Sulfaattisellun valkaisuun käytettävien kemikaalien tuotanto ja valmistuksen energiankulutus

Eri valkaisukemikaalien valmistusmenetelmien välillä on joitakin selkeitä eroja. Erot vaikuttavat erityisesti kemikaalin hintaan ja valmistuksen sekä käytön mielekkyyteen. Kloorikemikaalit sekä otsoni ovat myrkyllisiä ja ympäristölle vaarallisia, mikä tulee ottaa huomioon valmistustapahtumassa ja aineen käytössä. Otsoni ja klooridioksidi on myös välttämätöntä valmistaa sellutehtaalla, koska tuotteet ovat pysymättömiä yhdisteitä. Ainoastaan happikaasua löytyy vapaana luonnosta. Sen valmistukseen riittää yksinkertainen tislaus- tai adsorptiolaitteisto, joilla happi saadaan erotetuksi ilmasta. Klooriyhdisteiden sekä otsonin valmistus vaatii elektrolyysin. Vetyperoksidin luokittelu sijoittuu kahden edellisen ryhmän väliin. Peroksidi voidaan myös valmistaa ilman elektrolyysiä, mutta vedyn valmistus voi tapahtua myös elektrolyyttisesti. Useimmiten vety saadaan kuitenkin maakaasusta tai öljyn reformoinnista. Kloorin valmistuksen yhteydessä syntyy myös natriumhydroksidia. Se on myös tärkeä kemikaali sellun valmistuksessa ja valkaisussa. Kun lasketaan kloorin valmistukseen kuluvaa sähkömäärää, on otettava huomion myös lipeän kaupallinen arvo. Siksi tietty osa kloorin valmistuskustannuksista ja energiasta on laskettava kuuluvaksi lipeälle. Elektrolyysikemikaalien valmistuksessa tarvittava sähköenergia on usein erittäin suuri. Varsinkin, jos tuotantomäärät ovat suuria. Hyötysuhdetta laskee korkea virrantiheys sekä ylijännite. Nämä ilmiöt kasvavat, kun tuotantomäärät ovat suuria ja elektrodimateriaalien määrä on niiden kalleuden takia rajallinen.

Biohajoavat kompleksinmuodostajat mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Mekaanisen massan peroksidivalkaisussa on perinteisesti käytetty kahta kompleksinmuodostajaa, jotka ovat dietyleenitriamiinipentaetikkahappo (DTPA) ja etyleenidiamiinipentaetikkahappo (EDTA). Kompleksinmuodostajat saavat aikaan hyvän kelatointituloksen muodostamalla valkaisulle haitallisten metalli-ionien kanssa kompleksin ja estäen näin metalli-ionien valkaisutulosta huonontavan vaikutuksen. Perinteiset kompleksinmuodostajat DTPA ja EDTA eivät kuitenkaan ole biohajoavia ja niiden epäillään irrottavan metalleja vesistöjen sedimenteistä. Työssä selvitettiin kolmen eri biohajoavan kompleksinmuodostajan valkaisuteho verrattuna perinteisiin kompleksinmuodostajiin. Laboratoriossa suoritetut pesukokeet osoittivat, että mikään biohajoava kompleksinmuodostaja ei saavuttanut samaa pesutehoa kuin perinteiset kompleksinmuodostajat. Valkaisukokeet kuitenkin osoittivat, että biohajoava kompleksinmuodostaja ISA pääsi hyvin lähelle perinteisten kompleksinmuodostajien valkaisutuloksia suoritettaessa valkaisu siten, että massa esipestään kompleksinmuodostajalla ja sen jälkeen valkaistaan vakiokemikaaliannoksella alkalina ollessa natriumhydroksidi. Kaksi muuta biohajoavaa kompleksinmuodostajaa, ISA+EDDS ja HAS, eivät saavuttaneet samaa tasoa. HAS toimi kyllä stabilaattorina, muttei pystynyt nostamaan massan vaaleutta.

Jatkuvatoimisen natriumhypokloriittireaktorin mallinnus

Natriumhypokloriittia voidaan valmistaa kloorista ja lipeästä jatkuvatoimisessa absorberissa. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti, miten kaasun ja nesteen virtausnopeudet vaikuttavat täytekappalekolonnin tulvimiseen ja painehäviöön, kuinka nopeasti kloori absorboituu lipeään ja kuinka suuri hypokloriittiliuoksen kierrätys tarvitaan, ettei hypokloriitti ala hajota. Lisäksi luotiin matemaattinen malli, jolla voidaan mitoittaa jatkuvatoiminen vastavirtaperiaatteella toimiva natriumhypokloriittireaktori. Kloori–lipeäsysteemin havaittiin tulvivan suuremmilla virtausnopeuksilla kuin ilma–vesisysteemin. Tosin osa kloorista absorboituu jo ennen täytekappalekerrosta, minkä vuoksi kaasun todellinen virtausnopeus täytekappalekerroksen alaosassa on pienempi kuin mitattu arvo. Kolonnin painehäviö nousee erittäin jyrkästi tulvimispisteen läheisyydessä. Koska kloori absorboituu lähes täydellisesti ja vain kolonnin alaosa tulvii, voidaan kolonnia painehäviön kannalta operoida lähellä tulvimispistettä. Sekä mallinnuksen että koetulosten perusteella yli 99,99 % kloorista absorboituu koeolosuhteissa kahden metrin täytekappalekerroksessa. Nopea absorptio johtuu erittäin nopeasta, irreversiibelistä kloorin reaktiosta ja prosessille tyypillisestä natriumhydroksidikonversion rajoittamisesta alle 94 %:iin. Jotta varmistetaan, ettei hypokloriitti ala hajota, valmista hypokloriittiliuosta täytyy kierrättää kolonniin vähintään noin 4-kertainen määrä tuoreen lipeän syöttömäärän nähden.

Magnesiumhydroksidialkalin käytön vaikutukset päällystämättömän aikakauslehtipaperin valmistukseen

Magnesiumhydroksidin on havaittu soveltuvan natriumhydroksidin korvaajaksi mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkalina. Työssä selvitettiin, miten magnesiumhydroksidi vaikuttaa paperin valmistukseen ja valmiin paperin ominaisuuksiin. Laboratoriokokeet osoittivat magnesiumhydroksidin soveltuvan mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkaliksi, sillä vaaleustavoite saavutettiin sen avulla. Valkaistun massan varaustila, johtokyky sekä ζ -potentiaali laskivat magnesiumhydroksidin vaikutuksesta. Nämä johtivat huomattavasti korkeampaan paperin täyteaineretentioon. Massan vedenpidätyskyky kasvoi korvattaessa natriumhydroksidi magnesiumhydroksidilla. Arkkien ominaisuuksista vetoindeksi, valonsirontakerroin ja taivutusjäykkyys kasvoivat. Kaikki edellä mainitut ominaisuudet viittaavat siihen, että magnesiumhydroksidin käyttö parantaa hienoaineen sitoutumista paperiin.

Survey of transportation of liquid bulk chemicals in the Baltic Sea

This study is made as a part of the Chembaltic (Risks of Maritime Transportation of Chemicals in Baltic Sea) project which gathers information on the chemicals transported in the Baltic Sea. The purpose of this study is to provide an overview of handling volumes of liquid bulk chemicals (including liquefied gases) in the Baltic Sea ports and to find out what the most transported liquid bulk chemicals in the Baltic Sea are. Oil and oil products are also viewed in this study but only in a general level. Oils and oil products may also include chemical-related substances (e.g. certain bio-fuels which belong to MARPOL annex II category) in some cargo statistics. Chemicals in packaged form are excluded from the study. Most of the facts about the transport volumes of chemicals presented in this study are based on secondary written sources of Scandinavian, Russian, Baltic and international origin. Furthermore, statistical sources, academic journals, periodicals, newspapers and in later years also different homepages on the Internet have been used as sources of information. Chemical handling volumes in Finnish ports were examined in more detail by using a nationwide vessel traffic system called PortNet. Many previous studies have shown that the Baltic Sea ports are annually handling more than 11 million tonnes of liquid chemicals transported in bulk. Based on this study, it appears that the number may be even higher. The liquid bulk chemicals account for approximately 4 % of the total amount of liquid bulk cargoes handled in the Baltic Sea ports. Most of the liquid bulk chemicals are handled in Finnish and Swedish ports and their proportion of all liquid chemicals handled in the Baltic Sea is altogether over 50 %. The most handled chemicals in the Baltic Sea ports are methanol, sodium hydroxide solution, ammonia, sulphuric and phosphoric acid, pentanes, aromatic free solvents, xylenes, methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethanol and ethanol solutions. All of these chemicals are handled at least hundred thousand tonnes or some of them even over 1 million tonnes per year, but since chemical-specific data from all the Baltic Sea countries is not available, the exact tonnages could not be calculated in this study. In addition to these above-mentioned chemicals, there are also other high volume chemicals handled in the Baltic Sea ports (e.g. ethylene, propane and butane) but exact tonnes are missing. Furthermore, high amounts of liquid fertilisers, such as solution of urea and ammonium nitrate in water, are transported in the Baltic Sea. The results of the study can be considered indicative. Updated information about transported chemicals in the Baltic Sea is the first step in the risk assessment of the chemicals. The chemical-specific transportation data help to target hazard or e.g. grounding/collision risk evaluations to chemicals that are handled most or have significant environmental hazard potential. Data gathered in this study will be used as background information in later stages of the Chembaltic project when the risks of the chemicals transported in the Baltic Sea are assessed to highlight the chemicals that require special attention from an environmental point of view in potential marine accident situations in the Baltic Sea area.

Pretreatment processes in gold recovery by thiosulphate leaching

This thesis describes several different pretreatment processes for gold concentrates and ores. The thesis is divided to theoretical part and experimental part. The theoretical part presents the operating principle of the main pretreatment methods and their suitability for thiosulphate leaching. In the theoretical part also the whole recovery process for gold from ore to elemental gold is presented. In the experimental part the study is focused on pretreatment of sulphidic refractory concentrates with mechanical activation and chemical oxidation under alkaline environment; and their effect on leachability in the thiosulphate leaching. In the experimental part a combined 2-step process, where chemical oxidation under ammoniacal environment is cascaded with thiosulphate leaching in the same conditions, is also tested. The main sulphuric mineral components in the studied refractory concentrate are pyrite (49.4 %) and arsenopyrite (27.7 %). The gold content in the concentrate is 11.3 ppm and silver content is 90 ppm. Without pretreatment the gold conversion in thiosulphate leaching was 30 %, which was analyzed at the time point of 9 hours. At that time the silver conversion was 17 %. By using mechanical activation the gold conversion reached was 59 % and silver conversion 26 %. With chemical oxidation under alkaline environment, where the used chemical was sodium hydroxide, the reached conversion of gold was 72 % and 31 % for silver. In the combined oxidation and leaching experiment the conversion of gold remained at 49 % and 18 % for silver.

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.

Crystallization of selected anions and cations from mine waters

The aim of this Master’s thesis was to review some methods that are already being utilized in a field of mine water purification and to find and study possible new methods and chemicals for mine water purification by precipitation. The target was also to list the optimal process conditions for these precipitating chemicals. Separation methods were reviewed for several anions and cations, but being a real topical issue, sulphate removal was selected to be in the main focus. Sulphate salts e.g. Na2SO4 are relatively soluble in water, which makes the separation processes difficult. Eutectic freeze crystallization was studied more closely in laboratory tests for sodium sulphate removal. Gravimetric solubility tests were made for three cases of mixed electrolyte solutions: Na2SO4 – NaOH, BaSO4 – NaOH and Na3PO4 – NaOH. The aim of these experiments was to study the effect of NaOH addition on solubility of the studied salt. These phenomena were however noticed to be difficult to see in the used laboratory tests. Thus mathematical modelling was utilized to contribute the laboratory experiments and to bring additional information of the influence of NaOH presence on solubility of selected electrolytes, Na2SO4 and Na3PO4. The results from mathematical modelling of activity coefficients suggest Na2SO4 and Na3PO4 to be precipitated rather with presence and with higher concentrations of NaOH, since the raise of NaOH concentration decreases the solubility of these electrolytes in water.

Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent. The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability. In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.