Paper- and membrane-based ion-modulated electronics

Avhandlingen handlar om pappers- och membranbaserad jonmodulerad elektronik. Målet med forskningen har varit att utveckla billig, miljövänlig och brännbar elektronik, som kan användas i vardagliga engångsprodukter. Baskomponenterna som utvecklas och presenteras i avhandlingen är transistorer och kondensatorer. Mer komplicerad logisk kretselektronik demonstreras också med hjälp av dessa komponenter. Substraten som utnyttjas vid framställningen av dessa elektroniska komponenter är papper och membran. Dessa substrat är flexibla, hållbara, billiga, miljövänliga, etc. och därför väl anpassade för befintliga tryckteknologier. Själva baskomponenterna framställs sedan på dessa substrat genom att trycka flera skikt på varandra, där varje enskilt skikt är ett individuellt material. Detta är möjligt eftersom de organiska materialen som används i dessa komponenter är upplösta i ett lösningsmedel och kan därmed tryckas på samma sätt som ett vanligt bläck. Ett tredimensionellt objekt kan på detta sätt framställas. I avhandlingen presenteras flera olika typer av transistorer, men den gemensamma nämnaren bland dessa är att isolatorn är en jonledare. Denna, ganska ovanliga, transistormodellen har den stora fördelen att lågspänningskomponenter kan relativt enkelt framställas. Det som är speciellt med våra transistorer är att vi har använt miljövänliga jonledare. Detta, bl.a., leder till att våra komponenter visar både god prestanda, tillika som de är miljövänliga. I avhandlingen demonstrerar vi även tryckta superkondensatorer, en motsvarighet till laddningsbara batterier, konstruerade på papper med aktiverat kol och miljövänliga jonledare. De mest komplicerade logiska kretsar som demonstreras i denna avhandling är ring-oscillatorer och 1-bits-minnen konstruerade på papper. --------------------------------------------- Väitöskirja käsittelee paperille ja polymeerikalvolle tulostettua ionimoduloitua elektroniikkaa. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää edullista, ympäristöystävällistä ja polttokelpoista elektroniikkaa, jota voidaan käyttää esim. tavanomaisissa kertakäyttötuotteissa. Väitöskirjassa esitellään erilaisia transistoreita ja kondensaattoreita. Näitä elektronisia peruskomponentteja käyttäen demonstroidaan myös monimutkaisempia loogisia piirejä. Komponenttien valmistuksessa alustana käytettiin paperia ja polymeerikalvoa. Valitut alustat ovat joustavia ja kestäviä, ja ovat siksi hyvin yhteensopivia olemassa olevien tulostusmenetelmien kanssa. Peruskomponentit valmistettiin tulostamalla eri materiaaleja päällekkäin. Komponenteissa käytettävät orgaaniset aineet ovat liuenneessa muodossa musteessa, joka voidaan tulostaa samalla periaatteella kuin mikä tahansa normaali muste. Tällä menetelmällä voidaan valmistaa myös kolmiulotteisia tuotteita. Väitöskirjassa esitellään useita erityyppisiä transistoreita, joissa yhdistävänä tekijänä on ionisesti johtava eriste. Tällaista suhteellisen harvinaista transistorityyppiä käyttämällä voidaan mahdollistaa matala-jännitteisten komponenttien yksinkertainen valmistus. Valmistettujen transistoreiden etu on ionisten nesteiden ympäristöystävällisyys. Elektroniset komponentit ovat täten hyviä suorituskyvyltään, mutteivät haitallisia ympäristölle. Väitöskirjassa demonstroidaan myös tulostettujen superkondensaattoreiden, eli ladattavien paristojen vastineiden, valmistus paperille aktiivihiiltä ja ionisia nesteitä käyttäen. Kaikkein monimutkaisimmat loogiset piirit, jotka tässä väitöskirjassa esitellään, ovat rengasoskillaattorit sekä 1-bittinen paperille valmistettu muisti.

Carbon footprint of recycled paper

Industrial production of pulp and paper is an intensive consumer of energy, natural resources, and chemicals that result in a big carbon footprint of the final product. At present companies and industries aspire to calculate their gas emissions into the atmosphere in order to afterwards reduce atmospheric contamination. One of the approaches allowing to increase carbon burden from the pulp and paper manufacture is paper recycling. The general purpose of the current paper is to establish methods of quantifying and minimizing the carbon footprint of paper. The first target of this research is to derive a mathematical relationship between virgin fibre requirements with respect to the amount of recycled paper used in the pulp. One more purpose is to establish a model to be used to clarify the contribution of recycling and transportation to decreasing carbon dioxide emissions. For this study sensitivity analysis is used to investigate the robustness of obtained results. The results of the present study show that an increasing of recycling rate does not always lead to minimizing the carbon footprint. Additionally, we derived that transportation of waste paper throughout distances longer than 5800 km has no sense because the use of that paper will only increase carbon dioxide emissions and it is better to reject recycling at all. Finally, we designed the model for organization of a new supply chain of paper product to a customer. The models were implemented as reusable MATLAB frameworks.

Modelling the exothermic heat and the demand of cooling in paper and pulp industry biological wastewater treatment

This master thesis presents a study on the requisite cooling of an activated sludge process in paper and pulp industry. The energy consumption of paper and pulp industry and it’s wastewater treatment plant in particular is relatively high. It is therefore useful to understand the wastewater treatment process of such industries. The activated sludge process is a biological mechanism which degrades carbonaceous compounds that are present in waste. The modified activated sludge model constructed here aims to imitate the bio-kinetics of an activated sludge process. However, due to the complicated non-linear behavior of the biological process, modelling this system is laborious and intriguing. We attempt to find a system solution first using steady-state modelling of Activated Sludge Model number 1 (ASM1), approached by Euler’s method and an ordinary differential equation solver. Furthermore, an enthalpy study of paper and pulp industry’s vital pollutants was carried out and applied to revise the temperature shift over a period of time to formulate the operation of cooling water. This finding will lead to a forecast of the plant process execution in a cost-effective manner and management of effluent efficiency. The final stage of the thesis was achieved by optimizing the steady state of ASM1.