Application of capillary electrophoretic methods for determining carbohydrates and aliphatic carboxylic acids formed during wood processing

Knowledge of the behaviour of cellulose, hemicelluloses, and lignin during wood and pulp processing is essential for understanding and controlling the processes. Determination of monosaccharide composition gives information about the structural polysaccharide composition of wood material and helps when determining the quality of fibrous products. In addition, monitoring of the acidic degradation products gives information of the extent of degradation of lignin and polysaccharides. This work describes two capillary electrophoretic methods developed for the analysis of monosaccharides and for the determination of aliphatic carboxylic acids from alkaline oxidation solutions of lignin and wood. Capillary electrophoresis (CE), in its many variants is an alternative separation technique to chromatographic methods. In capillary zone electrophoresis (CZE) the fused silica capillary is filled with an electrolyte solution. An applied voltage generates a field across the capillary. The movement of the ions under electric field is based on the charge and hydrodynamic radius of ions. Carbohydrates contain hydroxyl groups that are ionised only in strongly alkaline conditions. After ionisation, the structures are suitable for electrophoretic analysis and identification through either indirect UV detection or electrochemical detection. The current work presents a new capillary zone electrophoretic method, relying on in-capillary reaction and direct UV detection at the wavelength of 270 nm. The method has been used for the simultaneous separation of neutral carbohydrates, including mono- and disaccharides and sugar alcohols. The in-capillary reaction produces negatively charged and UV-absorbing compounds. The optimised method was applied to real samples. The methodology is fast since no other sample preparation, except dilution, is required. A new method for aliphatic carboxylic acids in highly alkaline process liquids was developed. The goal was to develop a method for the simultaneous analysis of the dicarboxylic acids, hydroxy acids and volatile acids that are oxidation and degradation products of lignin and wood polysaccharides. The CZE method was applied to three process cases. First, the fate of lignin under alkaline oxidation conditions was monitored by determining the level of carboxylic acids from process solutions. In the second application, the degradation of spruce wood using alkaline and catalysed alkaline oxidation were compared by determining carboxylic acids from the process solutions. In addition, the effectiveness of membrane filtration and preparative liquid chromatography in the enrichment of hydroxy acids from black liquor was evaluated, by analysing the effluents with capillary electrophoresis.

Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmät

Työssä käytiin läpi Porvoon jalostamon haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääritysmenetelmiä ja arvioitiin nykyisin käytössä olevien sekä uusien menetelmien soveltuvuutta Porvoon jalostamon päästömääritykseen. Nykyisten menetelmien arviointia tehtiin käymällä läpi eri alueiden 2000-luvun päästömäärät sekä vertaamalla päästömääriä muiden jalostamojen vastaaviin päästömääriin. Haihtuvista orgaanisista yhdisteistä puhuttaessa jätetään yleisesti metaani määritelmän ulkopuolelle ja käytetään termiä NMVOC-yhdisteet. Työssä laskettiin arvio Porvoon jalostamon metaanin päästömäärälle ja arvioitiin sen vaikutusta NMVOC-kokonaispäästömäärään. Metaanin kokonaispäästömäärien havaittiin olevan noin kymmenen kertaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästömääriä pienempiä, ja näin ollen niiden lisäämisellä NMVOC-päästöihin ei ole juuri vaikutusta. Myös menetelmien investointi- ja käyttökustannuksia, sekä pidemmän aikavälin kustannuksia arvioitiin. Kustannuksiltaan tällä hetkellä Porvoon jalostamolla käytössä olevat menetelmät ovat kustannustehokkaita. Uusista menetelmistä DIAL, SOF ja OGI ovat kustannuksiltaan huomattavasti kalliimpia, myös pitkän aikavälin vertailulla. Nykyisten menetelmien vuosittaiset kustannukset aiheutuvat mittausten vaatimista henkilötyötunneista. Uusista menetelmistä SOF ja DIAL vaativat ulkopuolisten mittaajien käyttämistä. Massavirran määrityksen suhteen vielä kehitysvaiheessa olevalla OGI-kameralla mitatessa voidaan käyttää mittaajina omaa henkilökuntaa. Toisin kuin DIAL- ja SOF-menetelmien laitteistot, OGI-kamera ostetaan omaksi ja näin ollen sitä voidaan käyttää tarpeen vaatiessa vuoden ympäri esimerkiksi suurien vuotajien paikallistamiseen ja LDAR-kiristysohjelman tukena. Tarkastelun perusteella olisi suositeltavaa tarkastaa nykyisin käytettävistä laskentamenetelmistä erityisesti prosessi- ja säiliöalueen sekä jätevesijärjestelmä päästömäärät käyttäen tarkempia DIAL-, SOF- tai myöhemmin OGI-menetelmiä ja muokata laskentamenetelmiä vastamaan näillä määritettyjä päästömääriä.