Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

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.

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.

Separation of ammonia and carbon dioxide by adsorption

Tässä työssä on tutkittu ammoniakin ja hiilidioksidin erottamista adsorptio prosessilla ja suunniteltiin paineen muunteluun perustuvan adsorptioprosessin (PSA) käyttöä. Työn tarkoituksena oli laskea adsorptioon perustuvan prosessin kannattavuus melamiinitehtaan poistokaasujen erotuksessa. Tätä varten työssä suunniteltiin tehdasmitta-kaavainen prosessi ja arvioitiin sen kannattavuus. Työssä mitattiin adsorptiotasapainot, joiden perusteella sovitettiin sopiva kokeellinen adsorptioisotermi. Adsorptioisotermi lisättiin simulointiohjelmaan, jonka avulla suunniteltiin kaksi vaihtoehtoista pilot laitteistoa kaasujen erottamiseksi. Toisella pilot laitteistolla saadaan mitattua vain läpäisykäyrät, mutta paremmalla versiolla saadaan myös tietoa erotettujen komponenttien puhtaudesta. Suunnittelun tärkeimpiä lähtökohtia on molempien komponenttien mahdollisimman korkea puhtaus ja talteenottoaste. Täysimittakaavainen tehdas suunniteltiin simulointiohjelmiston avulla kahdelle eri kapasiteetille ja arvioitiin niiden kustannukset ja kannattavuus. Adsorptioprosessit osoittautuivat kannattaviksi kaasuseoksen erottamisessa kummassakin tapauksessa

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

Hydroksihappojen erotus mustalipeästä nanosuodatuksella

Hydroksihapoille on olemassa useita käyttömahdollisuuksia teollisuudessa, joten niiden hyödyntäminen sellunvalmistuksen sivuvirrasta eli mustalipeästä on suuren kiinnostuksen kohteena. Tässä työssä selvitettiin, onko hydroksihappojen erotus ja puhdistus mustalipeästä mahdollista nanosuodatuksella. Kokeellisessa osassa suodatettiin emäksisen mustalipeän lisäksi hapotettua ja jäähdytyskiteytettyä mustalipeää, johon oli lisätty liuotinta. Mustalipeäsuodatuksissa käytettiin viittä erilaista nanosuodatusmembraania (Microdyn Nadir® NP010 ja NP030, Dow Chemical Company NF-90, Woongjin Chemical NE-70 sekä Ge-Osmonics Desal 5 DK). Kirjallisuusosassa käsiteltiin puun sisältämien yhdisteiden kemiallista koostumusta, sellun valmistuksen pääperiaatteita, mustalipeän ja hydroksihappojen ominaisuuksia sekä hydroksihappojen käyttömahdollisuuksia. Lisäksi tarkasteltiin erilaisia hydroksihappojen erotusmenetelmiä, nanosuodatuksen teoriaa ja prosessiin sopivan membraanin valintakriteerejä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin emäksisen mustalipeän monivaiheisen nanosuodatuksen tehokkuutta hydroksihappojen erotuksessa. Hapotetun ja jäähdytyskiteytetyn mustalipeän suodatuskokeissa tutkittiin erityyppisten membraanien erotuskykyä sekä syötön liuotinlisäyksen vaikutusta hydroksihappojen erottumiseen. Lisäksi tarkasteltiin membraanien kestävyyttä ja foulaantumista suodatusolosuhteissa. Työn tulokset osoittivat, että hydroksihappoja voidaan fraktioida mustalipeästä nanosuodatuksella. Hydroksihappojen fraktiointiin vaikuttaa merkittävästi mustalipeässä käytetyn liuottimen läsnäolo sekä suodatuspaine. Lisäksi koetulosten perusteella havaittiin, että monivaiheisella nanosuodatuksella hydroksihapot läpäisevät membraanin ja permeaattiin saavutetaan puhtaampi happojae.

Nanosuodatuksen käyttö voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa

Työssä selvitettiin nanosuodatuksen soveltuvuutta ja kannattavuutta voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa. Kirjallisuusselvityksen ja nanosuodatuskokeiden tavoitteena oli arvioida nanosuodatukseen perustuvien lisäveden valmistusprosessien toiminnallista ja taloudellista kilpailukykyä perinteisiin prosesseihin verrattuna. Voimalaitoksen lisävedellä tarkoitetaan vesi-höyrykiertoon syötettävää vettä, joka korvaa kierrossa menetetyn veden. Nykyisin se valmistetaan vesijohto- tai pintavedestä käänteisosmoosiin ja ioninvaihtoon perustuvilla menetelmillä. Nanosuodatus on käänteisosmoosin tapaan kalvotekniikkaan perustuva erotusprosessi. Kaikki kalvot poistivat orgaanisen aineksen tehokkaasti (>90 %). Suolaretentioissa oli suuria eroja kalvojen välillä, vaikka kalvotoimittajien ilmoittamat retentiot olivat samaa tasoa. NF90-kalvo tuotti puhtainta permeaattia. Kahden kalvon (NF90 ja ESNA1-LF2) kohdalla havaittiin vuon alenemista, kun vuo oli kokeiden alussa noin 30 ja 40 L/m2/h. Likaantumisen merkkejä ei havaittu minkään kalvon kohdalla, kun vuoarvo oli maltillinen (n. 20 L/m2/h). Raakaveden vaikutus NF90-permeaatin laatuun oli vähäinen. Muilla kalvoilla raakaveden vaikutus permeaatin laatuun oli merkittävä. Investointi- ja käyttökustannusten perusteella nanosuodatukseen perustuvat lisäveden valmistusprosessit ovat kilpailukykyisiä nykyisiin lisäveden valmistusprosesseihin verrattuna. Pintavettä raakavetenä käyttävät nanosuodatusprosessit maksavat itsensä takaisin 3–5 vuodessa vesijohtovettä raakavetenä käyttävään käänteisosmoosiprosessiin verrattuna.

Software for design of experiments and response modelling of cake ltration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Software for design of experiments and response modelling of cake filtration applications

Filtration is a widely used unit operation in chemical engineering. The huge variation in the properties of materials to be ltered makes the study of ltration a challenging task. One of the objectives of this thesis was to show that conventional ltration theories are di cult to use when the system to be modelled contains all of the stages and features that are present in a complete solid/liquid separation process. Furthermore, most of the ltration theories require experimental work to be performed in order to obtain critical parameters required by the theoretical models. Creating a good overall understanding of how the variables a ect the nal product in ltration is somewhat impossible on a purely theoretical basis. The complexity of solid/liquid separation processes require experimental work and when tests are needed, it is advisable to use experimental design techniques so that the goals can be achieved. The statistical design of experiments provides the necessary tools for recognising the e ects of variables. It also helps to perform experimental work more economically. Design of experiments is a prerequisite for creating empirical models that can describe how the measured response is related to the changes in the values of the variable. A software package was developed that provides a ltration practitioner with experimental designs and calculates the parameters for linear regression models, along with the graphical representation of the responses. The developed software consists of two software modules. These modules are LTDoE and LTRead. The LTDoE module is used to create experimental designs for di erent lter types. The lter types considered in the software are automatic vertical pressure lter, double-sided vertical pressure lter, horizontal membrane lter press, vacuum belt lter and ceramic capillary action disc lter. It is also possible to create experimental designs for those cases where the variables are totally user de ned, say for a customized ltration cycle or di erent piece of equipment. The LTRead-module is used to read the experimental data gathered from the experiments, to analyse the data and to create models for each of the measured responses. Introducing the structure of the software more in detail and showing some of the practical applications is the main part of this thesis. This approach to the study of cake ltration processes, as presented in this thesis, has been shown to have good practical value when making ltration tests.

Biomassahydrolysaattien puhdistus uutolla

Lignoselluloosasta koostuvasta biomassasta valmistetaan hydrolysoimalla sokereita, jotka jatkojalostetaan fermentoimalla bioetanoliksi. Bioetanolia käytetään fossiilisten polttoaineiden korvaajana esimerkiksi ajoneuvoissa. Bioetanolin valmistuksessa pyritään mahdollisimman hyvään saantoon, jotta sen valmistus olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolyysin aikana syntyy sokerien lisäksi orgaanisia happoja, furaanin johdannaisia sekä fenolisia yhdisteitä. Yleisimpiä syntyviä yhdisteitä ovat muun muassa etikkahappo, furfuraali ja hydroksimetyylifurfuraali. Nämä yhdisteet haittaavat sokerien fermentointiprosessia ja pienentävät etanolin saantoa. Fermentointiprosessia haittaavien yhdisteiden poistoon hydrolysaattiliuoksesta voidaan käyttää esimerkiksi haihdutusta, membraanierotusta, adsorptiota, saostusta, sekä uuttoa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia leikkaussekoittimen soveltuvuutta biomassahydrolysaatin epäpuhtauksien erotukseen. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty hydrolysointiprosessissa syntyviä haitta-aineita ja niiden erotusmenetelmiä.

Advanced analysis and design methods for preparative chromatographic separation processes

Preparative liquid chromatography is one of the most selective separation techniques in the fine chemical, pharmaceutical, and food industries. Several process concepts have been developed and applied for improving the performance of classical batch chromatography. The most powerful approaches include various single-column recycling schemes, counter-current and cross-current multi-column setups, and hybrid processes where chromatography is coupled with other unit operations such as crystallization, chemical reactor, and/or solvent removal unit. To fully utilize the potential of stand-alone and integrated chromatographic processes, efficient methods for selecting the best process alternative as well as optimal operating conditions are needed. In this thesis, a unified method is developed for analysis and design of the following singlecolumn fixed bed processes and corresponding cross-current schemes: (1) batch chromatography, (2) batch chromatography with an integrated solvent removal unit, (3) mixed-recycle steady state recycling chromatography (SSR), and (4) mixed-recycle steady state recycling chromatography with solvent removal from fresh feed, recycle fraction, or column feed (SSR–SR). The method is based on the equilibrium theory of chromatography with an assumption of negligible mass transfer resistance and axial dispersion. The design criteria are given in general, dimensionless form that is formally analogous to that applied widely in the so called triangle theory of counter-current multi-column chromatography. Analytical design equations are derived for binary systems that follow competitive Langmuir adsorption isotherm model. For this purpose, the existing analytic solution of the ideal model of chromatography for binary Langmuir mixtures is completed by deriving missing explicit equations for the height and location of the pure first component shock in the case of a small feed pulse. It is thus shown that the entire chromatographic cycle at the column outlet can be expressed in closed-form. The developed design method allows predicting the feasible range of operating parameters that lead to desired product purities. It can be applied for the calculation of first estimates of optimal operating conditions, the analysis of process robustness, and the early-stage evaluation of different process alternatives. The design method is utilized to analyse the possibility to enhance the performance of conventional SSR chromatography by integrating it with a solvent removal unit. It is shown that the amount of fresh feed processed during a chromatographic cycle and thus the productivity of SSR process can be improved by removing solvent. The maximum solvent removal capacity depends on the location of the solvent removal unit and the physical solvent removal constraints, such as solubility, viscosity, and/or osmotic pressure limits. Usually, the most flexible option is to remove solvent from the column feed. Applicability of the equilibrium design for real, non-ideal separation problems is evaluated by means of numerical simulations. Due to assumption of infinite column efficiency, the developed design method is most applicable for high performance systems where thermodynamic effects are predominant, while significant deviations are observed under highly non-ideal conditions. The findings based on the equilibrium theory are applied to develop a shortcut approach for the design of chromatographic separation processes under strongly non-ideal conditions with significant dispersive effects. The method is based on a simple procedure applied to a single conventional chromatogram. Applicability of the approach for the design of batch and counter-current simulated moving bed processes is evaluated with case studies. It is shown that the shortcut approach works the better the higher the column efficiency and the lower the purity constraints are.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Lääkeaineiden poisto yhdyskuntajätevesistä katalyyttisillä membraaneilla

Lääkeaineiden poistaminen jätevedestä on tärkeää lääkeainejäämien ympäristöön pääsyn ehkäisemiseksi. Tämän työn tavoitteena on selvittää, soveltuvatko katalyyttiset membraanit lääkeaineiden poistoon jätevedestä ja saadaanko membraanisuodatusta tehostettua katalyyttisellä prosessilla. Työ käsittelee katalyyttisistä prosesseista fotokatalyysiä, joka perustuu valoa absorboivan katalyytin käyttöön. Kirjallisuustyössä tarkastellaan kahden erilaisen fotokatalyyttisen prosessin toimivuutta membraanisuodatuksen kanssa lääkeaineiden poistossa jätevedestä. Lisäksi tutkitaan fotokatalyysissä käytettävän katalyytin ja ultraviolettisäteilyn vaikutusta membraaniin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että katalyyttisillä membraaneilla voidaan poistaa lääkeaineita jätevedestä tehokkaasti. Parhaan lääkeaineiden poistotehokkuuden saamiseksi katalyytin määrä on optimoitava hajotusprosessin kannalta. Myös katalyytin sijainti membraanissa vaikuttaa tehokkuuteen. Katalyytti voi sijaita membraanista myös erillään. Tällöin saadaan käsiteltyä myös jatkuvatoimisessa membraanisuodatuksessa syntyvä lääkeaineita sisältävä konsentraattivirta. Kun katalyyttisellä membraanilla hajotetaan lääkeaineita, täytyy prosessin turvallisuuden kannalta olla hyvin selvillä mahdollisista syntyvistä myrkyllisistä välituotteista. Tutkimuksissa on myös todettu, että katalyyttisen membraanin käyttö vähentää membraanin likaantumista.

Purification and fractionation by nanotiltration in dairy and sugar and sweetener industry applications

Nanotiltration is a membrane separation method known for its special characteristic of rejecting multivalent ions and passing monovalent ions. Thus, it is commonly applied with dilute aqueous solutions in partial salt removal, like in drinking water production. The possibilities of nanofiltration have been studied and the technique applied in a wide branch of industries, e.g. the pulp and paper, the textile and the chemical processing industry. However, most present applications and most of the potential applications studied involve dilute solutions, the permeating stream being generally water containing monovalent salts. In this study nanotiltration is investigated more as a fractionation method. A well-known application in the dairy industry is concentration and partial salt removal from whey. Concentration and partial demineralization is beneficial for futher processing of whey as whey concentrates are used e.g. in baby foods. In the experiments of this study nanotiltration effectively reduced the monovalent salts in the whey concentrate. The main concern in this application is lactose leakage into the permeate. With the nanofiltration membranes used the lactose retentions were practically ? 99%. Another dairy application studied was the purification and reuse of cleaning solutions. This is an environmentally driven application. An 80% COD reduction by nanofiltration was observed for alkaline cleaning-in-place solution. Nanofiltration is not as commonly applied in the sugar and sweeteners industry as in the dairy industry. In this study one potential application was investigated, namely xylose purification from hemicellulose hydrolyzate. Xylose is raw material for xylitol production. Xylose separation from glucose was initially studied with xylose-glucose model solutions. The ability of nanofiltration to partially separate xylose into the permeate from rather concentrated xylose-glucose solutions (10 w-% and 30 w-%) became evident. The difference in size between xylose and glucose molecules according to any size measure is small, e.g. the Stokes diameter of glucose is 0.73 nm compared to 0.65 nm for xylose. In further experiments, xylose was purified into nanoliltration permeate from a hemicellulose hydrolyzate solution. The xylose content in the total solids was increased by 1.4—1.7 fold depending on temperature, pressure and feed composition.