization technique is used to assess integration with methanol plant under novel blast furnace technologies and (partially) substitution of coal with other reducing agents and fuels such as heavy oil, natural gas and biomass in the system. Technical aspect of integration and its effect on blast furnace operation regardless of capital expenditure of new operational units are studied to evaluate feasibility of the idea behind the research. Later on the concept of polygeneration system added and a superstructure generated with alternative routes for off-gases pretreatment and further utilization on a polygeneration system producing electricity, district heat and methanol. (Vacuum) pressure swing adsorption, membrane technology and chemical absorption for gas separation; partial oxidation, carbon dioxide and steam methane reforming for methane gasification; gas and liquid phase methanol synthesis are the main alternative process units considered in the superstructure. Due to high degree of integration in process synthesis, and optimization techniques, equation oriented modeling is chosen as an alternative and effective strategy to previous sequential modelling for process analysis to investigate suggested superstructure. A mixed integer nonlinear programming is developed to study behavior of the integrated system under different economic and environmental scenarios. Net present value and specific carbon dioxide emission is taken to compare economic and environmental aspects of integrated system respectively for different fuel systems, alternative blast furnace reductants, implementation of new blast furnace technologies, and carbon dioxide emission penalties. Sensitivity analysis, carbon distribution and the effect of external seasonal energy demand is investigated with different optimization techniques. This tool can provide useful information concerning techno-environmental and economic aspects for decision-making and estimate optimal operational condition of current and future primary steelmaking under alternative scenarios. The results of the work have demonstrated that it is possible in the future to develop steelmaking towards more sustainable operation.

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.

Sellutehtaan alkalisten valkaisusuodosten käsittely polymeerisilla membraaneilla

Työn tarkoituksena oli tutkia sellutehtaan alkalisen valkaisusuodoksen kierrätystä membraanitekniikkaa käyttäen. Alkalinen valkaisusuodos syntyy sellun valkaisun alkaliuuttovaiheessa ja se on ympäristölle haitallisin sellutehtaan jätevirroista. Suodoksen pH on korkea ja sen lämpötila voi olla suuri, jolloin sopivan membraanin löytäminen on haastavaa. Työssä vertailtiin 4 eri nanosuodatusmembraanin toimivuutta suodatuksessa. NF245, Desal-5 DK, NF270 ja NTR729HG membraaneja käytettiin tutkimuksessa. Suodatukset tehtiin 60 °C lämpötilassa useissa paineissa. Membraanit esikäsiteltiin paineistamalla sekä alkalisella pesulla. Suodatusnäytteistä saadut retentiot ligniinille, TOC:ille sekä johtokyvylle olivat lupaavia. Kaikilla kalvoilla ligniinin retentio oli yli 95 %. NTR729HG kalvoa lukuun ottamatta myös TOC retentiot olivat yli 90%. NTR729HG ja NF270 membraanit kärsivät suodoksen pH:sta sekä lämpötilasta, jolloin niiden retentiot johtokyvylle jäivät alhaisemmiksi, kuin muilla. NTR729HG membraanissa oli merkkejä foulaantumisesta, sekä kalvon hajoamisesta. Muissa membraaneissa oli suodatuksen aikana tapahtunut modifikaatiota.

Metalli-ionin ja hapon erotus toisistaan kalvosuodatuksella

Työn tarkoituksena oli kuparin ja hapon erottaminen toisistaan malliaineliuoksesta membraanitekniikalla. Kaivannaisteollisuudessa happoja käytetään metalleiden liuottamiseen. Lisäksi happamia jätevesiä syntyy sulfidikaivoksissa, sadeveden liuottaessa metalleja. Raskasmetallit ovat erittäin myrkyllistä vesieliöille. Työn tavoitteena oli saada happo ja metalli hyödynnettävään muotoon. Työn kokeellisessa osassa vertailtiin kahta polymeeristä ja keraamista membraania hapon ja metallin erotuksessa. Mittauksissa käytetyt membraanit olivat: AMS Technologies A-3012 ja A-3014 sekä Inopor ® Type SKR. Syöttöliuos sisälsi kuparisulfaattia ja rikkihappoa. Suodatukset tehtiin 30 ºC lämpötilassa useissa paineissa ja pH-arvoissa. Polymeeristen membraanien suodatusnäytteistä saadut retentiot kuparille olivat vastaavia aikaisempien tutkimusten tuloksien kanssa. A-3012 kalvon kuparin retentio oli 95 % ja A-3014 kalvolle kuparin retentio oli 90 %. Lisäksi mittausten korkeimmissa pH-arvoissa (2,9-2,3) happo konsentroitui permeaattiin. Polymeerisillä membraaneilla ei ollut merkkejä kalvon likaantumisesta tai hajoamisesta. Keraamisella membraanilla mitatut tulokset eivät olleet vastaavia aikaisempien tutkimusten tuloksien kanssa. Kuparin retentio olivat 2 ja 20 prosentin välillä, eikä liuoksen pH eronnut syötön ja permeaatin välillä. Tulosten perusteella molemmat tutkitut polymeeriset membraanit soveltuvat kuparin erottamiseen happamasta liuoksesta. Mittauksissa käytetty keraaminen membraani ei sovellu tähän tehtävään.

Online Ultrasound Measurements of Membrane Compaction

There are several filtration applications in the pulp and paper industry where the capacity and cost-effectiveness of processes are of importance. Ultrafiltration is used to clean process water. Ultrafiltration is a membrane process that separates a certain component or compound from a liquid stream. The pressure difference across the membrane sieves macromolecules smaller than 0.001-0.02 μm through the membrane. When optimizing the filtration process capacity, online information about the conditions of the membrane is needed. Fouling and compaction of the membrane both affect the capacity of the filtration process. In fouling a “cake” layer starts to build on the surface of the membrane. This layer blocks the molecules from sieving through the membrane thereby decreasing the yield of the process. In compaction of the membrane the structure is flattened out because of the high pressure applied. The higher pressure increases the capacity but may damage the structure of the membrane permanently. Information about the compaction is needed to effectively operate the filters. The objective of this study was to develop an accurate system for online monitoring of the condition of the membrane using ultrasound reflectometry. Measurements of ultrafiltration membrane compaction were made successfully utilizing ultrasound. The results were confirmed by permeate flux decline, measurements of compaction with a micrometer, mechanical compaction using a hydraulic piston and a scanning electron microscope (SEM). The scientific contribution of this thesis is to introduce a secondary ultrasound transducer to determine the speed of sound in the fluid used. The speed of sound is highly dependent on the temperature and pressure used in the filters. When the exact speed of sound is obtained by the reference transducer, the effect of temperature and pressure is eliminated. This speed is then used to calculate the distances with a higher accuracy. As the accuracy or the resolution of the ultrasound measurement is increased, the method can be applied to a higher amount of applications especially for processes where fouling layers are thinner because of smaller macromolecules. With the help of the transducer, membrane compaction of 13 μm was measured in the pressure of 5 bars. The results were verified with the permeate flux decline, which indicated that compaction had taken place. The measurements of compaction with a micrometer showed compaction of 23–26 μm. The results are in the same range and confirm the compaction. Mechanical compaction measurements were made using a hydraulic piston, and the result was the same 13 μm as obtained by applying the ultrasound time domain reflectometry (UTDR). A scanning electron microscope (SEM) was used to study the structure of the samples before and after the compaction.

Identification of extractives and polysaccharides as foulants in membrane filtration of pulp and paper mill effluents

The search for new renewable materials has intensified in recent years. Pulp and paper mill process streams contain a number of potential compounds which could be used in biofuel production and as raw materials in the chemical, food and pharmaceutical industries. Prior to utilization, these compounds require separation from other compounds present in the process stream. One feasible separation technique is membrane filtration but to some extent, fouling still limits its implementation in pulp and paper mill applications. To mitigate fouling and its effects, foulants and their fouling mechanisms need to be well understood. This thesis evaluates fouling in filtration of pulp and paper mill process streams by means of polysaccharide model substance filtrations and by development of a procedure to analyze and identify potential foulants, i.e. wood extractives and carbohydrates, from fouled membranes. The model solution filtration results demonstrate that each polysaccharide has its own fouling mechanism, which also depends on the membrane characteristics. Polysaccharides may foul the membranes by adsorption and/or by gel/cake layer formation on the membrane surface. Moreover, the polysaccharides interact, which makes fouling evaluation of certain compound groups very challenging. Novel methods to identify wood extractive and polysaccharide foulants are developed in this thesis. The results show that it is possible to extract and identify wood extractives from membranes fouled in filtration of pulp and paper millstreams. The most effective solvent was found to be acetone:water (9:1 v/v) because it extracted both lipophilic extractives and lignans at high amounts from the fouled membranes and it was also non-destructive for the membrane materials. One hour of extraction was enough to extract wood extractives at high amounts for membrane samples with an area of 0.008 m2. If only qualitative knowledge of wood extractives is needed a simplified extraction procedure can be used. Adsorption was the main fouling mechanism in extractives-induced fouling and dissolved fatty and resin acids were mostly the reason for the fouling; colloidal fouling was negligible. Both process water and membrane characteristics affected extractives-induced fouling. In general, the more hydrophilic regenerated cellulose (RC) membrane fouled less that the more hydrophobic polyethersulfone (PES) and polyamide (PA) membranes independent of the process water used. Monosaccharide and uronic acid units could also be identified from the fouled synthetic polymeric membranes. It was impossible to analyze all monosaccharide units from the RC membrane because the analysis result obtained contained degraded membrane material. One of the fouling mechanisms of carbohydrates was adsorption. Carbohydrates were not potential adsorptive foulants to the sameextent as wood extractives because their amount in the fouled membranes was found to be significantly lower than the amount of wood extractives.

Recovery of biomass-derived valuable compounds using chromatographic and membrane separations

Utilization of biomass-based raw materials for the production of chemicals and materials is gaining an increasing interest. Due to the complex nature of biomass, a major challenge in its refining is the development of efficient fractionation and purification processes. Preparative chromatography and membrane filtration are selective, energy-efficient separation techniques which offer a great potential for biorefinery applications. Both of these techniques have been widely studied. On the other hand, only few process concepts that combine the two methods have been presented in the literature. The aim of this thesis was to find the possible synergetic effects provided by combining chromatographic and membrane separations, with a particular interest in biorefinery separation processes. Such knowledge could be used in the development of new, more efficient separation processes for isolating valuable compounds from complex feed solutions that are typical for the biorefinery environment. Separation techniques can be combined in various ways, from simple sequential coupling arrangements to fully-integrated hybrid processes. In this work, different types of combined separation processes as well as conventional chromatographic separation processes were studied for separating small molecules such as sugars and acids from biomass hydrolysates and spent pulping liquors. The combination of chromatographic and membrane separation was found capable of recovering high-purity products from complex solutions. For example, hydroxy acids of black liquor were successfully recovered using a novel multistep process based on ultrafiltration and size-exclusion chromatography. Unlike any other separation process earlier suggested for this challenging separation task, the new process concept does not require acidification pretreatment, and thus it could be more readily integrated into a pulp-mill biorefinery. In addition to the combined separation processes, steady-state recycling chromatography, which has earlier been studied for small-scale separations of high-value compounds only, was found a promising process alternative for biorefinery applications. In comparison to conventional batch chromatography, recycling chromatography provided higher product purity, increased the production rate and reduced the chemical consumption in the separation of monosaccharides from biomass hydrolysates. In addition, a significant further improvement in the process performance was obtained when a membrane filtration unit was integrated with recycling chromatography. In the light of the results of this work, separation processes based on combining membrane and chromatographic separations could be effectively applied for different biorefinery applications. The main challenge remains in the development of inexpensive separation materials which are resistant towards harsh process conditions and fouling.

Reverse osmosis membrane surface modification: effects on membrane performance

The aim of this thesis was to study the surface modification of reverse osmosis membranes by surfactants and the effect of modification on rejection and flux. The surfactants included anionic and nonionic surfactants. The purpose of membrane modification was to improve pure water permeability with increasing salt rejection. The literature part of the study deals with the basic principles of reverse osmosis technology and factors affecting the membrane performance. Also the membrane surface modification by surfactants and their influence on membrane’s surface properties and efficiency (permeability and salt rejection) were discussed. In the experimental part of the thesis two thin-film composite membranes, Desal AG and LE-4040, were modified on-line with three different surfactants. The effects of process parameters (pressure, pH, and surfactant concentration) on surface modification were also examined. The characteristics of the modified membranes were determined by measuring the membranes’ contact angle and zeta potentials. The zeta potential and contact angle measurements indicate that the surfactants were adsorbed onto the both membranes. However, the adsorption did not effect on membrane’s pure water permeability and salt rejection. Thereby, the surface modification of the Desal AG and LE-4040 membranes by surfactants was not able to improve the membrane’s performance.