Abstract Water contamination is a global problem and the growing utilization of limited water resources creates a need for efficient purification methods. Industrial effluents are polluting the natural waters, e.g. uncontrolled mining activities in developing countries have created numerous environmental hazards and different types of pollutants. This study focuses on novel adsorbents and photocatalytic materials in order to reach the aim of more efficient and affordable water treatment. This thesis aimed at making active, efficient, and viable adsorbents out of waste materials, as well as using photocatalysis in water treatment for organic pollutants originating from different types of industries. Local Peruvian agro-waste was used as a precursor for activated carbon that was used in adsorption studies for single (As(V) and methylene blue, MB), and multicomponent mixtures (As(V)/Pb/Cd), and real polluted river water. An industrial intermediate product, hydrous TiO2, was used for As(III)/As(V) removal. Photocatalytic materials included a commercial photoactive TiO2 (P25), and tailor-made TiO2 based nanofibers (NF) decorated with Pt/Pd. The results show that the agro-waste based activated carbons show high potential as adsorbents (e.g. ~100% As(V) removal in 2 h). With the multicomponent solution there is evidently competition for the adsorption sites; Pb was removed most efficiently. The specific surface area and pore size distribution play an important role in MB adsorption, as with As(V) the ash content is the most influential parameter. The industrial intermediate product has a high adsorption capacity towards both As(III) and As(V) (over 96% removals in 4 h), and is promising for use in natural and wastewater treatment due to its adsorption properties, availability, low cost, and non-toxicity. Photocatalysis was found to be an efficient removal method for the pollutants tested, also in the diluted industrial wastewater matrix, e.g. diuron was removed 99% in 1 h. The NFs are promising for the efficient photocatalytic degradation of organic effluents in aqueous streams such as wastewaters originating from e.g. biofuel production or fine chemicals and pharmaceutical industry. This study provides new and valuable knowledge for the purification of waters, especially when aiming at developing inexpensive water treatment materials and methods for different applications. / Tiivistelmä Puhtaan veden puute on maailman laajuinen ongelma, ja raskasmetallien ja orgaanisten haitta-aineiden päätymistä ympäristöön ja luonnonvesiin voidaan vähentää hyvällä ja tehokkaalla teollisuuden jätevesien käsittelyllä. Uusia ja tehokkaita, ympäristön kannalta suotuisia ja kestäviä vedenpuhdistustekniikoita tarvitaan erityisesti kehitysmaissa, joissa esim. kontrolloimaton kaivostoiminta aiheuttaa ympäristö- ja terveyshaittoja. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin perulaisesta maatalousjätteistä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla, ja seurattiin niiden kykyä adsorboida haitta-aineita (As(V), Pb, Cd, metyleenisini) yksi- ja monikomponenttiliuoksista ja saastuneesta luonnonvedestä (Puyango-Tumbesjoki, Peru). Lisäksi tutkittiin teollisuuden välituotteen (TiO2) aktiivisuutta arseenin, As(III) ja As(V), adsorptiossa. Viimeisessä osiossa tutkittiin valokatalyysiä orgaanisten haitta-aineiden poistossa vesiliuoksista sekä kaupallisella TiO2 P25 -katalyytillä että kokeellisilla Pd/Pt-dopatuilla TiO2 -nanokuiduilla. Tulokset osoittavat, että paikallisesta raaka-aineesta valmistetut aktiivihiilet ovat hyvin potentiaalisia vedenpuhdistusmateriaaleja saavuttaen jopa 100% As(V) poistuman (2h). Adsorboitavien ionien välillä on nähtävissä kilpailua monikomponettiadsorptiossa; lyijyn havaittiin poistuvan tehokkaimmin tutkituissa olosuhteissa. Adsorbentin ominaispinta-ala ja huokoskokojakauma ovat tärkeitä tekijöitä metyleenisinin adsorptiossa, kun taas tuhkapitoisuudella on arseenin adsorptioon suurempi vaikutus. Teollisuuden TiO2-välituotteella havaittiin olevan korkea adsorptiokapasiteetti sekä As(III)- että As(V)-spesieksiä kohtaan saavuttaen yli 96% poistumat (4h). Se on lupaava materiaali edelleen kehitettäväksi ja käytettäväksi esimerkiksi luonnonvesien ja jätevesien puhdistuksessa johtuen sen hyvistä adsorptio-ominaisuuksista, saatavuudesta, edullisuudesta ja myrkyttömyydestä. Valokatalyysin havaittiin olevan toimiva menetelmä orgaanisten molekyylien hajottamiseen, myös laimeasta teollisuuden jätevesimatriisista, esim. diuroni poistui 99% tunnissa. Nanokuitujen tapauksessa aktiivinen metalli vaikutti merkittävämmin reaktion tehokkuuteen kuin ominaispinta-ala. Tämä työ tarjoaa uutta ja tärkeää tietoa vesien puhdistukseen kun tavoitteena on löytää tehokas ja edullinen menetelmä erityyppisiin sovelluksiin.

Abstract Gasification is an energy conversion method for the utilisation of biomass for obtaining energy (heat and power). In the gasification process carbon residue is formed as a waste. For improving the cost-effectiveness of the gasification process the utilisation of this waste is important and the present legislation also creates requirements for the utilisation of waste material. Activated carbon is typically used for purification of water, for example, wastewaters as well as gaseous emissions. Consequently, commercial activated carbon is fairly expensive and its preparation is energy consuming. However, this inhibits sometimes its widespread use in wastewater treatment and therefore there is a need to develop cost-effective adsorbents from alternative biomass-based low-cost raw materials to remove harmful substances from aqueous solutions. The first aim of this thesis was to determine physical and chemical properties of carbon residues from wood gasification, and fly ashes from burning processes were used as reference samples. The properties are essential to known when evaluating the potential utilisation applications for unknown carbon residue samples. Properties of carbon residue indicate that it would be suitable adsorbent due to the high carbon content but its activation or modification is needed. The second aim was to modify this industrial carbonaceous by-product by physical and chemical activation and chemical modification methods to maximise the adsorption capacity of material. Based on our results, adsorption properties can be enhanced by using zinc chloride as a chemical activating agent, carbon dioxide as a physical activating agent and ferric chloride in the chemical modification and adsorbents with specific surface areas 285, 590 and 52 m2 g-1 were produced, respectively. The third aim was to test produced adsorbents to anions removal. Chemically activated carbon residue removes phosphate well and physically activated carbon residue removes phosphates and nitrates. Chemically modified carbon residue was observed to be suitable sorbent for sulphate removal. Optimal initial pH and concentration were determined and effect of time was studied and kinetic calculations and isotherm analysis was done for studied adsorbents. / Tiivistelmä Kaasutus on tehokas tapa hyödyntää biomassaa sähkön- ja lämmöntuotannossa. Kaasutuksessa muodostuu jätteenä hiilijäännöstä, jonka hyödyntäminen on tärkeää kaasutusprosessin kustannustehokkuuden parantamiseksi. Myös nykyinen lainsäädäntö asettaa vaatimuksia jätemateriaalien hyödyntämiselle. Aktiivihiiltä on tyypillisesti käytetty mm. jäteveden sekä kaasujen puhdistukseen. Aktiivihiili on kuitenkin kallista ja sen valmistaminen on energiaa kuluttava prosessi, mikä rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi tarvitaan uutta tietoa myös kustannustehokkaampien adsorbenttien valmistamiseen soveltuvista vaihtoehtoisista biomassapohjaisista raaka-aineista. Tutkimuksen tavoitteena oli aluksi määrittää puun kaasutuksessa muodostuneen hiilijäännöksen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joiden tunteminen on tärkeää arvioitaessa soveltuvia hyödyntämiskohteita kyseiselle tuntemattomalle jätemateriaalille. Referenssinäytteinä käytettiin polttolaitoksilla muodostunutta lentotuhkaa. Hiilijäännöksen ominaisuuksien perusteella se voisi olla soveltuva adsorbentti, mutta aktivointi tai modifiointi on välttämätöntä hiilijäännöksen adsorptiokapasiteetin parantamiseksi. Työn toinen tavoite oli parantaa hiilijäännöksen adsorptio-ominaisuuksia fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoimalla tai kemiallisesti modifioimalla. Tulosten perusteella adsorptio-ominaisuuksia voidaan parantaa parhaiten käyttämällä sinkkikloridia kemiallisessa aktivoinnissa, hiilidioksidia fysikaalisessa aktivoinnissa ja rautakloridia kemiallisessa modifioinnissa, jolloin valmistettujen adsorbenttien ominaispinta-alat olivat 285, 590 ja 52 m2 g-1. Työn kolmas tavoite oli tutkia valmistettujen adsorbenttien adsorptiokykyä anionien poistossa laboratoriomittakaavassa. Kemiallisesti aktivoitu hiilijäännös poistaa tehokkaasti fosfaattia, fysikaalisesti aktivoitu fosfaattia ja nitraattia ja kemiallisesti modifioitu hiilijäännös on hyvä sorbentti sulfaatinpoistossa. Adsorptiokokeissa määritettiin optimaalinen alku pH ja alkukonsentraatio ja lisäksi tutkittiin ajan vaikutusta adsorptioon. Tulosten perusteella tehtiin kinetiikkamallinnusta sekä isotermianalyysi.

Abstract Biomass is the most abundant renewable material present on Earth and has been widely used e.g. in energy production. Recently, new applications for biomass utilization have been developed, e.g. the use of biomass as a raw material for synthesizing new chemicals. This research aimed to produce activated carbon (AC) from waste wood-based materials and peat through carbonization followed by physical or chemical activation. Physical steam activation and chemical activation generate the porosity in AC after the carbonization. The desired properties of AC (porosity, pore size distribution, surface functionality) are dependent on the application in which AC is used. The first part of the research focused on setting up the carbonization and activation device. The most important variables affecting carbonization and activation and the AC properties were studied. The process parameters were optimized through the design of experiments (DOE). The results showed that in the physical activation, the most important variables affecting the characteristics of AC are the holding time, temperature, and the steam feed. Consequently, a model for tailoring the microporosity or mesoporosity of AC and maximizing the yield is proposed. The second part of the research focused on chemical activation using zinc chloride. The aim was to study the effect of activation variables on the yield and properties of AC. Finally, the use of AC as an adsorbent was studied. Especially, the applicability of birch sawdust based activated carbon on the removal of dyes, zinc metal, nitrate, phosphate, and sulfate ions was evaluated. Based on the results, a difference was shown between one and two step process for carbonization and activation, and a single-step process was suggested to maximize the quality of AC. / Tiivistelmä Biomassa on maapallon eniten saatavilla olevaa uusiutuvaa materiaalia, jota on hyödynnetty jo pitkään mm. energiantuotannossa. Viime aikoina uusia biomassan käyttökohteita on kehitetty laajalti, kuten esimerkiksi uusien kemikaalien valmistukseen. Tässä tutkimuksessa puupohjaista jätebiomassaa ja turvetta hyödynnetään fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoidun aktiivihiilen valmistuksessa. Fysikaalinen höyryaktivointi ja kemiallinen aktivointi lisäävät aktiivihiilen huokoisuutta hiilestyksen jälkeen. Aktiivihiilen halutut ominaisuudet (huokoskokojakauma, pinnan toiminnalliset ryhmät) määräytyvät käyttökohteen mukaan. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa keskityttiin hidas pyrolyysilaitteiston ja aktivointilaitteiston rakentamiseen sekä hiilestyksen ja aktivoinnin kannalta keskeisimpien muuttujien tutkimiseen. Prosessimuuttujien vaikutusten tarkastelussa ja optimoinnissa hyödynnettiin koesuunnitteluohjelmaa. Tulosten perusteella todettiin, että fysikaalisessa aktivoinnissa olennaisimmat muuttujat olivat lämpötila, pitoaika sekä höyrysyöttö. Tämän pohjalta esitettiin malli aktiivihiilen mikro- ja mesohuokoisuuden muokkaamiseksi ja saannon maksimoimiseksi. Tutkimuksen toisessa vaiheessa tutkittiin kemiallista aktivointia hyödyntämällä sinkkikloridia aktivointikemikaalina. Tavoitteena oli selvittää eri aktivointimuuttujien vaikutusta saantoon ja aktiivihiilen laatuun. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa tutkittiin valmistettujen aktiivihiilien käyttöä adsorbenttina. Erityisesti tutkittiin koivupurusta valmistetun aktiivihiilen soveltuvuutta väriaineiden, metallien ja anionien sidontaan. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena voitiin osoittaa merkittävä ero yksi- ja kaksivaiheisen hiilestyksen ja aktivoinnin välillä, ja ehdotettiin yksivaiheista prosessia hiililaadun optimoimiseksi. / Sommario La biomassa è il materiale rinnovabile più abbondante presente sulla Terra ed è stata intensamente usata e.g. nella produzione di energia. Recentemente sono state sviluppate nuove applicazioni per la biomassa, ad esempio come materiale di base per sintetizzare nuovi prodotti chimici. Lo scopo di questa ricerca è produrre carbone attivo (CA) attraverso attivazione fisica e chimica da materiali legnosi di scarto come segatura, cippato e torba. L’attivazione fisica e l’attivazione chimica, creano la porosità nel CA dopo la carbonizzazione. Il prodotto finale può essere usato in differenti applicazioni in base a diversi fattori tra cui la distribuzione della porosità e la tipologia dei gruppi funzionali presenti sulla superficie. La prima fase della ricerca è stata dedicata alla progettazione e installazione dell’hardware necessario per l’attivazione e nell’individuazione dei parametri di processo più importanti. I parametri di processo sono stati ottimizzati attraverso il design of experiments (DOE) e sono state considerate le differenti variabili che interagiscono nella formazione del CA. I risultati hanno mostrato che i parametri di processo più importanti che influiscono sulle caratteristiche del CA sono il tempo, la temperatura di attivazione e la quantità di vapore iniettato nel reattore. È stato proposto un modello per progettare CA microporoso o mesoporoso con massa finale massimizzata. La seconda parte della ricerca è stata incentrata sull’attivazione chimica con cloruro di zinco. Lo scopo é stato studiare l’effetto delle variabili di attivazione su massa finale e proprietà del carbone attivo. Infine, è stata studiato il CA come adsorbente. In particolare è stata considerata l’applicabilità del CA da segatura di betulla per la rimozione di coloranti, zinco metallico, ioni di nitrato, fosfato e solfato. In base a questi risultati, una differenza é stata evidenziata tra il processo di carbonizzazione e attivazione a uno o due stadi, ed il processo a singolo stadio è stato proposto per massimizzare la qualità del CA.

Abstract Pollutant (such as metals and sulphate) contamination exists in the wastewaters of many industries, including mining operations, metal plating facilities, and tanneries. Adsorption is one of the most commonly used processes for the removal of pollutants from waters and wastewaters due to its high efficiency and simple operation. Activated carbon is the most frequently used adsorbent material, although its high cost inhibits its widespread use in wastewater treatment. Therefore, there is a need to develop other adsorbents from alternative inexpensive raw materials such as locally available industrial and mineral waste and by-products. The aim of this thesis was to study the possibility of using industrial waste materials such as carbon residue, metakaolin, blast-furnace slag and analcime as an inexpensive sorbent for iron, copper, nickel, arsenic, antimony and sulphate removal from aqueous solutions. To enhance their adsorption capacity, different chemical treatments (i.e. activation, modification, geopolymerisation) were performed. As a result, the level of removal of iron, copper and nickel by carbon residue and zinc chloride activated carbon residue was higher than that by the commercial activated carbon. Iron chloride modified carbon residue was the most effective sorbent material for sulphate removal when compared to the other studied chemically modified/activated carbon residues. Blast-furnace slag and metakaolin geopolymers as well as their raw materials, were examined for the simultaneous removal of nickel, arsenic and antimony from the spiked mine effluent. In the case of blast-furnace slag, geopolymerisation clearly increased the efficiency of nickel, arsenic and antimony removal to a beneficial level. The barium chloride modified blast-furnace-slag geopolymer was a very efficient sorbent material for sulphate removal and it could thus be a technically feasible sulphate sorbent for wastewater treatment (e.g. in the mining industry in applications in which very low sulphate levels are desired). Barium chloride modified acid washed analcime could also be a potential sorbent for sulphate removal. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet kuten kaivosvedet ja metalliteollisuuden prosessien jätevedet voivat sisältää monenlaisia haitallisia ja jopa myrkyllisiä aineita kuten metalleja ja sulfaattia. Adsorptiota käytetään yleisesti esimerkiksi metallien ja orgaanisten yhdisteiden poistossa vesiliuoksista, koska se on tehokas ja yksinkertainen menetelmä. Aktiivihiili on yleisimmin käytetty adsorbenttimateriaali vedenpuhdituksessa, mutta sen hinta joissain tapauksissa rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi on tarvetta kehittää vaihtoehtoisia adsorbenttimateriaaleja edullisista raaka-aineista. Viime vuosien aikana on raportoitu mm. teollisuus- ja mineraalijätteistä, joita voidaan hyödyntää vesien ja jätevesien puhdistuksessa. Tämän työn tavoitteena oli hyödyntää teollisuudesta muodostuvia jätemateriaaleja (hiilijäännös, metakaoliini, masuunikuona ja analsiimi) raudan, kuparin, nikkelin, arseenin, antimonin tai sulfaatin poistossa malli- ja jätevesistä. Materiaaleja käsiteltiin erilaisilla kemikaaleilla (aktivointi, modifiointi tai geopolymerointi), jotta niiden adsorptiotehokkuudet paranisivivat poistettavia aineita kohtaan. Tulokset osoittivat, että raudan, kuparin ja nikkelin poisto oli sekä käsittelemättömällä että sinkkikloridilla aktivoidulla hiilijäännöksellä korkeampi kuin kaupallisella aktiivihiilellä. Arseenin, nikkelin ja antimonin poistoa kaivosvedestä tutkittiin masuunikuona- ja metakaoliinigeopolymeereillä, joista masuunikuonageopolymeeri osoittautui tehokkaimmaksi metallien poistajaksi. Bariumkloridilla modifioitu masuunikuonageopolymeeri puolestaan poisti erittäin tehokkaasti sulfaattia kaivoksen jätevedestä. Rautakloridilla modifioitu hiilijäännös ja happopesty bariumkloridilla modifioitu analsiimi osoittatuivat myös lupaavaksi materiaaliksi sulfaatin poistossa.

Abstract This thesis examines three different areas of water treatment technology: the application of organic peracids in wastewater treatment; the removal of organic residues from boiler make-up water; and the use of geopolymers as sorbents. The main advantages of peracids as alternative wastewater disinfectants are their effective antimicrobial properties and high oxidation power, as well the absence of harmful disinfection by-products after their use. Performic, peracetic and perpropionic acids were compared in laboratory-scale disinfection, oxidation and corrosion experiments. From the techno-economical point of view, performic acid proved to be the most effective disinfectant against E. coli and fecal enterococci. However, in the bisphenol-A oxidation experiments, no advantages compared to hydrogen peroxide use were observed. It was also determined that corrosion rates on stainless steel 316L were negligible, while carbon steel seemed unsuitable in terms of corrosion for use with peracids even in low concentrations. Organic compounds in the boiler plant water-steam cycle thermally decompose and form potentially corrosive species. Activated carbon filtration was confirmed to be a suitable method for the removal of organic residue from deionized boiler make-up water. No significant differences in terms of treatment efficiency between commercial activated carbons were observed. However, acid washing as a pre-treatment reduced the leaching of impurities from new carbon beds. Nevertheless, a mixed-bed ion exchanger was required to remove leached impurities, such as silica and sodium. Geopolymers, or amorphous analogues of zeolites, can be used as sorbents in the treatment of wastewater. Metakaolin and blast-furnace-slag geopolymers showed positive potential in the treatment of landfill leachate (NH4+ ) and mine effluent (Ni, As, Sb). / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee kolmea erillistä vedenkäsittelyteknologian osa-aluetta: orgaanisten perhappojen käyttöä jäteveden käsittelyssä, orgaanisten jäämien poistoa suolavapaasta kattilalaitoksen lisävedestä ja geopolymeerien sovelluksia vedenkäsittelysorbentteina. Orgaanisten perhappojen pääasialliset edut verrattuna kilpaileviin tekniikoihin ovat hyvä desinfiointiteho, korkea hapetuspotentiaali ja desinfioinnin sivutuotteiden muodostumattomuus. Permuurahais-, peretikka- ja perpropaanihapon vertailu osoitti permuurahaishapon olevan kemikaaleista tehokkain E. coli - ja enterokokkibakteerien inaktivoinnissa kustannus- ja teknisistä näkökulmista. Hapetuksessa, jossa käytettiin bisfenoli-A:ta malliaineena, ei kuitenkaan havaittu etua verrattuna edullisempaan vetyperoksidiin. Ruostumattoman teräksen (316L) pinnalla ei havaittu merkittävää korroosiota, kun taas hiiliteräs ei sovellu käytettäväksi perhappojen kanssa. Orgaaniset jäämät kattilalaitoksen vesi-höyrykierrossa hajoavat termisesti pienen moolimassan hapoiksi ja aiheuttavat korroosioriskin. Aktiivihiilisuodatuksen todettiin olevan soveltuva menetelmä orgaanisten jäämien poistoon lisävedestä. Aktiivihiililaatujen välillä ei havaittu merkittäviä eroja, mutta happopesu aktiivihiilen esikäsittelynä vähensi hiilestä liukenevien epäpuhtauksien määrää. Geopolymeerit ovat zeoliittien amorfisia analogeja ja niiden ioninvaihtokykyä voidaan hyödyntää vedenkäsittelysovelluksissa. Metakaoliini- ja masuunikuonapohjaisten geopolymeerien todettiin olevan lupaavia materiaaleja malliliuosten, kaatopaikan suotoveden ja kaivoksen purkuveden käsittelyssä poistettaessa ammoniumia, nikkeliä, arseenia ja antimonia.