Pickling is a unit operation within stainless steel production, which means treating the steel with hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO3), also called mixed acid. The whole process generates waste water streams which have to be treated before released to recipient. The aim of this degree thesis was to make an evaluation of different possibilities for reduction of emissions from the pickling process with China as a possible future market. The work consisted of two different parts; the first was to describe and evaluate different treatment methods for waste pickling acid, with emphasis on denitrification technologies. The second and main part was to make a fundamental description of the neutralisation process and outline important parameters. The work was performed by gathering information from literature but also from industry in both Sweden and China. The work has been a collaboration between the Royal Institute of Technology (KTH), the Swedish Environmental Institute (IVL) and the company Scanacon. A review of the different acid recovery methods; ionic exchange, diffusion dialysis and extraction was made. The study showed that ionic exchange is a robust method with relatively low cost and therefore it has been largely implemented both in Swedish and Chinese industry. The outflow however still requires neutralisation. Nitrate reduction can be performed as “end of pipe”, those methods investigated in this study were; biological treatment, reverse osmosis and nanofiltration. Meanwhile, internal solutions such as evaporation and electro-dialysis are two interesting technologies which reduce nitrates in combination with acid recovery. It was found that slaked lime (Ca(OH)2) is the most suitable neutralisation agent for pickling waste and, besides the choice of chemicals, many important parameters influence the process, such as the optimal pH, mixing and conditions during lime slaking. Based on information from one of the visited sites in Sweden a mass balance of the neutralisation facility was made and from that the required amount of Ca(OH)2 was calculated. The calculations were verified by an experimental part performed by IVL, using pickling acids from the same site. The amount of metals in the outgoing water was calculated using software “Medusa” but also by equilibrium equations. However, the results differed somewhat; this is probably due to the fact that Medusa takes other complexes and their interaction, besides the formed metal hydroxides, into consideration. Within the mining industry research has been made on different methods for neutralisation and some have been tested in field. An example is the High Density Sludge process (HDS), were an amount of sludge is recycled back to the neutralisation tank. It was shown that this gave improved sludge properties and decreased lime consumption. This could perhaps also be implemented for waste water in the stainless steel industry, and the method was also tested during the experimental part of this project. The dry content increased after a number of cycles but further investigation is required before any conclusion can be drawn. / Betning är en enhetsprocess inom tillverkningen av rostfritt stål då godset behandlas med fluorväte syra (HF) och salpetersyra (HNO3), också kallad blandsyra. Betningen ger upphov till vatten strömmar som måste behandlas innan de släpps ut till recipienten. Syftet med det här examensarbetet var att göra en utvärdering av olika tekniker för att reducera utsläpp till vatten från betningen med Kina som potentiell framtida marknad. Arbetet bestod av två delar; den första delen var att beskriva och utvärdera olika behandlingsmetoder av förbrukade betbad med betoning på denitrifikationstekniker. Den andra och största delen var att göra en grundläggande beskrivning av neutralisationsprocessen. Studien utfördes genom att inhämta information från litteratur samt från industrin i både Sverige och Kina. Arbetet har varit ett samarbetsprojekt mellan Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Svenska miljöinstitutet (IVL) och företaget Scanacon.    Arbetet behandlar syraåtervinningsystemen; jonbytare, diffusions dialys samt extraktion. Nitrat reduktion kan ske internt eller externt där de externa åtgärder som behandlas i denna rapport är biologisk rening, omvänd osmos och nanofiltrering. De interna metoderna avdunstning och elektrodialys är intressanta eftersom de återvinner syran samtidigt som de reducerar nitraterna avsevärt. Studien visade att jonbyte, på grund av dess robusthet och relativt låga kostnad är den mest implementerade metoden för syraåtervinning i både svensk och kinesisk industri idag. Restprodukten från jonbytaren kräver dock fortsatt behandling, där det traditionella valet är neutralisation. Studien visade att släckt kalk (Ca(OH)2) är det mest passande kemikalien för neutralisation av betsyror. Förutom kemikalieval så finns det många parametrar som påverkar effektiviteten hos processen så som pH, omrörning och förhållanden under kalksläckningen. Baserat på information ifrån ett av de besökta stålverken i Sverige, gjordes en massbalans över dess neutralisationanläggning. Utifrån de flöden som denna gav kunde den teoretiska mängden kalk som krävdes för utfällning räknas ut. Beräkningarna verifierades med en experimentell del som utfördes av IVL på betsyror från samma verk. Resthalterna av metall i utgående vatten beräknades med programmet ”Medusa” men också med jämviktsekvationer. Resultaten mellan de två skiljde sig, detta beror förmodligen på att Medusa förutom hydroxidutfällning tar hänsyn till andra utfällningskomplex och dess interaktioner. Inom gruvvatten industrin har det forskats en del kring olika neutralisationsmetoder, en i litteraturen föreslagen sådan är ”High Density Sludge process (HDS)”. Här återförs en del av slammet tillbaka till neutralisationssteget, vilket visade sig ge förbättrade slamegenskaper och minskad kalkåtgång. Det var intressant att undersöka om denna metod också gick att implementera på förbrukade betbad och därför prövades metoden i den experimentella delen av detta projekt. Detta gav efter ett antal återföringscykler högre torrhalt på slammet, dock krävs fortsatta undersökningar innan någon slutsats kan dras.

Tesis por compendio / [ES] El efecto invernadero, causado por el consumo masivo de combustibles fósiles en los últimos 100 años, ha exacerbado la tendencia del calentamiento global y también ha tenido un impacto severo en la salud humana y el medio ambiente ecológico. Las tecnologías de generación de energía renovable son cruciales para abordar el cambio climático y lograr la sostenibilidad energética, pero estas tecnologías también enfrentan algunos problemas y desafíos comunes, como la intermitencia y la imprevisibilidad, la integración y estabilidad de la red, problemas de almacenamiento de energía, etc. Por lo tanto, investigar dispositivos eficientes de almacenamiento de energía electroquímica y desarrollar tecnologías avanzadas de conversión de energía eléctrica renovable en energía química se vuelve particularmente crucial. El supercondensador es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica que permite el rápido ciclo de descarga y carga. Su mayor densidad de potencia, capacidades de carga y descarga rápidas, amplio rango de temperatura de operación y seguridad permiten aplicaciones generalizadas en fuentes de alimentación de respaldo industriales, vehículos eléctricos, el sector militar y otros campos. Por lo tanto, en la tesis doctoral actual, se han utilizado materiales de óxido de metal y fosfuro de metal como electrodos de supercondensador para el estudio de los mecanismos de almacenamiento de energía y explorar el potencial para aplicaciones prácticas. Por otro lado, convertir la energía eléctrica sostenible en energía química para almacenamiento y utilización también es una forma efectiva, en la que la energía eléctrica se utiliza para impulsar reacciones químicas no espontáneas. La tesis doctoral actual desarrolló un catalizador de fosfuro de metal utilizando un método de síntesis verde y libre de contaminación y lo aplicó a reacciones electrocatalíticas de división de agua. Los resultados experimentales muestran que el material puede operar de manera estable durante mucho tiempo a alta densidad de corriente. Además, la conversión electrocatalítica de nitrato a amoníaco se considera una ruta eficiente para el tratamiento de aguas residuales de nitrato y la producción de combustible de amoníaco rico en hidrógeno. Preparamos con éxito un catalizador de carburo bimetálico utilizando un método sonoquímico, que muestra excelentes propiedades de reducción de nitrato de baja sobretensión y alta eficiencia de rendimiento de amoníaco. / [CA] L'efecte hivernacle, causat pel consum massiu de combustibles fòssils en els últims 100 anys, ha exacerbà la tendència del escalfament global i també ha tingut un impacte sever en la salut humana i el medi ambient ecològic. Les tecnologies de generació d'energia renovable són crucials per a abordar el canvi climàtic i aconseguir la sostenibilitat energètica, però aquestes tecnologies també enfronten alguns problemes i desafiaments comuns, com la intermitència i la imprevisibilitat, la integració i estabilitat de la xarxa, problemes d'emmagatzematge d'energia, etc. Per tant, investigar dispositius eficients d'emmagatzematge d'energia electroquímica i desenvolupar tecnologies avançades de conversió d'energia elèctrica renovable en energia química es torna particularment crucial. El supercondensador és un nou tipus de dispositiu d'emmagatzematge d'energia electroquímica que permet el ràpid cicle de descàrrega i càrrega. La seua major densitat de potència, capacitats de càrrega i descàrrega ràpides, ampli rang de temperatura d'operació i seguretat permeten aplicacions generalitzades en fonts d'alimentació de reserva industrials, vehicles elèctrics, el sector militar i altres camps. Per tant, en la tesi doctoral actual, s'han utilitzat materials d'òxid de metall i fosfurs de metall com a electrodos de supercondensador per a l'estudi dels mecanismes d'emmagatzematge d'energia i explorar el potencial per a aplicacions pràctiques. D'altra banda, convertir l'energia elèctrica sostenible en energia química per a emmagatzematge i utilització també és una forma efectiva, en la qual l'energia elèctrica s'utilitza per a impulsar reaccions químiques no espontànies. La tesi doctoral actual va desenvolupar un catalitzador de fosfurs de metall utilitzant un mètode de síntesi verd i lliure de contaminació i l'aplicà a reaccions electrocatalítiques de divisió d'aigua. Els resultats experimentals mostren que el material pot operar de manera estable durant molt temps a alta densitat de corrent. A més, la conversió electrocatalítica de nitrats a amoníac es considera una ruta eficient per al tractament d'aigües residuals de nitrats i la producció de combustible d'amoníac ric en hidrogen. Vam preparar amb èxit un catalitzador de carburs bimetàlics utilitzant un mètode sonoquímic, que mostra excel·lents propietats de reducció de nitrats de baixa sobretensió i alta eficiència de rendiment d'amoníac. / [EN] The greenhouse effect, caused by the massive consumption of fossil fuels over the past 100 years, has exacerbated the trend of global climate warming and has also severe impact on human health and the ecological environment. Renewable energy power generation technologies are crucial for addressing climate change and achieving energy sustainability, but these technologies also face some common problems and challenges, such as intermittency and unpredictability, grid integration and stability, energy storage issues, etc. Therefore, researching efficient electrochemical energy storage devices and developing advanced energy technologies converting renewable electrical energy into chemical energy becomes particularly crucial. Supercapacitor is a novel type of electrochemical energy storage device that enables the rapid cycle of discharge and charge. Its greater power density, rapid charge-discharge capabilities, wider operating temperature range and safety allow widespread applications in industrial backup power supplies, electric vehicles, the military sector, and other fields. Therefore, in the current doctoral thesis, metal oxides and metal phosphide materials have been employed as supercapacitor electrodes for the study of energy storage mechanisms and explore the potential for practical applications. On the other hand, converting sustainable electrical energy into chemical energy for storage and utilization is also an effective way, in which electrical energy is employed to drive non-spontaneous chemical reactions. The current doctoral thesis developed a metal phosphide catalyst using a green and pollution-free synthesis method and applied it to electrocatalytic water-splitting reactions. Experimental results show that the material can operate stably for a long time at high current density. Furthermore, electrocatalytic conversion of nitrate to ammonia is considered an efficient route for nitrate wastewater treatment and production of hydrogen-rich ammonia fuel. We successfully prepared a bimetallic carbide catalyst using a sonochemical method, which exhibits excellent low overpotential nitrate reduction and high-efficiency ammonia yield properties. / Hu, J. (2024). Metal Oxides, Carbides and Phosphides for Supercapacitor and Electrocatalysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207537 / Compendio

Cereal rye (CR), the most common and effective nitrogen (N) scavenging cover crop option in the Midwest, is often utilized in cropping systems to reduce nitrate loss for environmental benefits. To increase environmental efficiency in Midwest corn cropping systems, we must increase the overall adoption of CR. However, due to the yield reduction potential (6%) for corn planted after CR termination, CR is primarily recommended before soybean. To increase CR adoption, we must develop adaptive fertilizer management practices that achieve competitive grain yields relative to cropping systems where CR is not adopted. Therefore, the objectives of this study are to determine (1) the effect of CR and starter nitrogen rate on corn growth and nitrogen content. (2) the optimum starter nitrogen rate to achieve agronomic optimum corn yield following CR. (3) the impact of phosphorus (P) at starter on plant growth, nitrogen content, and yield with the inclusion of CR. For our study, five starter N rates were applied in a 5x5 cm band to both CR and non-CR plots, concentrations ranged from 0-84 kg N ha^-1in 28 kg N ha^-1 intervals. Total N applied was the same for each treatment, relative to its location, and was split between starter N at planting and sidedress applied at growth stage V6 relatively. Although CR termination took place at least two weeks before planting, CR decreased corn grain yield at one of three locations by an average of 8%, nitrogen recovery efficiency (NRE) by 27%, and R6 total N content by 23%, relative to the conventional control (non-CR 0N), when no starter N was applied. At one of three locations, starter N rates of 56 kg N ha^-1, 56 kg N ha^-1plus 17 kg P ha^-1, and 84 kg N ha^-1 increased corn grain yield, in CR plots, and 56 kg N ha^-1 plus 17 kg P ha^-1 increased corn grain yield in non-CR plots. Phosphorus increased corn grain N content at growth stage R6 in one of three locations and did not impact corn grain yield at all locations. We conclude that the inclusion of starter N at planting has the potential to increase agronomic productivity in CR corn cropping systems in soil environments with a high capacity to mineralize soil N. However, further research is required to refine our starter N results to find an optimum starter N rate to apply before planting corn following CR.