Kloorifenoleja sisältävien jätevesien AOP-käsittely

Kirjallisuustyössä tutkittiin tehostetun hapetuksen menetelmiä (engl. Advanced Oxidation Processes, AOPs) kloorifenolien käsittelyssä. Tutkittava aine valittiin US EPA:n (United States Environmental Protection Agency) ympäristölle haitallisten aineiden listalta. Työssä tutkitut AOP-menetelmät olivat otsonointi kasvatetussa pH:ssa, O3/H2O2-prosessi, fotolyyttinen otsonointi (O3/UV), H2O2/UV-prosessi ja Fenton-prosessi (H2O2+Fe2+). AOP-käsittelyssä OH-radikaalien oletetaan pääosin aiheuttavan epäpuhtauksien hapettumisen. Kirjallisuustyössä tutkittiin OH-radikaaleihin vaikuttavien parametrien, kuten pH:n, lämpötilan sekä hapettimien ja hapetettavan aineen konsentraatioiden vaikutusta kloorifenolien hapetusprosessissa. Työn tarkoituksena oli selvittää tehokkain AOP-käsittely kloorifenoleja sisältävien jätevesien käsittelylle. AOP-käsittelyjen tehokkuutta verrattiin hajoamisnopeusvakioiden, puoliintumisaikojen sekä hapettimen kemikaalikulutuksen ja kustannuksen perusteella. Fenton-prosessin ja otsonoinnin pH:ssa 9 todettiin olevan tehokkaimpia menetelmiä kloorifenolien hapetuksessa. Fenton-prosessin hapetusnopeus oli tehokkaampaa 4-CP:n ja 2,4-DCP:n hapetuksessa, kun taas otsonointi pH:ssa 9 hapetti nopeammin 2,3,4,6-TeCP:n ja 2,4,6-TCP:n. Kustannustehokkuuden perusteella Fenton-prosessi oli otsonointia tehokkaampi. Parhaan menetelmän valinta kloorifenoleiden poistamiseksi oli vaikeaa, sillä useissa tutkimuksissa oli tutkittu vain yhtä menetelmää. Lisäksi eri tutkimuksissa käytetyt prosessiolosuhteet olivat erilaiset, joka hankaloitti tutkimusten vertailua. Lopullinen AOP-menetelmän valinta tulisikin suorittaa vasta laboratoriotutkimusten jälkeen.

Mäskin sisältämän ligniinin modifiointi PCD-hapetuksella

Teoriaosassa tutkittiin mäskin muodostumista oluentuotantoprosessissa, ligniiniä ja sen pilkkoutumista hapetuksella, eri kehittyneitä hapetusmenetelmiä ja hapetuksella saatavia potentiaalisia pääkomponentteja. Kehittyneissä hapetusmenetelmissä keskityttiin pääasiassa pulssitettuun koronapurkaukseen perustuvaan PCD-menetelmään (Pulsed Corona Discharge). Tutkittavana pääkomponenttina toimi glyoksyylihappo. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin mäskistä erotetun ligniinin pilkkoutumista PCD-hapetuksella. Tässä menetelmässä hapetus perustuu sähköpurkauksen aikana syntyvien hydroksyyliradikaalien ja otsonin muodostumiseen, jotka voivat toimia hapettimina. Kokeissa käytettiin oluentuotannosta saatua mäskiä, josta ligniiniä liuotettiin natriumhydroksidi-vesi-liuoksen avulla uuttamalla.. Tämän jälkeen liuosta käsiteltiin PCD laitteistossa. PCD-käsiteltyä tuotetta analysoitiin mittaamalla ligniinin ja aldehydien pitoisuudet siitä spektrofotometrin avulla. Työn tarkoituksena on tutkia PCD hapetusmenetelmän soveltuvuutta mäskin sisältämän ligniinin muokkaamiseen siten, että siitä syntyvää tuotetta voitaisiin käyttää jossakin muussa sovelluksessa, kuten esimerkiksi lääkkeiden raaka-aineena lääketeollisuudessa. PCD hapetusmenetelmä on koronasähköpurkauksiin perustuva laite, jota käytetään pääasiassa vedenpuhdistuksessa hajoittamaan haitallisia orgaanisia yhdisteitä. Tämän työn perusteella ligniiniä hajosi, aldehydejä muodostui ja hapetusnäytteiden pH laski hapetusajan kasvaessa. Tämä viittasi vahvasti glyoksyylihapon muodostumiseen PCD-laitteistossa.

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.