Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Catalytic Wet Oxidation of Paper Mill Debarking Water

The objective of the research was to study the influence of temperature, oxygen pressure, catalysts loading and initial COD concentration of debarking wastewater on the pollutants during the catalytic oxidation. More importantly, how the addition of catalyst affects the wet oxidation process. The whole work was divided into two main sections, theoretical and experimental parts. The theoretical part reviews the pulp and paper industry from wood processing to paper production as well as operations that generate wastes. Treatment methods applicable for industrial pulp and paper mill effluents were also discussed. Wet oxidation and catalytic wet oxidation processes including mechanism, reactions, kinetics and industrial applications were previewed. In the experimental part, catalytic wet oxidation process were studied at 120-180°C, 0-10 bar oxygen pressure, 0-1 g/L catalyst concentration and 1000-3000 mg/L initial COD concentration. Responses, such as Chemical oxygen demand (COD), Total organic carbon (TOC), colour, lignin/tannin, Biochemical oxygen demand (BOD) and pH were measured. In the experiment, the best conditions occurred at 180°C, 10 bar, l g/L catalyst concentration and 3000mg/L initial COD. At these conditions; 74% COD, 97% lignin/tannin, 54% TOC, 90% colour were removed from the wastewater. pH was greatly reduced from 7 to 4.6. Lignin/tannin was removed most. Lignin/tannin showed linear dependency with colour during oxidation. Temperature made the most impact in reducing contaminants in debarked wastewater.

Typpeä sisältävien jätevesien käsittely 2-n-PRO menetelmällä

Työssä tutkittiin kaksivaiheisen typenpoistoprosessin (2-N-PRO) soveltuvuutta Joutsenon Kukkuroinmäen aluejätekeskuksen kompostointilaitoksen jätevesille pilot-kokein 12.1.- 5.4.2006. Kompostilaitoksella on jätevesien esikäsittelytarve korkeista ammoniumtyppipitoisuuksista johtuen. Pilot-laitteisto koostuu sekoitussäiliöstä, strippaustornista ja katalyyttipolttimesta. Käsiteltävän jäteveden pH nostetaan korkealle tasolle, jolloin ammoniumtyppi muuttuu ammoniakiksi. Vesi johdetaan strippaustorniin, jossa se sadetetaan tornin pohjalle. Ammoniakki erottuu sadetuksessa ilmaan, joka imetään katalyyttipolttimelle. Katalyyttinen poltin käsittelee ammoniakkia typpikaasuksi. Pilot-kokeet suoritettiin jatkuvatoimisesti. Laitteisto pystyy erottamaan jätevedestä ammoniumtyppeä ammoniakiksi ja käsittelemään ammoniakin pääosin typpikaasuksi. Lisäksi suoritettiin panoskoe, jonka tulokset tukevat jatkuvatoimisesta käytöstä saatuja tuloksia.

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.

Wet Oxidation of Paper Mill Evaporation Concentrates

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan pH:n ja vetyperoksidin vaikutusta kuorimoveden haihdutuskonsentraatin märkähapetuksessa. Kirjallisuusosassa esitellään massan ja paperin valmistusta sekä kuorintaprosessi. Lisäksi tarkastellaan kuoren kemiallista koostumusta, jäteveden ja prosessiveden käsittelymenetelmiä sekä märkähapetuksen periaatteita. Kokeellinen osa käsittää erään suomalaisen paperitehtaan kuorimoveden haihdutuskonsentraatin märkähapetuskokeet. Hapetuskokeet tehtiin useammassa eri lämpötilassa, pH:ssa ja vetyperoksidikonsentraatiossa. Em. muuttujien vaikutusta tutkittiin kemialliseen hapenkulutukseen (COD), biologiseen hapenkulutukseen (BOD), välittömästi saatavana olevan biologiseen hapenkulutukseen (IABOD), orgaaniseen kokonaishiileen (TOC) ja tanniini/ligniini pitoisuuteen. Koetulokset osoittivat, että korkeimmat COD- ja TOC-reduktiot saavutettiin H2O2-katalysoidulla märkähapetuksella jäteveden alkuperäisessä pH:ssa (60 % reduktio COD:lla ja 45 % reduktio TOC:lla lämpötilassa 170 °C ja 0.2 g H2O2/g COD). Toisaalta, parhaat tulokset biohajoavuuden paranemisen suhteen saavutettiin emäksisissä olosuhteissa, jossa 170 °C:ssa saavutettiin BOD/COD-arvo 76 %. Emäksisissä olosuhteissa saavutettiin lähes täydellinen tanniinin reduktio lämpötila-alueella 130-170 °C, mutta näissä lämpötiloissa orgaanisen kuorman alenemista ei havaittu.

Wet Oxidation of TMP Concentrated Paper Mill Process Water. Kinetics of the reaction

Työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan, paineen, pH:n ja katalyytin vaikutusta paperitehtaan TMP-konsentroidun prosessiveden märkähapetuksessa. Teoriaosio sisältää katsauksen sellu- ja paperiteollisuuteen, jätevesien käsittelyyn, nanosuodatuksen ja märkähapetusprosessin toimintaperiaatteet ja sovellukset hybriditeknologialle nanosuodatus-märkähapetuksessa. Empiirinen osa koostuu märkähapetuskokeista eri lämpötiloissa, paineissa, pH:ssa ja eri katalyyseillä. Työssä tutkittiin näiden vaikutusta kemialliseen hapenkulutukseen (COD), Biologiseen hapenkulutukseen (BOD), Välittömästi saatavana olevan biologisen hapenkulutukseen (IABOD), ligniiniin, täysin orgaanisen hiileen (TOC) ja rasvaliukoisten uuteaineiden (LWEs) pitoisuuteen. Tuloksina kokeellisesta työstä saatiin korkeimmat COD:n alenemat ja BOD/COD (biohajoavuus) suurimmilla lämpötilaolosuhteilla (COD:n alenema 70 % ja BOD/COD 97 % 200 °C:ssa ja hapen 10 bar osapaineella). Tutkimuksessa, jossa selvitettiin hapen osapaineen vaikutusta saatiin tuloksena, että hapen osapaineen kasvu parantaa orgaanisen kuormituksen poistoa: COD poisto oli olosuhteilla130°C, 5bar 5 %, olosuhteilla 130 °C, 15bar 15 %, olosuhteilla 170 °C, 5bar 20 % ja olosuhteilla 170 °C, 15bar 50 %. Lähes täydellinen LWEs –poisto saavutettiin 150 °C ja 10bar olosuhteilla, vaikka tässä lämpötilassa ei saavutettu korkeata orgaanisen kuormituksen poistoa. Emäksinen pH vaikutti suosivan hapettavia reaktioita, koska korkein COD:n poisto saavutettiin näissä olosuhteilla; kuitenkin alkalisen väliaineen tehokkuudelle löydettiin tärkeä lämpötilariippuvuus.

Viologeenit sensorimateriaaleissa

Pro gradu -työn taustalla oli selvittää sähkökemiallisella polymeroinnilla tuotetun viologeenikalvon anioniselektiivisyyttä. Polymerointi toteutettiin sekä staattisella kennosysteemillä että suihkuvirtauskennolla (engl. wall-jet) käyttäen 1,3,5-tris-(N-metyyli-4-syanopyridinium)-2,4,6-trimetyylitribromidi-, trans-1,2-bis-(karbamoyyli-para-metyylisyano-pyridinium)-sykloheksaanidibromidi- ja 1,3-bis-[4-(para-metyylisyanopyridinium)-fenyyli-tioureido]-ksyleenidibromidilähtöaineita. Platina- ja kultasubstraateille muodostettuja viologeenikalvoja tutkittiin voltammetrisesti (CV), kronoamperometrisesti (CA), konduktometrisesta (GA) sekä kvartsikidemikrovaakaa (QCMB) apuna käyttäen. Tulosten perusteella polymeerirakenteet omasivat anionikaviteetteja mutta affiniteetit eri anionien väillä eivät korreloineet täydellisesti sähkökemiallisessa generoinnissa käytettyjen muotti-ionien kanssa. Selektiivisyyteen todennäköisesti vaikuttivat myös liuosfaasissa olleiden ionisten molekyylien ja solvatoituneiden anionien poolisuus ja hydraattiverhon koko. Lisäksi polymeroitujen viologeenien anionivakansseista suurin osa todettiin inaktiivisiksi. Kirjallisuuskatsauksen perusteella substituoidut γ,γ’-bipyridyylit ovat materiaaleina lupaavia ja yleisen sensoriteknologian mielenkiinnon kohteena mm. aurinkokennoissa, biosensoreissa ja elektronin delokalisaatioon perustuvissa värinäytöissä (ECD). Ongelmina löydetyissä sovellutuksissa ovat olleet bipyridyylien vuotaminen liuokseen, katalyyttisesti verraten hitaat elektroninsiirtoreaktiot ja yhdisteiden myrkyllisyys. Vastaavasti etuja ovat olleet polymeerien intensiiviset värit, väriskaalan muokattavuus, sähkökemiallisesti tuotetun radikaalikationin stabiilius vesiliuoksessa, katalyyttinen aktiivisuus ja helppo synteesireitti syanopyridiinilähtöaineista.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Application of cerium oxide thin films grown by atomic layer deposition for soot removal

The objective of the thesis is to study cerium oxide thin films grown by the atomic layer deposition (ALD) for soot removal. Cerium oxide is one of the most important heterogeneous catalysts and can be used in particulate filters and sensors in a diesel exhaust pipe. Its redox/oxidation properties are a key factor in soot oxidation. Thus, the cerium oxide coating can help to keep particulate filters and sensors clean permanently. The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated. Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies.

Reduction of nitrogen oxide emissions in lime kiln

Different nitrogen oxide removal technologies for rotary lime kiln are studied in this thesis, the main focus being in commercial technologies. Post-combustion methods are investigated in more detail as potential possible NOx removal with combustion methods in rotary lime kiln is more limited or primary methods are already in use. However, secondary methods as NOx scrubber, SNCR or SCR technologies are not listed as the Best Available Technologies defined by European Union. BAT technologies for NOx removal in lime kiln are (1) Optimised combustion and combustion control, (2) Good mixing of fuel and air, (3) Low-NOx burner and (4) Fuel selection/low-N fuel. SNCR method is the most suitable technique for NOx removal in lime kiln when NOx removal from 50 % to 70 % is required in case primary methods are already in use or cannot be applied. In higher removal cases ammonia slip is an issue in SNCR. By using SCR better NOx reduction can be achieved but issues with catalyst materials are expected to arise because of the dust and sulphur dioxide which leads to catalyst poison formation in lower flue gas temperatures. NOx scrubbing has potential when simultaneous NOx and SO2 removal is required. The challenge is that NO cannot be scrubbed directly, but once it is oxidized to NO2 or further scrubbing can be performed as the solubility of NO2 is higher. Commercial installations have not been made regarding SNCR, SCR or NOx scrubbing regarding rotary lime kiln. For SNCR and SCR the closest references come from cement industry.

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.