Abstract Flotation is a well-known and widely used technique for the separation of particles smaller than 250 µm, but efficient performance requires the use of various synthetic chemicals which can potentially damage the health of humans and animals and pollute the environment. Consequently, their replacement through a more environment-friendly and sustainable alternative has been demanded. One promising candidate is cellulose, which is an abundant natural polymer that is environment-friendly and can be treated chemically and physically to yield tailored properties and thus a potential for use in processes such as flotation. This work focuses on the use of cellulose-based reagents in flotation processes to replace the often harmful conventional reagents derived from mineral oil, plant oils or animal fats. The physico-chemical properties of cellulose differ from those of conventional reagents, leading to differences in performance during flotation. In particular, the chemical and morphological heterogeneity of cellulose affects its properties and thus its interaction with minerals and water. Consequently, its use requires the study of the fundamentals of flotation and their application including the physico-chemical heterogeneity of cellulose to determine the optimum conditions and enable efficient performance. This work focuses on the determination of the thermodynamic surface energetics of solid particles and changes in this after reagent adsorption, using the inverse gas chromatography technique in a dry atmosphere. Furthermore, interactions between cellulose and minerals immersed in water are investigated using the DLVO theory, the interaction forces between cellulose and the minerals being derived and correlated with flotability. The importance of free surface charges is then considered by investigating the electric surface potential of cellulose-coated minerals in connection with particle-bubble attachment efficiency. At the same time, conventional amphiphilic reagents are used and its performances are related to cellulose-based reagents. / Tiivistelmä Vaahdotus on kaivannaisteollisuudessa laajasti käytössä oleva prosessi, jonka avulla saadaan erotettua tehokkaasti pieniä, alle 250 µm kokoisia partikkeleita. Vaahdotuksen apuaineena käytetään erilaisia synteettisiä kemikaaleja, jotka voivat aiheuttaa harmia ympäristölle. Siksi niiden korvaaminen ympäristöystävällisemmillä vaihtoehdoilla on tärkeää. Yksi lupaava vaihtoehto korvaavaksi materiaaliksi on selluloosa. Selluloosa on uusiutuva ja ympäristöystävällinen luonnonpolymeeri, josta voidaan valmistaa kemiallisesti ja fysikaalisesti käsittelemällä erilaisia biokemikaaleja. Näitä voidaan soveltaa erilaisissa prosesseissa, myös vaahdotuksessa. Tässä työssä keskitytään selluloosapohjaisten kemikaalien käyttöön vaahdotuksessa tavanomaisten, usein haitallisten synteettisten kemikaalien korvaamiseksi. Selluloosan fysikaaliskemialliset ominaisuudet eroavat synteettisten vaahdotuskemikaalien ominaisuuksista, mikä vaikuttaa niiden vuorovaikutukseen mineraalien ja veden kanssa. Erityisesti selluloosan kemiallinen ja morfologinen heterogeenisuus on keskeinen tekijä. Selluloosan hyödyntäminen tulevaisuuden vaahdotuskemikaalina edellyttää selluloosan ja mineraalien vuorovaikutuksen syvällistä ymmärtämistä. Tässä työssä tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusta sekä IGC-menetelmän avulla, että DLVO-teorian että pintavarausmittausten avulla. Lisäksi tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusvoimien yhteyttä vaahdotusprosessin onnistumiseen ja saavutettuja tuloksia verrataan kaupallisten reagenssien toimintaan.

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.