Kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistus

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbenttien sopivuus uuttoliuosten puhdistukseen määritettiin adsorptio-, kinetiikka- ja faasien selkeytymisaikakokeilla. Tehdyissä kokeissa käytettiin sekä hapetettua synteettistä uuttoliuosta että teollisuudesta saatuja autenttisia kuparinuuttoliuoksia. Uuttoreagenssit olivat hydroksi-oksiimeihin perustuvia. Teollisuudesta saaduista käytetyistä adsorbenteista eluoidun liuoksen kaasugromatografi- ja massaspektrometrianalyysissä ei havaittu selviä merkkejä reagenssin tai laimentimen hajoamistuotteista. Savikäsittely lyhensi faasien selkeytymisaikaa merkittävästi. Bentoniittipohjaisten savien havaittiin soveltuvan parhaiten uuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen. IR-analyysin perusteella niiden pinnalle adsorboitui myös eniten karbonyyliryhmiä sisältäviä yhdisteitä. Faasien selkeytymisajan havaittiin huonontuvan itsestään liuosten seistessä savikäsittelyn jälkeen. Noin vuorokauden jälkeen selkeytymisaika tasaantui tasolle, joka oli kuitenkin huomattavasti parempi kuin käsittelemättömällä liuoksella. Savikäsittelyssä käytettävän saven optimimäärä oli noin 1 p-%:a ja sekoitusaika muutamia minuutteja. Savikäsittelyllä ei ollut merkittävää vaikutusta kuparinuuton kinetiikkaan. Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbe

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Laimentimen merkitys metallien neste-nesteuutossa

Työssä tutkittiin korkean leimahduspisteen laimentimien vaikutusta uuton tehokkuuteen ja turvallisuuteen. Kirjallisuusosa sisältää katsauksen uuttolaitoksilla tapahtuneista suuronnettomuuksista, staattisen sähkön aiheuttamista vaaroista uuttolaitoksilla ja kaupallisesti saatavista laimentimista. Lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan hiilivetyjen molekyylirakenteen vaikutusta niiden leimahduspisteeseen, haihtuvuuteen, viskositeettiin ja liuotinominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin uuton tehokkuutta kuvaavia ominaisuuksia, joita olivat sekoituksen pisarakoko, faasien selkeytymisnopeus,uuton ja takaisinuuton kinetiikka, orgaanisen faasin viskositeetti ja tiheys. Uuttoliuosten turvallisuusominaisuuksia tutkittiin mittaamalla synteettisten uuttoliuosten ja laimentimien leimahduspisteitä sekä sähköisesti varattujen laimentimien relaksaatioaikoja. Korkean leimahduspisteen laimentimena käytettiin Orfom SX 11-laimenninta. Vertailukohteena käytettiin Shellsol D70- ja Escaid 100- laimentimia. Malliuuttona käytettiin kuparin uuttoa hydroksioksiimireagensilla happamasta sulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin, että korkean leimahduspisteen laimentimen viskositeetti oli huomattavasti suurempi kuin Shellsol D70- laimentimella. Korkea viskositeetti hidasti faasien selkeytymistä uutossa, mutta sillä ei ollut vaikutusta uuton kinetiikkaan tai sekoituksen aiheuttamaan pisarakokoon. Uuttoliuoksen reagenssipitoisuudella havaittiin olevan vaikutusta uuttoliuoksen leimahduspisteeseen, mutta uuttoliuoksen latausasteella ei havaittu olevan vaikutusta. Sähköisesti varattujen laimentimien varauksien relaksaatioajoissa oli hieman eroja, mutta relaksaatioajat olivat kaikilla laimentimilla liian pitkiä staattisen sähkön aiheuttaman vaaran poistamiseksi.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Uutto-olosuhteiden vaikutus kasviperäisen indigon saantoon

Indigo on väriaine, jota valmistetaan petrokemianteollisuuden välituotteena syntyvästä aniliinista. Indigolla on kuitenkin pitkä historia. Sitä on valmistettu perinteisesti eri viljelykasveista, joista Euroopassa merkittävin on ollut morsinko. Luonnonmukaisten tuotteiden suosion kasvaessa on ryhdytty selvittämään morsingon viljelyn potentiaalia. Viljelyn kannattavuuden kannalta olennaista on kasvin lehdissä esiintyvien indigon esiasteiden mahdollisimman täydellinen eristäminen. Indigoa tuotetaan uuttamalla indigon esiasteet veteen. Esiasteet hajoavat synnyttäen indoksyyliä, josta hapen vaikutuksella muodostuu indigoa. Syntynyt indigo saostuu ja laskeutuu pohjalle. Samalla kuitenkin tapahtuu epätoivottuja sivureaktioita, jotka vähentävät indigon saantoa. Tutkimuksen tavoitteena oli laboratorio- ja kenttäkokeiden avulla löytää indigon saantoa parantavat uutto-olosuhteet. Kokeiden perusteella havaittiin, että indigon saantoon vaikuttavat positiivisesti pH:n laskeminen, lämpötilan nostaminen, morsingon lehtien pilkkominen ja uuttoliuoksen sekoittaminen. Uuttoliuoksen suolapitoisuuden havaittiin puolestaan vaikuttavan indigon saantoon negatiivisesti. Laboratoriokokeiden perusteella havaittu pH:n laskemisen vaikutus indigon saantoon todistettiin myös kenttäolosuhteissa. Kokeiden havaintojen perusteella esitettiin olosuhteiden indigosaantoa parantavien vaikutusten johtuvan kahdesta tekijästä: indoksyylin stabiloitumisesta happamassa ympäristössä, jolloin sivureaktioiden osuus vähenee, sekä aineensiirron paranemisella sekoituksen, faasien rajapinnan kasvamisen ja etenkin lehtien vahakerroksen rikkoutumisen kuuman veden ja hapon vaikutuksesta.

Improving the calculation of rate of stratification in APROS

APROS (Advanced Process Simulation Environment) is a computer simulation program developed to simulate thermal hydraulic processes in nuclear and conventional power plants. Earlier research at VTT Technological Research Centre of Finland had found the current version of APROS to produce inaccurate simulation results for a certain case of loop seal clearing. The objective of this Master’s thesis is to find and implement an alternative method for calculating the rate of stratification in APROS, which was found to be the reason for the inaccuracies. Brief literature study was performed and a promising candidate for the new method was found. The new method was implemented into APROS and tested against experiments and simulations from two test facilities and the current version of APROS. Simulation results with the new version were partially conflicting; in some cases the new method was more accurate than the current version, in some the current method was better. Overall, the new method can be assessed as an improvement.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

Kullan uutto kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin kullan neste-nesteuuttoa kloridiliuoksista kirjallisuustutkimuksen ja laboratoriokokeiden avulla. Uuttoreagenssina käytettiin Outotecin kehittämää kullanuuttoreagenssia. Teoreettisessa osassa tarkastellaan kullan käyttäytymistä happamissa vesiliuoksissa, jotka sisältävät kloridia ja bromidia. Lisäksi työssä käsitellään kultakloridiyhdisteiden käyttöturvallisuutta. Teollisuudessa vuonna 2012 käytettäviä neste-nesteuuttoon perustuvia kullan talteenottomenetelmiä esitellään lyhyesti. Kirjallisuusosassa käsitellään myös joidenkin teollisesti käytettävien polymeeristen rakennemateriaalien ominaisuuksia. Kokeellisessa osassa määritettiin kullanuuttoreagenssin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen tiheys, viskositeetti, liukoisuus veteen sekä faasien selkeytyminen uuttoprosessissa. Tuloksista havaittiin, että eri modifiointiaineet vaikuttavat huomattavasti kullanuuttoliuoksen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kullan uuttoa tutkittiin pienen mittakaavan laboratoriokokein käyttämällä synteettisiä kultaa sisältäviä lähtöliuoksia. Kokeissa tutkittiin lähtöliuoksen happopitoisuuden ja bromidipitoisuuden, sekä uuttoreagenssin modifiointiaineiden vaikutuksia kullan uuttotasapainoon. Lisäksi tutkittiin joidenkin epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista. Materiaalitutkimuksissa tarkasteltiin kullanuuttoreagenssin ja autenttisen kullan halidiliuoksen vaikutuksia polymeerimateriaaleihin pitkäaikaisessa kontaktissa. Uuttoliuosten havaittiin aiheuttavan turpoamaa sekä pinnan pehmenemistä joissakin teollisissa muoveissa.

Modeling of Liquid-Solid Flow in Industrial Scale

In the present work, liquid-solid flow in industrial scale is modeled using the commercial software of Computational Fluid Dynamics (CFD) ANSYS Fluent 14.5. In literature, there are few studies on liquid-solid flow in industrial scale, but any information about the particular case with modified geometry cannot be found. The aim of this thesis is to describe the strengths and weaknesses of the multiphase models, when a large-scale application is studied within liquid-solid flow, including the boundary-layer characteristics. The results indicate that the selection of the most appropriate multiphase model depends on the flow regime. Thus, careful estimations of the flow regime are recommended to be done before modeling. The computational tool is developed for this purpose during this thesis. The homogeneous multiphase model is valid only for homogeneous suspension, the discrete phase model (DPM) is recommended for homogeneous and heterogeneous suspension where pipe Froude number is greater than 1.0, while the mixture and Eulerian models are able to predict also flow regimes, where pipe Froude number is smaller than 1.0 and particles tend to settle. With increasing material density ratio and decreasing pipe Froude number, the Eulerian model gives the most accurate results, because it does not include simplifications in Navier-Stokes equations like the other models. In addition, the results indicate that the potential location of erosion in the pipe depends on material density ratio. Possible sedimentation of particles can cause erosion and increase pressure drop as well. In the pipe bend, especially secondary flows, perpendicular to the main flow, affect the location of erosion.