Management of Metals in the Pulping Process

Diplomityön tarkoituksena oli löytää keino korkean mangaanipitoisuuden hallintaan ECF-valkaisussa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin eri metallien ja kuidun vuorovaikutuksia sekä niiden vaikutuksia prosessiin. Lisäksi käytiin läpi sellunvalmituksen yleisimpiä metallienhallintamenetelmiä. Työn kokeellisessa osassa tehtiin esikokeina laboratoriokokeita, jotta löydettiin oikeat kelatointistrategiat tehdasmittakaavan koeajoille. Laboratoriovalkaisut suoritettiin kuudella eri kemikaalilla käyttäen DD3-pesurin jälkeistä massaa ja samanlaisia parametrejä kuin tehdasvalkaisussa. Kolmesta eri valkaisusekvenssistä paras tulos saavutettiin D0-QEP-sekvenssillä. Tehdasmittakaavan koeajojen tavoitteena oli saavuttaa alle 1 mg/kg jäännösmangaanipitoisuus valkaistussa massassa ja korkeampi vaaleus EOP-vaiheessa pienemmällä klooridioksidin kulutuksella. Koeajoissa käytettiinDTPA:ta ja EDTA:ta kahdeksassa eri koepisteessä. Pienimpiin jäännöspitoisuuksiin päästiin koepisteissä, joissa kelatointiaine annosteltiin ennen valkaisun viimeistä pesuvaihetta tai sen jälkeen. Samanlaisia tuloksia saavutettiin koepisteissä, joissa kelatointiaine lisättiin suoraan EOP-vaiheeseen. Tällöin kelatointiaineen käyttö johti myös korkeampaan vaaleuteen EOP-vaiheessa pienemmällä kappakertoimella kuin referenssissä. Säästöt klooridioksidin kulutuksessa eivät olleet kuitenkaan tarpeeksi suuret kattaakseen kelatointiaineiden käytön kustannuksia. Kustannustehokkain tapa kontrolloida jäännösmangaanipitoisuutta oli EDTA:n annostelu D2 DD-pesurin jälkeen. Haittapuolena tälläisessä kelatoinnissa oli metallikompleksien palautuminen valkaisuun kuivauskoneen kiertoveden mukana. Tärkeimmät onnistuneeseen kelatointiin vaikuttavat parametrit olivat lajittelussa käytetyn rikkihapon annos, D0-vaiheen pH ja D0 DD-pesurin pesutehokkuus.

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.

Jatkuvatoiminen ioninvaihto ja kompleksoituvien metallien sorptio kloridiympäristössä

Työn tarkoituksena oli tutkia kompleksoituvien metallien erotusta kloridiliuoksesta ioninvaihdolla. Kirjallisessa osassa perehdyttiin metallikompleksien muodostumiseen, ja erityisesti hopean, kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin muodostamiin komplekseihin kloridin ja nitraatin kanssa. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös metallien erottamista kiintopetikolonneissa jatkuvatoimisilla ioninvaihtomenetelmillä. Tässä työssä jatkuvatoimisen ioninvaihdon prosessivaihtoehdot jaoteltiin pyöriviin ja paikallaan pysyviin kolonneihin, sekä tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtoja kolonnien kytkentöjen suhteen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenarvoisten metallien erottamista yhdenarvoisista metalleista sekä luotiin koedataa vastaavanlaisen erotusprosessin simulointiin. Kokeissa käytettiin anioninvaihtohartsia ja kelatoivaa selektiivistä ioninvaihtohartsia. Kahdenarvoisen kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin adsorptiota hartseihin tutkittiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Anioninvaihtohartsilla tehtyjen tasapaino- ja kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti sinkkiä kloridiliuoksista, koska sinkki muodostaa stabiileja anionisia klorokomplekseja. Muiden tutkittujen kahdenarvoisten metallien adsorptio hartsiin oli huomattavasti vähäisempää. Tulosten perusteella tutkittu anioninvaihtohartsi on hyvä vaihtoehto sinkin erottamiseen muista tutkituista kahdenarvoisista metalleista kloridiympäristössä. Kelatoivalla hartsilla tehdyt tasapaino- ja kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kloridiliuoksista hyvin kahdenarvoista kalsiumia, magnesiumia, lyijyä ja sinkkiä, mutta ei adsorboi yhdenarvoista hopeaa. Tulosten perusteella kahdenarvoisten metallien erottaminen yhdenarvoisista metalleista voidaan toteuttaa kokeissa käytetyllä kelatoivalla ioninvaihtohartsilla.

Nikkelille selektiivisen kelatoivan adsorbenttimateriaalin valmistus ja tutkiminen

Metallien laajamittaisen ja runsaan käytön vuoksi nykyään on keskityttävä aikaisempaa tarkemmin metallipäästöjen estämiseen ja puhdistamiseen. Metallien puhdistamiseen jätevesistä voidaan käyttää erilaisia yksikköoperaatiomenetelmiä, mutta selektiivisempään erotukseen päästään ioninvaihto- ja adsorbenttimateriaaleilla. Työn tarkoitusena on valmistaa ja tutkia nikkeliselektiivisiä adsorbenttimateriaaleja. Lisäksi tutkimuskohteena on nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostuminen eri pH-arvoilla. Selektiivisten adsorbenttimateriaalien valmistaminen onnistuu liittämällä kiinteään kantajaan ligandi. Tämän työn tapauksessa nikkelitemplaatin liittäminen kiinteään kantajaan funktionalisointivaiheessa muodostaa adsorbenttiin nikkelille spesifisen kohdan. Käytännössä spesifisyyden syntyminen ei ole itsestäänselvyys, vaan se riippuu paljon funktionalisointitavasta. Tässä työssä funktionalisointitapana olivat fysikaalinen adsorptio ja impregnointi. Nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostumista tutkittiin eri pH-arvojen lisäksi neljällä eri happokonsentraatiolla. Tuloksia verrattiin sellaisen liuoksen spektriin, missä oli pelkkää nikkeliä. Tuloksista havaittiin, että komplekseja muodostuu käytännössä samalla tavalla pH:n ollessa 1–6. Vasta 5 M HNO3 alkoi heikentää kompleksien muodostumista, ja 10 M HNO3 esti kompleksien muodostumisen täysin. Adsorbenttimateriaaleja valmistettiin useita erilaisia, joihin osaan liitettiin nikkelitemplaatti ja osa jätettiin ilman templaattia. Työssä keskityttiin tutkimaan erityisesti kolmea silikasta valmistettua materiaalia, joissa vain kahdessa oli nikkelitemplaatti. Nikkelitemplaattien olemassaololla ei havaittu olevan juurikaan merkitystä nikkelin erottamiseen vesiliuoksista. Materiaaleille tehdyt regenerointikokeet osoittivat, että materiaalien toiminta ja kapasiteetti eivät olleet toivotulla tasolla.

Recognition of nucleic acids by metal ion complexes

Metal-ion-mediated base-pairing of nucleic acids has attracted considerable attention during the past decade, since it offers means to expand the genetic code by artificial base-pairs, to create predesigned molecular architecture by metal-ion-mediated inter- or intra-strand cross-links, or to convert double stranded DNA to a nano-scale wire. Such applications largely depend on the presence of a modified nucleobase in both strands engaged in the duplex formation. Hybridization of metal-ion-binding oligonucleotide analogs with natural nucleic acid sequences has received much less attention in spite of obvious applications. While the natural oligonucleotides hybridize with high selectivity, their affinity for complementary sequences is inadequate for a number of applications. In the case of DNA, for example, more than 10 consecutive Watson-Crick base pairs are required for a stable duplex at room temperature, making targeting of sequences shorter than this challenging. For example, many types of cancer exhibit distinctive profiles of oncogenic miRNA, the diagnostics of which is, however, difficult owing to the presence of only short single stranded loop structures. Metallo-oligonucleotides, with their superior affinity towards their natural complements, would offer a way to overcome the low stability of short duplexes. In this study a number of metal-ion-binding surrogate nucleosides were prepared and their interaction with nucleoside 5´-monophosphates (NMPs) has been investigated by 1H NMR spectroscopy. To find metal ion complexes that could discriminate between natural nucleobases upon double helix formation, glycol nucleic acid (GNA) sequences carrying a PdII ion with vacant coordination sites at a predetermined position were synthesized and their affinity to complementary as well as mismatched counterparts quantified by UV-melting measurements.

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.

Emission, kinetic and magnetic phenomena in rare-earth and transition metal doped ZnSe single crystals

In this work emission, optical, electrical and magnetic properties of the d- and f- elements doped zinc selenide crystals were investigated within a wide temperature range. Doping was performed in various technological processes: during the growth by chemical vapor transport method; by thermal diffusion from the Bi or Zn melt. Concentration of the doping impurity in the crystals was controlled by amount of the dopant in the source material or by its concentration in the doping media. Special interest in the work was paid to the influence of the different concentrations of Cr and Yb impurities on ZnSe crystals’ properties, correlations between observed effects and similarities with the Ni, Mn and Gd dopants are analysed. Possibility of formation of the excitons bound to the doping d-ions was shown. In contrast to this, it was observed that f-elements do not bound excitons, but prevent formation of excitons bound to some uncontrolled impurities. A mechanism of Cr doping impurity interaction with background impurities and zinc selenide structural defects was proposed based on experimental data. An assumption about resonant energy transfer between double charged chromium ions and complexes based on crystals’ vacancy defects was made. A correlation between emission and magnetic properties of the d- ions doped samples was established. Based on this correlation a mechanism explaining the concentration quench of the emission was proposed. It was found that f-ions bind electrically active shallow and deep donor and acceptor states of background impurity to electrically neutral complexes. This may be observed as “purification” of ZnSe crystals by doping with the rare-earth elements, resulting i tendency of the properties of f-ion doped crystals to the properties of intrinsic crystals, but with smaller concentration of uncontrolled native and impurity defects. A possible interpretation of this effect was proposed. It was shown that selenium substituting impurities decrease efficiency of the Yb doping. Based on this experimental results an attempt to determine ytterbium ion surroundings in the crystal lattice was made. It was shown that co-doping of zinc selenide crystals with the d- and f- ions leads to the combination of the impurities influence on the material’s properties. On the basis of obtained data an interaction mechanism of the d- and f-elements co-dopants was proposed. Guided by the model of the ytterbium ion incorporation in the selenide sublattice of the ZnSe crystals, an assumption about stabilization of single charged chromium ions in the zinc sublattice crystal nodes, by means of formation of the local charge compensating clusters, was made.

Impact of precipitation on the water table level of different ombrotrophic raised bog complexes, central Estonia

Sadannan vaikutus vedenpinnan tasoon kohosuolla

Arsenic and heavy metal concentrations in agricultural soils in South Savo province

Selostus: Etelä-Savon viljelysmaan arseeni- ja raskasmetallipitoisuudet

Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract