Ultrasuodatuskalvon modifiointi paineen, lämpötilan ja emäksen avulla

Työssä tutkittiin polymeerisen ultrasuodatuskalvon modifiointimahdollisuuksia prosessiolosuhteita muuttamalla. Kalvon modifioimisella pyritään sen suodatusominaisuuksien muuttumiseen, joka voi lisätä kalvon käyttökohteita ja parantaa kalvon soveltuvuutta tiettyjen yhdisteiden suodatukseen. Hydrofiilisiä, tiukkoja polymeerisiä ultrasuodatuskalvoja on kaupallisesti saatavilla vähän, joten työssä tutkittiin niiden valmistusta modifioimalla markkinoilla olevaa, löysempää, hydrofiilistä, polymeeristä ultrasuodatuskalvoa. Ultrasuodatuskalvo modifioitiin paineen, lämpötilan ja emäksen avulla. Modifioinnin aiheuttamat muutokset voidaan jakaa pysyviin, osittain palautuviin tai palautuviin muutoksiin. Kalvon rakenteen muuttuessa pysyvästi voidaan kalvo modifioida ennen suodatuksen aloittamista. Tällöin modifioinnissa käytetyt olosuhteet eivät vaikuta suodatukseen kuten muissa tapauksissa. Modifioinnin vaikutusta kalvoon voidaan analysoida eri menetelmillä. Näitä ovat esimerkiksi elektronimikroskopia ja kalvon vuon tai retention analysointi. Mikroskooppikuvia ei voida ottaa suodatuksen aikana, vaan kalvosta saada tietoa ainoastaan alku- ja lopputilanteissa suodatusolosuhteista poistettuna. Vuon ja retention avulla saadaan reaaliaikaista tietoa modifioidun kalvon suodatuskapasiteetin ja erotuskyvyn muutoksista. Työssä modifioinnin vaikutusta seurattiin vuo- ja retentiomittausten avulla ja kalvon rakenteessa tapahtuvia muutoksia tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvien ja mikrometrimittausten avulla. Korkeampaa painetta tai lämpötilaa käytettäessä havaittiin vuon alenevan modifioitaessa enemmän kuin matalammissa paineissa tai lämpötiloissa. Korkeampi puristuslämpötila kasvatti myös retentiota. Modifiointiolosuhteiden ollessa emäksisiä aleni permeabiliteetti neutraaleissa olosuhteissa tehtyä puristusta enemmän. Myös retentio aleni emäksen avulla tehdyssä modifioinnissa. Kalvon rakenteessa tapahtuneiden muutosten palautuminen riippui modifiointilämpötilasta, korkeassa lämpötilassa modifioidussa kalvossa palautumista ei tapahtunut. Modifioinnin aiheuttamat kalvojen paksuuden muutokset tukivat retentio- ja vuomittauksia. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista voitiin havaita kalvon huokosrakenteen puristuneen modifioinnin aikana.

Chemical derivatization of galactoglucomannan for functional materials

In the framework of the biorefinery concept researchers aspire to optimize the utilization of plant materials, such as agricultural wastes and wood. For most of the known processes, the first steps in the valorisation of biomass are the extraction and purification of the individual components. The obtained raw products by means of a controlled separation can consecutively be modified to result in biofuels or biogas for energy production, but also in value-added products such as additives and important building blocks for the chemical and material industries. Considerable efforts are undertaken in order to substitute the use of oil-based starting materials or at least minimize their processing for the production of everyday goods. Wood is one of the raw materials, which have gained large attention in the last decades and its composition has been studied in detail. Nowadays, the extraction of water-soluble hemicelluloses from wood is well known and so for example xylan can be obtained from hardwoods and O-acetyl galactoglucomannans (GGMs) from softwoods. The aim of this work was to develop water-soluble amphiphilic materials of GGM and to assess their potential use as additives. Furthermore, GGM was also applied as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels for the removal of toxic metals and metalloid ions from aqueous solutions. The distinguished products were obtained by several chemical approaches and analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), thermal gravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope SEM, among others. Bio-based surfactants were produced by applying GGM and different fatty acids as starting materials. On one hand, GGM-grafted-fatty acids were prepared by esterification and on the other hand, well-defined GGM-block-fatty acid derivatives were obtained by linking amino-functional fatty acids to the reducing end of GGM. The reaction conditions for the syntheses were optimized and the resultant amphiphilic GGM derivatives were evaluated concerning their ability to reduce the surface tension of water as surfactants. Furthermore, the block-structured derivatives were tested in respect to their applicability as additives for the surface modification of cellulosic materials. Besides the GGM surfactants with a bio-based hydrophilic and a bio-based hydrophobic part, also GGM block-structured derivatives with a synthetic hydrophobic tail, consisting of a polydimethylsiloxane chain, were prepared and assessed for the hydrophobization of surface of nanofibrillated cellulose films. In order to generate GGM block-structured derivatives containing a synthetic tail with distinguished physical and chemical properties, as well as a tailored chain length, a controlled polymerization method was used. Therefore, firstly an initiator group was introduced at the reducing end of the GGM and consecutively single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP) was performed by applying three different monomers in individual reactions. For the accomplishment of the synthesis and the analysis of the products, challenges related to the solubility of the reactants had to be overcome. Overall, a synthesis route for the production of GGM block-copolymers bearing different synthetic polymer chains was developed and several derivatives were obtained. Moreover, GGM with different molar masses were, after modification, used as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels. Hereby, a cationic monomer was used during the free radical polymerization and the resultant hydrogels were successfully tested for the removal of chromium and arsenic ions from aqueous solutions. The hydrogel synthesis was tailored and materials with distinguished physical properties, such as the swelling rate, were obtained after purification. The results generated in this work underline the potential of bio-based products and the urge to continue carrying out research in order to be able to use more green chemicals for the manufacturing of biorenewable and biodegradable daily products.

Sinkin stabiloiminen pilaantuneesta maa-aineksesta: 28 vuorokauden stabilointiajan riittävyys liukoisuustesteissä eri sinkkiyhdisteillä

Tässä kandidaatintyössä selvitettiin, onko 28 vuorokautta riittävä aika sinkillä pilaantuneen maaperän massastabilointiin, ja kuinka sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan. Kokeellisessa osassa jäljiteltiin malmijätteessä, orgaanisessa aineksessa sekä liuenneena maaperässä esiintyvän sinkin stabiloitumista lisäämällä maanäytteeseen sinkkiä eri yhdisteinä; sinkkirakeina, -kloridina ja -asetaattina. Näytteet stabiloitiin sementti-lentotuhkaseoksella 1–28 vuorokauden pituisia ajanjaksoja, minkä jälkeen ne kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja niille tehtiin liukoisuustestit. Liukoisuustestien tuloksista voidaan huomata sinkkikloridin stabiloituvan jo ensimmäisen vuorokauden aikana ja pysyvän samalla tasolla koko tarkasteluajan. Sinkkirakeiden ja -asetaatin stabiloituminen ei ole yhtä tasaista; alun sitoutumisen jälkeen niiden liukoisuuksissa on havaittavissa selkeät piikit 21 vuorokauden kohdalla. Tämän jälkeen ne alkavat sitoutua uudelleen. Tulosten perusteella sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan, eikä 28:aa vuorokautta voida pitää riittävänä aikana sinkillä pilaantuneen maa-aineksen stabilointiin. Vaikka liukoinen sinkki stabiloituu jo yhdessä vuorokaudessa, ei malmijätteessä tai orgaanisessa aineksessa esiintyvä sinkki ehdi stabiloitua vakaalle tasolle vielä 28 vuorokaudenkaan aikana. Tämä tulisi ottaa huomioon suunniteltaessa ja toteutettaessa sinkkiä sisältävien maiden kunnostushankkeita.

Monolithic zirconium dioxide as a full contour restorative material: With special emphasis on the optical and mechanical properties

Full contour monolithic zirconia restorations have shown an increased popularity in the dental field over the recent years, owing to its mechanical and acceptable optical properties. However, many features of the restoration are yet to be researched and supported by clinical studies to confirm its place among the other indirect restorative materials This series of in vitro studies aimed at evaluating and comparing the optical and mechanical properties, light cure irradiance, and cement polymerization of multiple monolithic zirconia material at variable thicknesses, environments, treatments, and stabilization. Five different monolithic zirconia materials, four of which were partially stabilized and one fully stabilized were investigated. The optical properties in terms of surface gloss, translucency parameter, and contrast ratio were determined via a reflection spectrophotometer at variable thicknesses, coloring, sintering method, and after immersion in an acidic environment. Light cure irradiance and radiant exposure were quantified through the specimens at variable thicknesses and the degree of conversion of two dual-cure cements was determined via Fourier Transform Infrared spectroscopy. Bi-axial flexural strength was evaluated to compare between the partially and fully stabilized zirconia prepared using different coloring and sintering methods. Surface characterization was performed using a scanning electron microscope and a spinning disk confocal microscope. The surface gloss and translucency of the zirconia investigated were brand and thickness dependent with the translucency values decreasing as the thickness increased. Staining decreased the translucency of the zirconia and enhanced surface gloss as well as the flexural strength of the fully stabilized zirconia but had no effect on partially stabilized zirconia. Immersion in a corrosive acid increased surface gloss and decreased the translucency of some zirconia brands. Zirconia thickness was inversely related to the amount of light irradiance, radiant exposure, and degree of monomer conversion. Type of sintering furnace had no effect on the optical and mechanical properties of zirconia. Monolithic zirconia maybe classified as a semi-translucent material that is well influenced by the thickness, limiting its use in the esthetic zones. Conventional acid-base reaction, autopolymerizing and dual-cure cements are recommended for its cementation. Its desirable mechanical properties give it a high potential as a restoration for posterior teeth. However, close monitoring with controlled clinical studies must be determined before any definite clinical recommendations can be drawn.

Partikkelikokojakaumamenetelmän testaus INCA Feature

Tässä työssä testattiin partikkelikokojakaumien analysoinnissa käytettävää kuvankäsittelyohjelmaa INCA Feature. Partikkelikokojakaumat määritettiin elektronimikroskooppikuvista INCA Feature ohjelmaa käyttäen partikkeleiden projektiokuvista päällystyspigmenttinä käytettävälle talkille ja kahdelle eri karbonaattilaadulle. Lisäksi määritettiin partikkelikokojakaumat suodatuksessa ja puhdistuksessa apuaineina käytettäville piidioksidi- ja alumiinioksidihiukkasille. Kuvankäsittelyohjelmalla määritettyjä partikkelikokojakaumia verrattiin partikkelin laskeutumisnopeuteen eli sedimentaatioon perustuvalla SediGraph 5100 analysaattorilla ja laserdiffraktioon perustuvalla Coulter LS 230 menetelmällä analysoituihin partikkelikokojakaumiin. SediGraph 5100 ja kuva-analyysiohjelma antoivat talkkipartikkelien kokojakaumalle hyvin samankaltaisen keskiarvon. Sen sijaan Coulter LS 230 laitteen antama kokojakauman keskiarvo poikkesi edellisistä. Kaikki vertailussa olleet partikkelikokojakaumamenetelmät asettivat eri näytteiden partikkelit samaan kokojärjestykseen. Kuitenkaan menetelmien tuloksia ei voida numeerisesti verrata toisiinsa, sillä kaikissa käytetyissä analyysimenetelmissä partikkelikoon mittaus perustuu partikkelin eri ominaisuuteen. Työn perusteella kaikki testatut analyysimenetelmät soveltuvat paperipigmenttien partikkelikokojakaumien määrittämiseen. Tässä työssä selvitettiin myös kuva-analyysiin tarvittava partikkelien lukumäärä, jolla analyysitulos on luotettava. Työssä todettiin, että analysoitavien partikkelien lukumäärän tulee olla vähintään 300 partikkelia. Liian suuri näytemäärä lisää kokojakauman hajontaa ja pidentää analyysiin käytettyä aikaa useaan tuntiin. Näytteenkäsittely vaatii vielä lisää tutkimuksia, sillä se on tärkein ja kriittisin vaihe SEM ja kuva-analyysiohjelmalla tehtävää partikkelikokoanalyysiä. Automaattisten mikroskooppien yleistyminen helpottaa ja nopeuttaa analyysien tekoa, jolloin menetelmän suosio tulee kasvamaan myös paperipigmenttien tutkimuksessa. Laitteiden korkea hinta ja käyttäjältä vaadittava eritysosaaminen tulevat rajaamaan käytön ainakin toistaiseksi tutkimuslaitoksiin.

Teollisuusjätteen käyttö kiinteytys-stabiloinnin sideaineena ja haitta-aineiden stabiloinnin tehostamisessa

Tässä kanditaatintyössä selvitettiin kuinka erilaiset sideaineseokset soveltuvat raskas-metallien sitomiseen 28 vuorokautta stabiloiduissa näytteistä. Työssä oletettiin teollisten jätefraktioiden käytön tehostavan eräiden metallien, kuten kupari ja sinkki, immobilisointia lievästi pilaantuneista maa-aineksista. Kokeellisessa osassa stabiloitiin Kokkolan satamasta ruopattua sedimenttiä, jonka sinkkipitoisuudet olivat ylittäneet saastuneen sedimentin ohjearvon (≥400 mg/kg). Sedimenttiin lisättiin eri sideaineseoksia ja näytteiden annettiin stabiloitua 28 vuorokautta, minkä jälkeen niistä testattiin liukenevat raskasmetallit muokatulla ravistelutestillä. Eri sideaineseoksilla saatuja tuloksia verrattiin pelkän yleissementin käyttöön. Lisäksi erillisistä näytteistä otettiin pyyhkäisyelektronimikros-koopilla (SEM) kuvia havainnollistamaan stabiloitumista. Näissä näytteissä käytettiin samoja sideaineita kuin tehdyissä kokeissa. Liukoisuustestien tuloksista voidaan huomata näytteissä ongelmalliseksi raskasmetalliksi identifioidun sinkin sitoutuvan parhaiten sementin ja kipsin sekoituksella. Myös tuhkaa sisältävät sideainesekoitukset pienensivät sinkin liukoisuutta verrattuna pelkkään yleis-sementtiin. Jatkotutkimuksissa voitaisiin testata erilaisia sideainesekoituksia betonira-kentamisessa, joilla saadaan ainakin 25 MPa lujuusarvo, pilaantunutta sedimenttiä tai maa-ainesta käyttäen.

Surface studies of limestones and dolostones : characterisation using various techniques and batch dissolution experiments with hydrochloric acid solutions

In this thesis, stepwise titration with hydrochloric acid was used to obtain chemical reactivities and dissolution rates of ground limestones and dolostones of varying geological backgrounds (sedimentary, metamorphic or magmatic). Two different ways of conducting the calculations were used: 1) a first order mathematical model was used to calculate extrapolated initial reactivities (and dissolution rates) at pH 4, and 2) a second order mathematical model was used to acquire integrated mean specific chemical reaction constants (and dissolution rates) at pH 5. The calculations of the reactivities and dissolution rates were based on rate of change of pH and particle size distributions of the sample powders obtained by laser diffraction. The initial dissolution rates at pH 4 were repeatedly higher than previously reported literature values, whereas the dissolution rates at pH 5 were consistent with former observations. Reactivities and dissolution rates varied substantially for dolostones, whereas for limestones and calcareous rocks, the variation can be primarily explained by relatively large sample standard deviations. A list of the dolostone samples in a decreasing order of initial reactivity at pH 4 is: 1) metamorphic dolostones with calcite/dolomite ratio higher than about 6% 2) sedimentary dolostones without calcite 3) metamorphic dolostones with calcite/dolomite ratio lower than about 6% The reactivities and dissolution rates were accompanied by a wide range of experimental techniques to characterise the samples, to reveal how different rocks changed during the dissolution process, and to find out which factors had an influence on their chemical reactivities. An emphasis was put on chemical and morphological changes taking place at the surfaces of the particles via X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Supporting chemical information was obtained with X-Ray Fluorescence (XRF) measurements of the samples, and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS) and Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry (ICP-OES) measurements of the solutions used in the reactivity experiments. Information on mineral (modal) compositions and their occurrence was provided by X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-ray analysis (EDX) and studying thin sections with a petrographic microscope. BET (Brunauer, Emmet, Teller) surface areas were determined from nitrogen physisorption data. Factors increasing chemical reactivity of dolostones and calcareous rocks were found to be sedimentary origin, higher calcite concentration and smaller quartz concentration. Also, it is assumed that finer grain size and larger BET surface areas increase the reactivity although no certain correlation was found in this thesis. Atomic concentrations did not correlate with the reactivities. Sedimentary dolostones, unlike metamorphic ones, were found to have porous surface structures after dissolution. In addition, conventional (XPS) and synchrotron based (HRXPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy were used to study bonding environments on calcite and dolomite surfaces. Both samples are insulators, which is why neutralisation measures such as electron flood gun and a conductive mask were used. Surface core level shifts of 0.7 ± 0.1 eV for Ca 2p spectrum of calcite and 0.75 ± 0.05 eV for Mg 2p and Ca 3s spectra of dolomite were obtained. Some satellite features of Ca 2p, C 1s and O 1s spectra have been suggested to be bulk plasmons. The origin of carbide bonds was suggested to be beam assisted interaction with hydrocarbons found on the surface. The results presented in this thesis are of particular importance for choosing raw materials for wet Flue Gas Desulphurisation (FGD) and construction industry. Wet FGD benefits from high reactivity, whereas construction industry can take advantage of slow reactivity of carbonate rocks often used in the facades of fine buildings. Information on chemical bonding environments may help to create more accurate models for water-rock interactions of carbonates.