Vaihtoehtotarkastelu tiehankkeiden ympäristövaikutusten arviointimenettelyssä ja sen merkitys tiehankkeita koskevassa päätöksenteossa

Tutkimus käsittelee YVA-lain mukaiseen ympäristövaikutusten arviointimenettelyyn (YVA-menettely) liittyvää vaihtoehtotarkastelua. Yleisessä vaihtoehtotarkastelua koskevassa osiossa selvitetään lainsäädännön asettamat vaihtoehtotarkastelua koskevat sisältövaatimukset. Tutkimuksen perusteella lainsäädäntö, mukaan lukien EY-oikeus, antaa vain vähän viitteitä siihen milloin vaihtoehtotarkastelu on riittävää. YVA:n laadunarvioinnissa ja siten myös vaihtoehtotarkastelun riittävyyden arvioinnissa yhteysviranomaiselle on annettu suuri rooli. Erilaisten YVA-menettelyä koskevien tutkimusten perusteella vaihtoehtojen valintaan ja vertailuun liittyen oli kuitenkin löydettävissä selkeät kriteerit, jotka määrittävät vaihtoehtotarkastelun laatua ja riittävyyttä. Tutkimuksen toisessa osiossa tarkastellaan vaihtoehtotarkasteluun liittyvää käytäntöä tiehankkeiden YVA-menettelyssä. Tutkimus perustuu tiehankkeiden YVA-menettelyä koskeviin oppaisiin, sekä neljään esimerkkihankkeeseen. Laadunarviointikriteerien perusteella tehdään myös esimerkkihankkeiden vaihtoehtojen valintaan ja vertailuun liittyvää laadunarviointia. Erityistä huomiota kiinnitetään sosiaalisten vaikutusten merkitykseen vaihtoehtotarkastelussa. Laadunarviointi tehdään esimerkkihankkeiden kirjallisten YVA-asiakirjojen pohjalta. Tiehankkeissa tarkasteltavat vaihtoehdot ovat yleensä erilaisia linjausvaihtoehtoja. Tästä syystä vaihtoehtotarkastelun merkitys korostuu tiehankkeissa, sillä vaihtoehtojen ympäristövaikutukset ovat usein hyvin erilaiset. Tutkimuksen perusteella YVA:n vaihtoehtotarkastelun avulla pyritään myös aidosti löytämään hankkeelle ympäristön kannalta paras vaihtoehto. Näin ollen tarkasteltavat vaihtoehdot ovat yleensä realistisia ja kaikki toteuttamiskelpoiset vaihtoehdot pyritään tutkimaan. Myös sosiaaliset vaikutukset huomioidaan muiden ympäristövaikutusten tapaan vaihtoehtotarkastelussa. Joitakin kehittämiskohteita tuli laadunarvioinnissa kuitenkin esille. Suurimmat puutteet vaihtoehtojen valinnassa koskevat vaihtoehtojen valinnan perusteluita. Vaihtoehtojen valinta tulisi perustella tarkemmin, jotta tiedetään esimerkiksi ovatko kaikki keskeiset vaihtoehdot tutkittu. Vaihtoehtojen vertailussa puutteena oli usein se, että tietoa vaihtoehdoista aiheutuvien vaikutusten merkittävyydestä ei ole esitetty. Nykyistä enemmän tulisi kiinnittää huomiota myös hankekokonaisuuteen sekä vaikutuksiin koko hankkeen elinkaaren ajalta. Tutkimuksen viimeisessä osiossa arvioidaan vaihtoehtotarkastelun merkitystä tiehankkei-den suunnittelussa ja erilaisissa lupapäätöksissä. Tutkimuksen perusteella tien yleissuunnitelmavaiheessa tehtävällä YVA:n vaihtoehtotarkastelulla on hyvät mahdollisuudet vaikuttaa hankkeen vaihtoehtojen muotoutumiseen. YVA:n vaihtoehtotarkastelulla on myös merkittävä rooli yleissuunnitelmaan valittavan vaihtoehdon valinnassa. Hankkeelle asetetut tarkat reunaehdot voivat kuitenkin rajoittaa vaihtoehtotarkastelun huomioonottamismahdollisuutta. Vaihtoehtotarkastelulla voi olla merkitystä myös tiehankkeiden lupapäätöksissä, mutta käytännössä tämän merkitys lienee vähäinen.

Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

Terpenoid transformations over gold catalysts

Nowadays biomass transformation has a great potential for the synthesis of value-added compounds with a wide range of applications. Terpenoids, extracted from biomass, are inexpensive and renewable raw materials which often have a biological activity and are widely used as important organic platform molecules in the development of new medicines as well as in the synthesis of fine chemicals and intermediates. At the same time, special attention is devoted to the application of gold catalysts to fine chemical synthesis due to their outstanding activity and/or selectivity for transformations of complex organic compounds. Conversion of renewable terpenoids in the presence of gold nanoparticles is one of the new and promising directions in the transformation of biomass to valuable chemicals. In the doctoral thesis, different kinds of natural terpenoids, such as α-pinene, myrtenol and carvone were selected as starting materials. Gold catalysts were utilized for the promising routes of these compounds transformation. Investigation of selective α-pinene isomerization to camphene, which is an important step in an industrial process towards the synthesis of camphor as well as other valuable substrates for the pharmaceutical industry, was performed. A high activity of heterogeneous gold catalysts in the Wagner-Meerwein rearrangement was demonstrated for the first time. Gold on alumina carrier was found to reach the α-pinene isomerization conversion up to 99.9% and the selectivity of 60-80%, thus making this catalyst very promising from an industrial viewpoint. A detailed investigation of kinetic regularities including catalyst deactivation during the reaction was performed. The one-pot terpene alcohol amination, which is a promising approach to the synthesis of valuable complex amines having specific physiological properties, was investigated. The general regularities of the one-pot natural myrtenol amination in the presence of gold catalysts as well as a correlation between catalytic activity, catalyst redox treatment and the support nature were obtained. Catalytic activity and product distribution were shown to be strongly dependent on the support properties, namely acidity and basicity. The gold-zirconia (Au/ZrO2) catalyst pretreated under oxidizing atmosphere was observed to be rather active, resulting in the total conversion of myrtenol and the selectivity to the corresponding amine of about 53%. The reaction kinetics was modelled based on the mechanistic considerations with the catalyst deactivation step incorporated in the mechanism. Carvone hydrogenation over a gold catalyst was studied with the general idea of investigating both the activity of gold catalysts in competitive hydrogenation of different functional groups and developing an approach to the synthesis of valuable carvone derivatives. Gold was found to promote stereo- and chemoselective carvone hydrogenation to dihydrocarvone with a predominant formation of the trans-isomer, which generally is a novel synthetic method for an industrially valuable dihydrocarvone. The solvent effect on the catalytic activity as well as on the ratio between trans- and cis-dihydrocarvone was evaluated.

Chemical derivatization of galactoglucomannan for functional materials

In the framework of the biorefinery concept researchers aspire to optimize the utilization of plant materials, such as agricultural wastes and wood. For most of the known processes, the first steps in the valorisation of biomass are the extraction and purification of the individual components. The obtained raw products by means of a controlled separation can consecutively be modified to result in biofuels or biogas for energy production, but also in value-added products such as additives and important building blocks for the chemical and material industries. Considerable efforts are undertaken in order to substitute the use of oil-based starting materials or at least minimize their processing for the production of everyday goods. Wood is one of the raw materials, which have gained large attention in the last decades and its composition has been studied in detail. Nowadays, the extraction of water-soluble hemicelluloses from wood is well known and so for example xylan can be obtained from hardwoods and O-acetyl galactoglucomannans (GGMs) from softwoods. The aim of this work was to develop water-soluble amphiphilic materials of GGM and to assess their potential use as additives. Furthermore, GGM was also applied as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels for the removal of toxic metals and metalloid ions from aqueous solutions. The distinguished products were obtained by several chemical approaches and analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), thermal gravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope SEM, among others. Bio-based surfactants were produced by applying GGM and different fatty acids as starting materials. On one hand, GGM-grafted-fatty acids were prepared by esterification and on the other hand, well-defined GGM-block-fatty acid derivatives were obtained by linking amino-functional fatty acids to the reducing end of GGM. The reaction conditions for the syntheses were optimized and the resultant amphiphilic GGM derivatives were evaluated concerning their ability to reduce the surface tension of water as surfactants. Furthermore, the block-structured derivatives were tested in respect to their applicability as additives for the surface modification of cellulosic materials. Besides the GGM surfactants with a bio-based hydrophilic and a bio-based hydrophobic part, also GGM block-structured derivatives with a synthetic hydrophobic tail, consisting of a polydimethylsiloxane chain, were prepared and assessed for the hydrophobization of surface of nanofibrillated cellulose films. In order to generate GGM block-structured derivatives containing a synthetic tail with distinguished physical and chemical properties, as well as a tailored chain length, a controlled polymerization method was used. Therefore, firstly an initiator group was introduced at the reducing end of the GGM and consecutively single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP) was performed by applying three different monomers in individual reactions. For the accomplishment of the synthesis and the analysis of the products, challenges related to the solubility of the reactants had to be overcome. Overall, a synthesis route for the production of GGM block-copolymers bearing different synthetic polymer chains was developed and several derivatives were obtained. Moreover, GGM with different molar masses were, after modification, used as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels. Hereby, a cationic monomer was used during the free radical polymerization and the resultant hydrogels were successfully tested for the removal of chromium and arsenic ions from aqueous solutions. The hydrogel synthesis was tailored and materials with distinguished physical properties, such as the swelling rate, were obtained after purification. The results generated in this work underline the potential of bio-based products and the urge to continue carrying out research in order to be able to use more green chemicals for the manufacturing of biorenewable and biodegradable daily products.

Electrical Safety of Island Operated Low Voltage DC Network

Today, renewable energy technologies and modern power electronics have made it feasible to implement low voltage direct current (LVDC) microgrids (MGs) ca-pable to island operation. Such LVDC networks are particularly useful in remote areas. However, there are still pending issues in island operated LVDC MGs like electrical safety and controlled operation, which should be addressed before wide-scale implementation. This thesis is focused on the overall protection of an island operated LVDC network concept, including protection against electrical shocks, mains equipment protection and protection of photovoltaic (PV) power sources and battery energy storage systems (BESSs). The topic is approached through ex-amination of the safety hazards and the appropriate methods to protect against them, comprising considerations for earthing system selection and realisation of the protection system.