Suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaaminen metyylisalisylaatilla -mittaus- ja analyysimenetelmien kehittäminen ja validointi

Tässä diplomityössä kehitettiin mittaus- ja analyysimenetelmät suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testaamiseksi sekä neste- että kaasumaisella metyylisalisylaatilla. Kehitystyö tehtiin standardin SFS-EN ISO 6529 pohjalta. Tämä standardi kuvaa kuitenkin varsin yleisellä tasolla suojavaatemateriaalien kemikaaliläpäisevyyden testimenetelmät, eikä se ole mikään tarkka työohje. Näytteenotto- ja analyysimenetelmät joudutaan siis valitsemaan sekä validoimaan jokaiselle kemikaalille erikseen, tässä tapauksessa metyylisalisylaatille. Työn tarkoituksena oli kehittää toimivat menetelmät ja laitteistot siten, että olisi mahdollista suorittaa metyylisalisylaatin määritys on-line mittauksena läpäisytestauksessa. Läpäisytestaustoiminnan nopeuttamiseksi työssä myös suunniteltiin ja rakennettiin laitteistot kolmen rinnakkaisen testikennon yhdenaikaista testausta varten sekä kaasumaisen että nestemäisen metyylisalisylaatin ollessa testikemikaalina. Havaittiin, että UV/VIS-spektrofotometri varustettuna läpivirtauskyvetillä ja näyteenottopumpulla on toimiva ja käyttökelpoinen analyysimenetelmä metyylisalisylaatin määrittämiseen nesteistä on-line mittauksena läpäisyn testauksessa. Kaasumaisen metyylisalisylaatin tapauksessa määritysmenetelmänä päädyttiin käyttämään kokonaishiilivetyanalysaattoria, joka on varustettu liekki-ionisaatiodetektorilla. Molemmissa tapauksissa saatiin aikaan toimivat ja on-line mittauksiin kykenevät näytteenotto- ja määritysmenetelmät, joilla loppukäyttäjä voi suorittaa laajempaa läpäisytestausta.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.

Development of new halogen-free and multifunctional flame retardants

I avhandlingen undersöktes nya typer av halogenfria flamskyddsmedel. De utvecklade azoalkanföreningarna skyddar polypropenplaster mot brand även i små halter och kan samtidigt förbättra plasternas övriga egenskaper. Undersökningen har medfört viktigt kunnande i övergången från effektiva men på flera sätt problematiska bromerade flamskyddsmedel mot miljövänligare alternativ. I Auberts undersökningar framkom att speciellt symmetriska cykliska azoalkaner, såsom dicyklohexylazoföreningar, uppvisar goda flamskyddande egenskaper i polypropenprodukter. Betydande flamskydd uppnåddes vid anmärkningsvärt låga koncentrationer av föreningarna (0,5-2 vikts-%) och formuleringarna klarar DIN 4102 B2-standardtestet som mäter brandsäkerheten i byggprodukter. I doktorsavhandlingen syntetiserades även en ny, innovativ radikalgenerator, bis(1-propyloxy-2,2,6,6-tetrametylpiperidyl)-4-diazen (AZONOR), som klarade av förutom det ovannämnda testet även NF P92-505- samt det mera krävande UL 94 VTM-2-standardtestet. Förutom flamskyddande verkan uppvisade denna multifunktionella förening ett utmärkt UV-skydd i polypropenplaster. Även efter 2000 timmar av föråldring i klimatkammare kunde ingen betydande minskning av flamskyddsmedlets effekt eller förvittring av polymerfilmen observeras. Konsumtionen av plastprodukter håller på att öka. För att kunna uppfylla de nutida kraven på brandsäkerhet bör man tillsätta flamskyddsmedel till de i sig mycket brandfarliga plasterna. Internationellt forskas det mycket i att finna ersättande produkter för de allmänt använda bromerade flamskyddsmedlen. I Auberts undersökning hittades välfungerande och till sina bieffekter lindrigare föreningar för att ersätta bromerade medel. De nya föreningarna har väckt stort intresse inom den akademiska och företagsvärlden.

New families of highly efficient, halogen-free flame retardants for polypropylene (PP)

The driving forces for current research of flame retardants are increased fire safety in combination with flame retardant formulations that fulfill the criteria of sustainable production and products. In recent years, important questions about the environmental safety of antimony, and in particular, brominated flame retardants have been raised. As a consequence of this, the current doctoral thesis work describes efforts to develop new halogen-free flame retardants that are based on various radical generators and phosphorous compounds. The investigation was first focused on compounds that are capable of generating alkyl radicals in order to study their role on flame retardancy of polypropylene. The family of azoalkanes was selected as the cleanest and most convenient source of free alkyl radicals. Therefore, a number of symmetrical and unsymmetrical azoalkanes of the general formula R-N=N-R’ were prepared. The experimental results show that in the series of different sized azocycloalkanes the flame retardant efficacy decreased in the following order: R = R´= cyclohexyl > cyclopentyl > cyclobutyl > cyclooctanyl > cyclododecanyl. However, in the series of aliphatic azoalkanes compounds, the efficacy decreased as followed: R = R´= n-alkyl > tert-butyl > tert-octyl. The most striking difference in flame retardant efficacy was observed in thick polypropylene plaques of 1 mm, e.g. azocyclohexane (AZO) had a much better flame retardant performance than did the commercial reference FR (Flamestab® NOR116) in thick PP sections. In addition, some of the prepared azoalkane flame retardants e.g. 4’4- bis(cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) exhibited non-burning dripping behavior. Extrusion coating experiments of flame retarded low density polyethylene (LDPE) onto a standard machine finished Kraft paper were carried out in order to investigate the potential of azoalkanes in multilayer facings. The results show that azocyclohexane (AZO) and 4’4-bis (cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) can significantly improve the flame retardant properties of low density polyethylene coated paper already at 0.5 wt.% loadings, provided that the maximum extrusion temperature of 260 oC is not exceeded and coating weight is kept low at 13 g/m2. In addition, various triazene-based flame retardants (RN1=N2-N3R’R’’) were prepared. For example, polypropylene samples containing a very low concentration of only 0.5 wt.% of bis- 4’4’-(3’3’-dimethyltriazene) diphenyl ether and other triazenes passed the DIN 4102-1 test with B2 classification. It is noteworthy that no burning dripping could be detected and the average burning times were very short with exceptionally low weight losses. Therefore, triazene compounds constitute a new and interesting family of radical generators for flame retarding of polymeric materials. The high flame retardant potential of triazenes can be attributed to their ability to generate various types of radicals during their thermal decomposition. According to thermogravimetric analysis/Fourier transform infrared spectroscopy/MS analysis, triazene units are homolytically cleaved into various aminyl, resonance-stabilized aryl radicals, and different CH fragments with simultaneous evolution of elemental nitrogen. Furthermore, the potential of thirteen aliphatic, aromatic, thiuram and heterocyclic substituted organic disulfide derivatives of the general formula R-S-S-R’ as a new group of halogen-free flame retardants for polypropylene films have been investigated. According to the DIN 4102- 1 standard ignitibility test, for the first time it has been demonstrated that many of the disulfides alone can effectively provide flame retardancy and self-extinguishing properties to polypropylene films at already very low concentrations of 0.5 wt.%. For the disulfide family, the highest FR activity was recorded for 5’5’-dithiobis (2-nitrobenzoic acid). Very low values for burning length (53 mm) and burning time (10 s) reflect significantly increased fire retardant performance of this disulfide compared to other compounds in this series as well as to Flamestab® NOR116. Finally, two new, phosphorus-based flame retardants were synthesized: P’P-diphenyl phosphinic hydrazide (PAH) and melamine phenyl phosphonate (MPhP). The DIN 4102-1 test and the more stringent UL94 vertical burning test (UL94 V) were used to assess the formulations ability to extinguish a flame once ignited. A very strong synergistic effect with azoalkanes was found, i.e. in combination with these radical generators even UL94 V0 rate could be obtained.

Organofosforiyhdisteille (TBEP ja TEHP) altistuminen työpaikoilla

Työssä mitattiin työilman TBEP- ja TEHP-pitoisuuksia siivousalalla (3 kohdetta) ja muovituoteteollisuudessa (2 kohdetta). Pitoisuutta ilmassa verrattiin työntekijöidenbiomonitorointinäytteistä analysoitujen 2-butoksietikkahapon (2-BAA) ja 2-etyyliheksaanihapon (2-EHA) pitoisuuteen. Tavoitteena oli biomonitoroin-timenetelmän soveltuvuuden selvittäminen altistumisen arvioinnissa sekä tarvittavien lisäsuojaus- ja torjunta-tarpeiden selvittäminen. Biomonitorointia sekoittavien tekijöiden (2-butoksietanoli ja 2-etyyli-1-heksanoli) pitoisuus mitattiin työntekijöidenhengitysilmasta kerätystä VOC-näytteestä. OVS-keräimiin kerätyt TBEP- ja TEHP-näytteet uutettiin ultraäänellä sopivalla liuottimella ja analysoitiin kaasukromatografisesti (GC). VOC-näytteet kerättiin Tenax GR ¿adsorbenttiin, irrotettiin keräimestä termodesorptiolla ja analysoitiin GC:lla. Biomonitorointinäytteiden (virtsa) 2-BAA- ja 2-EHA -pitoisuus analysoitiin myös GC:lla. Lattianvahauksen aikana siivoojien hengitysilmasta mitatuissa TBEP-näytteissä pitoisuudet vaihtelivat välillä 70 - 860 ng/m3 sekä VOC-näytteistä 88 %:sta löytyi2-butoksietanolia, jonka pitoisuus vaihteli välillä 3 - 1800 µg/m3. Virtsan 2-BAA:n pitoisuudet vaihtelivat välillä <0,3 - 26 mmol/mol kreatiniinia ollen korkeimmillaan 43 % toimenpiderajasta. Raskaana olevien toimenpideraja ylitettiin 30 % näytteistä. Muovituotetehtaissa TEHP-pitoisuus työntekijöiden hengitysilmassa oli alle määritysrajan (eli < 1 - < 3 ng/m3). Muovituotetehtaissa kerätyistä VOC-näytteistä 16 %:sta löydettiin 2-etyyli-1-heksanolia, jonka pitoisuus vaihteli välillä 90 - 100 µg/m3. Virtsan 2-EHA-pitoisuudet olivat välillä <0,1 - 0,2 mmol/mol kreatiniinia. Tulosten perusteella siivoojat altistuvat TBEP:lle ja 2-butoksietanolille lattianvahauksen yhteydessä, muttaaltistuminen ei ilman pitoisuuksien ja biomonitoroinnin tulosten mukaan aiheutaterveyshaittaa ainakaan yhden mahdollisen metaboliitin 2-BAA:n kautta. Pois lukien raskaana olevat työntekijät, joille 2-butoksietanolia sisältävän vahanpoistotuotteen käsitteleminen aiheuttaa mahdollista terveyshaittaa. Käytetyillä biomonitorointimenetelmillä ei voitu osoittaa altistumista tapahtuneen mitatuilla TBEP:n ja TEHP:n pitoi-suustasoilla. Metaboliareittien varmistamisen jälkeen on mahdollista tutkia toimivampaa menetelmää altistumisen arviointiin biomonitoroinnin avulla. Työntekijöiden suojautuminen niin muovituotetehtaissa kuin siivoustyössäkin mitattujen yhdisteiden osalta oli pääosin riittävää. Ainoastaan raskaana olevien työntekijöiden, jotka siivoustyössään altistuvat 2-butoksietanolille, suojaukseen tulisi kiinnittää huomiota.

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.

Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

Kaasunpolton tutkimuslaitteiston mittausten suunnittelu

Tämä diplomityö on Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa aloitetun kaasunpolttotutkimushankkeen ensimmäinen tutkimusjakso. Tutkimushanketta varten on LTY:n voimalaitostekniikan koepolttolaboratoriossa rakennettu kaasunpolton tutkimuslaitteisto, jolla tässä diplomityössä perehdytään kaasuliekin lämpötilan mittausmenetelmiin, lämmönsiirtoon ja syntyviin päästöihin neste- ja maakaasupoltossa. Hankkeen toisessa tutkimusjaksossa laitteistolla tutkitaan regenaratiivista polttoa, ja polttoaineena käytetään neste- ja maakaasun lisäksi muita kaasuja kuten vetyä ja erilaisia seoskaasuja. Kaasunpolttotutkimushankkeen kokonaistavoitteena on pienentää kaasunpoltossa syntyviä NOx-päästöjä ja parantaa palamishyötysuhdetta ja tätä kautta pienentää laitteiston kokoa ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Ympäristö- ja yhdyskuntavesien monitorointi Saimaan vesistöalueella

Diplomityössä tutkittiin kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöä ympäristövesianalytiikassa. Kokeellisessa osassa analysoitiin Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:n keräämistä kaatopaikka-, jätevesi-, pohjavesi-, vesistö-, uimahalli-, yksityiskaivo-, poreallas- ja suovesinäytteistä epäorgaaniset anionit (F-, Cl-, Br-, NO3-, NO2- SO42-ja PO42-) sekä ionikromatografilla että kapillaarielektroforeesilla. Näytteet on kerätty Saimaan alueen ympäristökunnista. Kapillaarielektroforeesilla analysoitiin lisäksi tiosulfaatti. Liekkiatomiabsorptio-spektrometrilla analysoitiin Cu, Fe, Na ja Al. Natriumia löytyi jokaisesta vesinäytteestä. Pohjavesistä ei löytynyt rautaa eikä alumiinia ja kuparipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Vesistövesistä kahdessa näytteessä oli alle määritysrajan olevia rautapitoisuuksia. Muissa näytteissä ei rautaa ollut. Suovesistä kuparia löytyi hyvin pieniä määriä ja yhdestä näytteestä alumiinia alle määritysrajan. Kaatopaikkavesissä kuparipitoisuudet sekä kolmessa näytteessä alumiinipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Jätevesistä oletettiin löytyvän suuria määriä typpispesieksiä ja fosforia. Niitä kuitenkin esiintyi isoissa pitoisuuksissa vain suovesinäytteissä. Jätevesinäytteet sisälsivät bromidia, nitraattia ja fluoridia jopa yli 140 mg/l. Kapillaarielektroforeesilla ja ionikromatografilla mitatut anionipitoisuudet korreloivat hyvin toisiaan. Kontaminoituja vesiä löytyi pohja-, kaatopaikka-, jäte- ja vesistövesistä sekä uima-altaan terapiaaltaan vedestä.

Voimalaitos- ja jätevesitutkimus

Tässä työssä tutkittiin Stora Enso Oyj:n Heinolan Flutingtehtaan voimalaitos- ja jätevesien seuranta-analyysimenetelmien kehittämistä. Käytössä olevia menetelmiä vertailtiin vaihtoehtoisiin uusiin menetelmiin, jotka perustuvat erotustekniikoihin ja automaatioon. Flutingtehtaalla nykyisin käytössä olevat analyysimenetelmät perustuvat suurelta osin standardimäärityksiin, joissa käytetään pääasiassa titrausta. Määritykset vievät paljon aikaa, koska titraukset toteutetaan manuaalisesti. Titrausten päätepisteet tulkitaan esim. indikaattorin värinmuutoksella ja saostamalla, joten määritysten tarkkuus vaihtelee. Kokeellisessa osassa Flutingtehtaan puhtaista voimalaitosvesistä yhdistetty sekoitenäyte analysoitiin kahdella ionikromatografilla, liekkiatomiabsorptiospektrometrillä ja kapillaarielektroforeesilla. Yksittäisiä näytteitä ei tutkittu. Lisäksi vesilaboratoriossa määritettävistä jätevesistä yhdistettiin sekoitenäyte, joka analysoitiin kapillaarielektroforeesilla. Samat sekoitenäytteet analysoitiin myös nykyisillä menetelmillä tehtaan vesilaboratoriossa. Tulokset osoittivat, että kokeellisessa osassa tutkitut menetelmät soveltuvat sekoitenäytteen perusteella hyvin vesilaboratoriossa käytössä oleviin kuukausianalyyseihin. Automaattisella näytteensyötöllä varustettuna kaikki kolme kokeellisessa osassa tutkittua menetelmää ovat yksikertaisia käyttää ja ne nopeuttavat analyysejä. Päivittäisiä titrausanalyysejä voidaan tehostaa ja nopeuttaa automaation avulla. Erotustekniikoilla esimerkiksi typpi voidaan määrittää kokonaistyppenä, mutta myös komponentteinaan eli ammoniakkina, nitraattina ja nitriittinä. Lisäksi samalla erotuksella voidaan määrittää useita alkali- ja maa-alkalimetalleja sekä raskas-metalleja toistomittauksilla. Menetelmän käyttöalue on laajempi erotustekniikoilla kuin perinteisillä liuoskemian mittauksilla. Erotustekniikoilla tunnistetaan helposti määritysten oikeellisuus detektointimahdollisuuksien monipuolisuuden vuoksi.

Kuumailmapolttolaitteiston numeerinen virtausmallinnus

Tämä diplomityö perustuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston Uusiutuvien energiajärjestelmien laboratorion koelaitteistoon, jolla tutkitaan voimakkaan savukaasunkierrätyksen ja kuumailmapolton soveltuvuutta pienen kokoluokan energiantuotantoprosesseihin. Työn teoriaosassa esitellään tavanomaisesta palamisesta eroavaa kuumailmapolttoa ja tarkastellaan sen ominaisuuksia. Myös työssä käytetyn tutkimusmenetelmän, numeerisen virtauslaskennan, periaatteita ja ominaisuuksia tarkastellaan. Työssä tutkitaan numeerisella virtausmallinnuksella kuumailmapolttolaitteiston virtauskentän käyttäytymistä, kun takaisin tulipesään kierrätettävän savukaasun määrä sekä tulipesän lämpöhäviöiden suuruus vaihtelevat. Virtauskentän tarkastelu on tärkeää, sillä palamisilman ja kierrätetyn savukaasun täytyy sekoittua kuumailmapolton aikaansaamiseksi. Työn virtausmallinnus suoritettiin Finflo-virtausratkaisijalla kaksiulotteisena palamisreaktioita mallintamatta. Vaikka työssä käytetyt mallit olivat kaksiulotteisia ja niissä käytettiin yksinkertaistuksia, virtausten käyttäytymisestä tulipesässä saatiin olennaista tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jatkotutkimuksissa.

Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.