Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.

Segmentation of Industrial Customers – Case: Finnish Mechanical Engineering Companies

Segmentointi on perinteisesti ollut erityisesti kuluttajamarkkinoinnin työkalu, mutta siirtymä tuotteista palveluihin on lisännyt segmentointitarvetta myös teollisilla markkinoilla. Tämän tutkimuksen tavoite on löytää selkeästi toisistaan erottuvia asiakasryhmiä suomalaisen liikkeenjohdon konsultointiyritys Synocus Groupin tarjoaman case-materiaalin pohjalta. K-means-klusteroinnin avulla löydetään kolme potentiaalista markkinasegmenttiä perustuen siihen, mitkä tarjoamaelementit 105 valikoitua suomalaisen kone- ja metallituoteteollisuuden asiakasta ovat maininneet tärkeimmiksi. Ensimmäinen klusteri on hintatietoiset asiakkaat, jotka laskevat yksikkökohtaisia hintoja. Toinen klusteri koostuu huolto-orientoituneista asiakkaista, jotka laskevat tuntikustannuksia ja maksimoivat konekannan käyttötunteja. Tälle kohderyhmälle kannattaisi ehkä markkinoida teknisiä palveluja ja huoltosopimuksia. Kolmas klusteri on tuottavuussuuntautuneet asiakkaat, jotka ovat kiinnostuneita suorituskyvyn kehittämisestä ja laskevat tonnikohtaisia kustannuksia. He tavoittelevat alempia kokonaiskustannuksia lisääntyneen suorituskyvyn, pidemmän käyttöiän ja alempien huoltokustannusten kautta.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

Modeling of electrolyte sorption – from phase equilibria to dynamic separation systems

In this thesis, general approach is devised to model electrolyte sorption from aqueous solutions on solid materials. Electrolyte sorption is often considered as unwanted phenomenon in ion exchange and its potential as an independent separation method has not been fully explored. The solid sorbents studied here are porous and non-porous organic or inorganic materials with or without specific functional groups attached on the solid matrix. Accordingly, the sorption mechanisms include physical adsorption, chemisorption on the functional groups and partition restricted by electrostatic or steric factors. The model is tested in four Cases Studies dealing with chelating adsorption of transition metal mixtures, physical adsorption of metal and metalloid complexes from chloride solutions, size exclusion of electrolytes in nano-porous materials and electrolyte exclusion of electrolyte/non-electrolyte mixtures. The model parameters are estimated using experimental data from equilibrium and batch kinetic measurements, and they are used to simulate actual single-column fixed-bed separations. Phase equilibrium between the solution and solid phases is described using thermodynamic Gibbs-Donnan model and various adsorption models depending on the properties of the sorbent. The 3-dimensional thermodynamic approach is used for volume sorption in gel-type ion exchangers and in nano-porous adsorbents, and satisfactory correlation is obtained provided that both mixing and exclusion effects are adequately taken into account. 2-Dimensional surface adsorption models are successfully applied to physical adsorption of complex species and to chelating adsorption of transition metal salts. In the latter case, comparison is also made with complex formation models. Results of the mass transport studies show that uptake rates even in a competitive high-affinity system can be described by constant diffusion coefficients, when the adsorbent structure and the phase equilibrium conditions are adequately included in the model. Furthermore, a simplified solution based on the linear driving force approximation and the shrinking-core model is developed for very non-linear adsorption systems. In each Case Study, the actual separation is carried out batch-wise in fixed-beds and the experimental data are simulated/correlated using the parameters derived from equilibrium and kinetic data. Good agreement between the calculated and experimental break-through curves is usually obtained indicating that the proposed approach is useful in systems, which at first sight are very different. For example, the important improvement in copper separation from concentrated zinc sulfate solution at elevated temperatures can be correctly predicted by the model. In some cases, however, re-adjustment of model parameters is needed due to e.g. high solution viscosity.

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.

Sulfuric acid - glucose separation using mixed-recycle steady state recycling chromatography

Batch chromatography is a widely used separation technique in a variety of fields meeting difficult separations. Several technologies for improving the performance of chromatography have been studied, including mixed-recycle steady state recycling (MR-SSR) chromatography. Design of MR-SSR has been commonly limited on 100 % purity constraint cases and empirical work. In this study a predictive design method was used to optimize feed pulse size and design a number of experimental MR-SSR separations for a solution of 20 % sulfuric acid and 100 g/L glucose. The design was under target product fraction purities of 98.7 % for H2SO4 and 95 % for glucose. The experiments indicate a maximum of 59 % increase in sulfuric acid productivity and 82 % increase for glucose when compared to corresponding batch separation. Eluent consumption was lowered by approximately 50 % using recycling chromatography. Within this study the target purities and yields set in design were not completely met, and further optimization of the process is deemed necessary.

Self assessment report for international accreditation - Bachelor's and Master's degree programmes in Mechanical Engineering

Itsearviointiraportissa kuvataan Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan kandidaatin ja diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelmat opetussuunnitelman 2011-2012 mukaisesti. Itsearviointiraportti on tuotettu saksalaisen ASIIN-akkreditointiorganisaation raportointimallin mukaisesti.

Containment Measures in Adolescent Psychiatric Care - Focus on Mechanical Restrain

Rajoitetoimet, erityisesti sitominen, nuorisopsykiatrisessa hoitotyössä Tutkimuksen tavoitteena oli kuvata ja syventää tietoa rajoitetoimien, erityisesti sitomisen, käytöstä nuorisopsykiatrisessa vastentahtoisessa osastohoidossa. Tutkimuksen tavoitteena oli kuvata hoitajien, lääkäreiden ja potilaiden asenteita eri rajoittamiskeinoja kohtaan nuorisopsykiatrisessa osastohoidossa, kerätä tietoa yhden vuoden aikana tapahtuneiden sitomisten määrästä ja luonteesta sekä kuvata potilaiden kokemuksia sitomisesta nuorisopsykiatrisen osastohoidon aikana. Tutkimus tuottaa arvokasta tietoa korkeatasoisten sitomiskäytäntöjen kehittämiseen nuorisopsykiatrisessa osastohoidossa, sekä sitomisten määrää vähentämällä että sitomistapoja kehittämällä. Tavoitteena on parantaa sidottujen potilaiden kliinistä hoitoa. Tutkimusaineisto kerättiin suomalaisilla, pääkaupunkiseudulle sijoittuvilla, nuorisopsykiatrisilla osastoilla neljässä vaiheessa lokakuun 2009 ja huhtikuun 2012 välisenä aikana. Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiirin (HUS) nuorisopsykiatrian erikoisalan seitsemän suljetun osaston hoitohenkilökunta sekä lääkärit suhtautuivat myönteisesti rajoittamistoimenpiteisiin. Nuorisopsykiatriset potilaat suhtautuivat rajoittamistoimenpiteisiin kriittisemmin kuin henkilökunta. Nuoret suhtautuivat myönteisimmin tarvittaessa annettavaan lääkitykseen, ajoittaiseen tarkkailuun ja kulun rajoittamiseen. Vähiten hyväksytty menetelmä oli verkkosänky. Nuoret arvioivat sitomisen kolmen vähiten hyväksytyn menetelmän joukkoon. Sitomisen esiintyvyys ja pitkien sitomisten määrä olivat korkeita tutkimukseen valituissa yksiköissä. Useimmat sidotut nuoret tiesivät syyn sitomiseensa, suhtautuivat siihen ambivalentisti nähden siinä sekä hyötyä että haittaa, pitäen sitä kuitenkin rangaistuksena. Huolimatta tästä, suurin osa haastatelluista nuorista koki, että joissain tilanteissa sitomista tarvitaan nuorisopsykiatrisessa osastohoidossa. Nuorilla oli monia ehdotuksia, kuinka parantaa sitomista käytännön osastohoidossa. Tämä väitöskirja tuottaa uutta tietoa eri rajoittamistoimenpiteiden ja sitomisen toteuttamisesta nuorisopsykiatrisessa osastohoidossa. Käytännön hoitotyön parantamiseksi nuorisopsykiatrisilla osastoilla tarvitaan laaja-alaista ja syvälle luotaavaa koulutusta, jotta rajoittamis-toimenpiteiden määrää voidaan vähentää. Myös kriisitilanteiden hallintaan tarvitaan uusia keinoja. Tietoa, kuvausta toimenpiteistä ja tilanteiden käsittelyä jälkikäteen tulee tarjota ala-ikäiselle potilaalle hänen kehitystasonsa huomioiden. Sitomisten määrää tulee vähentää ja niiden kestoa lyhentää. Nuorten tulee olla aktiivisesti mukana kehittämässä aggression hallintamenetelmiä suomalaisessa nuorisopsykiatrisessa osastohoidossa.

Microstructural and environmental effects on the mechanical properties of porous particle-polymer composites

Papper kan anses vara ett av de mest använda materialen i det dagliga livet. Tidskrifter, tidningar, böcker och diverse förpackningar är några exempel på pappersbaserade produkter. Papperets egenskaper måste anpassas till användningsändamålet. En tidskrift kräver t.ex. hög ljushet, opacitet och en slät yta hos papperet, medan dessa egenskaper är mindre viktiga för en dagstidning. Allt tryckpapper behöver vissa mekaniska egenskaper för att tåla vidarebearbetning såsom kalandrering, tryckning och vikning. Man kan bestryka papper för att förbättra dess optiska egenskaper och tryckbarhetsegenskaper. Vid bestrykning appliceras en dispersion av mineralpigment och polymerbindemedel som ett tunt lager på papperets yta. Bestrykningsskiktet kan ses som ett komplext, poröst kompositmaterial som även bidrar till papperets mekaniska egenskaper och dess processerbarhet i diverse konverteringsoperationer. Kravet på framställning av förmånligt papper med tillräckliga styrkeegenskaper ställer allt högre krav på optimeringen av pappersbestrykningsskiktets egenskaper och produktionskostnader. Målet med detta arbete var att förstå sambandet mellan pigmentbestrykningsskiktets mikrostruktur och dess makroskopiska, mekaniska egenskaper. Resultaten visar att adhesionen i gränsytan mellan pigment och bindemedel är kritisk för bestrykningsskiktets förmåga att bära mekanisk belastning. Polära vätskor är vanliga i tryckfärger och kan, eftersom de påverkar syra/bas-interaktionerna mellan pigment och latexbindemedel, försvaga denna adhesion. Resultaten tyder på att ytstyrkan hos bestruket papper kan höjas genom användning av bifunktionella dispergeringsmedel för mineralpigment. Detta medför inbesparingar i pappersproduktionen eftersom mängden bindemedel, den dyraste komponenten i bestrykningsskiktet, kan minskas.

Identification of research trends in the field of separation processes. Application of epidemiological model, citation analysis, text mining, and technical analysis of the financial markets

Choice of industrial development options and the relevant allocation of the research funds become more and more difficult because of the increasing R&D costs and pressure for shorter development period. Forecast of the research progress is based on the analysis of the publications activity in the field of interest as well as on the dynamics of its change. Moreover, allocation of funds is hindered by exponential growth in the number of publications and patents. Thematic clusters become more and more difficult to identify, and their evolution hard to follow. The existing approaches of research field structuring and identification of its development are very limited. They do not identify the thematic clusters with adequate precision while the identified trends are often ambiguous. Therefore, there is a clear need to develop methods and tools, which are able to identify developing fields of research. The main objective of this Thesis is to develop tools and methods helping in the identification of the promising research topics in the field of separation processes. Two structuring methods as well as three approaches for identification of the development trends have been proposed. The proposed methods have been applied to the analysis of the research on distillation and filtration. The results show that the developed methods are universal and could be used to study of the various fields of research. The identified thematic clusters and the forecasted trends of their development have been confirmed in almost all tested cases. It proves the universality of the proposed methods. The results allow for identification of the fast-growing scientific fields as well as the topics characterized by stagnant or diminishing research activity.

Magnesium hydroxide-based peroxide bleaching of high-brightness mechanical pulps

A high final brightness is desired in most paper and board products. This requires bleaching processes that are able to produce high-brightness pulps. Mechanical pulps are widely bleached for high brightness using alkaline hydrogen peroxide with traditional sodium hydroxide and sodium silicate as additives. With high doses however, peroxide bleaching causes high organic loads in the mill effluent and anionic trash carry-over to papermaking. To alleviate the problems that arise from the use of sodium-based additives in peroxide bleaching, interest in the use of alternative magnesium-based chemicals has increased. In this study, a new, technical high-purity magnesium hydroxide-based bleaching additive was evaluated on laboratory-scale, pilot-scale and mill-scale experiments and trials for its ability to produce a high brightness in peroxide bleaching without the known problems of sodium-based chemicals. The key findings of this study include: a high brightening potential of peroxide bleaching using the Mg(OH)2-based additive, significant reductions (40-70%) in all categories of environmental load, and cationic demand lowered by 60-70% in bleached pulp with no loss in strength properties or in sheet bulk. When used in TMP refiner bleaching, the Mg(OH)2-based additive resulted in savings in specific energy consumption and provided a good bleaching response.

Action of laccase on mechanical softwood pulps

Träfibrernas naturliga egenskaper begränsar deras användning i många tillämpningar. Träfibrernas egenskaper kan modifieras genom att binda nya komponenter med önskade egenskaper till fiberns yta. DI Stina Grönqvist bevisade i sin avhandling att nya funktionella grupper kan bindas till ligninhaltiga träfibrer genom att aktivera ytligninet med lackasenzym. Resultaten kan utnyttjas till att förbättra de traditionella träfibrernas och fiberprodukternas egenskaper samt att hitta nya tillämpningar för träfibrerna. ”Om träfibrerna t.ex. modifieras så att de blir vattenavstötande kan de modifierade träfibrerna användas istället för plast i förpackningar” berättar Stina Grönqvist. Syftet med denna avhandling var att undersöka effekterna av lackasenzym på TMP (termomekanisk massa) och dess fraktioner. I Finland tillverkas TMP av gran och massan innehåller rikligt med lignin. När ytligninet på träfibrernas yta modifieras med hjälp av oxiderande enzymer, såsom lackas, bildas reaktiva radikaler i ligninen på fibrernas ytor. De bildade radikalerna kan utnyttjas till att binda komponenter med nya egenskaper till fiberytan. För att kunna utnyttja den fulla potentialen av den lackasbaserade modifieringsmetoden behövs mera information om så väl de faktorer som påverkar bildningen av radikaler som om mekanismerna hur de nya komponenterna binds till fibrerna ___________________________________ Puukuitujen luontaiset ominaisuudet rajoittavat niiden hyödyntämistä joissakin sovelluksissa. Ominaisuuksia voidaan kuitenkin muuttaa liittämällä kuidun pintaan uusia yhdisteitä. DI Stina Grönqvist osoitti väitöstyössään, että uusia kuitujen ominaisuuksia muuttavia funktionaalisia yhdisteitä voidaan sitoa ligniinipitoisiin puukuituihin aktivoimalla kuitujen pinnan ligniiniä lakkaasi-entsyymillä. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää ligniinipitoisten puukuitujen ominaisuuksien parantamiseen ja jopa täysin uusien ominaisuuksien kehittämiseen. ”Jos kuituja muutetaan vettä hylkiväksi sitomalla kuituihin vettä hylkiviä yhdisteitä entsyymien avulla, voidaan puukuituja käyttää korvaamaan muovia pakkauksissa”, kertoo Stina Grönqvist. Väitöstyön kohteena oli TMP-massan eli kuumahiertämällä valmistetun mekaanisen puumassojen ja niiden fraktioiden muokkaaminen lakkaasi-entsyymillä (TMP, Thermomechanical pulp). Suomalainen TMP-massa valmistetaan kuusesta ja siinä on runsaasti muokkaamatonta ligniiniä. Kun puukuidun pinnan ligniiniä muokataan hapettavilla entsyymeillä, muodostuu kuidun pintaan reaktiivisia radikaaleja. Syntyneiden radikaalien avulla kuituihin voidaan liittää yhdisteitä, jotka antavat kuidulle uusia ominaisuuksia. Menetelmän tarjoamien mahdollisuuksien hyödyntämiseksi tarvitaan tietoa kuidun radikalisointiin ja yhdisteiden liittämiseen vaikuttavista tekijöistä.

Comparison study of two competing models of an all mechanical power transmission system

A comparison between two competing models of an all mechanical power transmission system is studied by using Dymola –software as the simulation tool. This tool is compared with Matlab/ Simulink –software by using functionality, user-friendliness and price as comparison criteria. In this research we assume that the torque is balanceable and transmission ratios are calculated. Using kinematic connection sketches of the two transmission models, simulation models are built into the Dymola simulation environment. Models of transmission systems are modified according to simulation results to achieve a continuous variable transmission ratio. Simulation results are compared between the two transmission systems. The main features of Dymola and MATLAB/ Simulink are compared. Advantages and disadvantages of the two softwares are analyzed and compared.