Application of cerium oxide thin films grown by atomic layer deposition for soot removal

The objective of the thesis is to study cerium oxide thin films grown by the atomic layer deposition (ALD) for soot removal. Cerium oxide is one of the most important heterogeneous catalysts and can be used in particulate filters and sensors in a diesel exhaust pipe. Its redox/oxidation properties are a key factor in soot oxidation. Thus, the cerium oxide coating can help to keep particulate filters and sensors clean permanently. The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated. Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies.

Influence of surface functionalization on the behavior of silica nanoparticles in biological systems

Personalized nanomedicine has been shown to provide advantages over traditional clinical imaging, diagnosis, and conventional medical treatment. Using nanoparticles can enhance and clarify the clinical targeting and imaging, and lead them exactly to the place in the body that is the goal of treatment. At the same time, one can reduce the side effects that usually occur in the parts of the body that are not targets for treatment. Nanoparticles are of a size that can penetrate into cells. Their surface functionalization offers a way to increase their sensitivity when detecting target molecules. In addition, it increases the potential for flexibility in particle design, their therapeutic function, and variation possibilities in diagnostics. Mesoporous nanoparticles of amorphous silica have attractive physical and chemical characteristics such as particle morphology, controllable pore size, and high surface area and pore volume. Additionally, the surface functionalization of silica nanoparticles is relatively straightforward, which enables optimization of the interaction between the particles and the biological system. The main goal of this study was to prepare traceable and targetable silica nanoparticles for medical applications with a special focus on particle dispersion stability, biocompatibility, and targeting capabilities. Nanoparticle properties are highly particle-size dependent and a good dispersion stability is a prerequisite for active therapeutic and diagnostic agents. In the study it was shown that traceable streptavidin-conjugated silica nanoparticles which exhibit a good dispersibility could be obtained by the suitable choice of a proper surface functionalization route. Theranostic nanoparticles should exhibit sufficient hydrolytic stability to effectively carry the medicine to the target cells after which they should disintegrate and dissolve. Furthermore, the surface groups should stay at the particle surface until the particle has been internalized by the cell in order to optimize cell specificity. Model particles with fluorescently-labeled regions were tested in vitro using light microscopy and image processing technology, which allowed a detailed study of the disintegration and dissolution process. The study showed that nanoparticles degrade more slowly outside, as compared to inside the cell. The main advantage of theranostic agents is their successful targeting in vitro and in vivo. Non-porous nanoparticles using monoclonal antibodies as guiding ligands were tested in vitro in order to follow their targeting ability and internalization. In addition to the targeting that was found successful, a specific internalization route for the particles could be detected. In the last part of the study, the objective was to clarify the feasibility of traceable mesoporous silica nanoparticles, loaded with a hydrophobic cancer drug, being applied for targeted drug delivery in vitro and in vivo. Particles were provided with a small molecular targeting ligand. In the study a significantly higher therapeutic effect could be achieved with nanoparticles compared to free drug. The nanoparticles were biocompatible and stayed in the tumor for a longer time than a free medicine did, before being eliminated by renal excretion. Overall, the results showed that mesoporous silica nanoparticles are biocompatible, biodegradable drug carriers and that cell specificity can be achieved both in vitro and in vivo.

Metal oxides prepared through the nanocasting approach-mechanistic study, surface interactions and applications in separation

Mesoporous metal oxides are nowadays widely used in various technological applications, for instance in catalysis, biomolecular separations and drug delivery. A popular technique used to synthesize mesoporous metal oxides is the nanocasting process. Mesoporous metal oxide replicas are obtained from the impregnation of a porous template with a metal oxide precursor followed by thermal treatment and removal of the template by etching in NaOH or HF solutions. In a similar manner to the traditional casting wherein the product inherits the features of the mold, the metal oxide replicas are supposed to have an inverse structure of the starting porous template. This is however not the case, as broken or deformed particles and other structural defects have all been experienced during nanocasting experiments. Although the nanocasting technique is widely used, not all the processing steps are well understood. Questions over the fidelity of replication and morphology control are yet to be adequately answered. This work therefore attempts to answer some of these questions by elucidating the nanocasting process, pin pointing the crucial steps involved and how to harness this knowledge in making wholesome replicas which are a true replication of the starting templates. The rich surface chemistry of mesoporous metal oxides is an important reason why they are widely used in applications such as catalysis, biomolecular separation, etc. At times the surface is modified or functionalized with organic species for stability or for a particular application. In this work, nanocast metal oxides (TiO2, ZrO2 and SnO2) and SiO2 were modified with amino-containing molecules using four different approaches, namely (a) covalent bonding of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), (b) adsorption of 2-aminoethyl dihydrogen phosphate (AEDP), (c) surface polymerization of aziridine and (d) adsorption of poly(ethylenimine) (PEI) through electrostatic interactions. Afterwards, the hydrolytic stability of each functionalization was investigated at pH 2 and 10 by zeta potential measurements. The modifications were successful except for the AEDP approach which was unable to produce efficient amino-modification on any of the metal oxides used. The APTES, aziridine and PEI amino-modifications were fairly stable at pH 10 for all the metal oxides tested while only AZ and PEI modified-SnO2 were stable at pH 2 after 40 h. Furthermore, the functionalized metal oxides (SiO2, Mn2O3, ZrO2 and SnO2) were packed into columns for capillary liquid chromatography (CLC) and capillary electrochromatography (CEC). Among the functionalized metal oxides, aziridinefunctionalized SiO2, (SiO2-AZ) showed good chemical stability, and was the most useful packing material in both CLC and CEC. Lastly, nanocast metal oxides were synthesized for phosphopeptide enrichment which is a technique used to enrich phosphorylated proteins in biological samples prior to mass spectrometry analysis. By using the nanocasting technique to prepare the metal oxides, the surface area was controlled within a range of 42-75 m2/g thereby enabling an objective comparison of the metal oxides. The binding characteristics of these metal oxides were compared by using samples with different levels of complexity such as synthetic peptides and cell lysates. The results show that nanocast TiO2, ZrO2, Fe2O3 and In2O3 have comparable binding characteristics. Furthermore, In2O3 which is a novel material in phosphopeptide enrichment applications performed comparably with standard TiO2 which is the benchmark for such phosphopeptide enrichment procedures. The performance of the metal oxides was explained by ranking the metal oxides according to their isoelectric points and acidity. Overall, the clarification of the nanocasting process provided in this work will aid the synthesis of metal oxides with true fidelity of replication. Also, the different applications of the metal oxides based on their surface interactions and binding characteristics show the versatility of metal oxide materials. Some of these results can form the basis from which further applications and protocols can be developed.

Water vapor tightness of packages: methods and optimizing

Työn tarkoituksena oli testata jo tutkimuskeskuksella käytössä ollutta ja tutkimuskeskukselle tässä työssä kehitettyä pakkauksen vesihöyrytiiveyteen liittyvää mittausmenetelmää. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään sekä materiaalista mitattuihin arvoihin. Elintarvikepakkauksia tutkittiin myös kosteussensoreiden, säilyvyyskokeen sekä kuljetussimuloinnin avulla. Optimoinnilla tutkittiin pakkauksen muodon vaikutusta vesihöyrytiiveyteen. Pakkauksen vesihöyrynläpäisyn mittaamiseen kehitetty menetelmä toimi hyvin ja sen toistettavuus oli hyvä. Verrattaessa sitä jo olemassa olleeseen menetelmään tulokseksi saatiin, että uusi menetelmä oli nopeampi ja vaati vähemmän työaikaa, mutta molemmat menetelmät antoivat hyviä arvoja rinnakkaisille näytteille. Kosteussensoreilla voitiin tutkia tyhjän pakkauksen sisällä olevan kosteuden muutoksia säilytyksen aikana. Säilyvyystesti tehtiin muroilla ja parhaan vesihöyrysuojan antoivat pakkaukset joissa oli alumiinilaminaatti- tai metalloitu OPP kerros. Kuljetustestauksen ensimmäisessä testissä pakkauksiin pakattiin muroja ja toisessa testissä nuudeleita. Kuljetussimuloinnilla ei ollutvaikutusta pakkausten sisäpintojen eheyteen eikä siten pakkausten vesihöyrytiiveyteen. Optimoinnilla vertailtiin eri muotoisten pakkausten tilavuus/pinta-ala suhdetta ja vesihöyrytiiveyden riippuvuutta pinta-alasta. Optimaalisimmaksi pakkaukseksi saatiin pallo, jonka pinta-ala oli pienin ja materiaalin sallima vesihöyrynläpäisy suurin ja vesihöyrybarrierin määrä pienin.

Natriumsilikaatin liuotuslaitoksen kapasiteetin nosto

Tässä työssä tutkittiin natriumsilikaatin (vesilasi) liuotukseen ja suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Työssä pyrittiin optimoimaan natriumsilikaatin liuotus- ja suodatuskapasiteetti J. M. Huber Finland Oy:n Haminan tehtaan liuotuslaitoksella. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kiinteän natriumsilikaatin ja natriumsilikaatin vesiliuoksen ominaisuuksiin, sekä käsiteltiin soveltuvin osin liuotuksen ja suodatuksen teoriaa. Kokeellisessa osassa vertailtiin kahden eri valmistajan natriumsilikaatteja toisiinsa, sekä pyrittiin löytämään molemmille laseille optimaalisimmat prosessiparametrit liuotus- ja suodatuskokeiden avulla. Erilaisia prosessiparametreja ja ajotapoja testattiin tehdasmittakaavan koeajoilla todellisilla prosessilaitteilla. Eri natriumsilikaattien vertailu tehtiin tehdasmittakaavan koeajojen sekä laboratorioanalyysien avulla. Koeajojen tulosten perusteella Taavetista toimitettu vesilasi liukenee nopeammin kuin Puolasta toimitettu ostolasi, mutta puolalaisesta lasista liuotettu silikaatti suodattuu helpommin kuin Taavetin lasista liuotettu silikaatti. Liukenemisnopeuden eroon selitettävissä Taavetin lasin suuremmalla ominaispinta-alalla sekä hauraammalla rakenteella. Suodatuseroon ei löytynyt yksiselitteistä syytä, joten sen löytämiseksi vaadittaisiin jatkotutkimuksia. Kokeiden perusteellaparas keino puolalaisen lasin liuotuksen nopeuttamiseen olisi pitää liuotussäiliön lasiylimäärä mahdollisimman korkeana jokaisessa panoksessa ja nopeuttaa liuotussäiliön panostusta lasin ja veden yhtäaikaisella annostelulla. Tulosten perusteella paras keino Taavetin lasista liuotetun silikaatin suodatuksen helpottamiseen olisi laskea liuoksen tavoitetiheyttä nykyisestä arvostaan, jolloin viskositeetti pienenee merkittävästi ja suodatus onnistuu liuotuslaitoksen kapasiteetin kannalta paremmin. Edellä mainituilla ajotavoilla tehtyjen koeajojen perusteella, molemmilla laseilla on mahdollista päästä 150 MT/d tavoitekapasiteettiin, mutta varmin tapa kyseisen kapasiteetin saavuttamiseksi olisi lisätä suodatuskapasiteettia investoimalla toiseen silikaattisuodattimeen.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Polymeeriadsorbenttien käyttö kromatografisessa erotuksessa

Polymeeriadsorbentteja valmistetaan silloittamalla styreeniä, akrylaattia tai fenoliformaldehydiä. Useimmiten ristisilloittajana toimii divinyylibentseeni. Polymeeriadsorbenteissa ei itsessään ole ioninvaihtoryhmiä, joten ne sopivat ionittomien ja heikosti ionisoitujen aineiden adsorptioon. Usein polymeeriadsorbentteja käytetään vaihtoehtona aktiivihiilelle eri sovelluksissa. Työn kirjallisuusosassa on katsaus polymeeriadsorbenttien sovelluksiin lähinnä elintarviketeollisuudessa. Lisäksi siinä selvitetään polymeeriadsorbenttien rakennetta ja synteesimenetelmiä. Kokeellisessa osassa tutkittiin valittujen styreeni- ja akrylaattipohjaisten polymeeriadsorbenttien soveltuvuutta kromatografisen erotuksen stationaarifaasiksi. Kromatografia-ajoissa käytettiin eluenttina vettä, jonka lämpötila oli pääasiassa joko 75 tai 125 °C. Jälkimmäisessä lämpötilassa vesi on paineistettua neste, jota kutsutaan myös alikriittiseksi vedeksi. Malliaineina oli eri sokereita, aminohappoja sekä bentsoehappoa ja bentsyylialkoholia. Kromatografisen soveltuvuuden lisäksi selvitettiin adsorbenttien termistä kestävyyttä ja rakennetta. Termisesti polymeeriadsorbentit kestivät hyvin lämpötiloja 125 °C:eseen saakka. Polymeeriadsorbenteilla, joilla on suuri ominaispinta-ala, on myös suuri adsorptiokapasiteetti. Styreenipohjaiset adsorbentit erottivat kaikkia tutkittuja malliaineita akrylaattipohjaisia paremmin. Jotkut adsorbentit eivät erottaneet mitään tutkituista yhdisteistä. Lämpötilan nostaminen kavensi piikkejä ja nopeutti malliaineiden retentoitumista, mutta ei parantanut erottumista.

DSA-elektrodien testaaminen kulumisen arvioimiseksi

Työn tavoitteena oli tutkia eri mittausmenetelmillä metallipinnoitettujen elektrodien kulumista kulumiskokeiden aikana. Mittausmenetelminä olivat käytössä syklinen voltammetria, polarisaatiokäyrän määritys ja sähkökemiallinen impedanssispektrometria, jotka olivat offline-mittausmenetelmiä. Näiden menetelmien avulla pystyttiin seuraamaan yksittäisten elektrodien kulumista ajon aikana. Elektrodin pinnoitteen alkuaineiden pitoisuuksia tutkittiin myös elektronimikroskoopin röntgenspektrometrin avulla. Työn aikana tehdyissä kulumiskokeista havaittiin elektrodin kuluvan sitä nopeammin mitä suurempi on virrantiheys. Työssä tehtyjen elektronimikroskooppikokeiden avulla havaittiin, että harvinaisten metallien seostaminen pinnoitteeseen pidentää metallipinnoitetun elektrodin käyttöikää. Syklisen voltammetrian avulla pystyttiin seuraamaan elektrodin pinta-alan muuttumista ajon aikana. Työssä käytettyjen kulumiskokeiden avulla ei suoranaisesti pystytty määrittämään elektrodin jäljellä olevaa elinikää.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

Nanoparticle Labels in Bioaffinity Assays

Nanoparticles offer adjustable and expandable reactive surface area compared to the more traditional solid phase forms utilized in bioaffinity assays due to the high surface to-volume ratio. The versatility of nanoparticles is further improved by the ability to incorporate various molecular complexes such as luminophores into the core. Nanoparticle labels composed of polystyrene, silica, inorganic crystals doped with high number of luminophores, preferably lanthanide(III) complexes, are employed in bioaffinity assays. Other label species such as semiconductor crystals (quantum dots) or colloidal gold clusters are also utilized. The surface derivatization of such particles with biomolecules is crucial for the applicability to bioaffinity assays. The effectiveness of a coating is reliant on the biomolecule and particle surface characteristics and the selected coupling technique. The most critical aspects of the particle labels in bioaffinity assays are their size-dependent features. For polystyrene, silica and inorganic phosphor particles, these include the kinetics, specific activity and colloidal stability. For quantum dots and gold colloids, the spectral properties are also dependent on particle size. This study reports the utilization of europium(III)-chelate-embedded nanoparticle labels in the development of bioaffinity assays. The experimental covers both the heterogeneous and homogeneous assay formats elucidating the wide applicability of the nanoparticles. It was revealed that the employment of europium(III) nanoparticles in heterogeneous assays for viral antigens, adenovirus hexon and hepatitis B surface antigen (HBsAg), resulted in sensitivity improvement of 10-1000 fold compared to the reference methods. This improvement was attributed to the extreme specific activity and enhanced monovalent affinity of the nanoparticles conjugates. The applicability of europium(III)-chelate-doped nanoparticles to homogeneous assay formats were proved in two completely different experimental settings; assays based on immunological recognition or proteolytic activity. It was shown that in addition to small molecule acceptors, particulate acceptors may also be employed due to the high specific activity of the particles promoting proximity-induced reabsorptive energy transfer in addition to non-radiative energy transfer. The principle of proteolytic activity assay relied on a novel dual-step FRET concept, wherein the streptavidin-derivatized europium(III)-chelate-doped nanoparticles were used as donors for peptide substrates modified with biotin and terminal europium emission compliant primary acceptor and a secondary quencher acceptor. The recorded sensitized emission was proportional to the enzyme activity, and the assay response to various inhibitor doses was in agreement with those found in literature showing the feasibility of the technique. Experiments regarding the impact of donor particle size on the extent of direct donor fluorescence and reabsorptive excitation interference in a FRET-based application was conducted with differently sized europium(III)-chelate-doped nanoparticles. It was shown that the size effect was minimal

Size Effect and Notch Size Effect in Metal Fatigue

It is a well known phenomenon that the constant amplitude fatigue limit of a large component is lower than the fatigue limit of a small specimen made of the same material. In notched components the opposite occurs: the fatigue limit defined as the maximum stress at the notch is higher than that achieved with smooth specimens. These two effects have been taken into account in most design handbooks with the help of experimental formulas or design curves. The basic idea of this study is that the size effect can mainly be explained by the statistical size effect. A component subjected to an alternating load can be assumed to form a sample of initiated cracks at the end of the crack initiation phase. The size of the sample depends on the size of the specimen in question. The main objective of this study is to develop a statistical model for the estimation of this kind of size effect. It was shown that the size of a sample of initiated cracks shall be based on the stressed surface area of the specimen. In case of varying stress distribution, an effective stress area must be calculated. It is based on the decreasing probability of equally sized initiated cracks at lower stress level. If the distribution function of the parent population of cracks is known, the distribution of the maximum crack size in a sample can be defined. This makes it possible to calculate an estimate of the largest expected crack in any sample size. The estimate of the fatigue limit can now be calculated with the help of the linear elastic fracture mechanics. In notched components another source of size effect has to be taken into account. If we think about two specimens which have similar shape, but the size is different, it can be seen that the stress gradient in the smaller specimen is steeper. If there is an initiated crack in both of them, the stress intensity factor at the crack in the larger specimen is higher. The second goal of this thesis is to create a calculation method for this factor which is called the geometric size effect. The proposed method for the calculation of the geometric size effect is also based on the use of the linear elastic fracture mechanics. It is possible to calculate an accurate value of the stress intensity factor in a non linear stress field using weight functions. The calculated stress intensity factor values at the initiated crack can be compared to the corresponding stress intensity factor due to constant stress. The notch size effect is calculated as the ratio of these stress intensity factors. The presented methods were tested against experimental results taken from three German doctoral works. Two candidates for the parent population of initiated cracks were found: the Weibull distribution and the log normal distribution. Both of them can be used successfully for the prediction of the statistical size effect for smooth specimens. In case of notched components the geometric size effect due to the stress gradient shall be combined with the statistical size effect. The proposed method gives good results as long as the notch in question is blunt enough. For very sharp notches, stress concentration factor about 5 or higher, the method does not give sufficient results. It was shown that the plastic portion of the strain becomes quite high at the root of this kind of notches. The use of the linear elastic fracture mechanics becomes therefore questionable.

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.

Biochemical Modification of Thermomechanical Pulp Fibers

The first objective of this study was to find out reliable laboratory methods to predict the effect of enzymes on specific energy consumption and fiber properties of TMP pulp. The second one was to find with interactive software called “Knowledge discovery in databases” enzymes or other additives that can be used in finding a solution to reduce energy consumption of TMP pulp. The chemical composition of wood and enzymes, which have activity on main wood components were presented in the literature part of the work. The results of previous research in energy reduction of TMP process with enzymes were also highlighted. The main principles of knowledge discovery have been included in literature part too. The experimental part of the work contains the methods description in which the standard size chip, crushed chip and fiberized spruce chip (fiberized pulp) were used. Different types of enzymatic treatment with different dosages and time were tested during the experiments and showed. Pectinase, endoglucanase and mixture of enzymes were used for evaluation of method reliability. The fines content and fiber length of pulp was measured and used as evidence of enzymes' effect. The refining method with “Bauer” laboratory disc refiner was evaluated as not highly reliable. It was not able to provide high repeatability of results, because of uncontrolled feeding capacity and refining consistency. The refining method with Valley refiner did not have a lot of variables and showed stable and repeatable results in energy saving. The results of experiments showed that efficient enzymes impregnation is probably the main target with enzymes application for energy saving. During the work the fiberized pulp showed high accessibility to enzymatic treatment and liquid penetration without special impregnating equipment. The reason was that fiberized pulp has larger wood surface area and thereby the contact area between the enzymatic solution and wood is also larger. Standard size chip and crushed chip treatment without special impregnator of enzymatic solution was evaluated as not efficient and did not show visible, repeatable results in energy consumption decrease. Thereby it was concluded that using of fiberized pulp and Valley refiner for measurements of enzymes' effectiveness in SEC decrease is more suitable than normal size chip and crushed chip with “Bauer” refiner. Endoglucanase with 5 kg/t dosage showed about 20% energy consumption decrease. Mixture of enzymes with 1.5 kg/t dosage showed about 15% decrease of energy consumption during the refining. Pectinase at different dosages and treatment times did not show significant effect on energy consumption. Results of knowledge discovery in databases showed the xylanase, cellulase and pectinase blend as most promising for energy reduction in TMP process. Surfactants were determined as effective additives for energy saving with enzymes.