Assessing potential forest and steel inter-industry residue utilisation by sequential chemical extraction

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Heino, Jyrki, Dr., University of Oulu, Finland
dc.contributor.advisor Pöykiö, Risto, Dr., City of Kemi, Finland
dc.contributor.advisor Nurmesniemi, Hannu, Dr., Stora Enso Oyj, Finland
dc.contributor.author Mäkelä, Mikko
dc.date.accessioned 2012-10-24T08:30:07Z
dc.date.available 2012-10-24T08:30:07Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-952-60-4790-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4788-1 (printed)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4789-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/6047
dc.description.abstract Traditional process industries in Finland and abroad are facing an emerging waste disposal problem due recent regulatory development which has increased the costs of landfill disposal and difficulty in acquiring new sites. For large manufacturers, such as the forest and ferrous metals industries, symbiotic cooperation of formerly separate industrial sectors could enable the utilisation waste-labeled residues in manufacturing novel residue-derived materials suitable for replacing commercial virgin alternatives. Such efforts would allow transforming the current linear resource use and disposal models to more cyclical ones and thus attain savings in valuable materials and energy resources. The work described in this thesis was aimed at utilising forest and carbon steel industry residues in the experimental manufacture of novel residue-derived materials technically and environmentally suitable for amending agricultural or forest soil properties. Single and sequential chemical extractions were used to compare the pseudo-total concentrations of trace elements in the manufactured amendment samples to relevant Finnish statutory limit values for the use of fertilizer products and to assess respective potential availability under natural conditions. In addition, the quality of analytical work and the suitability of sequential extraction in the analysis of an industrial solid sample were respectively evaluated through the analysis of a certified reference material and by X-ray diffraction of parallel sequential extraction residues. According to the acquired data, the incorporation of both forest and steel industry residues, such as fly ashes, lime wastes, green liquor dregs, sludges and slags, led to amendment liming capacities (34.9-38.3%, Ca equiv., d.w.) comparable to relevant commercial alternatives. Only the first experimental samples showed increased concentrations of pseudo-total cadmium and chromium, of which the latter was specified as the trivalent Cr(III). Based on sequential extraction, dominant cadmium and chromium contents were respectively made available only through aggressive oxidation or dissolution by acid digestion. However, the pseudo-total concentrations of barium and vanadium, of which 17-31% and 12-46% were respectively recovered through desorption/dissolution by the use of acetic acid and moderate reduction by hydroxylamine hydrochloride, suggest the need for further research. The analytical performance during sequential extraction was validated through the analysis of a certified reference material as the analysis of parallel sequential extractions only suggested non-selectivity towards sample periclase coupled with potential redistribution of magnesium and the premature dissolution of sample silicates. en
dc.description.abstract Perinteiset prosessiteollisuuden alat Suomessa ja ulkomailla ovat kohtaamassa kasvavan jätehuolto-ongelman johtuen läjitykseen liittyvien kustannusten kasvusta sekä läjityskohteiden saatavuuden heikkenemisestä. Suurille tuotannonaloille, kuten metsä- ja metalliteollisuudelle, erillisten toimijoiden yhteistyö saattaisi mahdollistaa jäte-leimaisten prosessipoisteiden hyödyntämisen uusien, neitseellisiä vaihtoehtoja korvaavien materiaalien valmistuksessa. Symbioottinen yhteistyö teollisten toimijoiden kesken auttaisi siten kehittämään nykyisiä lineaarisia resurssikulutuksen malleja syklisempään suuntaan sekä säästämään arvokkaita materiaali- ja energiaresursseja. Työn tavoitteena oli hyödyntää metsä- ja terästeollisuuden kiinteitä prosessipoisteita uusien, maa- tai metsätalouteen soveltuvien, maanparannusaineiden kokeellisessa valmistuksessa. Valmistetuista näytteistä yksittäisillä uuttokokeilla määritettyjen haitta-aineiden pitoisuuksia verrattiin kansallisessa lainsäädännössä määrättyihin raja-arvoihin sekä sekventiaalisilla uuttosarjoilla pyrittiin arvioimaan mahdollisesti luonnonolosuhteissa liukoisia haitta-ainepitoisuuksia. Lisäksi, analyyttisen työn laatua sekä käytetyn sekventiaalisen uuttosarjan soveltuvuutta teollisuudesta peräisin olevan kiinteän prosessipoisteen analysointiin pyrittiin vastaavasti arvioimaan vertailumateriaalitulosten sekä rinnakkaisuuttojäännöksille suoritettujen röntgendiffraktioanalyysien avulla. Tulosten perusteella metsä- ja terästeollisuudesta peräisin olevien poisteiden, kuten lentotuhkien, kalkkijätteiden, soodasakan, lietteiden ja kuonien, yhdistäminen johti kaupallisiin vaihtoehtoihin verrattaviin kalkitusarvoihin (34.9-38.3%, Ca ekv., ka.). Ainoastaan ensimmäisinä valmistettujen koekappaleiden todettiin sisältävän kohonneita kadmiumin sekä kromin kokonaispitoisuuksia, joista kromin todettiin esiintyvän hapetusluvultaan kolmenarvoisena. Sekventiaalisten uuttosarjojen perusteella suurin osa vastaavista kadmiumin ja kromin kokonaispitoisuuksista saatiin muunnettua liukoiseen muotoon ainoastaan aggressiivisten hapetusten tai happomärkäpolttojen avulla. Bariumin ja vanadiinin kohdalla todettiin kuitenkin kohonneita kokonaispitoisuuksia, joista 17-31% sekä 12-46% vastaavasti liukenivat desorption/helppoliukoisten yhdisteiden hajoamisen tai pelkistymisen seurauksena, mikä tukee tarvetta lisätutkimuksille. Työn analyyttinen laatu todettiin vertailumateriaalitulosten perusteella hyväksi rinnakkaisuuttojäännöksille suoritettujen röntgendiffraktioanalyysien tukiessa selektiivisyyden puutetta poistenäytteessä havaitun periklaasin suhteen yhdistettynä magnesiumin uudelleenjakautumiseen sekä näytteessä havaittujen silikaattien ennenaikaiseen liukenemiseen. fi
dc.format.extent 181
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 121/2012
dc.relation.haspart [Publication 1]: Gary Watkins, Mikko Mäkelä, and Olli Dahl. 2010. Innovative use potential of industrial residues from the steel, paper and pulp industries - a preliminary study. Progress in Industrial Ecology - An International Journal, volume 7, number 3, pages 185-204.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Mikko Mäkelä, Gary Watkins, Risto Pöykiö, Hannu Nurmesniemi, and Olli Dahl. 2012. Utilization of steel, pulp and paper industry solid residues in forest soil amendment: Relevant physicochemical properties and heavy metal availability. Journal of Hazardous Materials, volumes 207-208, pages 21-27.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Mikko Mäkelä, Hannu Nurmesniemi, Gary Watkins, Risto Pöykiö, and Olli Dahl. 2012. Secondary steel mill slags with pulp and paper mill solid residues for soil amendment: mineralogy, relevant physicochemical properties and trace element availability. International Journal of Materials Engineering Innovation, volume 3, number 1, pages 1-16.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Mikko Mäkelä, Mari-Linda Harju-Oksanen, Gary Watkins, Ari Ekroos, and Olli Dahl. 2012. Feasibility assessment of inter-industry solid residue utilization for soil amendment - Trace element availability and legislative issues. Resources, Conservation and Recycling, volume 67, pages 1-8.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Mikko Mäkelä, Ilkka Välimäki, Risto Pöykiö, Hannu Nurmesniemi, and Olli Dahl. Evaluation of trace element availability from secondary metallurgical slag generated in steelmaking by sequential chemical extraction. International Journal of Environmental Science and Technology, submitted for publication.
dc.subject.other Environmental science en
dc.title Assessing potential forest and steel inter-industry residue utilisation by sequential chemical extraction en
dc.title Metsä- ja terästeollisuuden poisteiden hyötykäyttöpotentiaalin arviointia sekventiaalisella kemiallisella uutolla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Puunjalostustekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Forest Products Technology en
dc.subject.keyword soil amendment en
dc.subject.keyword solid residue en
dc.subject.keyword solubility en
dc.subject.keyword trace element en
dc.subject.keyword waste management en
dc.subject.keyword haitta-aine fi
dc.subject.keyword liukoisuus fi
dc.subject.keyword maanparannus fi
dc.subject.keyword poiste fi
dc.subject.keyword sivutuote fi
dc.subject.keyword jätehuolto fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4790-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Dahl, Olli, Prof., Aalto University, Finland
dc.opn Van Gerven, Tom, Prof., Katholieke Universiteit Leuven, Belgium
dc.opn Andreas, Lale, Dr., Luleå University of Technology, Sweden
dc.rev Van Gerven, Tom, Prof., Katholieke Universiteit Leuven, Belgium
dc.rev Lagerkvist, Anders, Prof., Luleå University of Technology, Sweden
dc.date.defence 2012-10-26


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account