Valorization of tannin from spruce bark and its application as biocoagulant in water treatment
Bello, Adedayo (2024-03-15)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202402121721
Kuvaus
Tiivistelmä
One of the most significant side streams of the forest industry is tree bark. Spruce accounts for about 30 per cent of Finnish forest resources and represents a substantial source of tree bark. Spruce bark is typically combusted to produce energy but has a relatively low heating value. Spruce bark contains valuable compounds such as condensed tannins and other phenolic components. Tannins can be easily extracted with hot water and used to produce sustainable bio-based coagulants. The thesis work aims to valorize extracts from spruce bark as the tannin source for the synthesis of tannin-based coagulants. Depending on the aminomethylation pathway, amine source and purity of the extracts, tannin coagulants with charge densities between 0.83 meq/g and 3.38 meq/g can be produced from spruce extracts. The study showed that winter-harvested spruce bark contained a higher concentration of condensed tannins, and a preliminary cold-water extraction (23 °C) before an actual hot-water extraction (90 °C) increased the purity of the tannin extracts (WCHW) sufficiently, resulting in tannin-based coagulants with superior charge properties and improved coagulative performance. Coagulative experiments with a kaolin/river water mixture showed that a mere 15 mg/l dosage of WCHW coagulant was required to achieve a turbidity reduction of 90%. Further, the efficacy of the developed spruce tannin coagulant was tested for vanadium removal from a mine effluent in different pH ranges (pH 9, 7 and 4). The results showed that acidic conditions favoured the vanadium removal capability of the tannin coagulant due to an increased electrostatic attraction between vanadates and the protonated amine groups in the coagulant matrix. This thesis provides a comprehensive study on the utilization of tannin extracts from spruce bark as a tannin source for bio-based coagulants and the high potential of the developed coagulants in different water treatment applications.
Yksi metsäteollisuuden merkittävimmistä sivuvirroista on puun kuori. Kuusen osuus Suomen metsävaroista on noin 30 prosenttia ja se on merkittävä puun kuoren lähde. Kuusen kuori on tyypillisesti poltettu energian tuottamiseksi, mutta sillä on suhteellisen alhainen lämpöarvo. Kuusen kuori sisältää arvokkaita yhdisteitä, kuten kondensoituneita tanniineja ja muita fenolisia komponentteja. Tanniinit voidaan helposti uuttaa kuumalla vedellä ja käyttää kestävien biopohjaisten koagulanttien tuottamiseen. Tämän työn tavoitteena on hyödyntää kuusen kuoren uutteita tanniinilähteenä tanniinipohjaisten koagulanttien valmistamiseksi. Aminometylaatioreitistä, amiinilähteestä ja uutteiden puhtaudesta riippuen kuusenkuoriuutteista voidaan valmistaa tanniinikoagulantteja, joiden varaustiheys on 0,83–3,38 meq/g. Tutkimus osoitti, että talvella kerätty kuusen kuori sisälsi korkeamman pitoisuuden kondensoituneita tanniineja, ja kylmävesiuutto (23 °C) esikäsittelynä ennen varsinaista kuumavesiuuttoa (90 °C) lisäsi tanniiniuutteiden (WCHW) puhtautta riittävästi, mikä johti tehokkaampiin ja korkeamman varauksen omaaviin tanniinikoagulantteihin. Koagulaatiokokeet kaoliinista ja jokivedestä valmistetulla mallivedellä osoittivat, että sameuden vähentämiseksi (90 %) tarvittiin vain 15 mg/l annos WCHW-koagulanttia. Lisäksi kuusenkuoriuutteesta kehitetyn tanniinikoagulantin tehokkuutta testattiin vanadiinin poistamisessa kaivoksen jätevesistä eri pH-alueilla (pH 9, 7 ja 4). Tulokset osoittivat, että happamat olosuhteet kasvattivat tanniinikoagulantin vanadiininpoistokykyä johtuen lisääntyneestä sähköstaattisesta vetovoimasta vanadaatti-ionien ja koagulantin protonoitujen amiiniryhmien välillä. Tämä väitöskirja tarjoaa kattavan tutkimuksen kuusen kuoren tanniinien hyödyntämisestä biopohjaisten koagulanttien raaka-aineena ja kehitettyjen koagulanttien suuresta potentiaalista erilaisissa vedenkäsittelysovelluksissa.
Original papers
-
Bello, A., Virtanen, V., Salminen, J.-P., & Leiviskä, T. (2020). Aminomethylation of spruce tannins and their application as coagulants for water clarification. Separation and Purification Technology, 242, 116765. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116765 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116765
-
Bello, A., & Leiviskä, T. (2022). Sustainable tannin-based coagulants synthesized through Mannich reaction using melamine as an amine source for water treatment applications. Industrial Crops and Products, 176, 114336. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114336 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114336
-
Bello, A., Bergmann, U., Vepsäläinen, J., & Leiviskä, T. (2022). Effects of tree harvesting time and tannin cold/hot-water extraction procedures on the performance of spruce tannin biocoagulant for water treatment. Chemical Engineering Journal, 449, 137809. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137809 https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137809
-
Bello, A., Martincigh, B. S., Nyamori, V. O., & Leiviskä, T. (2023). Vanadium removal and floc characteristics of tannin biocoagulants and iron sulphate in the treatment of mine effluent. Chemical Engineering Journal, 476, 146665. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146665 https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146665
Osajulkaisut
-
Bello, A., Virtanen, V., Salminen, J.-P., & Leiviskä, T. (2020). Aminomethylation of spruce tannins and their application as coagulants for water clarification. Separation and Purification Technology, 242, 116765. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116765 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116765
-
Bello, A., & Leiviskä, T. (2022). Sustainable tannin-based coagulants synthesized through Mannich reaction using melamine as an amine source for water treatment applications. Industrial Crops and Products, 176, 114336. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114336 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114336
-
Bello, A., Bergmann, U., Vepsäläinen, J., & Leiviskä, T. (2022). Effects of tree harvesting time and tannin cold/hot-water extraction procedures on the performance of spruce tannin biocoagulant for water treatment. Chemical Engineering Journal, 449, 137809. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137809 https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137809
-
Bello, A., Martincigh, B. S., Nyamori, V. O., & Leiviskä, T. (2023). Vanadium removal and floc characteristics of tannin biocoagulants and iron sulphate in the treatment of mine effluent. Chemical Engineering Journal, 476, 146665. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146665 https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146665
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38618]