Uuttoprosessin suunnittelu

Teknologian kehitys ja prosessien tiukempi valvonta ovat alentaneet selluteollisuuden häviöitä tehden prosesseista suljetumpia. Valitettavasti nämä edistysaskeleet teknologiassa ovat lisänneet prosessiin kuulumattomien yhdisteiden määrää kemikaalien talteenottokierrossa. Näistä kemikaaleista haitallisimpia ovat kloridi- ja kaliumyhdisteet, jotka tulevat prosessiin raaka-aineiden ja prosessikemikaalien mukana. Kloridi ja kalium muodostavat emäksisissä liuoksissa epäorgaanisia liukoisia yhdisteitä, jotka rikastuvat lipeäkiertoon. Soodakattilassa kloridien läsnäolo alentaa tuhkan sulamislämpötilaa sekä tarttumispistettä, lisää korroosiota ja saostumien muodostumista kattilan pinnalle. Nämä seuraukset voivat vähentää vuosituotantoa ja nostaa korjauskustannuksia. Kaliumin ja kloridin rikastumista talteenottokiertoon voidaan estää poistamalla ne prosessista. Prosessiin kuulumattomat yhdisteet tulisi poistaa talteenottoprosessista ja säilyttää samalla korkea kemikaalien talteenottoprosentti. Koska kaliumin ja kloridin rikastumiskertoimet soodakattilan tuhkassa ovat korkeita, on tuhkan käsittely tehokasta. Kloridin ja kaliumin poistoon on kehitetty menetelmiä, joilla voidaan vähentää hyödyllisten kemikaalien häviöitä. Näitä menetelmiä ovat uutto, ioninvaihto, elektrodialyysi, jäähdytyskiteytys ja haihdutuskiteytys. Menetelmissä tuhka jaetaan kloridi- ja kaliumpitoiseen osaan ja natriumsulfaattipitoiseen osaan. Kloridi ja kalium poistetaan prosessista ja loput palautetaan lipeäkiertoon. Kloridin ja kaliumin poistoa tuhkasta tutkittiin uuttamalla tuhkaa vedellä. Parhaissa käyttöolosuhteissa natriumsulfaatin liukoisuus veteen on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumkloridin liukoisuus veteen. Optimaalinen uuttolämpötila ja tuhka-vesisuhde määritettiin siten, että kloridi- ja kaliumpitoisuudet suodoksessa olivat mahdollisimman korkeat sekä natriumin ja muiden anioneiden pitoisuudet suodoksessa mahdollisimman alhaiset. Saatuja tuloksia käytettiin jatkuvatoimisen uuttoprosessin suunnittelussa.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.

Natural freeze crystallization : purification of aqueous Na2SO4 solutions with cold air

The aim of this thesis was to examine efficiency of freeze crystallization and eutectic freeze crystallization in purification of wastewater by imitating natural freezing. In addition, a mathematic model based on heat transfer to determine ice thickness and ice growth rate was examined. Also, the amount of sodium sulfate crystallized at the eutectic point was under investigation. In literature part, advantages and applications of the freeze crystallization are discussed, and possibility to apply it in Northern hemisphere winter weather conditions is under study. Furthermore, main sources of sodium sulfate from Finnish industries are described. The experiments were carried out in modified chest freezer, where a fan was placed in order to obtain laminar air flow inside. Picolog PT-104 data logger was used to monitor temperature changes in the salt-water solution, and constant temperature was maintained in the crystallizer with Lauda RP 850 thermostat. The impurity of formed ice layer was determined by weighing ice samples after experiment and again after 24 hours drying to full dryness in oven. Volume of salt-water solution was also measured after experiment. The highest purity of formed ice layer was obtained with small temperature difference and with long freezing time. On the other hand, the amount of crystallized sodium sulfate was its greatest with long freezing time and higher temperature difference. The results obtained by the mathematic model and empirical results did not differ significantly in most of the experiments. However, the difference increased when salt-water mixture reached its eutectic point, leading to simultaneous ice and salt crystallization. Eutectic point was reached only with the highest salt concentration with one exception. In these cases, calculated values were in many cases greater than the experimental ones. In winter weather conditions freeze crystallization is cost-effective wastewater treatment method and rather simple. Nonetheless, the efficiency and separation rate are strongly depended on ambient temperature and its changes

Effects of sodium sulphate and potassium chloride fertilizers on the nutritive value of timothy grown on different soils

Selostus: Natrium- ja kaliumlannoituksen vaikutus timotein ravintoarvoon

Sodium reduction in cooked meat products by using commercial potassium phoshate mixtures

Selostus: Natriumpitoisuuden pienentäminen lihavalmisteissa korvaamalla natriumfosfaatti kaliumfosfaatilla

Utilisation of magnetic field in membrane filtration

As it is known, the major problem of membrane filtration is fouling of membrane during the filtration process. There are a lot of methods to prevent or reduce fouling. One very little studied method is applying of magnetic field in membrane filtration. Magnetic field has such advantages as bulk, contact free, nondestructive impact on the sample, thus it can be combined with different types of processes. In addition, the use of magnetic fields has given positive results in various areas of science and life. So, the present thesis is devoted to the research of influence of magnetic field on performances of nanofiltration. In the literature part of the thesis a short description of membrane process and mechanism of reorientation of nanoparticals in magnetic field is presented. The utilization of magnetic field in different spheres of life, in general, and membrane area, in particular, is represented. In the experimental part the influence of magnetic field created by two permanent magnets on filtration of two solutions (citric acid and sodium dodecyl sulfate) was investigated. Factors, which affect on the impact of magnetic field was estimated. The effect of magnetic field was evaluated by measuring a change of pure water permeability after the filtration of model solution. This work demonstrated that direction of magnetic field and the type of molecules of filtered solution has significant effect to the efficiency of nanofiltration. Utilization of magnetic field might increase retention of membrane and flux through membrane and reduce fouling.

Recovery of carboxylic acids from aqueous streams by extraction and back extraction

Separation of carboxylic acids from aqueous streams is an important part of their manufacturing process. The aqueous solutions are usually dilute containing less than 10 % acids. Separation by distillation is difficult as the boiling points of acids are only marginally higher than that of water. Because of this distillation is not only difficult but also expensive due to the evaporation of large amounts of water. Carboxylic acids have traditionally been precipitated as calcium salts. The yields of these processes are usually relatively low and the chemical costs high. Especially the decomposition of calcium salts with sulfuric acid produces large amounts of calcium sulfate sludge. Solvent extraction has been studied as an alternative method for recovery of carboxylic acids. Solvent extraction is based on mixing of two immiscible liquids and the transfer of the wanted components form one liquid to another due to equilibrium difference. In the case of carboxylic acids, the acids are transferred from aqueous phase to organic solvent due to physical and chemical interactions. The acids and the extractant form complexes which are soluble in the organic phase. The extraction efficiency is affected by many factors, for instance initial acid concentration, type and concentration of the extractant, pH, temperature and extraction time. In this paper, the effects of initial acid concentration, type of extractant and temperature on extraction efficiency were studied. As carboxylic acids are usually the products of the processes, they are wanted to be recovered. Hence the acids have to be removed from the organic phase after the extraction. The removal of acids from the organic phase also regenerates the extractant which can be then recycled in the process. The regeneration of the extractant was studied by back-extracting i.e. stripping the acids form the organic solution into diluent sodium hydroxide solution. In the solvent regeneration, the regenerability of different extractants and the effect of initial acid concentration and temperature were studied.

Morfologian hallinta nikkelin sulfidisaostuksessa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia nikkelin sulfidisaostuksessa syntyvien kiteiden morfologiaa ja siihen vaikuttavia parametreja. Syntyvien kiteiden kasvua ja morfologiaa tutkittiin kiteen muodostumisen ja kasvun teorioiden avulla. Saostuksen olosuhteet, kuten lämpötila, paine ja pH vaikuttavat muodostuvien kiteiden morfologiaan. Muilla parametreilla, kuten liuoksen ylikylläisyydellä, epäpuhtauksilla, lisäaineilla, sekoituksella ja reaktioajalla on myös suuri merkitys. Kokeiden avulla haluttiin liuoskoostumuksen, saostusolosuhteiden ja muiden komponenttien vaikutusta nikkelisulfidikiteiden morfologiaan. Kokeissa käytettiin kahta eri sulfidilähdettä: natriumvetysulfidia ja rikkivetyä. Puolipanoskokeissa nikkelipitoisuus oli 1,5 g/l, paine 101,3 kPa ja sekoitusnopeus 650 rpm. Saostuskokeet tehtiin natriumsulfaatti- 5 g/l ja ammoniumsulfaattiliuoksissa 300 g/l. Saostuskokeissa muuttujia olivat saostimen konsentraatio ja määrä, rauta- ja magne-siumepäpuhtaudet, lämpötila ja lisäaineet. Diplomityön kokeellisessa osassa morfologiaa tutkittiin suoraan valomikroskoopin ja pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) avulla. Morfologiaa tutkittiin myös epäsuorasti laskeutumisnopeuden, keskimääräisen partikkelikoon, ja ominaispinta-alamittausten avulla. Saostimen pitoisuuden vaikutukset partikkelimuotoon olivat pieniä, mutta vaikutukset ominaispinta-alaan ja partikkelikokoon olivat suuria. Natriumlauryylisul-faatti ja EDTA ohjasivat partikkelien rakennetta levymäisemmäksi, joka johti hitaaseen laskeutumisnopeuteen. Polyakryylihappo lisäaineena muuttaa partikkelien morfologiaa kuutiomaisemmaksi. Flokkulanttien ja raudan morfologiset vaikutukset olivat pieniä. Partikkelikoko ja omaispinta-ala pienenivät selvästi magnesiumpitoisuuden kasvaessa. Lämpötilan kasvattaminen lisäsi epäsäännöllisten kiteiden määrää ja muodostuneet kiteet olivat enemmän neulamaisia.

Effects of anthropogenic and natural hydrological changes on the behavior of the acidic metal discharge from acid sulfate soils in a river- and lake system in western Finland

Larsmo-Öjasjön i Österbotten skapades genom invallningar på 1960-talet pga. industrins behov av sötvatten. Sedan dess har vattenområdet drabbats av återkommande försurning och fiskdöd, och invallningen har ofta beskyllts för problemen. Avhandlingen undersöker syrabelastningen i området; bl.a. hur markanvändning, hydrologi och klimatförändringen påverkar belastningen. Konsekvenserna undersöks med fiskyngel som bioindikator, och olika miljömetoder testas och diskuteras. Ökad kunskap om försurningen hjälper oss att tillämpa effektiva miljömetoder och få förbättrad vattenkvalitet i framtiden. Den primära orsaken till den försämrade vattenkvaliteten under de senaste 40 åren är intensiv dikning av svavelrika sediment. Detta leder till oxidering av svavlet till svavelsyra och uppkomst av sura sulfatjordar. Syran löser upp mängder med toxiska metaller som spolas ut i vattendragen. Undersökningen visar att tiotusentals ton svavelsyra tillsammans med stora mängder metaller rinner till Larsmo-Öjasjön per år från sura sulfatjordar. Åarna bidrar med mest belastning, men den sammanlagda belastningen från de otaliga dikena och bäckarna är oväntat stor. Andra potentiella källor till försurningen, t.ex. muddringar och humussyror, beräknas vara obetydliga. Syra- och metallbelastningen varierar kraftigt med hydrologin, dvs. störst belastning sker under vår- och höstflöden. En eventuell klimatförändring kan ändra på avrinningsmönstret och orsaka mera belastning vintertid. Den årligt återkommande syra- och metallbelastningen kan ofta hindra lakens förökning, vilket kan ha större långtgående konsekvenser för fiskpopulationerna än de relativt sällsynta stora surchockerna med synlig fiskdöd. För att förebygga skador på vattendragen bör man undvika att dränera svavelrika sedimenten. På redan existerande sura sulfatjordar visade sig kontroll av grundvattennivån kunna möjliggöra en effektiverad markanvändning utan märkbart ökade miljökonsekvenser.

Chromium mass balance in sodium chlorate process

Kuudenarvoista kromia käytetään natriumkloraatin valmistuksessa prosessin tuotantotehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseksi. Kromia kuitenkin poistuu prosessista muutamaa reittiä pitkin. Koska kuuudenarvoisella kromilla on syöpää aiheuttavia, mutageenisiä sekä lisääntymiselle myrkyllisiä ominaisuuksia, olisi tärkeää ymmärtää, miten kromi kulkeutuu prosessin eri osiin, ja kuinka paljon sitä poistuu prosessista. Tämä on tärkeää, jotta osataan hallita kromin käytöstä aiheutuvat riskit, sekä toisaalta myös tehostaa kromin käyttöä prosessissa. Työn tarkoituksena oli tuottaa tietoa kromin käytöstä natriumkloraattiprosessissa. Työssä tutkittiin kromitasetta prosessin keskeisimmissä yksikköoperaatioissa. Myös kromin saostumista katodien pinnalle arvioitiin määrällisesti. Eri prosessinäytteistä tutkittiin lisäksi kromin hapetusasteita. Edellä mainittuja tutkimuskohteita varten määritettiin prosessinäytteiden kromipitoisuus. Eri prosessioperaatioille suoritettiin lisäksi taselaskelmat. Työn tuloksena esitettiin kromitase sekä yksikköoperaatioille että koko prosessille. Erinäisten epätarkkuustekijöiden vuoksi tasetta ei kuitenkaan pystytty määrittämään halutulla tarkkuudella, ja siksi työssä esitettyä tasetta voidaan pitää vain suuntaa antavana laskelmana. Katodien pinnalle saostunutta kromin määrää pidettiin kuitenkin oikean suuruusluokan tuloksena. Prosessinäytteiden hapetusasteita ei voitu arvioida, sillä saadut kokonaiskromitulokset eivät olleet täysin luotettavia. Huolimatta tulosten epätarkkuudesta, työ tuotti tärkeää tietoa prosessin toiminnasta kromin suhteen. Työtä voidaan hyödyntää jatkossa monin tavoin prosessin kromitaseen seurannassa.

Spatial modeling techniques for mapping and characterization of acid sulfate soils

Acid sulfate (a.s.) soils constitute a major environmental issue. Severe ecological damage results from the considerable amounts of acidity and metals leached by these soils in the recipient watercourses. As even small hot spots may affect large areas of coastal waters, mapping represents a fundamental step in the management and mitigation of a.s. soil environmental risks (i.e. to target strategic areas). Traditional mapping in the field is time-consuming and therefore expensive. Additional more cost-effective techniques have, thus, to be developed in order to narrow down and define in detail the areas of interest. The primary aim of this thesis was to assess different spatial modeling techniques for a.s. soil mapping, and the characterization of soil properties relevant for a.s. soil environmental risk management, using all available data: soil and water samples, as well as datalayers (e.g. geological and geophysical). Different spatial modeling techniques were applied at catchment or regional scale. Two artificial neural networks were assessed on the Sirppujoki River catchment (c. 440 km2) located in southwestern Finland, while fuzzy logic was assessed on several areas along the Finnish coast. Quaternary geology, aerogeophysics and slope data (derived from a digital elevation model) were utilized as evidential datalayers. The methods also required the use of point datasets (i.e. soil profiles corresponding to known a.s. or non-a.s. soil occurrences) for training and/or validation within the modeling processes. Applying these methods, various maps were generated: probability maps for a.s. soil occurrence, as well as predictive maps for different soil properties (sulfur content, organic matter content and critical sulfide depth). The two assessed artificial neural networks (ANNs) demonstrated good classification abilities for a.s. soil probability mapping at catchment scale. Slightly better results were achieved using a Radial Basis Function (RBF) -based ANN than a Radial Basis Functional Link Net (RBFLN) method, narrowing down more accurately the most probable areas for a.s. soil occurrence and defining more properly the least probable areas. The RBF-based ANN also demonstrated promising results for the characterization of different soil properties in the most probable a.s. soil areas at catchment scale. Since a.s. soil areas constitute highly productive lands for agricultural purpose, the combination of a probability map with more specific soil property predictive maps offers a valuable toolset to more precisely target strategic areas for subsequent environmental risk management. Notably, the use of laser scanning (i.e. Light Detection And Ranging, LiDAR) data enabled a more precise definition of a.s. soil probability areas, as well as the soil property modeling classes for sulfur content and the critical sulfide depth. Given suitable training/validation points, ANNs can be trained to yield a more precise modeling of the occurrence of a.s. soils and their properties. By contrast, fuzzy logic represents a simple, fast and objective alternative to carry out preliminary surveys, at catchment or regional scale, in areas offering a limited amount of data. This method enables delimiting and prioritizing the most probable areas for a.s soil occurrence, which can be particularly useful in the field. Being easily transferable from area to area, fuzzy logic modeling can be carried out at regional scale. Mapping at this scale would be extremely time-consuming through manual assessment. The use of spatial modeling techniques enables the creation of valid and comparable maps, which represents an important development within the a.s. soil mapping process. The a.s. soil mapping was also assessed using water chemistry data for 24 different catchments along the Finnish coast (in all, covering c. 21,300 km2) which were mapped with different methods (i.e. conventional mapping, fuzzy logic and an artificial neural network). Two a.s. soil related indicators measured in the river water (sulfate content and sulfate/chloride ratio) were compared to the extent of the most probable areas for a.s. soils in the surveyed catchments. High sulfate contents and sulfate/chloride ratios measured in most of the rivers demonstrated the presence of a.s. soils in the corresponding catchments. The calculated extent of the most probable a.s. soil areas is supported by independent data on water chemistry, suggesting that the a.s. soil probability maps created with different methods are reliable and comparable.

Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent. The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability. In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.

Separation of lignin in Pulp Mill process and its effect on sodium sulphur balance

The aim of this thesis is to define effects of lignin separation process on Pulp mill chemical balance especially on sodium/sulphur-balance. The objective is to develop a simulation model with WinGEMS Process Simulator and use that model to simulate the chemical balances and process changes. The literature part explains what lignin is and how kraft pulp is produced. It also introduces to the methods that can be used to extract lignin from black liquor stream and how those methods affect the pulping process. In experimental part seven different cases are simulated with the created simulation model. The simulations are based on selected reference mill that produces 500 000 tons of bleached air-dried (90 %) pulp per year. The simulations include the chemical balance calculation and the estimated production increase. Based on the simulations the heat load of the recovery boiler can be reduced and the pulp production increased when lignin is extracted. The simulations showed that decreasing the waste acid stream intake from the chlorine dioxide plant is an effective method to control the sulphidity level when about 10 % of lignin is extracted. With higher lignin removal rates the in-mill sulphuric acid production has been discovered to be a better alternative to the sulphidity control.