Advanced analysis and design methods for preparative chromatographic separation processes

Preparative liquid chromatography is one of the most selective separation techniques in the fine chemical, pharmaceutical, and food industries. Several process concepts have been developed and applied for improving the performance of classical batch chromatography. The most powerful approaches include various single-column recycling schemes, counter-current and cross-current multi-column setups, and hybrid processes where chromatography is coupled with other unit operations such as crystallization, chemical reactor, and/or solvent removal unit. To fully utilize the potential of stand-alone and integrated chromatographic processes, efficient methods for selecting the best process alternative as well as optimal operating conditions are needed. In this thesis, a unified method is developed for analysis and design of the following singlecolumn fixed bed processes and corresponding cross-current schemes: (1) batch chromatography, (2) batch chromatography with an integrated solvent removal unit, (3) mixed-recycle steady state recycling chromatography (SSR), and (4) mixed-recycle steady state recycling chromatography with solvent removal from fresh feed, recycle fraction, or column feed (SSR–SR). The method is based on the equilibrium theory of chromatography with an assumption of negligible mass transfer resistance and axial dispersion. The design criteria are given in general, dimensionless form that is formally analogous to that applied widely in the so called triangle theory of counter-current multi-column chromatography. Analytical design equations are derived for binary systems that follow competitive Langmuir adsorption isotherm model. For this purpose, the existing analytic solution of the ideal model of chromatography for binary Langmuir mixtures is completed by deriving missing explicit equations for the height and location of the pure first component shock in the case of a small feed pulse. It is thus shown that the entire chromatographic cycle at the column outlet can be expressed in closed-form. The developed design method allows predicting the feasible range of operating parameters that lead to desired product purities. It can be applied for the calculation of first estimates of optimal operating conditions, the analysis of process robustness, and the early-stage evaluation of different process alternatives. The design method is utilized to analyse the possibility to enhance the performance of conventional SSR chromatography by integrating it with a solvent removal unit. It is shown that the amount of fresh feed processed during a chromatographic cycle and thus the productivity of SSR process can be improved by removing solvent. The maximum solvent removal capacity depends on the location of the solvent removal unit and the physical solvent removal constraints, such as solubility, viscosity, and/or osmotic pressure limits. Usually, the most flexible option is to remove solvent from the column feed. Applicability of the equilibrium design for real, non-ideal separation problems is evaluated by means of numerical simulations. Due to assumption of infinite column efficiency, the developed design method is most applicable for high performance systems where thermodynamic effects are predominant, while significant deviations are observed under highly non-ideal conditions. The findings based on the equilibrium theory are applied to develop a shortcut approach for the design of chromatographic separation processes under strongly non-ideal conditions with significant dispersive effects. The method is based on a simple procedure applied to a single conventional chromatogram. Applicability of the approach for the design of batch and counter-current simulated moving bed processes is evaluated with case studies. It is shown that the shortcut approach works the better the higher the column efficiency and the lower the purity constraints are.

Fosforin talteenotto eri saostus- ja kiteytysmenetelmillä

Fosfori on elintärkeä alkuaine ravinteena ja haasteena on, että fosforivarannot ovat yleismaailmallisesti ehtymässä. Sen kiertokulussa merkittävä osa päätyy vesistöihin aiheuttaen rehevöitymistä. Ongelmaan etsittiin ratkaisua fosforin saostus- ja kiteytysmenetelmistä. Kandityössä esitettiin eri periaatteet erottaa fosfori jätevedestä. Prosesseihin vaikuttavat tekijät määritettiin kiteytysteorian ja kirjallisuudesta löytyvien tutkimusten pohjalta, joiden avulla voitiin määrittää lupaavimmat menetelmät talteenottaa fosfori. Lupaavimmiksi yhdisteiksi saostaa fosfori osoittautuivat magnesiumammoniumfosfaatti- tai hydroksiapatiitti saostusprosessi.

Vedyn käytön tarkastelu Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla

Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla valmistetaan lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia sekä natriumkloraattia. Lipeää, suolahappoa ja natriumhypokloriittia valmistetaan lipeätehtaassa. Natriumkloraattia valmistetaan kloraattitehtaassa. Kloraatti- ja lipeätehtaan tuotteet valmistetaan elektrolyysimenetelmällä. Elektrolyysien sivutuotteena syntyy vetykaasua, joka voidaan käyttää suolahapon valmistukseen, vetyvoimalaitoksen polttoaineena tai myydä asiakkaalle. Työn tavoitteena oli tarkastella vedyn käyttöä Joutsenon tehtailla. Tarkastelun tavoitteena oli löytää mahdollisia kehitys- tai jatkotutkimuskohteita vety- ja höyryjärjestelmästä. Koska vetyä käytetään myös vetyvoimalaitoksen polttoaineena, joka tuottaa tehtailla tarvittavan prosessihöyryn, tarkasteltiin työssä myös höyryn käyttöä tehtailla. Tarkastelua varten tehtiin Microsoft Excel-pohjainen taselaskentamalli, jolla simuloitiin vedyn ja höyryn käyttöä tehtailla. Työn tuloksena saatiin Excel-pohjainen simulointimalli, jolla pystyttiin tutkimaan vedyn ja höyryn käyttöä. Vedyn ja höyryn käyttöä tutkittiin viidessä eri skenaariossa. Skenaariossa yksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla tehtaita on turvallista käyttää. Skenaariossa kaksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla voimalaitoksen turbiini pysyisi ajossa. Skenaariossa kolme määritettiin tehtaiden tämän hetkinen maksimi kapasiteetti. Skenaarioissa neljä ja viisi tutkittiin, miten mahdollinen tehtaiden tuotantojen kasvattaminen vaikuttaisi vety- ja höyryjärjestelmään. Työn tuloksien perusteella kehitys- ja jatkotutkimuskohteita olisivat lipeän haihdutuksen höyryn kulutuksen pienentäminen, turbiinin käyttöajan kasvattaminen sekä eri lähteistä saatavan hukkalämmön parempi hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa. Tehtaiden tuotantoja kasvatettaessa on syytä kiinnittää huomioita myös voimalaitoksen pääkattilan ja turbiinin kapasiteettiin.

Litiumin erotus väkevistä kloridiliuoksista ioninvaihdolla

Litiumioniakkujen kehityksen myötä litiumin tarve ja kysyntä ovat kasvaneet viime vuodet tasaisesti noin 10 % vuosivauhdilla. Kasvun on myös ennustettu jatkuvan samanlaisena tulevaisuudessa, jonka takia erilaiset litiumin erotusprosessit ovat nousseet tutkimuksen kohteeksi. Tärkeimmät litiumlähteet sijaitsevat suola-aavikoilla ja -järvillä, joihin litiumia on kerääntynyt suuria määriä maanpinnan läheisyyteen. Litiumia erotetaan suolatasangoilla aikaa vievissä haihdutus- ja saostusvaiheissa. Suolaliuokset sisältävät litiumin lisäksi muita metalleja, kuten magnesiumia, kalsiumia ja natriumia, joista etenkin magnesium häiritsee litiumin erotusta. Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole löydetty litiumille riittävän selektiivistä ioninvaihtohartsia. Tehdyissä tutkimuksissa muut metallit on usein erotettu selektiivisesti ennen litiumia ja litium on erotettu lopuksi. Litiumin erotusta voitaisiin parantaa, mikäli se onnistuisi selektiivisesti suoraan suolaliuoksesta. Tässä työssä tutkittiin litiumin selektiivistä erotusta magnesium- ja kalsiumpitoisesta väkevästä kloridiliuoksesta ioninvaihtohartseilla sekä molekyyliseulalla. Käytetyt neljä ioninvaihtohartsia olivat kaupallisia Puroliten hartseja: MN200, S940, CT151 ja A170. Molekyyliseula oli Sigman huokoskoon 4 Å zeoliittia. Kromatografisilla kolonnikokeilla saadut näytteet analysoitiin ICP-AES:lla. Tulosten perusteella ei yksikään tutkituista hartseista ja molekyyliseulasta ollut selektiivinen litiumille.

Kartoitus kloori-alkalitehtaan tuotantokapasiteetin kasvattamisesta / Kemira Chemicals Oy Joutseno

Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon kloori-alkalitehtaalla valmistetaan elektrolyysin avulla lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia ja vetyä. Tämän työn tavoitteena on kartoittaa kloori-alkalitehtaan tuotantokapasiteetin kasvatuksen yhteydessä esiin tulevat pullonkaulat, lähitulevaisuuden kunnossapitotarpeet sekä parhaat käytettävissä olevat teknologiavaihtoehdot kloori-alkalitehtaan osa-alueille, joihin tuotantokapasiteetin kasvatuspaineet kohdistuvat: elektrolyysi, lipeän haihdutus ja suolahappopolttimet. Pullonkaulojen kartoittaminen toteutettiin rakentamalla taulukkolaskentamalli kloori-alkalitehtaan prosesseista. Mallin avulla simuloitiin elektrolyysin kloorin tuotantoa, jota kasvatettiin asteittain 54 kt:sta/a aina 100 kt:iin/a asti ja tutkittiin prosessien käyttäytymistä. Tarkastelun pohjalta havaittiin, että kloorin tuotantoa kasvattaessa, tulee lisätä myös tuotantokapasiteettia suolahapon valmistukseen, elektrolyysiin, demineralisoidun veden valmistukseen ja lipeän haihdutuslaitokseen sekä suolahapon ja lipeän varastointikapasiteetteihin. Vaihtoehtoiset teknologiat määritettiin kirjallisuudesta ja laitetoimittajien esitteistä. Lähivuosien kunnossapitotarpeet kartoitettiin haastattelemalla tehtaan henkilökuntaa. Työstä eskaloitui useita jatkotutkimuskohteita, joita ovat bipolaari-teknologian soveltuvuus Joutsenon kloori-alkalitehtaalle, uusien HCl-polttimien esisuunnittelu, höyryn käytön tehostaminen nykyisessä lipeän haihdutuslaitoksessa sekä uusien haihdutusteknologioiden soveltuvuus Joutsenon kloori-alkalitehtaalle, höyry- ja jäähdytysverkostojen kartoitukset sekä demineralisoidun veden valmistuskapasiteetin kasvattaminen.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.

Modification of commercial poly-lactide for extrusion coated food packaging applications

Poly-L-lactide (PLLA) is a widely used sustainable and biodegradable alternative to replace synthetic non-degradable plastic materials in the packaging industry. Conversely, its processing properties are not always optimal, e.g. insufficient melt strength at higher temperatures (necessary in extrusion coating processes). This thesis reports on research to improve properties of commercial PLLA grade (3051D from NatureWorks), to satisfy and extend end-use applications, such as food packaging by blending with modified PLLA. Adjustment of the processability by chain branching of commercial poly-L-lactide initiated by peroxide was evaluated. Several well-defined branched structures with four arms (sPLLA) were synthesized using pentaerythritol as a tetra-functional initiator. Finally, several block copolymers consisting of polyethylene glycol and PLLA (i.e. PEGLA) were produced to obtain a well extruded material with improved heat sealing properties. Reactive extrusion of poly-L-lactide was carried out in the presence of 0.1, 0.3 and 0.5 wt% of various peroxides [tert-butyl-peroxybenzoate (TBPB), 2,5-dimethyl-2,5-(tert-butylperoxy)-hexane (Lupersol 101; LOL1) and benzoyl peroxide (BPO)] at 190C. The peroxide-treated PLLAs showed increased complex viscosity and storage modulus at lower frequencies, indicating the formation of branched/cross linked architectures. The material property changes were dependent on the peroxide, and the used peroxide concentration. Gel fraction analysis showed that the peroxides, afforded different gel contents, and especially 0.5 wt% peroxide, produced both an extremely high molar mass, and a cross linked structure, not perhaps well suited for e.g. further use in a blending step. The thermal behavior was somewhat unexpected as the materials prepared with 0.5 wt% peroxide showed the highest ability for crystallization and cold crystallization, despite substantial cross linking. The peroxide-modified PLLA, i.e. PLLA melt extruded with 0.3 wt% of TBPB and LOL1 and 0.5 wt% BPO was added to linear PLLA in ratios of 5, 15 and 30 wt%. All blends showed increased zero shear viscosity, elastic nature (storage modulus) and shear sensitivity. All blends remained amorphous, though the ability of annealing was improved slightly. Extrusion coating on paperboard was conducted with PLLA, and peroxide-modified PLLA blends (90:10). All blends were processable, but only PLLA with 0.3 wt% of LOL1 afforded a smooth high quality surface with improved line speed. Adhesion levels between fiber and plastic, as well as heat seal performance were marginally reduced compared with pure 3051D. The water vapor transmission measurements (WVTR) of the blends containing LOL1 showed acceptable levels, only slightly lower than for comparable PLLA 3051D. A series of four-arm star-shaped poly-L-lactide (sPLLA) with different branch length was synthesized by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using pentaerythritol as initiator and stannous octoate as catalyst. The star-shaped polymers were further blended with its linear resin and studied for their melt flow and thermal properties. Blends containing 30 wt% of sPLLA with low molecular weight (30 wt%; Mwtotal: 2500 g mol-1 and 15000 g mol-1) showed lower zero shear viscosity and significantly increased shear thinning, while at the same time slightly increased crystallization of the blend. However, the amount of crystallization increased significantly with the higher molecular weight sPLLA, therefore the star-shaped structure may play a role as nucleating agent. PLLA-polyethylene glycol–PLLA triblock copolymers (PEGLA) with different PLLA block length were synthesized and their applicability as blends with linear PLLA (3051D NatureWorks) was investigated with the intention of improving heat-seal and adhesion properties of extrusion-coated paperboard. PLLA-PEG-PLLA was obtained by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using PEG (molecular weight 6000 g mol-1) as an initiator, and stannous octoate as catalyst. The structures of the PEGLAs were characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR). The melt flow and thermal properties of all PEGLAs and their blends were evaluated using dynamic rheology, and differential scanning calorimeter (DSC). All blends containing 30 wt% of PEGLAs showed slightly higher zero shear viscosity, higher shear thinning and increased melt elasticity (based on tan delta). Nevertheless, no significant changes in thermal properties were distinguished. High molecular weight PEGLAs were used in extrusion coating line with 3051D without problems.

Feasibility of industrial implementation of laser cutting into paper making machine

Laser cutting implementation possibilities into paper making machine was studied as the main objective of the work. Laser cutting technology application was considered as a replacement tool for conventional cutting methods used in paper making machines for longitudinal cutting such as edge trimming at different paper making process and tambour roll slitting. Laser cutting of paper was tested in 70’s for the first time. Since then, laser cutting and processing has been applied for paper materials with different level of success in industry. Laser cutting can be employed for longitudinal cutting of paper web in machine direction. The most common conventional cutting methods include water jet cutting and rotating slitting blades applied in paper making machines. Cutting with CO2 laser fulfils basic requirements for cutting quality, applicability to material and cutting speeds in all locations where longitudinal cutting is needed. Literature review provided description of advantages, disadvantages and challenges of laser technology when it was applied for cutting of paper material with particular attention to cutting of moving paper web. Based on studied laser cutting capabilities and problem definition of conventional cutting technologies, preliminary selection of the most promising application area was carried out. Laser cutting (trimming) of paper web edges in wet end was estimated to be the most promising area where it can be implemented. This assumption was made on the basis of rate of web breaks occurrence. It was found that up to 64 % of total number of web breaks occurred in wet end, particularly in location of so called open draws where paper web was transferred unsupported by wire or felt. Distribution of web breaks in machine cross direction revealed that defects of paper web edge was the main reason of tearing initiation and consequent web break. The assumption was made that laser cutting was capable of improvement of laser cut edge tensile strength due to high cutting quality and sealing effect of the edge after laser cutting. Studies of laser ablation of cellulose supported this claim. Linear energy needed for cutting was calculated with regard to paper web properties in intended laser cutting location. Calculated linear cutting energy was verified with series of laser cutting. Practically obtained laser energy needed for cutting deviated from calculated values. This could be explained by difference in heat transfer via radiation in laser cutting and different absorption characteristics of dry and moist paper material. Laser cut samples (both dry and moist (dry matter content about 25-40%)) were tested for strength properties. It was shown that tensile strength and strain break of laser cut samples are similar to corresponding values of non-laser cut samples. Chosen method, however, did not address tensile strength of laser cut edge in particular. Thus, the assumption of improving strength properties with laser cutting was not fully proved. Laser cutting effect on possible pollution of mill broke (recycling of trimmed edge) was carried out. Laser cut samples (both dry and moist) were tested on the content of dirt particles. The tests revealed that accumulation of dust particles on the surface of moist samples can take place. This has to be taken into account to prevent contamination of pulp suspension when trim waste is recycled. Material loss due to evaporation during laser cutting and amount of solid residues after cutting were evaluated. Edge trimming with laser would result in 0.25 kg/h of solid residues and 2.5 kg/h of lost material due to evaporation. Schemes of laser cutting implementation and needed laser equipment were discussed. Generally, laser cutting system would require two laser sources (one laser source for each cutting zone), set of beam transfer and focusing optics and cutting heads. In order to increase reliability of system, it was suggested that each laser source would have double capacity. That would allow to perform cutting employing one laser source working at full capacity for both cutting zones. Laser technology is in required level at the moment and do not require additional development. Moreover, capacity of speed increase is high due to availability high power laser sources what can support the tendency of speed increase of paper making machines. Laser cutting system would require special roll to maintain cutting. The scheme of such roll was proposed as well as roll integration into paper making machine. Laser cutting can be done in location of central roll in press section, before so-called open draw where many web breaks occur, where it has potential to improve runability of a paper making machine. Economic performance of laser cutting was done as comparison of laser cutting system and water jet cutting working in the same conditions. It was revealed that laser cutting would still be about two times more expensive compared to water jet cutting. This is mainly due to high investment cost of laser equipment and poor energy efficiency of CO2 lasers. Another factor is that laser cutting causes material loss due to evaporation whereas water jet cutting almost does not cause material loss. Despite difficulties of laser cutting implementation in paper making machine, its implementation can be beneficial. The crucial role in that is possibility to improve cut edge strength properties and consequently reduce number of web breaks. Capacity of laser cutting to maintain cutting speeds which exceed current speeds of paper making machines what is another argument to consider laser cutting technology in design of new high speed paper making machines.

Carponate precipitation with carbon dioxide gas

The aim of this thesis research work focused on the carbonate precipitation of magnesium using magnesium hydroxide Mg(OH)2 and carbon dioxide (CO2) gas at ambient temperature and pressure. The rate of dissolution of Mg(OH)2 and precipitation kinetics were investigated under different operating conditions. The conductivity and pH of the solution were inline monitored by a Consort meter and the solid samples gotten from the precipitation reaction were analysed by a laser diffraction analyzer Malvern Mastersizer to obtain particle size distributions (PSD) of crystal samples. Also the Mg2+ concentration profiles were determined from the liquid phase of the precipitate by ion chromatography (IC) analysis. Crystal morphology of the obtained precipitates were also investigated and discussed in this work. For the carbonation reaction of magnesium hydroxide in the present work, it was found that magnesium carbonate trihydrate (nesquehonite) was the main product and its formation occurred at a pH of around 7-8. The stirrer speed has a significant effect on the dissolution rate of Mg(OH)2. The highest obtained Mg2+ concentration level was 0.424 mol L-l for the 470 rpm and 0.387 mol L-1 for the 560 rpm which corresponded to the processing time of 45 mins and 40 mins respectively. The particle size distribution shows that the average particle size keeps increasing during the reaction as the CO2 is been fed to the system. The carbonation process is kinetically favored and simple as nesquehonite formation occurs in a very short time. It is a thermodynamically and chemically stable solid product, which allows for a long-term storage of CO2. Since the carbonation reaction is a complex system which includes dissolution of magnesium hydroxide particles, absorption of CO2, chemical reaction and crystallization, the dissolution of magnesium hydroxide was studied in hydrochloric acid (HCl) solvent with and without nitrogen (N2) inert gas. It was found on the dissolution part that the impeller speed had effect on the dissolution rate. The higher the impeller speed the higher the pH of the solution, although for the highest speed of 650rpm it was not the case. Therefore, it was concluded that the optimum speed of the stirrer was 560rpm. The influence of inert gas N2 on the dissolution rate of Mg(OH)2 particles could be seen based on measured pH, electric conductivity and Mg2+ concentration curves.

Structural and Mechanistic Studies of Phosphoserine Aminotransferase

Phosphoserine aminotrasferase (PSAT: EC 2.6.1.52) is a vitamin B6-dependent enzyme and a member of the subgroup IV in the aminotransferase superfamily. Here, X-ray crystallography was used to determine the structure of PSAT from Bacillus alcalophilus with pyridoxamine 5′-phosphate (PMP) at high resolution (1.57 Å). In addition, analysis of active residues and their conformational changes was performed. The structure is of good quality as indicated, for example, by the last recorded Rwork and Rfree numbers (0.1331 and 0.1495, respectively). The enzyme was initially crystallized in the presence of substrate L-glutamate with the idea to produce the enzyme-substrate complex. However, the structure determination revealed no glutamate bound at the active site. Instead, the Schiff base between Lys196 and PLP appeared broken, resulting in the formation of PMP owing to the excess of the donor substrate used during co-crystallization. Structural comparison with the free PSAT enzyme and the PSAR-PSER complex showed that the aromatic ring of the co-factor remains in almost the same place in all structures. A flexible nearby loop in the active site was found in the same position as in the free PSAT structure while in the PSAT-PSER structure it moves inwards to interact with PSER. B-factors comparison in all three structures (PSAT-PMP complex, free PSAT, and PSAT-PSER complex) showed elevated loop flexibility in the absence of the substrate, indicating that loop flexibility plays an important role during substrate binding. The reported structure provides mechanistic details into the reaction mechanism of PSAT and may help in understanding better the role of various parts in the structure towards the design of novel compounds as potential disruptors of PSAT function. This may lead to the development of new drugs which could target the human and bacterial PSAT active site.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.