Abstract The large amounts of industrial wastewaters, contaminated by hazardous and toxic compounds together with ever tightening legislation, have challenged traditional wastewater treatment methods. Therefore, the development of discharge limits under, cost-effective and ecological wastewater treatment has become an essential concern. Catalytic water phase technologies are interesting alternatives for traditional wastewater treatment. Among them catalytic wet air oxidation (CWAO) has been used successfully in the management of various industrial effluents. However, the development of an active and stable catalyst for the severe reaction conditions of CWAO has proved truly challenging. The aim of this thesis was to study the activity and stability of laboratory prepared cerium supported metal catalysts in the catalytic wet air and wet peroxide oxidation of aqueous organic pollutants. Ru supported on Ce-Zr mixed oxides and commercial activated carbon as reference were used in CWAO and catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) of surface plating industry wastewater. Ag/Ce-Zr and Pt/Ce-Ti catalysts were catalyzed CWAO of aqueous solution of bisphenol A (BPA). Both CWAO and CWPO improved the abatement of organic compounds from surface plating industry wastewater when comparing the non-catalytic experiments. Moreover, catalytic oxidation enhanced the biodegradability of organic matter in the wastewaters. According to the results, Pt/Ce-Ti catalysts performed with higher activity in CWAO of BPA than Ag/Ce-Zr catalysts and almost 100% removal of BPA was achieved. The leaching of active metal during oxidation experiments affected the activity of Ag/Ce-Zr catalysts. Moreover, CWAO of BPA was not a surface area specific reaction but the activity of catalysts was related to the chemisorbed oxygen content on the catalysts’ surface. The results of this thesis showed that cerium supported metal catalysts are active and stable catalysts in CWAO of BPA and also in the treatment of industrial wastewater. Therefore, these catalysts could be applied next to pilot scale applications. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet sisältävät usein haitallisia ja myrkyllisiä yhdisteitä, joiden käsittely perinteisillä jäteveden käsittelymenetelmillä on hyvin haastavaa. Lisäksi alati kiristyvä ympäristölainsäädäntö asettaa omat vaatimuksensa jäteveden käsittelylle. Katalyyttiset vedenkäsittelymenetelmät ovat viime vuosina herättäneet paljon kiinnostusta. Yksi lupaavimmista tekniikoista on katalyyttinen märkähapetus, jota on käytetty sekä lukuisten malliaineiden että teollisten jätevesien käsittelyssä. Märkähapetuksen vaativissa reaktio-olosuhteissa aktiivisena säilyvän katalyyttimateriaalin kehittäminen on kuitenkin osoittautunut varsin haasteelliseksi. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli kehittää aktiivisia ja kestäviä ceriumpohjaisia katalyyttimateriaaleja märkähapetusreaktioon. Tutkimuksessa valmistettiin Ru-, Pt- ja Ag-katalyyttejä, jotka impregnoitiin Ce-Zr- ja Ce-Ti-sekaoksideille. Ru/Ce-Zr-katalyyttejä sekä kaupallista aktiivihiiltä vertailumateriaalina käytettiin pintakäsittelyteollisuuden jäteveden märkähapetuksessa ja märkäperoksidihapetuksessa. Bisfenoli A:n (BPA) vesiliuoksen märkähapetusta katalysoitiin sekä Ag/Ce-Zr- että Pt/Ce-Ti-katalyyteillä. Katalyyttisellä märkähapetuksella ja märkäperoksidihapetuksella pintakäsittelyteollisuuden jäteveden orgaanisten yhdisteiden konsentraatio väheni enemmän verrattuna ilman katalyyttiä suoritettuihin hapetuksiin. Lisäksi käsitellyn vesinäytteen biohajoavuusaste nousi eli jäteveden sisältämät orgaaniset yhdisteet olivat hapettuneet helpommin biohajoavaan muotoon. Pt/Ce-Ti-katalyytit olivat Ag/Ce-Zr-katalyyttejä aktiivisempia BPA:n märkähapetusreaktiossa. Pt-katalyyttisessä reaktiossa saavutettiin lähes 100 % reduktio BPA:n pitoisuudessa. Ag-katalyyttien aktiivisuuteen vaikutti hopean osittainen liukeneminen hapetettavaan liuokseen märkähapetusreaktion aikana. Lisäksi havaittiin, että BPA:n märkähapetusreaktiossa katalyytin aktiivisuus oli riippuvainen katalyyttipintaan kemiallisesti sitoutuneen hapen määrästä eikä niinkään katalyytin pinta-alasta. Väitöskirjatutkimuksessa saatujen tulosten perusteella valmistetut ceriumpohjaiset metallikatalyytit olivat aktiivisia ja kestäviä. Katalysoiduissa hapetusreaktiossa sekä BPA:n että pintakäsittelyteollisuuden jäteveden orgaaninen kuormitus pieneni. Siksi valmistettuja katalyyttimateriaaleja voitaisiin tutkia seuraavaksi pilotti-mittakaavan sovellutuksissa.

Abstract The harmful emissions of chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) originate only from man-made sources. CVOCs are used in a variety of applications from pharmaceuticals production to decaffeination of coffee. Currently, CVOC emissions are limited by strict legislation. For these reasons, efficient CVOC abatement technologies are required. Catalytic oxidation is very promising option for this purpose, since catalysts can be tailored to each case to maximize the efficiency and minimize the formation of unwanted products, such as dioxins or Cl2. The goal of this thesis was to study the role of the physico-chemical properties of catalysts in dichloromethane (DCM) oxidation. To reach the aim, several catalytic materials were prepared and characterized, and their performance was tested in total oxidation of DCM. The catalytic materials used were powders of four single metal oxides (γ-Al2O3, TiO2, CeO2, MgO), three mixed oxides (Al2O3-xSiO2) washcoated on a cordierite monolith and four active phases (Pt, Cu, V, Mn). At first, support properties were studied. It was found that the DCM conversion and HCl production are dependent on support acidity when the studied single oxides are considered. The best DCM conversions and HCl yields were observed with the support having the highest total acidity (γ-Al2O3). Further, the quality of the by-products formed was dependent on the type of the acid sites present on the support surface. Secondly, the impregnation of the active compound was observed to improve the selectivity of the material. From the tested active phases, Pt presented the best performance, but also V2O5 and CuO showed almost equal performances. Especially CuO supported on γ-Al2O3, that had less formation of by-products and is less toxic than V-containing oxides, seems to be a promising alternative to Pt. Concerning stability, no deactivation was observed after 55h of testing of Pt/Al2O3. Furthermore, in the used reaction conditions, the formation of CuCl2 is not thermodynamically favoured. Finally, the good characteristics of the powder form catalysts were successfully transferred to the monolith. The performance of the Pt/90Al2O3-10SiO2 catalyst in DCM oxidation was improved when the channel density was increased due to an increase in geometric surface area and mechanical integrity factor, and a decrease in open fraction area and thermal integrity factor. / Tiivistelmä Haitallisten kloorattujen orgaanisten yhdisteiden (CVOC) päästöt ovat ihmisten aiheuttamia. CVOC-yhdisteitä käytetään mm. liuottimina lääkeaineiden valmistuksessa ja kofeiinin poistossa. Nykyisin CVOC-päästöjä rajoitetaan tiukalla lainsäädännöllä. Näistä syistä tehokas CVOC-yhdisteiden käsittelymenetelmä on tarpeen. Katalyyttinen hapetus on hyvä vaihtoehto tähän tarkoitukseen, koska katalyytit voidaan räätälöidä niin, että puhdistuksen tehokkuus saadaan maksimoitua samalla kun ei-haluttujen tuotteiden, kuten dioksiinit ja kloorikaasu, muodostuminen voidaan minimoida. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää katalyyttien fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien yhteyksiä dikloorimetaanin (DCM) hapetukseen. Tavoitteen saavuttamiseksi valmistettiin useita katalyyttejä, jotka karakterisoitiin ja testattiin DCM:n kokonaishapetuksessa. Työssä tutkittiin neljää jauhemaista metallioksidia (γ-Al2O3, TiO2, CeO2 ja MgO), kolmea metallioksidiseosta (Al2O3-xSiO2), jotka pinnoitettiin kordieriittimonoliitille, sekä neljää aktiivista ainetta: Pt, Cu, V and Mn. Aluksi työssä keskityttiin tukiaineiden ominaisuuksiin. Työn tulokset osoittivat, että DCM:n konversio ja HCl:n tuotanto ovat riippuvaisia tukiaineen happamuudesta. Paras tulos saavutettiin alumiinioksidilla, jolla oli korkein kokonaishappamuus. Lisäksi havaittiin, että sivutuotteiden laatu riippuu tukiaineen pinnalla olevien happopaikkojen tyypistä. Aktiivisen aineen impregnointi tukiaineeseen paransi materiaalin selektiivisyyttä. Tutkituista aineista Pt osoittautui parhaimmaksi, mutta myös V2O5 ja CuO olivat lähes yhtä hyviä. Erityisesti CuO-katalyytti, joka tuotti vähemmän sivutuotteita ja joka on materiaalina vähemmän haitallinen kuin V2O5, osoittautui lupaavaksi jalometallikatalyyttien korvaajaksi. Materiaalien stabiilisuuteen liittyen Pt/Al2O3-katalyytin toiminnassa ei havaittu muutoksia 55 tunnin testauksen jälkeen. Lisäksi CuCl2:n muodostuminen ei mallinnuksen mukaan ole termodynaamisesti todennäköistä tutkituissa reaktio-olosuhteissa. Jauhemaisen katalyytin hyvät ominaisuudet pystyttiin pinnoituksessa siirtämään monoliittirakenteiseen katalyyttiin. Pt/90Al2O3-10SiO2 -katalyytin aktiivisuus DCM:n hapetuksessa tehostui, kun monoliitin aukkoluku kasvoi aiheutuen suuremmasta geometrisestä pinta-alasta ja mekaanisesta eheystekijästä sekä pienemmästä avoimen pinnan osuudesta ja termisestä eheystekijästä.

Abstract Biomass conversion methods represent bioeconomic solutions for the sustainable production of value added commodities (chemicals and materials) as well as for energy purposes, either in solid (pellets), liquid (transport fuels) or gaseous (combustion gases e.g. biomethane) form. Lignocellulosic biomass as a renewable source available in immense quantity, is considered to be one of the most promising natural sources, with high potential in the replacement of conventional transportation fuels and reduction of greenhouse gas emissions. This thesis provides new insights into mechanocatalysis, which as yet is a novel technique in catalytic biomass conversion. The mechanocatalytic approach combines chemical catalysis and mechanical assisted processing driven by ball milling. Lignocellulosic barley straw was impregnated or merely mixed with the catalyst (formic acid, acetic acid, sulfuric acid, oxalic acid dihydrate and potassium pyrosulfate) and ball milled under various conditions yielding the selective depolymerization of lignocellulose into water-soluble xylo-oligosaccharides. Subsequent hydrolysis at moderate temperatures resulted in the formation of valuable reducing sugars, mainly xylose, galactose, arabinose and glucose, which constitute the basic materials for transportation fuel and chemical production. Reducing sugar release of 53.4 wt% with low by-product formation was observed within short milling durations using sulfuric acid as a catalyst in mechanocatalysis. Likewise, oxalic acid dihydrate and potassium pyrosulfate as a novel catalyst, successfully converted barley straw to reducing sugars (42.4 wt% and 39.7 wt%, respectively), however longer milling durations were required. In comparison, lower saccharification (<10 wt%) was obtained by employing formic acid and acetic acid in mechanocatalysis. Harsh milling conditions initiated a temperature increase within the reaction vessel resulting in enhanced sugar release. Likewise, greater sugar release was observed with increased catalyst amount and acidity. The results revealed that the balance of these factors is crucial for efficient catalytic conversion of barley straw. / Tiivistelmä Biomassan konvertointimenetelmät mahdollistavat biotalouden hengen mukaisesti uusia ratkaisuja kemikaalien ja materiaalien kestävään tuotantoon sekä biomassan energiakäyttöön eri muodoissa (kuten pelletit, biopolttoaineet ja biokaasu). Lignoselluloosapohjaista, uusiutuvaa biomassaa, kuten tässä työssä tutkittua ohran olkea, on runsaasti saatavilla. Lignoselluloosa onkin yksi lupaavimmista raaka-aineista korvaamaan fossiilisia polttoaineita ja vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä. Väitöskirjatutkimus antaa uutta tietoa ohran oljen mekaanis–katalyyttisestä käsittelystä, mikä on suhteellisen uusi menetelmä biomassan katalyyttisessä muokkauksessa. Menetelmässä yhdistetään kemiallinen katalyysi ja mekaaninen muokkaus (jauhatus) kuulamyllyllä. Lignoselluloosa (ohran olki) impregnoitiin tai sekoitettiin tutkitun katalyytin (muurahaishappo, etikkahappo, rikkihappo, oksaalihappodihydraatti, kaliumpyrosulfaatti) kanssa ja käsiteltiin erilaisissa mekaanis–katalyyttisissä olosuhteissa. Lignoselluloosan selektiivinen depolymerointi muodosti vesiliukoisia oligosakkarideja ja edelleen hydrolyysin kautta pelkistyneitä sokereita (pääasiassa ksyloosia, galaktoosia, arabinoosia ja glukoosia), joita voidaan käyttää biopolttoaineiden ja -kemikaalien valmistuksessa. Tutkimuksen tulosten perusteella rikkihappokatalyytillä saatiin 53,4 massa-% ohran oljen sisältämistä pelkistyneistä sokereista vapautettua lyhyillä käsittelyajoilla. Lisäksi sivutuotteiden muodostuminen oli vähäistä. Vastaavasti oksaalihappodihydraatti (sokerisaanto 42,4 massa-%) ja kaliumpyrosulfaatti (sokerisaanto 39,7 massa-%) toimivat uusina katalyytteinä hyvin, mutta vaativat rikkihappokatalyyttiä pidemmät jauhatusajat. Sen sijaan muurahaishapolla ja etikkahapolla sokerisaanto oli erittäin alhainen (alle 10 massa-%) mekaanis–katalyyttisessä käsittelyssä. Tutkimuksessa todettiin, että voimakas jauhatus vaikutti selkeästi reaktiolämpötilan nousuun käsittelyn aikana, mikä edisti korkeampaa sokerisaantoa. Vastaavasti sokerisaantoa voitiin parantaa katalyyttimäärällä ja happamuudella. Tulokset osoittavat, että näiden muuttujien tasapaino on ratkaisevaa ohran oljen tehokkaan katalyyttisen muuntamisen kannalta.

Abstract The releases of chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) are controlled by strict regulations setting high demands for the abatement systems. Low temperature catalytic oxidation is a viable technology to economically destroy these often refractory emissions. Catalysts applied in the oxidation of CVOCs should be highly active and selective but also maintain a high resistance towards deactivation. In this study, a total of 33 different γ-Al2O3 containing metallic monoliths were studied in dichloromethane (DCM) and 25 of them in perchloroethylene (PCE) oxidation. The active compounds used were Pt, Pd, Rh or V2O5 alone or as mixtures. The catalysts were divided into three different testing sets: industrial, CVOC and research catalysts. ICP-OES, physisorption, chemisorption, XRD, UV-vis DRS, isotopic oxygen exchange, IC, NH3-TPD, H2-TPR and FESEM-EDS were used to characterise the catalysts. Screening of the industrial catalysts revealed that the addition of V2O5 improved the performance of the catalyst. DCM abatement was easily affected by the addition of VOC or water, but the effect on the PCE oxidation was only minor. Based on these screening tests, a set of CVOC catalysts were developed and installed into an industrial incinerator. The comparison between the laboratory and industrial scale studies showed that DCM oxidation in an industrial incinerator could be predicted relatively well. Instead, PCE was always seen to be oxidised far better in an industrial unit indicating that the transient oxidation conditions are beneficial for the PCE oxidation. Before starting the experiments with research catalysts, the water feed was optimised to 1.5 wt.%. Besides enhancing the HCl yields, water improved the DCM and PCE conversions. In the absence of oxygen, i.e. during destructive adsorption, the presence of water was seen to have an even more pronounced effect on the HCl formation and on the catalysts’ stability. In the DCM oxidation, the addition of the active compound on the catalyst support improved the selectivity, while the enhancing effect on the DCM conversion was only small. The high acidity together with the increased reducibility was seen to lead to an active catalyst. Among the research catalysts Pt/Al2O3 was the most active in the DCM oxidation. With PCE the addition of the active compound proved to be very beneficial also for the PCE conversion. Now Pt and Pd supported on Al2O3-CeO2 were the most active. The enhanced reducibility was seen to be the key feature of the catalyst in PCE oxidation. / Tiivistelmä Klooratuille orgaanisille hiilivedyille (CVOC) on asetettu tiukat päästörajoitukset niiden haitallisten vaikutusten takia. Tästä johtuen myös puhdistusmenetelmien tulee olla tehokkaita. Katalyyttinen puhdistus on teknologia, jolla nämä usein vaikeasti käsiteltävät yhdisteet voidaan taloudellisesti tuhota. Käytettävien katalyyttien tulee olla aktiivisia ja selektiivisiä sekä hyvin kestäviä. Tässä työssä tutkittiin yhteensä 33 erilaista γ-Al2O3-pohjaista hapetuskatalyyttiä metyleenikloridin (DCM) käsittelyssä, niistä 25 testattiin myös perkloorietyleenin (PCE) hapetuksessa. Aktiivisina metalleina katalyyteissä käytettiin platinaa, palladiumia, rhodiumia ja vanadiinia yksin tai seoksina. Katalyytit jaettiin kolmeen ryhmään: teolliset-, CVOC- ja tutkimuskatalyytit. Aktiivisuuskokeiden lisäksi katalyyttejä karakterisoitiin ICP-OES-, fysiorptio-, kemisorptio-, XRD-, UV-vis DRS-, isotooppivaihto-, IC-, NH3-TPD-, H2-TPR- ja FESEM-EDS-pintatutkimusmenetelmillä. Koetulokset osoittivat, että vanadiini paransi teollisuuskatalyyttien aktiivisuutta ja selektiivisyyttä. VOC-yhdisteen tai veden lisäys paransi DCM:n hapettumista, mutta PCE:n hapettumiseen niillä ei ollut vaikutusta. Testien perusteella kehitettiin CVOC-katalyytit, jotka asennettiin teolliseen polttolaitokseen. Laboratoriossa ja teollisuudessa tehdyissä testeissä havaittiin, että DCM:n hapettuminen oli laboratoriokokeiden perusteella ennustettavissa. Sen sijaan PCE hapettui teollisuudessa aina paljon paremmin kuin laboratorio-olosuhteissa. Tämä osoittaa, että muuttuvat hapettumisolosuhteet vaikuttivat positiivisesti PCE:n hapettumiseen. Veden määrä syöttövirrassa optimoitiin 1,5 %:iin ennen tutkimuskatalyyttien testausta. Selektiivisyyden lisäksi vesi paransi DCM:n ja PCE:n konversiota. Hapettomissa olosuhteissa, ts. tuhoavien adsorptiokokeiden aikana, vesi paransi reaktion selektiivisyyttä HCl:ksi ja CO2:ksi vielä entisestään. Tämän lisäksi vesi lisäsi katalyytin stabiilisuutta. DCM:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyttä, mutta sen sijaan vaikutus DCM:n konversioon oli hyvin pieni. Tulokset osoittivat, että aktiivisella DCM:n hapetuskatalyytillä tulee olla korkea happamuus ja hyvä pelkistyvyys. Pt/Al2O3 oli testatuista tutkimuskatalyyteistä aktiivisin. PCE:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyden lisäksi huomattavasti myös konversiota. Katalyytin lisääntyneen pelkistymiskyvyn todettiin olevan keskeisin ominaisuus PCE:n hapettumisessa. Pt/Al2O3-CeO2 ja Pd/Al2O3-CeO2 olivat tutkimuskatalyyteistä aktiivisimpia.

Abstract Exhaust gas emissions, e.g. nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HCs) and carbon monoxide (CO), are harmful to human health and the environment. Catalysis is an efficient method to decrease these emissions. Unfortunately, the fuels and lubricant oils may contain chemical impurities that are also present in exhaust gases. Thus, catalytic materials with high activity and chemical resistance towards impurities are needed in the abatement of exhaust gas emission. In this thesis, the aim was to gain new knowledge about the effects of chemical impurities on the behaviour and activity of the catalysts. To find out these effects, the impurities existing in the exhaust gas particulate matter after combustion of biofuels and fossil fuels were analysed. The studied zeolite (ZSM-5), cerium-zirconium mixed oxides (CeZr and ZrCe) and silicon-zirconium oxide (SiZr) based catalysts were also treated with impurities to simulate the poisoning of the catalysts by, e.g. potassium, sodium, phosphorus and sulphur, using gas or liquid phase treatments. Several characterization techniques were applied to find out the effects of impurities on catalysts’ properties. The activity of catalysts was tested in laboratory-scale measurements in CO and HC oxidation and NOx reduction using ammonia (NH3) and hydrogen (H2) as reductants. The results revealed that the CeZr based catalysts had a high activity in NOx reduction by NH3 and moderate activity by H2. Sulphur was proven to enhance the activity of CeZr catalysts in NOx reduction. This is due to an increase in chemisorbed oxygen after the sulphur treatment on the catalyst surface. Instead, in HC and CO oxidation reactions, sulphur had a negligible impact on the activity of the SiZr based diesel oxidation catalyst. Thus, both CeZr and SiZr based catalysts can be utilized in exhaust gas purification when sulphur is present. ZSM-5 based catalysts were proven to be resistant to potassium and sodium. Alternatively, the activity of SiZr based catalysts decreased due to phosphorus. Thus, the removal of biomaterial-based impurities from the exhaust gases is needed to retain high catalyst activity in the exhaust gas after-treatment system. / Tiivistelmä Pakokaasupäästöissä olevat typen oksidit (NOx), hiilivedyt (HCs) ja hiilimonoksidi (CO) ovat haitallisia ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Katalyysi on tehokas menetelmä vähentää näitä päästökomponentteja. Polttoaineet ja voiteluöljyt sisältävät epäpuhtauksia, jotka siirtyvät myös pakokaasuihin. Tästä johtuen pakokaasupäästöjen hallinnassa tarvitaan katalyyttimateriaaleja, joilla on hyvä vastustuskyky myrkyttymistä vastaan. Tavoitteena oli saada uutta tietoa kemiallisten epäpuhtauksien vaikutuksesta katalyyttien toimintaan. Biopolttoaineiden sisältämät mahdolliset epäpuhtaudet selvitettiin analysoimalla fossiilisen ja biopolttoaineen palamisessa muodostuvia partikkeleita ja vertaamalla niitä polttoaineiden hivenaineanalyysiin. Tutkimuksessa käytetyt zeoliitti (ZSM-5), cerium-zirkonium-sekaoksidi (CeZr) ja pii-zirkonium-oksidipohjaiset (SiZr) katalyytit käsiteltiin epäpuhtauksilla (kalium, natrium, fosfori ja rikki) kaasu- ja nestefaasissa. Tutkimuksessa käytettiin useita karakterisointitekniikoita, joiden avulla selvitettiin epäpuhtauksien vaikutuksia katalyyttien ominaisuuksiin. Katalyyttien toimintaa testattiin laboratoriomittakaavan kokeissa CO:n ja HC-yhdisteiden hapetuksessa sekä NOx:ien pelkistyksessä käyttäen ammoniakkia (NH3) tai vetyä (H2) pelkistimenä. Tulokset osoittavat, että CeZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus NOx:ien pelkistyksessä oli hyvä käytettäessä pelkistimenä NH3:a ja kohtalainen käytettäessä vetyä. Rikki paransi CeZr-katalyyttien aktiivisuutta NOx:ien pelkistyksessä, mikä johtui kemiallisesti sitoutuneen hapen osuudesta katalyyttien pinnoilla. Vastaavasti hiilivetyjen ja CO:n hapetusreaktioissa rikki ei vaikuttanut SiZr-pohjaisten dieselhapetuskatalyyttien aktiivisuuteen. Sekä CeZr- ja SiZr-pohjaisia katalyytteja voidaan siten käyttää rikkiä sisältävien pakokaasujen puhdistuksessa. SiZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus laski fosforin vuoksi. ZSM-5-pohjaiset katalyytit olivat vastustuskykyisiä kaliumille ja natriumille. Kestäviä katalyyttejä on siten kehitettävä, mikäli biopolttoaineiden sisältämien epäpuhtauksien poistaminen polttoaineista ei ole mahdollista.

Abstract The rapid increase of energy demand for transportation generates a rise of environmental pollution, stimulating the development of alternative sources of energy. Biomass is considered as the main organic carbon source of energy to substitute petroleum permitting sustainable production of chemicals and transportation fuels. Biowastes, residues and non-edible feedstock possess high potential resources avoiding food competition. This research aims to convert starch-based industrial waste, potato peels, into reducing sugars and platform molecules, such as glucose. These high added-value chemicals can further be transformed into chemicals and fuels. Catalytic conversion of starch, the main constituent of potato peels, was activated with non-conventional technologies to enhance the depolymerisation rate and to reduce energy consumption according to the principles of green chemistry. Depolymerisation of starch was first performed in acidic water as reaction medium assisted with ultrasonic and/or microwave irradiation. Ultrasonic irradiation enhanced mass transfer of heterogeneous system, whereas the use of microwaves improved heat transfer in the reaction medium. The frequency applied leads to different effects on heterogeneous systems: low frequencies irradiation (below 100 kHz) generates turbulences resulting in enhanced transport properties, whereas higher frequencies produce chemical effects. Catalytic conversion of starch into reducing sugars required more energy than individual irradiation could provide. Simultaneous irradiation, combining ultrasound and microwave or several ultrasonic frequencies, on potato peels led to 50% yield of sugars without former separation processes, at moderate temperature. A weak synergetic effect was only observed with potato peels. The second part of this research is dedicated to study the effect of catalytic reaction medium (acids, ionic liquids). More appropriate systems possess the ability to dissolve and hydrolyse carbohydrates: specific ionic liquids. A room-temperature ionic liquid and a task-specific ionic liquid were selected for their solvability properties to dissolve and depolymerise starch present in potato peels. The depolymerisation of starch in the task-specific ionic liquid generated a yield of 43% of sugars, without former separation process. / Tiivistelmä Liikenteen energiantarpeen nopea kasvu on johtanut päästöjen sekä ympäristösaasteiden lisääntymiseen. Biomassa on merkittävä raaka-ainevaihtoehto fossiiliselle hiilelle energian, kemikaalien ja liikenteen polttonesteiden tuotannossa. Erityisesti jätebiomassoilla on suuri merkitys biomassaraaka-aineena, koska ne eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on tärkkelyspohjaisen teollisen jätteen, perunan kuorilietteen, katalyyttinen muuttaminen pelkistäviksi sokereiksi ja ns. platform-kemikaaleiksi, kuten glukoosiksi. Näistä korkean lisäarvon omaavista välituotteista voidaan edelleen valmistaa uusia biomassapohjaisia kemikaaleja ja polttoaineita. Tärkkelyksen, perunankuoren keskeisimmän aineosan, muuttaminen tehtiin tässä työssä mm. ultraääni- ja mikroaaltoavusteisella hajotuksella. Tavoitteena oli parantaa perunan kuorilietteen liukenemis- ja hajoamisnopeutta, lisätä saantoa sekä vähentää energian kulutusta vihreän kemian periaatteiden mukaisesti. Tärkkelyksen depolymerointi tehtiin ensin happokatalysoidussa liuoksessa ultraäänen ja/tai mikroaaltojen avulla. Ultraäänihajotus lisäsi aineensiirtoa heterogeenisessä reaktioväliaineessa, kun taas mikroaallot lisäsivät lämmönsiirtoa reaktioseoksessa. Eri ultraäänitaajuuksilla havaittiin olevan erilaisia vaikutuksia reaktioseokseen: alhaisilla taajuuksilla (alle 100 kHz) muodostuneet pyörteiset virtaukset edistivät aineensiirtoa ja korkeammat taajuudet kemiallisia ilmiöitä. Tärkkelyksen katalyyttinen depolymerointi vaatii enemmän energiaa kuin perinteisillä menetelmillä, kuten lämmittämällä, voidaan tuottaa. Yhdistämällä ultraäänen ja mikroaaltojen säteilytystä tai eri taajuuden omaavia ultraääniä, yli 50% perunajätteen tärkkelyksestä saadaan hajotettua pelkistyneiksi sokereiksi alhaisissa lämpötiloissa. Sen sijaan, ainoastaan perunankuorijätteellä havaittiin heikko synenerginen efekti mitä ei havaittu vertailunäytteellä (perunajauho). Toisena tavoitteena oli tutkia katalyyttisen reaktioseoksen (hapot, ioniset liuottimet) vaikutusta perunan kuorijätteen ja sen sisältämän tärkkelyksen liuottamiseen ja hajottamiseen. Erityisesti keskityttiin uusiin, spesifisiin ionisiin liuottimiin, jotka kykenevät samanaikaisesti sekä liuottamaan että hydrolysoimaan hiilihydraatteja. Huoneenlämpötilassa toimiva spesifinen ioninen liuotin valittiin sen katalyyttisten ominaisuuksien vuoksi. Tässä liuottimessa kuorilietteen sisältämästä tärkkelyksestä pelkistyneiden sokerien saanto oli 43%. / Résumé La forte demande en énergie, la conscience sociale sur les changements climatiques mondiaux et l'épuisement à moyen terme des réserves d’énergies fossiles stimulent le développement de ressources alternatives. Considérée comme la principale source de carbone organique renouvelable, la biomasse peut être utilisée pour remplacer les carburants d’origine fossile tout en étant plus respectueuse de l’environnement. Des déchets biosourcés ainsi que des végétaux d’origine agricole ou forestière, appelés biomasse végétale, possèdent de fort potentiels évitant la concurrence alimentaire. Cette recherche a pour objectif de convertir un déchet industriel amidonné, des pelures de pommes de terre, en sucres réducteurs et molécules plateformes, tels que le glucose, qui par la suite peuvent être transformées en carburants de transport. L’utilisation des ultrasons ainsi que des micro-ondes, méthodes non-conventionnelles, en milieu acide ont permis d’améliorer le rendement ainsi que de réduire la consommation énergétique en accord avec les principes de la chimie verte. L’irradiation ultrasonore améliore le transfert de masse de systèmes hétérogènes, alors que les micro-ondes renforcent le transfert de chaleur dans le milieu réactionnel. De plus, la fréquence ultrasonore appliquée induit différents effets sur le système : les ultrasons de basse fréquence (en dessous de 100 kHz) génèrent des turbulences améliorant les propriétés de transport de la matière, alors que les ultrasons de plus haute fréquence produisent des effets chimiques, tels que la formation de radicaux libres. L’apport énergétique fourni par les ultrasons et micro-ondes seuls étant insuffisant, l’utilisation d’irradiations simultanées et combinées a conduit à un rendement de 50% de sucres depuis l’amidon, ne nécessitant aucun procédé de séparation pré-réactionnel. Un faible effet synergique a pu être observé sur la dépolymérisation de la pelure de pommes de terre. L’étude d’un milieu réactionnel permettant simultanément la dissolution ainsi que l’hydrolyse des glucides présents dans la matière première est développée dans la seconde partie de ce mémoire. Certains liquides ioniques possèdent les propriétés recherchées. La dépolymérisation de l'amidon dans un liquide ionique à tâches spécifiques a permis d’obtenir un rendement de 43% de sucres, sans aucun procédé de séparation pré-réactionnel.