Kalsiumkarbonaatin kemiallisfysikaalinen käsittely ja materiaalin karakterisointi

Saostettua karbonaattia voidaan käyttää useiden eri teollisuuksien tuotteissa. Pääosin saostettua kalsiumkarbonaattia kuitenkin käytetään paperin, maalien, muovien sekä elintarviketuotteiden täyteaineena. Koska monet käyttökohteet vaativat saostetulta kalsiumkarbonaatilta tiettyjä puhtausvaatimuksia, sen koostumuksen tutkiminen on suuren kiinnostuksen kohteena. Työn perimmäisenä tarkoituksena on ollut määrittää saostetun kalsiumkarbonaatin kemiallinen koostumus ja selvittää, vaikuttavatko materiaalin kemiallisfysikaalinen modifiointi sen ominaisuuksiin. Kirjallisuusosassa käsitellään yleisesti kalsiumkarbonaattimateriaaleja, saostetun kalsiumkarbonaatin valmistusmenetelmiä ja vastaavanlaisen materiaalin esikäsittelymenetelmiä. Lisäksi tarkastellaan erilaisia analyysimenetelmiä, joita voidaan käyttää kiinteiden epäorgaanisten tai mineraalinäytteiden kemiallisen koostumuksen sekä fysikaalisten ja kemiallisten reaktioiden määrittämiseen. Kokeellisessa osassa tutkittiin käsittelemättömiä saostettuja kalsiumkarbonaattinäytteiden ominaisuuksia ja kemiallista koostumusta erilaisilla alkuaine-, ioni-/spesies- sekä pyrolyysimittauksilla. Näytteitä modifioitiin lämmityksen ja jauhatuksen avulla. Modifioinnin vaikutusta näytteiden kemiallisiin koostumuksiin tutkittiin vertailemalla tuloksia käsittelemättömien näytteiden antamiin tuloksiin. Tutkimus osoitti, että näytteiden lämpökäsittelyllä ei ollut lähes ollenkaan vaikutusta näytteiden kemialliseen koostumukseen. Toisin osoitti näytteiden jauhatus, joka laski ammoniumin pitoisuutta näytteissä. Laitetekniikkaa käytettäessä kapillaarielektroforeesi, ionikromatografi, ICP-AES ja SEM (FTIR) antoivat luotettavinta tietoa näytteiden kemiallisista koostumuksista. Näytteiden fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita voitiin havainnollistaa parhaiten käyttäen STA-QMS -laitetta.

Steroidien selektiivinen erottaminen sähköavusteisesti mikroemulsioita käyttäen

Mikroemulsiosähkökineettinen kromatografia on sähköavusteinen erotusmenetelmä. Yhdisteiden erottuminen tapahtuu mikroemulsiopisaroiden vaikutuksesta, kun nanometrien kokoiset öljypisarat ovat dispergoituneena veteen valmistettuun puskuriliuokseen. Yleensä mikroemulsiot valmistetaan raakaöljynkin sisältämistä hiilivedyistä, joita ovat esimerkiksi oktaani ja heptaani. Työn kokeellisessa osassa perehdyttiin seitsemän hydrofobisen ja varauksettoman steroidihormonin erottamiseen mikroemulsioliuoksessa kapillaarielektroforeesitekniikalla. Työssä valmistettiin öljyistä koostuvia mikroemulsioita, joista osan koostumus valittiin kirjallisuuden perusteella. Työssä kokeiltiin myös uusia mikroemulsiokoostumuksia, joissa käytettiin luonnosta peräisin olevia öljyjä: rypsi-, oliivi-, pellavansiemen- ja saksanpähkinäöljyä. Seitsemästä steroidihormonista viisi yhdistettä saatiin erottumaan optimoiduilla menetelmillä. Steroidien erotus perustuu niiden oktanoli-vesi jakautumiskertoimien avulla saatavaan migraatiojärjestykseen. Mikroemulsiossa, jossa käytettiin 1-oktanolia, steroidihormonit erottuivat nopeammin, kuin saksanpähkinäöljyä käytettäessä. Lyhyimmät migraatioajat saatiin mikroemulsiolla, jossa öljyfaasina käytettiin 1-heksanolia ja viidentenä yhdisteenä asetonitriiliä. Selektiivisimmillään menetelmä on, kun erotus tapahtuu liuoksessa, joka koostuu etyyliasetaatista, natriumdodekyylisulfaatista, butanolista, asetonitriilistä ja natriumtetraboraatista. Toteamisrajat tutkituille steroidihormoneille olivat 0,20–0,43 mg/L mikroemulsioissa.

Analytical methods for analyzing organic peroxides

Työn tarkoituksena oli kehittää analyyttinen erotusmenetelmä eräässä valmistusprosessissa käytettävän hapettavan aineen ja liuottimen välillä syntyvien reaktiotuotteiden tutkimiseen ja analysoimiseen. Lisäksi tarkoituksena oli tutkia prosessiolosuhteiden turvallisuutta. Kirjallisuusosassa käsitellään erilaisia orgaanisia peroksideja, niiden käyttötarkoituksia ja niiden käyttöön liittyviä huomioitavia asioita. Lisäksi tarkastellaan yleisimpiä analyysimenetelmiä, joita on käytetty erilaisten peroksidien analysoinnissa. Näitä analyysimenetelmiä on useimmiten käytetty nestemäisten näytteiden tutkimuksissa. Harvemmin on analysoitu kaasu- ja kiintoainenäytteitä. Kokeellisessa osassa kehitettiin kirjallisuuden perusteella peroksidiyhdisteille identifiointimenetelmä ja tutkittiin prosessin näytteet. Analyysimenetelmiksi valittiin iodometrinen titraus ja HPLC-UV-MS-menetelmä. Lisäksi käytettiin peroksidimittaukseen soveltuvia testiliuskoja. Tutkimus osoitti, että iodometrisen titrauksen ja testiliuskojen perusteella näytteissä oli vähäisiä määriä peroksideja viikon jälkeen peroksidilisäyksestä. HPLC-UV-MS-analyysien perusteella näytteiden analysointia häiritsi selluloosa, jota löytyi jokaisesta näytteestä.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

Arseeni ja elohopea maaperässä ja vesistöissä

Maapallon väestön kasvaessa ja tarpeen makealle vedelle, ruualle ja viljelymaalle noustessa on tärkeää alkaa kiinnittää entistä tarkemmin huomiota vesistöjen ja maaperän saastumiseen myrkyllisillä raskasmetalleilla. Erityisesti elohopea ja arseeni, jotka jo nyt vaikuttavat heikentävästi miljoonien ihmisten elämään eri puolilla maapalloa, on syytä ottaa huolelliseen tarkkailuun. Raskasmetallien päästölähteet voidaan jakaa kahteen luokkaan, luonnollisiin ja ihmisperäisiin. Ihmisperäisiin päästölähteisiin voidaan vaikuttaa muun muassa teollisuutta ja liikennettä koskevalla lainsäädännöllä. Luonnollisiin päästölähteisiin vaikuttaminen on huomattavasti haastavampaa, mutta niiden haittaa ihmisille on mahdollista pienentää muun muassa parempien vedenpuhdistustekniikoiden avulla. Tämän työn kirjallisuusosassa tullaan esittelemään erityyppisiä luonnossa esiintyviä arseenin ja elohopean yhdisteitä, suurimpia arseenin ja elohopean päästölähteitä, sekä näiden raskasmetallien haitallisia terveysvaikutuksia. Kokeellisessa osassa tullaan keskittymään arseenin analysointiin nestemäisistä näytteistä. Näytteinä käytettiin tuntemattomilta kaatopaikoilta otettuja suotovesinäytteitä, sekä Pien-Saimaan pintavesinäytteitä. Analyyseihin on käytetty ICP-AES laitteistoa sekä kapillaarielektroforeesia.

Thermal-Aware Networked Many-Core Systems

Advancements in IC processing technology has led to the innovation and growth happening in the consumer electronics sector and the evolution of the IT infrastructure supporting this exponential growth. One of the most difficult obstacles to this growth is the removal of large amount of heatgenerated by the processing and communicating nodes on the system. The scaling down of technology and the increase in power density is posing a direct and consequential effect on the rise in temperature. This has resulted in the increase in cooling budgets, and affects both the life-time reliability and performance of the system. Hence, reducing on-chip temperatures has become a major design concern for modern microprocessors. This dissertation addresses the thermal challenges at different levels for both 2D planer and 3D stacked systems. It proposes a self-timed thermal monitoring strategy based on the liberal use of on-chip thermal sensors. This makes use of noise variation tolerant and leakage current based thermal sensing for monitoring purposes. In order to study thermal management issues from early design stages, accurate thermal modeling and analysis at design time is essential. In this regard, spatial temperature profile of the global Cu nanowire for on-chip interconnects has been analyzed. It presents a 3D thermal model of a multicore system in order to investigate the effects of hotspots and the placement of silicon die layers, on the thermal performance of a modern ip-chip package. For a 3D stacked system, the primary design goal is to maximise the performance within the given power and thermal envelopes. Hence, a thermally efficient routing strategy for 3D NoC-Bus hybrid architectures has been proposed to mitigate on-chip temperatures by herding most of the switching activity to the die which is closer to heat sink. Finally, an exploration of various thermal-aware placement approaches for both the 2D and 3D stacked systems has been presented. Various thermal models have been developed and thermal control metrics have been extracted. An efficient thermal-aware application mapping algorithm for a 2D NoC has been presented. It has been shown that the proposed mapping algorithm reduces the effective area reeling under high temperatures when compared to the state of the art.

On-line determination of residual collector concentration in flotation process

Valuable minerals can be recovered by using froth flotation. This is a widely used separation technique in mineral processing. In a flotation cell hydrophobic particles attach on air bubbles dispersed in the slurry and rise on the top of the cell. Valuable particles are made hydrophobic by adding collector chemicals in the slurry. With the help of a frother reagent a stable froth forms on the top of the cell and the froth with valuable minerals, i.e. the concentrate, can be removed for further processing. Normally the collector is dosed on the basis of the feed rate of the flotation circuit and the head grade of the valuable metal. However, also the mineral composition of the ore affects the consumption of the collector, i.e. how much is adsorbed on the mineral surfaces. Therefore it is worth monitoring the residual collector concentration in the flotation tailings. Excess usage of collector causes unnecessary costs and may even disturb the process. In the literature part of the Master’s thesis the basics of flotation process and collector chemicals are introduced. Capillary electrophoresis (CE), an analytical technique suitable for detecting collector chemicals, is also reviewed. In the experimental part of the thesis the development of an on-line CE method for monitoring the concentration of collector chemicals in a flotation process and the results of a measurement campaign are presented. It was possible to determine the quality and quantity of collector chemicals in nickel flotation tailings at a concentrator plant with the developed on-line CE method. Sodium ethyl xanthate and sodium isopropyl xanthate residuals were found in the tailings and slight correlation between the measured concentrations and the dosage amounts could be seen.

Characteristics of urban heat island (UHI) in a high latitude coastal city - a case study of Turku, SW Finland

The term urban heat island (UHI) refers to the common situation in which the city is warmer than its rural surroundings. In this dissertation, the local climate, and especially the UHI, of the coastal city of Turku (182,000 inh.), SW Finland, was studied in different spatial and temporal scales. The crucial aim was to sort out the urban, topographical and water body impact on temperatures at different seasons and times of the day. In addition, the impact of weather on spatiotemporal temperature differences was studied. The relative importance of environmental factors was estimated with different modelling approaches and a large number of explanatory variables with various spatial scales. The city centre is the warmest place in the Turku area. Temperature excess relative to the coldest sites, i.e. rural areas about 10 kilometers to the NE from the centre, is on average 2 °C. Occasionally, the UHI intensity can be even 10 °C. The UHI does not prevail continuously in the Turku area, but occasionally the city centre can be colder than its surroundings. Then the term urban cool island or urban cold island (UCI) is used. The UCI is most common in daytime in spring and in summer, whereas during winter the UHI prevails throughout the day. On average, the spatial temperature differences are largest in summer, whereas the single extreme values are often observed in winter. The seasonally varying sea temperature causes the shift of relatively warm areas towards the coast in autumn and inland in spring. In the long term, urban land use was concluded to be the most important factor causing spatial temperature differences in the Turku area. The impact was mainly a warming one. The impact of water bodies was emphasised in spring and autumn, when the water temperature was relatively cold and warm, respectively. The impact of topography was on average the weakest, and was seen mainly in proneness of relatively low-lying places for cold air drainage during night-time. During inversions, however, the impact of topography was emphasised, occasionally outperforming those of urban land use and water bodies.

Puun kemiallinen koostumus ja sen uuteaineiden analysointi

Tämä kandidaatintyö jakaantuu teoriaosuuteen ja kokeelliseen osaan. Teoriaosuudessa käsitellään puun kemiallista koostumusta, jossa keskitytään erityisesti puun uuteaineisiin. Puun uuteaineista käsitellään erityisesti hartsihappoja, koska ne ovat taloudellisesti arvokkaita yhdisteitä. Teoriaosuudessa esitellään puun uuteaineille eri analyysimenetelmiä kaasu- ja nestekromatografialla sekä kapillaarielektroforeesilla. Analyysimenetelmät ovat koottu tieteisartikkeleista, joissa on tutkittu ja analysoitu puun uuteaineita. Työn kokeellisessa osuudessa analyysilaitteeksi valittiin kapillaarielektroforeesi (CE). Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voisi analysoida puun uuteaineista hartsi- ja rasvahappoja. Kapillaarielektroforeesille testattiin viittä erilaista menetelmää. Referenssinäytteinä työssä käytettiin oleiinihappoa ja abietiinihappoa. Yhdellä testatuista menetelmistä saatiin analysoitua oleiinihappoa referenssinäytteistä, mutta mahdollisesti myös abietiinihappoa. Tässä menetelmässä CE:n puskuriliuoksena käytettiin 50 mM boraattia + 100 mM natriumlauryylisulfaattia. Menetelmässä näytteen injektioaika oli 10 sekuntia ja CE:n sähköjännite oli 25 kV. Menetelmä oli toimiva 1000 mg/L liuoksilla, joiden pH oli nostettu 9-10 natriumhydroksidilla. Menetelmän haittapuolena on se, että alle 200 mg/L:n kantaliuoksilla CE:llä ei voitu analysoida oleiini- ja abietiinihappoa. Menetelmä ei siis sovellu esimerkiksi sellaisten näytteiden analysointiin, jossa oleiini- ja abietiinihappo pitoisuudet ovat hyvin pienet (alle 200 mg/L).