Aqueous-phase reforming of renewables for selective hydrogen production in the presence of supported platinum catalysts

The evolution of our society is impossible without a constant progress in life-important areas such as chemical engineering and technology. Innovation, creativity and technology are three main components driving the progress of chemistry further towards a sustainable society. Biomass, being an attractive renewable feedstock for production of fine chemicals, energy-rich materials and even transportation fuels, captures progressively new positions in the area of chemical technology. Knowledge of heterogeneous catalysis and chemical technology applied to transformation of biomass-derived substances will open doors for a sustainable economy and facilitates the discovery of novel environmentally-benign processes which probably will replace existing technologies in the era of biorefinary. Aqueous-phase reforming (APR) is regarded as a promising technology for production of hydrogen and liquids fuels from biomass-derived substances such as C3-C6 polyols. In the present work, aqueous-phase reforming of glycerol, xylitol and sorbitol was investigated in the presence of supported Pt catalysts. The catalysts were deposited on different support materials, including Al2O3, TiO2 and carbons. Catalytic measurements were performed in a laboratory-scale continuous fixedbed reactor. An advanced analytical approach was developed in order to identify reaction products and reaction intermediates in the APR of polyols. The influence of the substrate structure on the product formation and selectivity in the APR reaction was also investigated, showing that the yields of the desired products varied depending on the substrate chain length. Additionally, the influence of bioethanol additive in the APR of glycerol and sorbitol was studied. A reaction network was advanced explaining the formation of products and key intermediates. The structure sensitivity in the aqueous-phase reforming reaction was demonstrated using a series of platinum catalysts supported on carbon with different Pt cluster sizes in the continuous fixed-bed reactor. Furthermore, a correlation between texture physico-chemical properties of the catalysts and catalytic data was established. The effect of the second metal (Re, Cu) addition to Pt catalysts was investigated in the APR of xylitol showing a superior hydrocarbon formation on PtRe bimetallic catalysts compared to monometallic Pt. On the basis of the experimental data obtained, mathematical modeling of the reaction kinetics was performed. The developed model was proven to successfully describe experimental data on APR of sorbitol with good accuracy.

Inventory of sparse forest populations using adaptive cluster sampling

Abstract

Evaluation of performance analysis software for Linux computing cluster

Tietokonejärjestelmän osien ja ohjelmistojen suorituskykymittauksista saadaan tietoa,jota voidaan käyttää suorituskyvyn parantamiseen ja laitteistohankintojen päätöksen tukena. Tässä työssä tutustutaan suorituskyvyn mittaamiseen ja mittausohjelmiin eli ns. benchmark-ohjelmistoihin. Työssä etsittiin ja arvioitiin eri tyyppisiä vapaasti saatavilla olevia benchmark-ohjelmia, jotka soveltuvat Linux-laskentaklusterin suorituskyvynanalysointiin. Benchmarkit ryhmiteltiin ja arvioitiin testaamalla niiden ominaisuuksia Linux-klusterissa. Työssä käsitellään myös mittausten tekemisen ja rinnakkaislaskennan haasteita. Benchmarkkeja löytyi moneen tarkoitukseen ja ne osoittautuivat laadultaan ja laajuudeltaan vaihteleviksi. Niitä on myös koottu ohjelmistopaketeiksi, jotta laitteiston suorituskyvystä saisi laajemman kuvan kuin mitä yhdellä ohjelmalla on mahdollista saada. Olennaista on ymmärtää nopeus, jolla dataa saadaan siirretyä prosessorille keskusmuistista, levyjärjestelmistä ja toisista laskentasolmuista. Tyypillinen benchmark-ohjelma sisältää paljon laskentaa tarvitsevan matemaattisen algoritmin, jota käytetään tieteellisissä ohjelmistoissa. Benchmarkista riippuen tulosten ymmärtäminen ja hyödyntäminen voi olla haasteellista.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Competitive Analysis of the Northwest Russian Transport Logistics Cluster – Finnish Perspective

Tutkimus tarkastelee Luoteis-Venäjän liikennelogistiikkaklusteria. Tarkoitus on selvittää klusterin nykyinen rakenne ja kilpailukyky sekä klusterin tarjoamat liiketoimintamahdollisuudet suomalaisille logistiikkayrityksille. Työssä käsitellään neljää perusliikennemuotoa: rautatie-, maantie-, meri- ja sisävesi-, sekä ilmaliikennettä. Tutkimuksen aineisto on kerätty tutkimusta varten laadituista kyselyistä, haastatteluista sekä aiemmin julkaistusta materiaalista. Venäjä on suunnitellut kehittävänsä voimakkaasti liikenneinfrastruktuuria, mm. julkaisemalla protektionistisen liikennestrategiasuunnitelman. Ongelmana ovat olleet toteutukset, jotka ovat jääneet yleensä puutteellisiksi. Tällä hetkellä todellista kilpailukykyä löytyy ainoastaan rautatieliikenteestä, muut kolme liikennemuotoa omaavat potentiaalisen kilpailukyvyn. Venäjällä on mahdollisuus hyötyä laajasta pinta-alastaan Aasian ja Euroopan liikenteen yhdistäjänä. Yksi konkreettisimmista esimerkeistä on Trans Siperian rautatie, joka kaipaisi vielä lisäkehitystä. Suomi on toiminut Venäjän liikenteessä arvotavaran kauttakulkumaana, vuonna 2003 noin 30–40 % Venäjän tuonnin arvosta kulki Suomen kautta. Venäjälle tullaan tuomaan arvotavaraa vielä useita vuosia, mutta reittien osalta kilpailu on tiukentunut. Suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksiin esitetään kaksi mallia: kauttakulkuliikenteen lisäarvologistiset (VAL) operaatiot Suomessa tai etabloituminen Venäjän logistisiin ketjuihin. Suomalaisten olisi syytä parantaa yhteistyötään yritysten ja yliopistojen ym. koulutuslaitosten välillä. Myös yhteistyökumppaneiden hakeminen esimerkiksi Ruotsista voisi tuoda merkittäviä etuja. Suomalaista osaamista voitaisiin hyödyntää parhaiten etabloitumalla Venäjän markkinoille, esimerkiksi keskittymällä Venäjän logististen ketjujen johtamiseen. Myös VAL palveluiden johtamiseen Venäjällä olisi erittäin hyvä tilaisuus, koska Venäjän oma tietotaito logistiikassa ei ole vielä kehittynyt kansainväliselle tasolle, mutta kustannustaso on alhaisempi kuin Suomessa.

Development a distributed simulation environment on a cluster of workstations

Simulation has traditionally been used for analyzing the behavior of complex real world problems. Even though only some features of the problems are considered, simulation time tends to become quite high even for common simulation problems. Parallel and distributed simulation is a viable technique for accelerating the simulations. The success of parallel simulation depends heavily on the combination of the simulation application, algorithm and message population in the simulation is sufficient, no additional delay is caused by this environment. In this thesis a conservative, parallel simulation algorithm is applied to the simulation of a cellular network application in a distributed workstation environment. This thesis presents a distributed simulation environment, Diworse, which is based on the use of networked workstations. The distributed environment is considered especially hard for conservative simulation algorithms due to the high cost of communication. In this thesis, however, the distributed environment is shown to be a viable alternative if the amount of communication is kept reasonable. Novel ideas of multiple message simulation and channel reduction enable efficient use of this environment for the simulation of a cellular network application. The distribution of the simulation is based on a modification of the well known Chandy-Misra deadlock avoidance algorithm with null messages. The basic Chandy Misra algorithm is modified by using the null message cancellation and multiple message simulation techniques. The modifications reduce the amount of null messages and the time required for their execution, thus reducing the simulation time required. The null message cancellation technique reduces the processing time of null messages as the arriving null message cancels other non processed null messages. The multiple message simulation forms groups of messages as it simulates several messages before it releases the new created messages. If the message population in the simulation is suffiecient, no additional delay is caused by this operation A new technique for considering the simulation application is also presented. The performance is improved by establishing a neighborhood for the simulation elements. The neighborhood concept is based on a channel reduction technique, where the properties of the application exclusively determine which connections are necessary when a certain accuracy for simulation results is required. Distributed simulation is also analyzed in order to find out the effect of the different elements in the implemented simulation environment. This analysis is performed by using critical path analysis. Critical path analysis allows determination of a lower bound for the simulation time. In this thesis critical times are computed for sequential and parallel traces. The analysis based on sequential traces reveals the parallel properties of the application whereas the analysis based on parallel traces reveals the properties of the environment and the distribution.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Simulation of hydrogen peroxide direct synthesis in a microreactor

A set of models in Aspen plus was built to simulate the direct synthesis process of hydrogen peroxide in a micro-reactor system. This process model can be used to carry out material balance calculation under various experimental conditions. Three thermodynamic property methods were compared by calculating gas solubility and Uniquac-RK method was finally selected for process model. Two different operation modes with corresponding operation conditions were proposed as the starting point of future experiments. Simulations for these two modes were carried out to get the information of material streams. Moreover, some hydrodynamic parameters such as gas/liquid superficial velocity, gas holdup were also calculated with improved process model. These parameters proved the proposed experimental conditions reasonable to some extent. The influence of operation conditions including temperature, pressure and circulation ratio was analyzed for the first operation mode, where pure oxygen was fed into dissolving tank and hydrogen-carbon dioxide mixture was fed into microreactor directly. The preferred operation conditions for the system are low temperature (2°C) and high pressure (30 bar) in dissolving tank. High circulation ratio might be good in the sense that more oxygen could be dissolved and fed into reactor for reactions, but meanwhile hydrodynamics of microreactor should be considered. Furthermore, more operation conditions of reactor gas/liquid feeds in both of two operation modes were proposed to provide guidance for future experiment design and corresponding hydrodynamic parameters were also calculated. Finally, safety issue was considered from thermodynamic point of view and there is no explosion danger at given experimental plan since the released reaction heat will not cause solvent vaporization inside the microchannels. The improvement of process model still needs further study based on the future experimental results.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Cluster structure of atomic nuclei

Kirjallisuusarvostelu

The Significance of Hydrogen Bonding Interactions in the Cleavage of RNA

RNA is essential for all living organisms. It has important roles in protein synthesis, controlling gene expression as well as catalyzing biological reactions. Chemically RNA is a very stable molecule, although in biological systems many agents catalyze the cleavage of RNA, such as naturally occurring enzymes and ribozymes. Much effort has been put in the last decades in developing highly active artificial ribonucleases since such molecules could have potential in the therapeutic field and provide tools for molecular biology. Several potential catalysts have emerged, but usually detailed cleavage mechanism remains unresolved. This thesis is aimed at clarifying mechanistic details of the cleavage and isomerization of RNA by using simpler nucleoside models of RNA. The topics in the experimental part cover three different studies, one concerning the mechanism of catalysis by large ribozymes, one dealing with the reactivity of modified and unmodified RNA oligonucleotides and one showing an efficient catalysis of the cleavage and isomerization of an RNA phosphodiester bond by a dinuclear metal ion complex. A review of the literature concerning stabilization of the phosphorane intermediate of the hydrolysis and isomerization of RNA phosphodiester bond is first presented. The results obtained in the experimental work followed by mechanistic interpretations are introduced in the second part of the thesis. Especially the significance of hydrogen bonding interactions is discussed.