Wet oxidation of biomass for chemical production
Pehrman, Noora (2013)
Kandidaatintyö
2013
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201312167653
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201312167653
Tiivistelmä
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. The purpose of this thesis was to research wet oxidation as a wastewater treatment method and a potential method to produce chemicals from wastewater. Special attention has been paid to the wastewaters in paper industry. The theoretical part introduces the water cycles in paper mill, the properties of wastewaters from paper mill and also the wet oxidation. The wet oxidation part focuses on both oxygen and hydrogen peroxide using wet oxidations and as well as on the intermediates and final products that are formed in these processes.
Wet oxidation (WO) is a thermal oxidation method which can treat wastewaters which are too concentrated for biological treatment or which are poorly biodegradable. The purpose of wet oxidation is to enhance the contact between molecular oxygen and the organic matter. The organic compounds will degrade mainly to carboxylic acids, aldehydes, carbon dioxide and water. In wet oxidation the oxidizing gas can be either pure oxygen or air. In wet peroxide oxidation (WPO) the oxidizing gas is replaced with liquid hydrogen peroxide.
The experimental part examines the oxidation of organic matter using Fenton’s reagent which uses iron ions (Fe2+ or Fe3+) as catalysts and hydrogen peroxide as the oxidant. Water that was used in oxidations was TMP-water from paper production. The oxidation experiments were done by using different amounts of hydrogen peroxide and the catalyst at different temperatures. After oxidations the samples were analyzed for chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC) and pH. In addition, from the samples were analyzed by liquid chromatography (HPLC) the amounts of the typical intermediates, such as oxalic acid, formic acid and acetic acid.
In the experiments the COD-values were reduced 50-88 % so that the change was bigger in filtrated samples than in non-filtrated samples. In addition, the TOC-values decreased 28-58 %. In the experiments were also produced carboxylic acids as the intermediates and the largest amounts were acetic acid and oxalic acid. Also formic acid and succinic acid were produced.
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.
Wet oxidation (WO) is a thermal oxidation method which can treat wastewaters which are too concentrated for biological treatment or which are poorly biodegradable. The purpose of wet oxidation is to enhance the contact between molecular oxygen and the organic matter. The organic compounds will degrade mainly to carboxylic acids, aldehydes, carbon dioxide and water. In wet oxidation the oxidizing gas can be either pure oxygen or air. In wet peroxide oxidation (WPO) the oxidizing gas is replaced with liquid hydrogen peroxide.
The experimental part examines the oxidation of organic matter using Fenton’s reagent which uses iron ions (Fe2+ or Fe3+) as catalysts and hydrogen peroxide as the oxidant. Water that was used in oxidations was TMP-water from paper production. The oxidation experiments were done by using different amounts of hydrogen peroxide and the catalyst at different temperatures. After oxidations the samples were analyzed for chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC) and pH. In addition, from the samples were analyzed by liquid chromatography (HPLC) the amounts of the typical intermediates, such as oxalic acid, formic acid and acetic acid.
In the experiments the COD-values were reduced 50-88 % so that the change was bigger in filtrated samples than in non-filtrated samples. In addition, the TOC-values decreased 28-58 %. In the experiments were also produced carboxylic acids as the intermediates and the largest amounts were acetic acid and oxalic acid. Also formic acid and succinic acid were produced.