Optimization of the procedure for removing iron deposits on ceramic filter media

In this thesis, cleaning of ceramic filter media was studied. Mechanisms of fouling and dissolution of iron compounds, as well as methods for cleaning ceramic membranes fouled by iron deposits were studied in the literature part. Cleaning agents and different methods were closer examined in the experimental part of the thesis. Pyrite is found in the geologic strata. It is oxidized to form ferrous ions Fe(II) and ferric ions Fe(III). Fe(III) is further oxidized in the hydrolysis to form ferric hydroxide. Hematite and goethite, for instance, are naturally occurring iron oxidesand hydroxides. In contact with filter media, they can cause severe fouling, which common cleaning techniques competent enough to remove. Mechanisms for the dissolution of iron oxides include the ligand-promoted pathway and the proton-promoted pathway. The dissolution can also be reductive or non-reductive. The most efficient mechanism is the ligand-promoted reductive mechanism that comprises two stages: the induction period and the autocatalytic dissolution.Reducing agents(such as hydroquinone and hydroxylamine hydrochloride), chelating agents (such as EDTA) and organic acids are used for the removal of iron compounds. Oxalic acid is the most effective known cleaning agent for iron deposits. Since formulations are often more effective than organic acids, reducing agents or chelating agents alone, the citrate¿bicarbonate¿dithionite system among others is well studied in the literature. The cleaning is also enhanced with ultrasound and backpulsing.In the experimental part, oxalic acid and nitric acid were studied alone andin combinations. Also citric acid and ascorbic acid among other chemicals were tested. Soaking experiments, experiments with ultrasound and experiments for alternative methods to apply the cleaning solution on the filter samples were carried out. Permeability and ISO Brightness measurements were performed to examine the influence of the cleaning methods on the samples. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) analysis of the solutions was carried out to determine the dissolved metals.

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Composition of Hawthorn (Crataegus spp.) Fruits and Leaves and emblic Leafflower (Phyllanthus emblica) Fruits

Hawthorn (Crataegus sp.) is widely distributed in the northern hemisphere (Asia, Europe and North America). It has been used as a medicinal material and food for hundreds of years both in Europe and in China. Clinical investigations and other research suggest that extracts of hawthorn fruits and leaves have multiple health effects including hypolipidaemic, anti-atherosclerotic, hypotensive, cardioprotective and blood vessel relaxing activities. Hawthorn fruit extracts have also displayed antioxidant and radical scavenging activities. Emblic leafflower fruit (Phyllanthus emblica) is widely used in Chinese and Indian traditional medicine. It has been found to have anti-cancer, hypoglycaemic and hypolipidaemic activities as well as cardioprotective effects and antioxidant activity. The fruit is currently used as a functional food targeted at obese people in China. Phenolic compounds, procyanidins (PCs), flavonols and C-glycosyl flavones in hawthorn and hydrolysable tannins in emblic leafflower fruits are considered among the major bioactive compounds in these berries. Moreover, hawthorn and emblic leafflower fruits are rich in vitamin C, triterpenoids, fruit acids, sugar alcohols and some other components with beneficial effects on the health of human beings. The aim of the thesis work was to characterise the major phenolic compounds in hawthorn fruits and leaves and emblic leafflower fruits as well as other components contributing to the nutritional profile and sensory properties of hawthorn fruits. Differences in the content and compositional profile of the major phenolic compounds, sugars, acids and sugar alcohols within various origins and species of hawthorn were also investigated. Acids, sugars and sugar alcohols in the fruits of different origins/cultivars belonging to three species (C. pinnatifida, C. brettschneideri and C. scabrifolia) of hawthorn were analysed by gas chromatography (GC-FID) and mass spectrometry (Publication I). Citric acid, quinic acid, malic acid, fructose, glucose, sorbitol and myo-inositol were found in all the subspecies. Sucrose was present only in C. scabrifolia and three cultivars of C. pinnatifida var. major. Forty-two phenolic compounds were identified/tentatively identified in fruits of C. pinnatifida var. major by polyamide column chromatography combined with high-performance liquid chromatograph-electrospray ionisation mass spectrometry (HPLC-ESI-MS) (Publication II). Ideain, chlorogenic acid, procyanidin (PC) B2, (-)-epicatechin, hyperoside and isoquercitrin were the major phenolic components identified. In addition, 35 phenolic compounds were tentatively identified based on UV and mass spectra. Eleven major phenolic compounds (hyperoside, isoquercitrin, chlorogenic acid, ideain, (-)-epicatechin, two PC dimers, three PC trimers and a PC dimer-hexoside) were quantified in the fruits of 22 cultivars/origins of three species of Chinese hawthorn by HPLC-ESI-MS with single ion recording function (SIR) (Publication III). The fruits of the hawthorn cultivars/origins investigated fell into two groups, one rich in sugars and flavonols, the other rich in acids and procyanidins. Based on the compositional features, different biological activities and sensory properties may be expected between cultivars/origins of the two groups. The results suggest that the contents of phenolic compounds, acids, sugars and sugar alcohols may be used as chemotaxonomic information distinguishing the hawthorn species from each other. Phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana and their changes during fruit ripening/harvesting were investigated using HPLC-UV-ESI-MS (Publication IV). (-)-Epicatechin, PC B2 and C1, hyperoside and a quercetin-pentoside were the major phenolic compounds in both fruits and leaves. Three C-glycosyl flavones (a luteolin-C-hexoside, a methyl luteolin-C-hexoside and an apigenin-C-hexoside) were present in leaves in abundance, but only at trace levels in fruits. Ideain and 5-O-caffeoylquinic acid were found in fruits only. Additionally, eleven phenolic compounds were identified/tentatively identified in both leaves and fruits (three B-type PC trimers, two B-type PC tetramers, a quercetin-rhamnosylhexoside, a quercetin-pentoside, a methoxykaempferol-methylpentosylhexoside, a quercetin-hexoside acetate, a methoxykaempferol-pentoside, chlorogenic acid and an unknown hydroxycinnamic acid derivative). The total content of phenolic compounds reached the highest level by the end of August in fruits and by the end of September in leaves. The compositional profiles of phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana were different from those of C. pinnatifida, C. brettschneideri, C. scabrifolia, C. pinnatifida. var. major, C. monogyna, C. laevigata and C. pentagyna. Phenolic compounds in emblic leafflower fruits were characterised by Sephadex LH-20 column chromatography combined with HPLC-ESI-MS (Publication V). A mucic acid gallate, three isomers of mucic acid lactone gallate, a galloylglucose, gallic acid, a digalloylglucose, putranjivain A, a galloyl-HHDP-glucose, elaeocarpusin and chebulagic acid represented the major phenolic compounds in fruits of emblic leafflower. In conclusion, results of this study significantly increase the current knowledge on the key bioactive and nutritional components of hawthorn and emblic leafflower fruits. These results provide important information for research on the mechanism responsible for the health benefits of these fruits.