HEM2230 Pintakemia L11 Pintakemia teollisissa prosesseissa yhteenveto Monika Österberg, 2017
Vaahdotus erotusmenetelmänä Prosessit: Siistaus, mineraalien rikastus, jätevedenpuhdistus Pintakemian rooli ja mikä on yhteistä näille kaikille? Muodostetaan ilmakupplia. Hydrofobinen aine tarttuu ilmakupliin ja kulkeutuu vaahdon kanssa. Hydrofiilinen aines jää pohjaan. Pintaaktiivisia aineita käytetään vaahdon stabilointiin (pintajännityksen pienentäminen), ja tehostamaan partikkeleiden tarttumista ilmakuppliin (adsorptio). Usein ksantaatteja Polymeerejä tai suolaa voidaan käyttää flokkaamaan hydrofiilistä ainesta (Kaksoiskerrosrepulsion pienentäminen)
Vaahto Neste kaasu Vaahto Luento6 Kaasu Neste Vaahto on dispersio jonka jatkuvafaasi on neste (tai kiinteä aine) ja dispergoitunut aine on kaasu
Vaahto Molekyylit jotka adsorboituvat nestekaasu rajapintaan stabiloivat vaahtoa Esim: pintaaktiiviset aineet, proteiinit, amfifiiliset polymeerit, hydrofobiset nanopartikkelit stabiloivat vaahtoa Saippuakalvo
Mineraalien rikastus flotaatiolla Vaahdon keräin, kuva Outotec Minerals Oy Vaahto otetaan talteen Rikastusprosessi perustuu eroihin hydrofobisuudessa Reagenttien valinnalla saadaan tehostettua haluttujen mineraalien hydrofobisuutta Kokoojat: Pintaaktiivisia aineita, tekevät rikastettavista aineista hydrofobisempia, kationisia käytetään anionisten mineraalien talteenottoon ja anionisia kationisten mineraalien talteenottoon Säännöstelijät: Parantavat selektiivisyyttä Vaahdottajat: Muodostavat ja stabiloivat vaahtoa adsorptio, pintavoimat 2.5.2017 5
Vaahdotussiistaus Erotetaan muste kuiduista Muste, lika ja muut hydrofobiset partikkelit tarttuvat ilmakupliin ja poistetaan vaahdon kanssa Hydrofiiliset kuidut pysyvät vesidispersiossa Haasteet: Liimoista tulevat tarttuvat aineet, stickies Kuidut vaurioituvat, voidaan kierättää n. 46 kertaa 2.5.2017 6
Jätevedenpuhdistus Ilmastus: Dissolved air flotation, DAF Käytetään jäteveden kirkastukseen Lisätään monivalenttisia suoloja (rautakloridi, aluminiumsulfaatti) flokkuloimaan likapartikkelit isoimmiksi agregaateiksi jotka tarttuvat ilmakupliin ja voidaan poistaa Pintaaktiivisia aineita tarvitaan vaahdon stabilointiin (pintajännityksen pienentäminen) Pintavoimia: Pienennetään kaksoiskerrosrepulsiota 2.5.2017 7
Vaahdot ja emulsiot Jäätelö, kosmetiikka: emulsiot ja vaahtomaiset voiteet, margariini, Emulgointiaineet pienentävät pintajännitystä rasvan ja vesifaasin välillä Pintaaktiivisia aineita käytetään vaahdon stabilointiin Lesitiini: luonnollinen pintaaktiivinen aine, fosfolipidi O/W emulsio Water W/O emulsio Vesi Oil Oil öljy vesi Oil Water BTX prosessi Myös korrosionesto 2.5.2017 8
Emulsiot Kahden toisiinsa luonnostaan sekoittumattoman nesteen seos Emulsio on termodynaamisesti epästabiili Emulsio on kolloidi ja koostuu dispergoituneesta faasista (nestepisarat) jotka ovat dispergoituneet jatkuvaan faasiin (toinen neste)
Pintavoimat ja polymeerien käyttö Esim. Flokkulointiin jäteveden puhdistuksessa, erillaisisa erotusprosesseissa, paperinalmistuksessa hienoaineksen ja täyteaineiden sitominen selluloosakuituihin (=retentio) Stabilointi/destabilointi 2.5.2017 10
Pintakemia jätevedenpuhdistuksessa Käytetyt kemikaalit: Monivalentit suolat ja polyelektrolyytit tehokkaita: vähentävät partikkeleiden välistä kaksoiskerrosrepulsiota dominoivat van der Waals voimat aiheuttavat aggregoitumisen Yleisiä mm. alumiini ja ferrosulfaatti ja akryyliamidit Kolloidiset partikkelit: seos stabiili/epästabiili Flokkaus = partikkelien aggregoituminen eli yhteenliittyminen Sedimentaatio = Flokkien laskeutuminen pohjalle Mikä vaikuttaa: partikkelien muoto, koko, sekoitus, vuorovaikutusten laatu 2.5.2017 11
DLVO teoria high salt low salt salt independent Pitkillä etäisyyksillä kaksoiskerrosrepulsio dominoi Pienillä etäisyyksillä van der Waals attraktio Korkeissa suolapitoisuuksissa diffuusikerros pienempi
Kaksoiskerrosvoima (samanmerkkisten) varautuneiden pintojen välinen voima specific adsorption, stern layer diffuse layer surface potential, Φ 0 Ylimäärä vastaioneita pintojen välillä, potentiaaliero verrattuna muuhun liuokseen> osmoottinen paine > repulsio
ationic flocculation polymers Polyacrylamide H H 2 H H 2 H Modified (cationised) PAM, PAM cationic at all ph:s of practical interest O O O H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H 2 NH 2 NH 2 NH 2 Neutral in neutral and alkaline, cationic in acid soutions O NH 2 O NH 2 O NH 2 O NH O NH 2 O NH H 2 H 2 H 2 H H 2 H 3 N H 2 H H 2 H 3 Diacryloethylidimethylammonium chloride (DADMA) H 2 N H 2 H 2 N H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 Poly(N,Ndimethyl3,4diethyl pyrrolidonium chloride (PolyDADMA) H 2 H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 N H 3 H 2 H 2 N H 3 PAM is extensively used as a flocculant in papermaking and water treatment 14
Pintakemia paperinvalmistuksessa Surface properties of fibres Penetration into chips Separation of extractives Defoaming HEMIAL PULP Retention mechanisms Fibre/fibre interactions Dry strength additives Hydrophobation, sizing Defoamers Fillers and pigments BROKE Pigment dispersion Surfactants Latexes and binders oating colour rheology Surface properties of paper Paper/ink interactions WOOD GROUNDWOOD MEHANIAL PULP FILLER MINERALS PAPER MAHINE HEADBOX FOURDRINIER PRESS DRY OATING PAPER REYLED FIBRE IRULATION WATER PIGMENTS PRINTING Dispersion of paper Removal of ink and stickies Flocculation Membrane filtration Microflotation Dewatering Deposits Adhesion to felts and rolls 15
Muita pintakemiallisia ilmiöitä Suuri pintaala sumukuivaus Vuorovaikutukset, mikroemulsiot ja misellit lääkeaineet Pintojen muokkaus, ohutkalvot ALD 5/2/2017 16
Tentti Aiheet: luennot, kotitehtävät, luentokysymykset, posterit, laboratoriotyöt, ja laskuharjoitukset Tentin rakenne: 5 kysymystä joista 1 laskutehtävä ja yksi kysymys liittyy postereihin. 2.5.2017 17