Precipitation of impurities from brine
Sund, Mari (2021)
Diplomityö
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121460436
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121460436
Tiivistelmä
The pulp and paper industries use chlorine dioxide, ClO2, for bleaching. It is produced mainly from bulk chemical sodium chlorate, NaClO3. Production of sodium chlorate is performed by electrolysis of brine. Impurities that enter the chlorate process can contaminate the cell liquor and affect electrolyzer operation and performance. Impurities impact chlorate cell anodes and cathodes, reducing operating efficiencies and increasing operating voltages.
The aim of literature part of this thesis was to review the main impurities in the chlorate cell liquor, which influence the most to the energy consumption and the conditions where those impurities precipitate and how these impurities could be precipitated.
The purpose of experimental work was to examine the precipitation conditions of brine impurities used for sodium chlorate manufacturing. The impurities were precipitated and filtered by specially designed experimental apparatus. The experimental apparatus consists of two similar precipitation and filtering stages. The brine and deposit samples were analyzed by using ICP-device (Inductively coupled plasma). Brine impurities were precipitated in two different pH levels and by using precipitants such as sodium carbonate and ferric chloride.
From the ICP-results could be observed that the major impurities in the brine are aluminium, calcium, magnesium, iron, phosphorus and silicon. It could be also noticed that sulphates seem to accumulate to the brine and this causes the solubility of sodium chloride to reduce. The results from the first two trial points had some positive trends. Aluminium, calcium, silicates and phosphates levels seem to lower after precipitation stages. Lower pH alone in the impurity precipitating seems to have minor effect on removing impurities from the brine. Ferric(III)chloride appears to precipitate phosphates and some silicates from the brine. Sodium carbonate addition had a minor impact on decreasing calcium and magnesium levels in the brine. The combination of sodium carbonate and ferric(III)chloride addition did not gave any further information which impurities that combination would precipitate more. Natriumkloraatti, NaClO3 on bulkkikemikaali jota käytetään pääasiassa selluloosan valkaisuun käytetyn klooridioksidin, ClO2, raaka-aineena.
Natriumkloraattia valmistetaan suolaliuoksen elektrolyysillä. Epäpuhtaudet kloraattiprosessissa voivat saastuttaa kennoliuoksen ja vaikuttaa näin ollen elektrolyysi reaktorin käyttöön ja toimintaan. Epäpuhtaudet vaikuttavat kloraattikennon anodeihin ja katodeihin pienentämällä näiden toiminnan tehokkuutta sekä lisäämällä näiden käyttöjännitteitä.
Kirjallisen osan tavoitteena oli selvittää energian kulutuksen kannalta tärkeimmät kennoliuoksen epäpuhtaudet sekä olosuhteet, joissa nämä epäpuhtaudet saostuvat ja selvittää miten näitä epäpuhtauksia voitaisiin saostaa. Kokeellisen osan tarkoituksena oli selvittää käytetyn suolaliuoksen epäpuhtaudet ja keinoja niiden saostamiseen. Epäpuhtauksia suodatettiin työtä varten rakennetulla koelaitteistolla. Koelaitteisto koostui kahdesta samanlaisesta saostus-ja suodatusvaiheesta. Suolaliuos- ja sakkanäytteet analysoitiin käyttäen ICP-laitetta (Inductively Coupled Plasma). Epäpuhtauksia saostettiin kahdessa eri pH tasossa ja käyttäen saostajina natriumkarbonaattia sekä rautakloridia.
ICP-tuloksien perusteella suolaliuoksen pääasialliset epäpuhtaudet ovat alumiini, kalsium, magnesium, rauta, fosfori ja pii. Lisäksi havaittiin sulfaattien kertyvän suolaliuokseen ja näin ollen vähentävän suolan liukoisuutta. Kahden ensimmäisen koepisteen perusteella havainnoitiin, että alumiini, kalsium, silikaatti ja fosfaatti tasot vähenivät saostusvaiheiden jälkeen. Alemman pH tason yksinään ei havaittu vähentävän epäpuhtauksien määrää suolaliuoksessa. Rautakloridin havaittiin saostavan hyvin fosfaatteja ja silikaatteja. Natriumkarbonaatilla sen sijaan ei näyttänyt olevan suurta vaikutusta kalsium ja magnesium tasojen pienentämisessä. Myöskään natriumkarbonaatin ja rautakloridin yhteisvaikutuksella ei saatu lisätietoja siitä, miten niiden yhdistelmä saostaisi epäpuhtauksia paremmin.
The aim of literature part of this thesis was to review the main impurities in the chlorate cell liquor, which influence the most to the energy consumption and the conditions where those impurities precipitate and how these impurities could be precipitated.
The purpose of experimental work was to examine the precipitation conditions of brine impurities used for sodium chlorate manufacturing. The impurities were precipitated and filtered by specially designed experimental apparatus. The experimental apparatus consists of two similar precipitation and filtering stages. The brine and deposit samples were analyzed by using ICP-device (Inductively coupled plasma). Brine impurities were precipitated in two different pH levels and by using precipitants such as sodium carbonate and ferric chloride.
From the ICP-results could be observed that the major impurities in the brine are aluminium, calcium, magnesium, iron, phosphorus and silicon. It could be also noticed that sulphates seem to accumulate to the brine and this causes the solubility of sodium chloride to reduce. The results from the first two trial points had some positive trends. Aluminium, calcium, silicates and phosphates levels seem to lower after precipitation stages. Lower pH alone in the impurity precipitating seems to have minor effect on removing impurities from the brine. Ferric(III)chloride appears to precipitate phosphates and some silicates from the brine. Sodium carbonate addition had a minor impact on decreasing calcium and magnesium levels in the brine. The combination of sodium carbonate and ferric(III)chloride addition did not gave any further information which impurities that combination would precipitate more.
Natriumkloraattia valmistetaan suolaliuoksen elektrolyysillä. Epäpuhtaudet kloraattiprosessissa voivat saastuttaa kennoliuoksen ja vaikuttaa näin ollen elektrolyysi reaktorin käyttöön ja toimintaan. Epäpuhtaudet vaikuttavat kloraattikennon anodeihin ja katodeihin pienentämällä näiden toiminnan tehokkuutta sekä lisäämällä näiden käyttöjännitteitä.
Kirjallisen osan tavoitteena oli selvittää energian kulutuksen kannalta tärkeimmät kennoliuoksen epäpuhtaudet sekä olosuhteet, joissa nämä epäpuhtaudet saostuvat ja selvittää miten näitä epäpuhtauksia voitaisiin saostaa. Kokeellisen osan tarkoituksena oli selvittää käytetyn suolaliuoksen epäpuhtaudet ja keinoja niiden saostamiseen. Epäpuhtauksia suodatettiin työtä varten rakennetulla koelaitteistolla. Koelaitteisto koostui kahdesta samanlaisesta saostus-ja suodatusvaiheesta. Suolaliuos- ja sakkanäytteet analysoitiin käyttäen ICP-laitetta (Inductively Coupled Plasma). Epäpuhtauksia saostettiin kahdessa eri pH tasossa ja käyttäen saostajina natriumkarbonaattia sekä rautakloridia.
ICP-tuloksien perusteella suolaliuoksen pääasialliset epäpuhtaudet ovat alumiini, kalsium, magnesium, rauta, fosfori ja pii. Lisäksi havaittiin sulfaattien kertyvän suolaliuokseen ja näin ollen vähentävän suolan liukoisuutta. Kahden ensimmäisen koepisteen perusteella havainnoitiin, että alumiini, kalsium, silikaatti ja fosfaatti tasot vähenivät saostusvaiheiden jälkeen. Alemman pH tason yksinään ei havaittu vähentävän epäpuhtauksien määrää suolaliuoksessa. Rautakloridin havaittiin saostavan hyvin fosfaatteja ja silikaatteja. Natriumkarbonaatilla sen sijaan ei näyttänyt olevan suurta vaikutusta kalsium ja magnesium tasojen pienentämisessä. Myöskään natriumkarbonaatin ja rautakloridin yhteisvaikutuksella ei saatu lisätietoja siitä, miten niiden yhdistelmä saostaisi epäpuhtauksia paremmin.