Bio-ethanol valorization towards C4s including 1-butanol over metal modified alumina and zeolite catalysts

Bio-ethanol has been used as a fuel additive in modern society aimed at reducing CO2-emissions and dependence on oil. However, ethanol is unsuitable as fuel supplement in higher proportions due to its physico-chemical properties. One option to counteract the negative effects is to upgrade ethanol in a continuous fixed bed reactor to more valuable C4 products such as 1-butanol providing chemical similarity with traditional gasoline components. Bio-ethanol based valorization products also have other end-uses than just fuel additives. E.g. 1-butanol and ethyl acetate are well characterised industrial solvents and platform chemicals providing greener alternatives. The modern approach is to apply heterogeneous catalysts in the investigated reactions. The research was concentrated on aluminium oxide (Al2O3) and zeolites that were used as catalysts and catalyst supports. The metals supported (Cu, Ni, Co) gave very different product profiles and, thus, a profound view of different catalyst preparation methods and characterisation techniques was necessary. Additionally, acidity and basicity of the catalyst surface have an important role in determining the product profile. It was observed that ordinary determination of acid strength was not enough to explain all the phenomena e.g. the reaction mechanism. One of the main findings of the thesis is based on the catalytically active site which originates from crystallite structure. As a consequence, the overall evaluation of different by-products and intermediates was carried out by combining the information. Further kinetic analysis was carried out on metal (Cu, Ni, Co) supported self-prepared alumina catalysts. The thesis gives information for further catalyst developments aimed to scale-up towards industrially feasible operations.

Kuormituksen vaikutus kromatografiseen erotukseen alikriittisellä vedellä

Teollisessa kromatografiassa kolonnia pyritään kuormittamaan mahdollisimman paljon, jotta saataisiin maksimoitua erotetun komponentin määrä aikayksikköä kohden. Tässä työssä kuormitusta tutkittiin nostamalla syöttöliuoksen, synteettisen melassin, näyteväkevyyttä 80-125 ºC:ssa. Eluenttina oli paineistettu kuumaa vesi ja hartsina vahva Na-muotoinen PS-DVB pohjainen vahva kationinvaihtohartsi. Lämpötilaa nostamalla piikit kapenivat ja tulivat symmetrisemmiksi, erotus nopeutui sekä suola erottui usein paremmin sokereista. Syöttöliuoksen kuiva-ainetta lisättiin asteittain 55 p-% saakka, jolloin ei vielä havaittu ongelmia erotuksessa. Lämpötilassa 125 ºC havaittiin erotuksen aikana kuormituksesta riippumatonta sakkaroosin invertoitumista. Vertailtaessa eri stationäärifaaseja havaittiin Na-muotoisen PS-DVB pohjaisen kationinvaihtohartsin erottavan yleensä sokereita, sokerialkoholeja, oligosakkarideja ja betaiinia lähes poikkeuksetta paremmin alhaisilla pitoisuuksilla kuin neutraalihartsi ja Na-muotoinen zeoliitti. Erottuminen ei yleensä parantunut lämpötilaa nostamalla, mutta piikit kapenivat ja erotus nopeutui. Monosakkaridien erotus huononi 125 ºC:ssa kationinvaihtohartsilla. Tutkittaessa terveysvaikutteisten ksylo-oligosakkaridien soveltuvuutta alikriittiseen erotukseen, niiden havaittiin huomattavasti hydrolysoituvan happamissa olosuhteissa koeputkessa 100 ºC:ssa kahdessa tunnissa. Näytteessä olevien epäpuhtauksien havaittiin katalysoineen hydrolyysiä. Hydrolysoituminen oli hitaampaa neutraaleissa olosuhteissa korotetussa lämpötilassa. Tästä voitiin tehdä johtopäätös, että alikriittiset olosuhteet eivät sovi ksylo-oligosakkaridien erotukseen.

Ammoniakin talteenottoprosessin kehitys

Diplomityössä kehitettiin ioninvaihtoon perustuva ammoniakin talteenottoprosessi NSSC (Neutral Sulphite Semi Chemical) -prosessin haihduttamon lauhteille. Tarkoituksena oli saada aallotuskartonkitehtaan kemi-kaalikiertoa suljettua ja sitä kautta ammoniakkipäästöjä vähennettyä. Ammoniakki tuli ottaa hyötymuodossa (ammoniakkihöyry tai ammoniumsulfiitti) talteen. Ammoniumsulfiittiliuosta käytetään NSSC-prosessissa keittonesteenä. Kirjallisuusosassa selvitetään strippaukseen perustuvia ammoniakin talteenottomahdollisuuksia. Tutkitaan ioninvaihdon teoriaa ja ammoniumin talteenottoon sopivien ioninvaihtomateriaalien ominaisuuksia ioninvaihtajina. Lisäksi esitetään ioninvaihtoprosesseihin liittyviä laitteistoratkaisuja ja prosessiolosuhteita. Työn kokeellisessa osassa on yleiskuvaus Powerflute Oy Savon Sellun prosesseista ja selvitetään ammoniakin merkitystä tehtaalle. Laboratoriokokein tutkittiin orgaanisten kationihartsien sekä epäorgaanisen luonnon zeoliitin soveltuvuutta ammoniumionien vaihtoon esihaihduttamon lauhteesta. Ammoniakin talteenottoprosessin toimivuutta teollisessa mittakaavassa selvitettiin rakennetulla pilotlaitteistolla suoritettujen kokeiden avulla. Lopuksi tehtiin ammoniakin talteenottoprosessin scale-up: laskettiin prosessin talteenottokapasiteetti, arvioitiin kustannuksia sekä annettiin lausunto prosessin toteutettavuudesta. Laboratoriokokeiden perusteella luonnon zeoliitti ja heikosti hapan ioninvaihtohartsi eivät sovellu ammoniumionien vaihtoon NSSC haihduttamon lauhteista. Vahvasti hapan kationihartsi toimi ammoniumin talteenotossa parhaiten, joten se valittiin pilotkokeiden ioninvaihtomateriaaliksi. Pilotkokeissa ioninvaihtomateriaaliin saatiin sidottua ammoniumia noin 30 g NH4+ / dm3 hartsia, kun materiaalin teoreettinen ioninvaihtokapasiteetti oli 32 g NH4+ / dm3 hartsia. Ammoniumin läpäisykäyrien muotoon vaikutti suuresti syöttölauhteen virtausnopeus ja ammoniumpitoisuus. Ioninvaihtomateriaalipedin syvyydellä ei ollut niinkään merkitystä. Pilotkokeiden regenerointitavoista tehokkaimmaksi osoittautui höyrystrippaus, jossa saavutettiin noin 90 %:n talteenottotehokkuus. Rikkihapokekäsittelyllä talteenottotehokkuus jäi 50 %:iin. Teollisen mittakaavan laitoksella voidaan vuosittain regenerointitavasta riippuen ottaa talteen esihaihdut-tamon lauhteesta noin 100-150 tonnia ammoniakkia. Prosessin käyttökustannukset ovat talteenotetusta ammoniakista saataviin säästöihin verrattuna suuret ja niihin vaikuttaa merkittävästi ioninvaihtohartsin käyttöikä sekä regenerointikemikaalien kulutus. Osittaisella kemikaalikierron sulkemisella saavutetaan NSSC-prosessissa sekundäärietuja, joiden vaikutuksen merkittävyys pitäisi tarkentaa lisätutkimuksilla.

Methyl and ethyl chloride synthesis in microreactors

Methyl chloride is an important chemical intermediate with a variety of applications. It is produced today in large units and shipped to the endusers. Most of the derived products are harmless, as silicones, butyl rubber and methyl cellulose. However, methyl chloride is highly toxic and flammable. On-site production in the required quantities is desirable to reduce the risks involved in transportation and storage. Ethyl chloride is a smaller-scale chemical intermediate that is mainly used in the production of cellulose derivatives. Thus, the combination of onsite production of methyl and ethyl chloride is attractive for the cellulose processing industry, e.g. current and future biorefineries. Both alkyl chlorides can be produced by hydrochlorination of the corresponding alcohol, ethanol or methanol. Microreactors are attractive for the on-site production as the reactions are very fast and involve toxic chemicals. In microreactors, the diffusion limitations can be suppressed and the process safety can be improved. The modular setup of microreactors is flexible to adjust the production capacity as needed. Although methyl and ethyl chloride are important chemical intermediates, the literature available on potential catalysts and reaction kinetics is limited. Thus the thesis includes an extensive catalyst screening and characterization, along with kinetic studies and engineering the hydrochlorination process in microreactors. A range of zeolite and alumina based catalysts, neat and impregnated with ZnCl2, were screened for the methanol hydrochlorination. The influence of zinc loading, support, zinc precursor and pH was investigated. The catalysts were characterized with FTIR, TEM, XPS, nitrogen physisorption, XRD and EDX to identify the relationship between the catalyst characteristics and the activity and selectivity in the methyl chloride synthesis. The acidic properties of the catalyst were strongly influenced upon the ZnCl2 modification. In both cases, alumina and zeolite supports, zinc reacted to a certain amount with specific surface sites, which resulted in a decrease of strong and medium Brønsted and Lewis acid sites and the formation of zinc-based weak Lewis acid sites. The latter are highly active and selective in methanol hydrochlorination. Along with the molecular zinc sites, bulk zinc species are present on the support material. Zinc modified zeolite catalysts exhibited the highest activity also at low temperatures (ca 200 °C), however, showing deactivation with time-onstream. Zn/H-ZSM-5 zeolite catalysts had a higher stability than ZnCl2 modified H-Beta and they could be regenerated by burning the coke in air at 400 °C. Neat alumina and zinc modified alumina catalysts were active and selective at 300 °C and higher temperatures. However, zeolite catalysts can be suitable for methyl chloride synthesis at lower temperatures, i.e. 200 °C. Neat γ-alumina was found to be the most stable catalyst when coated in a microreactor channel and it was thus used as the catalyst for systematic kinetic studies in the microreactor. A binder-free and reproducible catalyst coating technique was developed. The uniformity, thickness and stability of the coatings were extensively characterized by SEM, confocal microscopy and EDX analysis. A stable coating could be obtained by thermally pretreating the microreactor platelets and ball milling the alumina to obtain a small particle size. Slurry aging and slow drying improved the coating uniformity. Methyl chloride synthesis from methanol and hydrochloric acid was performed in an alumina-coated microreactor. Conversions from 4% to 83% were achieved in the investigated temperature range of 280-340 °C. This demonstrated that the reaction is fast enough to be successfully performed in a microreactor system. The performance of the microreactor was compared with a tubular fixed bed reactor. The results obtained with both reactors were comparable, but the microreactor allows a rapid catalytic screening with low consumption of chemicals. As a complete conversion of methanol could not be reached in a single microreactor, a second microreactor was coupled in series. A maximum conversion of 97.6 % and a selectivity of 98.8 % were reached at 340°C, which is close to the calculated values at a thermodynamic equilibrium. A kinetic model based on kinetic experiments and thermodynamic calculations was developed. The model was based on a Langmuir Hinshelwood-type mechanism and a plug flow model for the microreactor. The influence of the reactant adsorption on the catalyst surface was investigated by performing transient experiments and comparing different kinetic models. The obtained activation energy for methyl chloride was ca. two fold higher than the previously published, indicating diffusion limitations in the previous studies. A detailed modeling of the diffusion in the porous catalyst layer revealed that severe diffusion limitations occur starting from catalyst coating thicknesses of 50 μm. At a catalyst coating thickness of ca 15 μm as in the microreactor, the conditions of intrinsic kinetics prevail. Ethanol hydrochlorination was performed successfully in the microreactor system. The reaction temperature was 240-340°C. An almost complete conversion of ethanol was achieved at 340°C. The product distribution was broader than for methanol hydrochlorination. Ethylene, diethyl ether and acetaldehyde were detected as by-products, ethylene being the most dominant by-product. A kinetic model including a thorough thermodynamic analysis was developed and the influence of adsorbed HCl on the reaction rate of ethanol dehydration reactions was demonstrated. The separation of methyl chloride using condensers was investigated. The proposed microreactor-condenser concept enables the production of methyl chloride with a high purity of 99%.

CO2:n adsorptio Loviisan voimalaitoksen päästöilmasta 14C-päästöjen määrittämiseksi

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää mahdollisuuksia 14C:n kemiallisten muotojen eriyttämiseen käyttäen Loviisan voimalaitoksella olemassa olevaa näytteenkeräyslaitteistoa. Lisäksi tarkoituksena oli selvittää parhaiten tähän käyttötarkoitukseen soveltuva zeoliittityyppiä tyypeistä 4A, 5A ja 13X. Työn kirjallisessa osassa käsitellään ydinvoimalaitoksen C14-päästöjä keskittyen pääosin Loviisan VVER-laitokseen. Adsorption osalta esitellään kaupallisesti käytettyjä adsorptiomateriaaleja ja paneudutaan adsorptioon fysikaalisena ja kemiallisena ilmiönä. Lisäksi esitellään kahden desorptiomenetelmän perusperiaatteet. Kirjallisen osan lopussa kootaan tutkimukseen vaikuttavia tekijöitä ja esitellään aiemmin käytössä ollut näytteenkeräyslaitteisto. Kokeellisessa osassa esitellään työssä käytetyt laitteistot. Lisäksi on kuvattu mittausten suoritus nestetuikelaskurilla. Tämän jälkeen työssä esitellään mittaustuloksien käsittely ja näin saadut tulokset.

α-Pinene oxide and verbenol oxide isomerizations over heterogeneous catalysts

Terpenes are a valuable natural resource for the production of fine chemicals. Turpentine, obtained from biomass and also as a side product of softwood industry, is rich in monoterpenes such as α-pinene and β-pinene, which are widely used as raw materials in the synthesis of flavors, fragrances and pharmaceutical compounds. The rearrangement of their epoxides has been thoroughly studied in recent years, as a method to obtain compounds which are further used in the fine chemical industry. The industrially most desired products of α-pinene oxide isomerization are campholenic aldehyde and trans-carveol. Campholenic aldehyde is an intermediate for the manufacture of sandalwood-like fragrances such as santalol. Trans-carveol is an expensive constituent of the Valencia orange essence oil used in perfume bases and food flavor composition. Furthermore it has been found to exhibit chemoprevention of mammary carcinogenesis. A wide range of iron and ceria supported catalysts were prepared, characterized and tested for α-pinene oxide isomerization in order to selective synthesis of above mentioned products. The highest catalytic activity in the preparation of campholenic aldehyde over iron modified catalysts using toluene as a solvent at 70 °C (total conversion of α-pinene oxide with a selectivity of 66 % to the desired aldehyde) was achieved in the presence of Fe-MCM-41. Furthermore, Fe-MCM-41 catalyst was successfully regenerated without deterioration of catalytic activity and selectivity. The most active catalysts in the synthesis of trans-carveol from α-pinene oxide over iron and ceria modified catalysts in N,N-dimethylacetamide as a solvent at 140 °C (total conversion of α-pinene oxide with selectivity 43 % to trans-carveol) were Fe-Beta-300 and Ce-Si-MCM-41. These catalysts were further tested for an analogous reaction, namely verbenol oxide isomerization. Verbenone is another natural organic compound which can be found in a variety of plants or synthesized by allylic oxidation of α-pinene. An interesting product which is synthesized from verbenone is (1R,2R,6S)-3-methyl-6-(prop-1-en-2-yl)cyclohex-3-ene-1,2-diol. It has been discovered that this diol possesses potent anti-Parkinson activity. The most effective way leading to desired diol starts from verbenone and includes three stages: epoxidation of verbenone to verbenone oxide, reduction of verbenone oxide and subsequent isomerization of obtained verbenol oxide, which is analogous to isomerization of α-pinene oxide. In the research focused on the last step of these synthesis, high selectivity (82 %) to desired diol was achieved in the isomerization of verbenol oxide at a conversion level of 96 % in N,N-dimethylacetamide at 140 °C using iron modified zeolite, Fe-Beta-300. This reaction displayed surprisingly high selectivity, which has not been achieved yet. The possibility of the reuse of heterogeneous catalysts without activity loss was demonstrated.

Litiumin erotus väkevistä kloridiliuoksista ioninvaihdolla

Litiumioniakkujen kehityksen myötä litiumin tarve ja kysyntä ovat kasvaneet viime vuodet tasaisesti noin 10 % vuosivauhdilla. Kasvun on myös ennustettu jatkuvan samanlaisena tulevaisuudessa, jonka takia erilaiset litiumin erotusprosessit ovat nousseet tutkimuksen kohteeksi. Tärkeimmät litiumlähteet sijaitsevat suola-aavikoilla ja -järvillä, joihin litiumia on kerääntynyt suuria määriä maanpinnan läheisyyteen. Litiumia erotetaan suolatasangoilla aikaa vievissä haihdutus- ja saostusvaiheissa. Suolaliuokset sisältävät litiumin lisäksi muita metalleja, kuten magnesiumia, kalsiumia ja natriumia, joista etenkin magnesium häiritsee litiumin erotusta. Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole löydetty litiumille riittävän selektiivistä ioninvaihtohartsia. Tehdyissä tutkimuksissa muut metallit on usein erotettu selektiivisesti ennen litiumia ja litium on erotettu lopuksi. Litiumin erotusta voitaisiin parantaa, mikäli se onnistuisi selektiivisesti suoraan suolaliuoksesta. Tässä työssä tutkittiin litiumin selektiivistä erotusta magnesium- ja kalsiumpitoisesta väkevästä kloridiliuoksesta ioninvaihtohartseilla sekä molekyyliseulalla. Käytetyt neljä ioninvaihtohartsia olivat kaupallisia Puroliten hartseja: MN200, S940, CT151 ja A170. Molekyyliseula oli Sigman huokoskoon 4 Å zeoliittia. Kromatografisilla kolonnikokeilla saadut näytteet analysoitiin ICP-AES:lla. Tulosten perusteella ei yksikään tutkituista hartseista ja molekyyliseulasta ollut selektiivinen litiumille.