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 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.