Sorption of metal ions to wood, pulp and bark materials

Ett huvudmål med denna avhandling var att erhålla ny information om växelverkan mellan metalljoner i vattenfas och träbaserade material såsom olika pappersmassor, ved och bark. Material av gran, tall och björk har studerats. En ny känslig kolonnkromatografisk metod utvecklades för bestämning av affinitetsordningar för 17 olika metalljoner. Av dessa bands trevärt järn och de mycket toxiska tungmetallerna bly, koppar och kadmium starkast till de studerade materialen. Växelverkan i dessa tvåfas system sker som jonbyte, huvudsakligen via komplexbildning av metalljoner till funktionella grupper i den fasta fasen. Vattenfasens pH är den viktigaste parametern som bestämmer totala halten av metalljoner som binds till materialen. Resultatet i denna avhandling kan delvis betraktas som grundforskning. En ny kunskap om metalljoners förekomst och kemiska reaktioner i dessa system är även av stor ekonomisk och ekologisk, betydelse, när man strävar till allt mera slutna system i moderna massafabriker. Avhandlingen visar också att trädbark har stor potential för biosorption av tungmetaller t.ex. från avfallsvatten. Trädbark har nästan lika stor bindningskapacitet som dyra syntetiska jonbytare.

Advanced welding technologies used for arctic metal structures

Rapid depletion of easy-to-access fossil fuel, predominantly, oil and gas resources has now necessitated increase in need to develop new oil and gas sources in ever more remote and hostile environments. This is necessary in order to explore more oil and gas resources to meet rapidly rising long-term energy demand in the world, both at present and in the nearest future. Arctic is one of these harsh environments, where enormous oil and gas resources are available, containing about 20% of the world total oil and gas, but the environmental conditions are very harsh and hostile. However, virtually all the facilities required for the exploration and development of this new energy source are constructed with metals as well as their alloys and are predominantly joined together by welding processes and technologies. Meanwhile, due to entirely different environment from the usual moderate temperate region, conventional welding technologies, common metals and their alloys cannot be applied as this Arctic environment demand metals structures with very high toughness and strength properties under extremely low temperature. This is due to the fact that metals transit from ductility to brittleness as the temperature moves toward extreme negative values. Hence, this research work investigates and presents the advanced welding technologies applicable to Arctic metal structures which can give satisfactory weldments under active Arctic service conditions. .

The role of van der Waals interactions in the case of H2 adsorption on ruthenium (0001) surface

Computational material science with the Density Functional Theory (DFT) has recently gained a method for describing, for the first time the non local bonding i.e., van der Waals (vdW) bonding. The newly proposed van der Waals-Density Functional (vdW-DF) is employed here to address the role of non local interactions in the case of H2 adsorption on Ru(0001) surface. The later vdW-DF2 implementation with the DFT code VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) is used in this study. The motivation for studying H2 adsorption on ruthenium surface arose from the interest to hydrogenation processes. Potential energy surface (PES) plots are created for adsorption sites top, bridge, fcc and hcp, employing the vdW-DF2 functional. The vdW-DF yields 0.1 eV - 0.2 eV higher barriers for the dissociation of the H2 molecule; the vdW-DF seems to bind the H2 molecule more tightly together. Furthermore, at the top site, which is found to be the most reactive, the vdW functional suggests no entrance barrier or in any case smaller than 0.05 eV, whereas the corresponding calculation without the vdW-DF does. Ruthenium and H2 are found to have the opposite behaviors with the vdW-DF; Ru lattice constants are overestimated while H2 bond length is shorter. Also evaluation of the CPU time demand of the vdW-DF2 is done from the PES data. From top to fcc sites the vdW-DF computational time demand is larger by 4.77 % to 20.09 %, while at the hcp site it is slightly smaller. Also the behavior of a few exchange correlation functionals is investigated along addressing the role of vdW-DF. Behavior of the different functionals is not consistent between the Ru lattice constants and H2 bond lengths. It is thus difficult to determine the quality of a particular exchange correlation functional by comparing equilibrium separations of the different elements. By comparing PESs it would be computationally highly consuming.

Adsorption of hydrogen sulfide by modified cellulose nano/microcrystals

Hydrogen sulfide is toxic and hazardous pollutant. It has been under great interest for past few years because of all the time tighten environmental regulations and increased interest of mining. Hydrogen sulfide gas originates from mining and wastewater treatment systems have caused death in two cases. It also causes acid rains and corrosion for wastewater pipelines. The aim of this master thesis was to study if chemically modified cellulose nanocrystals could be used as adsorbents to purify hydrogen sulfide out from water and what are the adsorption capacities of these adsorbents. The effects of pH and backgrounds on adsorption capacities of different adsorbents are tested. In theoretical section hydrogen sulfide, its properties and different purification methods are presented. Also analytical detection methods for hydrogen sulfide are presented. Cellulose nano/microcrystals, properties, application and different modification methods are discussed and finally theory of adsorption and modeling of adsorption is shortly discussed. In experimental section different cellulose nanocrystals based adsorbents are prepared and tested at different hydrogen sulfide concentrations and in different conditions. Result of experimental section was that the highest adsorption capacity at one component adsorption had wet MFC/CaCO3. At different pH the adsorption capacities of adsorbents changed quite dramatically. Also change of hydrogen sulfide solution background did have effect on adsorption capacities. Although, when tested adsorbents’ adsorption capacities are compared to those find in literatures, it seems that more development of MFC based adsorbents is needed.

Krigaren och transvestiten : gestaltningar av mörker och maskuliniteter i finländsk black metal

Avhandlingen undersöker gestaltningar av mörker och maskuliniteter i den finländska black metal-scenen. Normativa hegemoniska och normbrytande subversiva gestaltningar av maskuliniteter bland de mest aktiva anhängarna av den finländska black metal-scenen undersöks som uttryck för återkommande, kulturella mönster. Mönstren analyseras med hjälp av teorier om hegemonisk maskulinitet, heteronormativitet, genusperformativitet, subversivitet och protestmaskulinitet. Queerteori och (kritisk) mansforskning som har sina ursprung i feministisk forskning utgör avhandlingens teoretiska underlag. Begreppen stil och ideologi aktualiseras i en diskussion kring hur mörker, ett begrepp som är av centralt värde inom den finländska black metal-scenen, kan förstås och uttryckas av scenmedlemmarna. Mörkret, som ofta ideologimässigt består av antikristliga element, inom den finländska scenen i regel förknippade med satanism, uttrycks genom låttexter, det visuella och det musikaliska, vilka tillsammans utgör black metal-stilen.

Nikkelille selektiivisen kelatoivan adsorbenttimateriaalin valmistus ja tutkiminen

Metallien laajamittaisen ja runsaan käytön vuoksi nykyään on keskityttävä aikaisempaa tarkemmin metallipäästöjen estämiseen ja puhdistamiseen. Metallien puhdistamiseen jätevesistä voidaan käyttää erilaisia yksikköoperaatiomenetelmiä, mutta selektiivisempään erotukseen päästään ioninvaihto- ja adsorbenttimateriaaleilla. Työn tarkoitusena on valmistaa ja tutkia nikkeliselektiivisiä adsorbenttimateriaaleja. Lisäksi tutkimuskohteena on nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostuminen eri pH-arvoilla. Selektiivisten adsorbenttimateriaalien valmistaminen onnistuu liittämällä kiinteään kantajaan ligandi. Tämän työn tapauksessa nikkelitemplaatin liittäminen kiinteään kantajaan funktionalisointivaiheessa muodostaa adsorbenttiin nikkelille spesifisen kohdan. Käytännössä spesifisyyden syntyminen ei ole itsestäänselvyys, vaan se riippuu paljon funktionalisointitavasta. Tässä työssä funktionalisointitapana olivat fysikaalinen adsorptio ja impregnointi. Nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostumista tutkittiin eri pH-arvojen lisäksi neljällä eri happokonsentraatiolla. Tuloksia verrattiin sellaisen liuoksen spektriin, missä oli pelkkää nikkeliä. Tuloksista havaittiin, että komplekseja muodostuu käytännössä samalla tavalla pH:n ollessa 1–6. Vasta 5 M HNO3 alkoi heikentää kompleksien muodostumista, ja 10 M HNO3 esti kompleksien muodostumisen täysin. Adsorbenttimateriaaleja valmistettiin useita erilaisia, joihin osaan liitettiin nikkelitemplaatti ja osa jätettiin ilman templaattia. Työssä keskityttiin tutkimaan erityisesti kolmea silikasta valmistettua materiaalia, joissa vain kahdessa oli nikkelitemplaatti. Nikkelitemplaattien olemassaololla ei havaittu olevan juurikaan merkitystä nikkelin erottamiseen vesiliuoksista. Materiaaleille tehdyt regenerointikokeet osoittivat, että materiaalien toiminta ja kapasiteetti eivät olleet toivotulla tasolla.

From War Pigs to Unsung Heroes: The Criticism and Justification of War in Metal Lyrics

Tässä tutkimuksessa käsitellään heavy metal -kappaleiden sanoitusten sisältöä. Tutkimusmateriaaliin on valittu yksi teema, sota, jonka avulla avataan sanoitusten sisältöä ja merkitystä. Metallimusiikki alakulttuurina on tyylillisesti ja temaattisesti spesifi, ja sillä on omat musiikilliset tavoitteensa. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan erityisesti sitä miten sotaa kritisoidaan tai perustellaan heavy rock -sanoituksissa. Tutkimusmateriaalini koostuu 29 englanninkielisen kappaleen sanoituksesta vuosilta 1970–2012. Edustettuina on useita ajanjaksoja sekä maita. Yhdistävänä tekijänä on englannin kielen lisäksi se, että kaikki sanoitukset käsittelevät modernia länsimaista sodankäyntiä. Tekstit valittiin sen perusteella, että niissä ilmeni positiivinen tai negatiivinen näkökulma sotaan. Tutkimus nojaa Theo van Leeuwenin legitimaatioteoriaan, joka puolestaan pohjautuu diskurssianalyysiin. Legitimaatioteoria käsittää neljä strategiaa, jotka voivat joko kritisoida tai perustella sosiaalisia käytänteitä. Ne ovat auktoriteetteihin vetoaminen, moraalinen arviointi, järkeistäminen ja mytopoeesi. Yksi tavoitteistani tutkimuksessani on selvittää legitimaatioteorian toimivuutta omassa materiaalissani. Käytän metodina lähilukua, joka mahdollistaa niiden sanojen ja ilmaisujen identifioimisen, jotka ovat näkökulmaltaan joko positiivisesti tai negatiivisesti sotaan suhtautuvia. Analyysini kannalta tärkeitä ovat sekä kieli- että kulttuurikonteksti, sillä ne määrittelevät sanojen merkityksen. Analyysin perusteella kävi ilmi, että esimerkit jakautuivat eri strategioiden välille hyvin epätasaisesti. Auktoriteetteihin vetoamisen strategiasta löytyi vain yksi esimerkki, kun taas moraalisen arvioinnin esimerkkejä oli neljätoista. Lisäksi kaikkia legitimaatioteorian alaryhmiä ei löytynyt materiaalista ollenkaan. Osalla alaryhmistä oli useita esiintymiä, mutta osalla vain yksi. Esimerkkien epätasaista jakautumista selittää mm. se, että tutkimuksen materiaalin kannalta kaikki alakategoriat eivät ole relevantteja. Jotta tutkimustuloksista saataisiin edustavampi, laajempi otanta olisi tarpeen. Legitimaatioteorian soveltuvuutta sanoituksien yhteydessä tulisi tutkia laajemmin.

Om mörker, maskuliniteter, humor och lek inom black metal : lectio

Lectio praecursoria, Åbo Akademi 25.1 2013.

Metallien eluointi kelatoivasta ioninvaihtimesta

Kelatoivat ioninvaihtimet ovat yleensä makrohuokoisia hartseja, joiden avulla metalleja poistetaan ja otetaan mahdollisesti talteen teollisuuden puhdistettavista jätevirroista. Ne muodostavat metalli-ionien kanssa komplekseja runkomateriaaliin kovalenttisesti liitettyjen aktiivisten funktionaalisten ryhmiensä välityksellä. Ioninvaihtimen selektiivisyys eri metalli-ioneja kohtaan vaihtelee riippuen siihen liitetystä kelatoivasta ryhmästä. Työssä tutkitaan metallien tarttumista kelatoiviin ioninvaihtimiin, sekä niiden eluoitumista adsorbentistaan. Kelatoivat ioninvaihtimet sitovat metalli-ioneja tehokkaasti ligandiensa monihampaisuudesta johtuen. Metallien tarttuminen kelatoivaan ioninvaihtimeen ei kuitenkaan ole yksiselitteistä, vaan siihen vaikuttaa muun muassa pH yhdessä monen muun tekijän kanssa. Ioninvaihtimien selektiivisyyttä tarkastellaan työssä lähinnä kovien ja pehmeiden happojen ja emästen HSAB -teorian näkökulmasta. Regeneroinnilla ioninvaihdin saadaan jälleen alkuperäiseen muotoonsa, minkä jälkeen se voidaan käyttää uudelleen. Yleensä regenerointi suoritetaan kemiallisesti. Tässä työssä ioninvaihtimien regenerointia ja kohdemetallin eluointia tarkastellaan paitsi teoriassa, myös kokeellisessa osuudessa. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan kuparin (Cu2+) eluoitumista kelatoivasta Dowex M-4195 kationinvaihtohartsista. Kokeissa hartsi ladattiin kuparilla erillisessä panoksessa kuparin ollessa syöttöliuoksessa kuparisulfaattina. Eluointiliuoksina käytettiin 2 ja 5 molaarista rikkihappoa, sekä 2 molaarista ammoniumhydroksidia. Eluointi suoritettiin panostoimisena kolonniajona ja eluaatista otetut näytteet analysoitiin atomiadsorptiospektrofotometrillä. Analyysitulokset esitetään läpäisykäyrinä, joiden perusteella 2M ammoniumhydroksidi on kolmesta tutkitusta eluentista tehokkain eluoimaan kuparia Dowex M-4195 hartsista.

Ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poisto adsorption avulla

Kiinnostus ravinneionien ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon liittyy niiden ne-gatiivisiin ympäristövaikutuksiin ja niiden poistoon jätevesistä on olemassa erilaisia tekniikoita. Tässä työssä ionien poistoa tutkittiin adsorptiotekniikan avulla. Siinä perus-ajatuksena on ionin kiinnittyminen adsorbentin pintaan, jolloin sen poistaminen käsitel-tävästä vedestä on mahdollista. Tässä diplomityössä tutkittiin eri adsorbentteja ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon, ja päämääränä oli niiden yhtäaikainen poistaminen. Kokeita tehtiin niin laboratoriossa valmistetuille ravinneliuoksille kuin Yara Suomi Oy:n Siilinjärven (Yara) toimipaikalta toimitetuille vesille. Yaran vesien osalta pääpaino oli ammoniumin poistossa. Tutkimuksen haasteina olivat ionien erilaiset varaukset, jolloin esimerkiksi positiivisesti varautunut ammoniumioni kiinnittyi negatiivisesti varautuneen adsorbentin pintaan hel-poiten. Toisaalta negatiivisesti varautuneet anionit fosfaatti ja nitraatti suosivat positiivi-sesti varautuneita adsorbentteja. Myös muiden ionin läsnäolo joko edisti tai esti adsorboitumista ja joissain tapauksissa pH:lla oli suuri merkitys prosessin onnistumiseen. Saatuja tuloksia tarkasteltiin tutkittujen ionien poistoprosenttien ja isotermimallinnuksien kautta unohtamatta muita esille tulleita seikkoja. Saatujen tulosten mukaan etenkin kalsinoitu hydrotalsiitti poisti fosfaattia ja nitraattia, mutta se ei mainittavasti toiminut ammoniumille. Ammoniumille sen sijaan toimi par-haiten zeoliitit ja bentoniitti, jotka vähensivät myös Yaran vesien ammoniumpitoisuutta. Ionien yhtäaikainen poistaminen oli haastavaa ja sen parempi ymmärtäminen edellyttää jatkotutkimuksia. Yksi jatkotutkimuskohde voisi olla eri adsorbenttien yhdistäminen keskenään, ja tästä saatiin jo alustavia, rohkaisevia tuloksia.

Effects of anthropogenic and natural hydrological changes on the behavior of the acidic metal discharge from acid sulfate soils in a river- and lake system in western Finland

Larsmo-Öjasjön i Österbotten skapades genom invallningar på 1960-talet pga. industrins behov av sötvatten. Sedan dess har vattenområdet drabbats av återkommande försurning och fiskdöd, och invallningen har ofta beskyllts för problemen. Avhandlingen undersöker syrabelastningen i området; bl.a. hur markanvändning, hydrologi och klimatförändringen påverkar belastningen. Konsekvenserna undersöks med fiskyngel som bioindikator, och olika miljömetoder testas och diskuteras. Ökad kunskap om försurningen hjälper oss att tillämpa effektiva miljömetoder och få förbättrad vattenkvalitet i framtiden. Den primära orsaken till den försämrade vattenkvaliteten under de senaste 40 åren är intensiv dikning av svavelrika sediment. Detta leder till oxidering av svavlet till svavelsyra och uppkomst av sura sulfatjordar. Syran löser upp mängder med toxiska metaller som spolas ut i vattendragen. Undersökningen visar att tiotusentals ton svavelsyra tillsammans med stora mängder metaller rinner till Larsmo-Öjasjön per år från sura sulfatjordar. Åarna bidrar med mest belastning, men den sammanlagda belastningen från de otaliga dikena och bäckarna är oväntat stor. Andra potentiella källor till försurningen, t.ex. muddringar och humussyror, beräknas vara obetydliga. Syra- och metallbelastningen varierar kraftigt med hydrologin, dvs. störst belastning sker under vår- och höstflöden. En eventuell klimatförändring kan ändra på avrinningsmönstret och orsaka mera belastning vintertid. Den årligt återkommande syra- och metallbelastningen kan ofta hindra lakens förökning, vilket kan ha större långtgående konsekvenser för fiskpopulationerna än de relativt sällsynta stora surchockerna med synlig fiskdöd. För att förebygga skador på vattendragen bör man undvika att dränera svavelrika sedimenten. På redan existerande sura sulfatjordar visade sig kontroll av grundvattennivån kunna möjliggöra en effektiverad markanvändning utan märkbart ökade miljökonsekvenser.

Preparation for ramp-up production process in metal manufacturin

Collaboration is essential for successful new product development. In the preparation for ramp-up production collaboration between R&D and supply chain functions is crucial. This thesis examines the meaning of collaboration and the effects of collaboration between R&D and supply chain. The aim of this thesis is to analyse and advice on how to improve the collaboration between the research and development department and supply chain within the preparation for rampup process. This thesis begins by introducing the reader to the product development methodologies and collaboration literature. The following part of the thesis describes the current situation and the results of the qualitative research. The last part of the thesis will explain the improvement suggestions. The main improvement suggestions are clarification of the processes and responsibilities and the introduction of a kick-off meeting.

Hydrometallurgical recovery of valuable metals from secondary raw materials

Wastes and side streams in the mining industry and different anthropogenic wastes often contain valuable metals in such concentrations their recovery may be economically viable. These raw materials are collectively called secondary raw materials. The recovery of metals from these materials is also environmentally favorable, since many of the metals, for example heavy metals, are hazardous to the environment. This has been noticed in legislative bodies, and strict regulations for handling both mining and anthropogenic wastes have been developed, mainly in the last decade. In the mining and metallurgy industry, important secondary raw materials include, for example, steelmaking dusts (recoverable metals e.g. Zn and Mo), zinc plant residues (Ag, Au, Ga, Ge, In) and waste slurry from Bayer process alumina production (Ga, REE, Ti, V). From anthropogenic wastes, waste electrical and electronic equipment (WEEE), among them LCD screens and fluorescent lamps, are clearly the most important from a metals recovery point of view. Metals that are commonly recovered from WEEE include, for example, Ag, Au, Cu, Pd and Pt. In LCD screens indium, and in fluorescent lamps, REEs, are possible target metals. Hydrometallurgical processing routes are highly suitable for the treatment of complex and/or low grade raw materials, as secondary raw materials often are. These solid or liquid raw materials often contain large amounts of base metals, for example. Thus, in order to recover valuable metals, with small concentrations, highly selective separation methods, such as hydrometallurgical routes, are needed. In addition, hydrometallurgical processes are also seen as more environmental friendly, and they have lower energy consumption, when compared to pyrometallurgical processes. In this thesis, solvent extraction and ion exchange are the most important hydrometallurgical separation methods studied. Solvent extraction is a mainstream unit operation in the metallurgical industry for all kinds of metals, but for ion exchange, practical applications are not as widespread. However, ion exchange is known to be particularly suitable for dilute feed solutions and complex separation tasks, which makes it a viable option, especially for processing secondary raw materials. Recovering valuable metals was studied with five different raw materials, which included liquid and solid side streams from metallurgical industries and WEEE. Recovery of high purity (99.7%) In, from LCD screens, was achieved by leaching with H2SO4, extracting In and Sn to D2EHPA, and selectively stripping In to HCl. In was also concentrated in the solvent extraction stage from 44 mg/L to 6.5 g/L. Ge was recovered as a side product from two different base metal process liquors with Nmethylglucamine functional chelating ion exchange resin (IRA-743). Based on equilibrium and dynamic modeling, a mechanism for this moderately complex adsorption process was suggested. Eu and Y were leached with high yields (91 and 83%) by 2 M H2SO4 from a fluorescent lamp precipitate of waste treatment plant. The waste also contained significant amounts of other REEs such as Gd and Tb, but these were not leached with common mineral acids in ambient conditions. Zn was selectively leached over Fe from steelmaking dusts with a controlled acidic leaching method, in which the pH did not go below, but was held close as possible to, 3. Mo was also present in the other studied dust, and was leached with pure water more effectively than with the acidic methods. Good yield and selectivity in the solvent extraction of Zn was achieved by D2EHPA. However, Fe needs to be eliminated in advance, either by the controlled leaching method or, for example, by precipitation. 100% Pure Mo/Cr product was achieved with quaternary ammonium salt (Aliquat 336) directly from the water leachate, without pH adjustment (pH 13.7). A Mo/Cr mixture was also obtained from H2SO4 leachates with hydroxyoxime LIX 84-I and trioctylamine (TOA), but the purities were 70% at most. However with Aliquat 336, again an over 99% pure mixture was obtained. High selectivity for Mo over Cr was not achieved with any of the studied reagents. Ag-NaCl solution was purified from divalent impurity metals by aminomethylphosphonium functional Lewatit TP-260 ion exchange resin. A novel preconditioning method, named controlled partial neutralization, with conjugate bases of weak organic acids, was used to control the pH in the column to avoid capacity losses or precipitations. Counter-current SMB was shown to be a better process configuration than either batch column operation or the cross-current operation conventionally used in the metallurgical industry. The raw materials used in this thesis were also evaluated from an economic point of view, and the precipitate from a waste fluorescent lamp treatment process was clearly shown to be the most promising.