Termiset yksikköoperaatiot

Termiset yksikköoperaatiot -ryhmän tutkimusalueita ova kiteytys ja hapetus.

Kiteytys

Kiteytys on taloudellisuutensa ja tehokkuutensa vuoksi yleisesti käytetty erotus- ja puhdistusmenetelmä kemianteollisuudessa, lääketeollisuudessa, vedenkäsittelyprosesseissa sekä elintarviketeollisuudessa. Termiset yksikköoperaatiot-ryhmän kiteytystutkimuksessa hyödynnetään nykyaikaisia mittausmenetelmiä kiteytysprosessien optimointiin ja seurantaan. Tulevaisuudessa on odotettavissa, että tarve hyödyntää sivuvirtoja ottamalla talteen kemikaaleja tulee kasvamaan ja kiteytys on yksi varteenotettavista erotusmenetelmistä. Kiteytystä voidaan hyödyntää myös muissa Cleantech-sovellutuksissa alhaisten päästömäärien saavuttamiseksi. Biomassapohjaisten yhdisteiden erottaminen kiteytyksellä on eräs sovellus, jossa kiteytyksellä voidaan arvioida olevan merkittävä rooli jatkossa.

Yleistä kiteytyksestä

Lähtökohtana kiteytyksessä yleensä on, että tunnetaan riittävän hyvin kide- ja liuosfaasin välinen tasapainotila, ts. ainesysteemin termodynamiikka eri lämpötiloissa. Yleensä eri kiteytyssovellutuksissa määritetään liukoisuudet kokeellisesti tutkittavaan liuokseen määrätyllä lämpötila-alueella tai vastaavasti suhteellisen puhtaiden liuosten tapauksessa käytetään kirjallisuudesta saatavia liukoisuustietoja. Näitä tasapainopitoisuuksia voidaan edelleen käyttää kiteytyksen ajavan voiman eli ylikylläisyyden sekä kidesaannon määritykseen. Liuoksen hetkellinen ylikylläisyystaso vaikuttaa edelleen siihen, missä määrin ylikylläisyys purkautuu ytimenmuodostukseen ja kiteen kasvuun. Näin ylikylläisyystaso vaikuttaa pitkälti saatavaan kidetuotteeseen.

Haihdutuskiteytystutkimus paneutuu liuottimen haihtumisnopeusmäärityksiin ja niiden vaikutusten selvittämiseen kidetuotteessa. LUT:issa kehitetyllä tuulitunnelilla voidaan määrittää tarkasti liuottimen haihtumisvuo (haihtunut liuotinmäärä kg haihdutuspoikkipintaa kohta ja aikayksikköä kohti, kg/(m2 h). Haihtumisnopeudella on merkittävä vaikutus liuoksen ylikylläisyyteen ja kitetuotteeseen.

Jäädytystutkimuksessa voidaan selvittää, miten liuenneet aineet eri pitoisuuksilla vaikuttavat jäätymispisteeseen tai kiteytyykö samanaikaisesti jään kanssa liuenneita aineita.

Puhtaita kiteitä, uusia kidemuotoja, polyformian hallintaa

Teollisessa kiteytyksessä on tavoitteena pääsääntöisesti tuottaa kidetuote, jolla on haluttu kidekokojakauma, kidekoko, puhtaustaso sekä tietty kiderakenne (polymorfia). Koska polymorfian hallinta on oleellinen tekijä kiteytysprosesseissa, on se ollut myös yksi LUT:n kiteytysryhmän päätutkimusaiheista. LUT:ssa on tutkittu myös sähkökentän vaikutusta kidetuotteeseen fotokatalyyttien saostuksessa ja aminohappojen jäähdytyskiteytyksessä.

Luonnollinen jäähdytys talvella, saostus hiilidioksidilla

Laimeita vesiliuoksia on mahdollista väkevöidä jäädyttämällä osa vedestä. Joillakin vesiliuoksen koostumuksilla on mahdollista saavuttaa ainesysteemin eutektinen piste, jolloin samanaikaisesti jään kanssa kiteytyy myös liuenneita aineita. Tätä menetelmää kutsutaan eutektiseksi jäädytyskiteytykseksi. Jää muodostuu liuoksen pinnalle alhaisemman tiheytensä johdosta ja muu kidemassa suspensiossa pyrkii laskeutumaan.

Karbonaattiyhdisteiden saostamiseksi emäksistä jätevesiliuoksista voidaan hyödyntää savukaasuissa esiintyvää hiilidioksidia. Tutkimusyksikössä on käynnissä jäädytykseen pohjautuva jäteveden tutkimus sekä hiilidioksidin käyttöä eri karbonaattien saostuksessa. 

Kiteytysryhmän tutkimusvalmiudet

Kiteyttimet

  • Käytettävät kiteytysmenetelmät: jäähdytys-, haihdutus- ja alipainekiteytys sekä reaktiivinen kiteytys, saostus anti-solventilla, sähköelektrodeilla varustettu kiteytin
  • Eutektinen jäädytyskiteytin, talvisimulaattori, sulakiteytin
  • Kiteyttimiä laboratorio-, bench- ja pilot-mittakaavassa
  • Panos-, puolipanos- ja jatkuvatoimiset kiteytysprosessit

Esimerkkejä analyysimenetelmistä

  • kidekoko- ja kidemuotoanalyysit
  • jauheröntgendiffraktometria
  • termoanalyysit (DSC, TG/DTA-MS)
  • spektroskooppiset menetelmät (ATR-FTIR, Raman, FTIR)

Lisätiedot ja tutkimusryhmä

Professori TkT Marjatta Louhi-Kultanen
p. 040 701 8078

M.Sc. Bing Han
DI Mehdi Hasan
DI Johanna Puranen

etunimi.sukunimi@lut.fi

Hapetus

LUT kemiantekniikan tutkimusryhmissä on tutkittu vedenkäsittelyyn ja kemikaalien modifiointiin liittyen nykyaikaisia hapetusmenetelmiä (Advanced Oxidation Processes), fotokatalyyttistä vedenkäsittelyä sekä märkähapetusta. Termiset yksikköoperaatiot-tutkimusryhmässä on kehitetty pulssitettua koronasähköpurkausmenetelmää, ns. Pulsed Corona Discharge-eli PCD-menetelmää, jolla voidaan kustannustehokkaasti hajottaa haitta-aineita sekä desinfioida vesiä.

PCD-hapetus

PCD-tekniikassa käsiteltävä liuos johdetaan ilma- tai happikehäiseen reaktoriin, jossa lyhytkestoinen korkeajännitepulssi aikaansaa koronapurkauksen. Reaktoriin kytketty pulssigeneraattori tuottaa 100-400 nanosekunnin kestoisia korkeajännitepurkauksia maksimijännitetasojen ollessa tyypillisesti 20-30 kV:n luokkaa.

Koronapurkaus muodostaa reaktorissa olevien elektrodien väliseen tilaan plasmakentän, jossa hapesta muodostuu otsonia ja vesimolekyyleistä voimakkaita hydroksyyliradikaaleja. Kun vesi virtaa reaktorin yläosassa olevan reikälevyn kautta ohuena kerroksena tai pisaroina plasmakentän läpi, purkauksessa muodostuneet hapettimet hajottavat tehokkaasti vedessä olevia biohajoamattomia orgaanisia haitta-aineita.

Tällaisia haitta-aineita ovat esimerkiksi lääkeaineet, jotka kulkeutuvat vesistöihin usein muuntumattomina käytön ja perinteisen jätevedenpuhdistuksen kautta. LUT:issa on tutkittu yleisesti käytettyjen särkylääkkeiden kuten ibuprofeenin (esimerkiksi Burana) ja parasetamolin (muun muassa Panadol-lääkkeet) hajoamista PCD-menetelmällä. Erityisesti parasetamoli on lääkeaine, joka hajoaa hitaasti luonnossa.

Muita tutkittuja lääkeaineita ovat mm. karbamatsepiini (epilepsialääke, mielialalääke, erittäin hitaasti biohajoava), indometasiini (tulehduskipulääke) sekä erityyppiset antibiootti- ja hormoniyhdisteet. Tämänhetkinen PCD-tutkimus keskittyy hitaasti biohajoavia lääkeaineita (mikropollutantit) sisältävien jätevesien puhdistukseen ja syntyvien hapetustuotteiden tunnistamiseen, kaivannaisteollisuudessa käytettävien haitallisten liuotuskemikaalien hapetukseen, makromolekyylien modifiointiin PCD-hapetuksella sekä lämpötilavaikutusten tutkimukseen PCD-hapetuksessa.

Hapetus soveltuu myös jätevesien käsittelyyn

Teollisuuden ja kunnallisten jätevesien käsittelyssä PCD-menetelmällä on suuri potentiaali veden laadun parantamiseksi energiatehokkuutensa, korkean hapetuspotentiaalinsa ja yksinkertaisen prosessiratkaisunsa takia. Tutkimusaihe on erittäin ajankohtainen myös Etelä-Karjalan alueella, jossa on tarve nykyaikaistaa tai rakentaa uusia jätevedenkäsittelylaitoksia.

PCD-menetelmä mahdollistaa perinteisillä vedenkäsittelymenetelmillä käsitellyn veden laadun edelleen parantamisen kustannustehokkaammin kuin esimerkiksi hygienisoinnissa yleisesti käytetty UV-käsittely. Tutkimuksessa käytetyt PCD-hapetuslaitteistot on kehitetty yhteistyössä Tomskin polyteknillisen yliopiston kanssa.

Tutkimuslaitteet

  • 100 ja 250 W:n PCD-reaktorit

Lisätiedot ja tutkimusryhmä

Professori TkT Marjatta Louhi-Kultanen
p. 040 701 8078

TkT Henry Hatakka
DI Petri Ajo
DI Alexander Sokolov

etunimi.sukunimi@lut.fi

Muu tutkimus

VEDENLAADUN SEURANTA PIEN-SAIMAALLA

Metrologian tutkimusryhmän dos. Satu-Pia Reinikaisen kanssa on tutkittu turvesuon pitkäaikaisvaikutuksia Pien-Saimaan veden laatuun hyödyntäen kansallista Oiva-tietokantaa. Tutkimus on osana TkL Eija Sääksjärven väitöskirjaa.

KIINTOAINEPARTIKKELEIDEN GRAVITAATIOON JA SEULONTAAN PERUSTUVA LUOKITUS

DI Nicolus Rotichin väitöskirjatyön tavoitteena on kehittää malli, jonka avulla voidaan määrittää luokituslaitteiden optimaaliset olosuhteet. Tutkimusta on tehty yhdessä TkT Ritva Tuunilan kanssa. Mallinnustulosten verifioimiseksi on rakennettu koelaitteisto, jolla voidaan tutkia tärytystaajuuden, syötön ja seulalevyn kallistuskulman vaikutusta luokittumistehokkuuteen ja seulontakapasiteettiin.

KIINTOAINEEN JA NESTEEN VÄLINEN TERMODYNAMIIKKA, JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA

Tutkimusta on tehty yhteistyössä dos. TkT Jaakko Partasen ja TkT Kari Vahteriston kanssa. Viimeimpien jäätymisopisteen alenema-mallinnustulosten kautta on saatu tulokseksi entistä tarkempia termodynaamisten parametrien arvoja, joiden avulla elektrolyyttiliuosten aktiivisuuksia voidaan määrittää tarkemmin alle huoneen lämpötiloissa.

Tutkimusprojekteja 2009-

Wastewater treatment by natural freeze crystallization and ice separation (Jäteveden puhdistus luonnollisella jäädytyskiteytyksellä ja jään erotuksella), Principle investigators of the consortium subprojects Prof. Pentti Kujala Aalto University and Aki Mikkola LUT, Financed by the Academy of Finland, Arctic Research project 285064, 2015-17.

From flow to crystal properties' (Fluidivirtausten merkitys kiteytyksessä, Fluki, Aalto-Saimaa). Consortium with 1) Ville Alopaeus, D.Sc. (Tech.), Professor of Chemical Engineering (leader), Department of Biotechnology and Chemical Technology, School of Chemical Technology, Aalto University, and 2) Mikko Manninen, D.Sc. (Tech), Industrial CFD, Technical Research Centre of Finland, VTT, 09/2012 - 08/2016, Financed by the Academy of Finland, Academy project  260141.

Preparation of nanosized photocatalytic hydrogen generation materials and its feasibility study for industrial applications – PHOTOCAT, Finnish-Chinese Nanotechnology, (financial support from Tekes  and MOST in China), Tianjin University of Science and Technology, China National Academy of Nanotechnology and Engineering, Tianjin Testing Center for Nano Products, 2013-2015

Joint LUT Chemtech project, Advanced International Water Technology Center, 2012-09/2014.

Low-cost adsorbents for the treatment of mining wastewaters, Joint project with Prof. Mika Sillanpää, Tekes, 2012-06/2014.

Exploiting Municipal and Industrial Residues – EMIR, Joint project with Prof. Mika Horttanainen), water treatment research, South-East Finland-Russia ENPI CBC 2007-2013 Programme, 11/2012-2014, 2011-092-SE748

Intensification of bioprocess chains FERMET, 2010-11, filtration of biomasses, joint project with University of Oulu, University of Eastern Finland and VTT.

Future Biorefinery Research Program, (FuBio), Joint project with Prof. Mika Mänttäri, combining membrane separation and crystallization for isolation of organic acids from black liquor, 2009-11.

Sähköpurkausmenetelmän kehittäminen (Tekes, Development of electric discharge method, 09/2008-08/2009)

Mesoporous silicon based composite materials as oral drug delivery systems, ComPSi joint with Division of Pharmaceutical Technology of University of Helsinki, University of Turku, 2008-2011, Financed by the Academy of Finland, a researcher.

CRYFA, 2007-2009, a joint project formed by the Laboratory of Separation Technology, the Pharmaceutical Technology Division at University of Helsinki (Prof. Jouko Yliruusi) and Helsinki University of Technology (Prof. Ville Alopaeus), a researcher at LUT.

Ota yhteyttä

LUT School of Engineering Science
PL 20, 53851 Lappeenranta

johtaja Jari Hämäläinen
p. 040 596 1999
jari.hamalainen@lut.fi

varajohtaja Eeva Jernström
p. 040 557 0918
eeva.jernstrom@lut.fi