Discription of a New Calculation Method for Determination of Stoichiometric Dissociation Constants of WeakAcid in Salt Solutions from Potentiometric Titration Data

A recently developed calculation method to determine stoichiometric dissociation constants of weak acids from potentiometric titration data is described. The titration data from three different weak acids in aqueous salt solutions at 25 °C were used as examples of the use of the method. The salt alone determined the ionic strength of the solutions considered in this study, and salt molalities up to 0,5 mol kg -1 were used.

Potentiometric titration as a method of determining the stoichiometric dissociation constants of weak acids from the thermodynamic dissociation constants of aqueous solutions at 298.15 K

The simple single-ion activity coefficient equation originating from the Debye-Hückel theory was used to determine the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of weak acids from data concerning galvanic cells. Electromotive force data from galvanic cells without liquid junctions, which was obtained from literature, was studied in conjuction with the potentiometric titration data relating to aqueous solutions at 298.15 K. The dissociation constants of weak acids could be determined by the presented techniques and almost all the experimental data studied could be interpreted within the range of experimental error. Potentiometric titration has been used here and the calculation methods were developed to obtain the thermodynamic and stoichiometric dissociation constants of some weak acids in aqueous solutions at 298.15 K. The ionic strength of titrated solutions were adjusted using an inert electrolyte, namely, sodium or potassium chloride. Salt content alonedetermines the ionic strength. The ionic strength of the solutions studied varied from 0.059 mol kg-1 to 0.37 mol kg-1, and in some cases up to 1.0 mol kg-1. The following substances were investigated using potentiometric titration: aceticacid, propionic acid, L-aspartic acid, L-glutamic acid and bis(2,2-dimethyl-3-oxopropanol) amine.

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in forced unsteady state reactors - Case based reasoning and mathematical model simulation reasoning

The application of forced unsteady-state reactors in case of selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NOx) with ammonia (NH3) is sustained by the fact that favorable temperature and composition distributions which cannot be achieved in any steady-state regime can be obtained by means of unsteady-state operations. In a normal way of operation the low exothermicity of the selective catalytic reduction (SCR) reaction (usually carried out in the range of 280-350°C) is not enough to maintain by itself the chemical reaction. A normal mode of operation usually requires supply of supplementary heat increasing in this way the overall process operation cost. Through forced unsteady-state operation, the main advantage that can be obtained when exothermic reactions take place is the possibility of trapping, beside the ammonia, the moving heat wave inside the catalytic bed. The unsteady state-operation enables the exploitation of the thermal storage capacity of the catalyticbed. The catalytic bed acts as a regenerative heat exchanger allowing auto-thermal behaviour when the adiabatic temperature rise is low. Finding the optimum reactor configuration, employing the most suitable operation model and identifying the reactor behavior are highly important steps in order to configure a proper device for industrial applications. The Reverse Flow Reactor (RFR) - a forced unsteady state reactor - corresponds to the above mentioned characteristics and may be employed as an efficient device for the treatment of dilute pollutant mixtures. As a main disadvantage, beside its advantages, the RFR presents the 'wash out' phenomena. This phenomenon represents emissions of unconverted reactants at every switch of the flow direction. As a consequence our attention was focused on finding an alternative reactor configuration for RFR which is not affected by the incontrollable emissions of unconverted reactants. In this respect the Reactor Network (RN) was investigated. Its configuration consists of several reactors connected in a closed sequence, simulating a moving bed by changing the reactants feeding position. In the RN the flow direction is maintained in the same way ensuring uniformcatalyst exploitation and in the same time the 'wash out' phenomena is annulated. The simulated moving bed (SMB) can operate in transient mode giving practically constant exit concentration and high conversion levels. The main advantage of the reactor network operation is emphasizedby the possibility to obtain auto-thermal behavior with nearly uniformcatalyst utilization. However, the reactor network presents only a small range of switching times which allow to reach and to maintain an ignited state. Even so a proper study of the complex behavior of the RN may give the necessary information to overcome all the difficulties that can appear in the RN operation. The unsteady-state reactors complexity arises from the fact that these reactor types are characterized by short contact times and complex interaction between heat and mass transportphenomena. Such complex interactions can give rise to a remarkable complex dynamic behavior characterized by a set of spatial-temporal patterns, chaotic changes in concentration and traveling waves of heat or chemical reactivity. The main efforts of the current research studies concern the improvement of contact modalities between reactants, the possibility of thermal wave storage inside the reactor and the improvement of the kinetic activity of the catalyst used. Paying attention to the above mentioned aspects is important when higher activity even at low feeding temperatures and low emissions of unconverted reactants are the main operation concerns. Also, the prediction of the reactor pseudo or steady-state performance (regarding the conversion, selectivity and thermal behavior) and the dynamicreactor response during exploitation are important aspects in finding the optimal control strategy for the forced unsteady state catalytic tubular reactors. The design of an adapted reactor requires knowledge about the influence of its operating conditions on the overall process performance and a precise evaluation of the operating parameters rage for which a sustained dynamic behavior is obtained. An apriori estimation of the system parameters result in diminution of the computational efforts. Usually the convergence of unsteady state reactor systems requires integration over hundreds of cycles depending on the initial guess of the parameter values. The investigation of various operation models and thermal transfer strategies give reliable means to obtain recuperative and regenerative devices which are capable to maintain an auto-thermal behavior in case of low exothermic reactions. In the present research work a gradual analysis of the SCR of NOx with ammonia process in forced unsteady-state reactors was realized. The investigation covers the presentationof the general problematic related to the effect of noxious emissions in the environment, the analysis of the suitable catalysts types for the process, the mathematical analysis approach for modeling and finding the system solutions and the experimental investigation of the device found to be more suitable for the present process. In order to gain information about the forced unsteady state reactor design, operation, important system parameters and their values, mathematical description, mathematicalmethod for solving systems of partial differential equations and other specific aspects, in a fast and easy way, and a case based reasoning (CBR) approach has been used. This approach, using the experience of past similarproblems and their adapted solutions, may provide a method for gaining informations and solutions for new problems related to the forced unsteady state reactors technology. As a consequence a CBR system was implemented and a corresponding tool was developed. Further on, grooving up the hypothesis of isothermal operation, the investigation by means of numerical simulation of the feasibility of the SCR of NOx with ammonia in the RFRand in the RN with variable feeding position was realized. The hypothesis of non-isothermal operation was taken into account because in our opinion ifa commercial catalyst is considered, is not possible to modify the chemical activity and its adsorptive capacity to improve the operation butis possible to change the operation regime. In order to identify the most suitable device for the unsteady state reduction of NOx with ammonia, considering the perspective of recuperative and regenerative devices, a comparative analysis of the above mentioned two devices performance was realized. The assumption of isothermal conditions in the beginningof the forced unsteadystate investigation allowed the simplification of the analysis enabling to focus on the impact of the conditions and mode of operation on the dynamic features caused by the trapping of one reactant in the reactor, without considering the impact of thermal effect on overall reactor performance. The non-isothermal system approach has been investigated in order to point out the important influence of the thermal effect on overall reactor performance, studying the possibility of RFR and RN utilization as recuperative and regenerative devices and the possibility of achieving a sustained auto-thermal behavior in case of lowexothermic reaction of SCR of NOx with ammonia and low temperature gasfeeding. Beside the influence of the thermal effect, the influence of the principal operating parameters, as switching time, inlet flow rate and initial catalyst temperature have been stressed. This analysis is important not only because it allows a comparison between the two devices and optimisation of the operation, but also the switching time is the main operating parameter. An appropriate choice of this parameter enables the fulfilment of the process constraints. The level of the conversions achieved, the more uniform temperature profiles, the uniformity ofcatalyst exploitation and the much simpler mode of operation imposed the RN as a much more suitable device for SCR of NOx with ammonia, in usual operation and also in the perspective of control strategy implementation. Theoretical simplified models have also been proposed in order to describe the forced unsteady state reactors performance and to estimate their internal temperature and concentration profiles. The general idea was to extend the study of catalytic reactor dynamics taking into account the perspectives that haven't been analyzed yet. The experimental investigation ofRN revealed a good agreement between the data obtained by model simulation and the ones obtained experimentally.

Kuristettujen isotermisen vesivirtausten kolmidimensionaalinen mallintaminen

Työssä on tutkittu CFX ja Fluent virtauslaskentaohjelmien soveltavuutta kuristet-tujen isotermisten vesivirtausten kolmidimensionaaliseen mallintamiseen. Teoriaosassa on esitelty virtausta hallitsevat perusyhtälöt sekä eri kavitaatioteori-oita kavitaatiokuplan syntymisestä tuhoutumiseen. Laskennallisessa osassa esitellään käytetyt virtauslaskentaohjelmat ja laskentatapaukset sekä verrataan saatuja tuloksia aiemmin suoritettuihin mittauksiin. Työn pääpaino oli tutkia käytettyjen virtauslaskentaohjelmien soveltuvuutta kuris-tettujen virtauksien mallinnukseen.

Koboltin ja nikkelin poisto sinkkisulfaattiliuoksesta ioninvaihdolla

Työssä tutkittiin kahden silikapohjaisen erotusmateriaalin soveltuvuutta nikkelin ja koboltin poistoon sinkkisulfaattiliuoksista. Suurin osa kokeista tehtiin ioninvaihtimella, jonka funktionaalinen ryhmä on iminodietikkahappo. Vertailuerotusmateriaalin toiminta perustui adsorptioon. Liuoksina käytettiin sekä autenttista prosessiliuosta että synteettistä ZnSO4-liousta. Ioninvaihtimen kestävyyskokeissa selvisi, että tutkittu ioninvaihdin kestää hyvin sekä 60 oC lämpötilan että happamia olosuhteita. Emäksisissä liuoksissa silikarunko ei kestä. Jo 0,1 M NaOH-liuos liuottaa merkittävästi hartsia vuorokauden aikana. Vaihtimen vetyionikapasiteetiksi saatiin titrauksella 2,3 mekv/g. Tasapainokokeilla saatiin selville, että ioninvaihdin on selektiivinen nikkelille sinkin suhteen ja että selektiivisyys kasvaa liuoksen pH:n laskiessa. Koboltille ioninvaihdin ei ole selektiivinen sinkin suhteen. Mikäli sinkin pitoisuus on tuhansia kertoja nikkelin pitoisuutta suurempi, ei ioninvaihtimen Ni-selektiivisyys riitä myöskään nikkelille. Synteettisillä ZnSO4-liuoksilla tehtyjen kolonnikokeiden perusteella havaittiin, että tutkitulla ioninvaihtimella voidaan laimeista ZnSO4-liuoksista poistaa nikkeliä selektiivisesti. Nikkelin eluointi onnistui helposti 1 M H2SO4:lla. Vertailukokeen perusteella oli ioninvaihtimen Ni/Zn-selektiivisyys referenssiadsorbentin Ni/Zn-selektiivisyyttä pienempi. Ioninvaihtokolonnin mallintaminen ei onnistunut riittävän hyvin kuvaamaan ioninvaihtimessa tapahtuvaa samanaikaista ioninvaihtoa ja adsorptiota. Sen sijaan kun kolonnissa oli vertailumateriaalina käytetty adsorbentti, saatiin kolonnikokeiden tulokset mallilla hyvin ennustettua.

Epäpuhtauksien poistaminen sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen selektiivisiä ioninvaihtimia

Diplomityössä on tutkittu kuparin, koboltin, nikkelin ja kadmiumin poistamista sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen uusia silikarunkoisia kelatoivia erotusmateriaaleja. Vertailukohteena on käytetty perinteisiä kaupallisia polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja. Laboratoriokokeissa selvitettiin erotusmateriaalien adsorptio- ja ioninvaihto-ominaisuuksia tasapaino- ja kolonnikokeilla. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittiin olosuhteissa, jotka vastaavat prosessisyklin eri vaiheita. Metallien adsorptiomekanismien selvittämiseksi erotusmateriaaleille tehtiin happo-emäs ja sulfaattititraukset. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla saatiin kupari erotettua väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja paremmin. Tutkituilla erotusmateriaaleilla ja ioninvaihtohartseilla ei havaittu merkittävää selektiivisyyttä koboltille, nikkelille tai kadmiumille sinkin ja kuparin läsnä ollessa. Kolonnikokeilla yritettiin löytää paras esikäsittely-lataus-eluointisykli kuparin talteenottoon väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla. Kolonnikokeissa esikäsittely tehtiin laimealla NaOH:lla, jonka jälkeen petiin syötettiin hapanta sinkkisulfaattiliuosta. Eluointi onnistui hyvin laimealla rikkihapolla. Kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että kupari on mahdollista erottaa väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittaessa havaittiin materiaalien kestävän hyvin happoja ja 60 oC:en lämpötilaa. Sitä vastoin alkaalisissa olosuhteissa tapahtui silikan liukenemista. Tutkituilla erotusmateriaaleilla havaittiin kuparin sitoutumista sekä ioninvaihtomekanismin avulla että sitoutuneena neutraalina suolana.

Kromatografinen erotus bioetanolin valmistuksessa lignoselluloosasta

Bioetanolin tuotanto kiinnostaa monissa maissa johtuen kansainvälisissä sopimuksissa määritellyistä ilmastotavoitteista. Työssä tutkittiin laboratorio-oloissa ioninvaihtohartsien ominaisuuksien ja erotuksen olosuhteiden vaikutusta rikkihapon ja glukoosin kromatografiseen erotukseen. Tehokkaimmaksi hartsiksi osoittautui polysulfonoitu mesohuokoinen vahva kationinvaihtohartsi Finex CS100C. CS100C:lla voitiin erottaa rikkihappoa ja glukoosia tehokkaimmin korkeissa 25 p-% ja 36 p-% glukoosi- ja rikkihappo-pitoisuuksissa. Lisäksi sillä havaittiin suurin tuotto simuloidussa liikkuvassa pedissä. Yhdessä kolonnissa suoritetuissa erotuskokeissa tutkittiin hartsien erotuskykyä rikkihapolle ja glukoosille sekä virtausnopeuden vaikutusta erotukseen lämpötilassa 22 °C. Saatujen tulosten pohjalta valittiin CS11GC, CS16GC ja CS100C tarkempaan isotermin määritykseen ja simulointiin hyvän erotuskyvyn sekä keskinäisten erojen takia. Adsorptioisotermit määritettiin kolonnikokein sekä 22 °C:n että 50 °C:n lämpötilassa. Isotermeistä havaittiin, että tasapaino kiinto- ja liuosfaasien välille saavutetaan rikkihapolla alhaisella 1 cm3/min virtausnopeudella varmemmin kuin suuremmalla 2,5 cm3/min virtausnopeudella. 50 °C:n lämpötilassa hapon ja glukoosin isotermit olivat jyrkempiä kuin 22 °C:n lämpötilassa. Määritettyihin hapon ja sokerin isotermeihin sovitettiin mallit, joiden parametreja käytettiin yksittäisen kolonnin simulointiin. Simuloinnissa oli estimoitavia parametreja yhdellä kolonnilla aineensiirtokertoimet sekä läpäisykäyristä määritetyt isotermiparametrit glukoosille sekä rikkihapolle ja SMB–erotuksessa vyöhykkeiden 2 ja 3 suhteelliset virtausnopeudet. Siirryttäessä lämpötilojen 22 °C ja 50 °C välillä hartsien parametrit muuttuivat sokerille täysin ja hapolle vain aineensiirtokertoimen osalta. CS100C oli tehokkain SMB–erotuksessa korkeimmalla 0,11 cm3/min tuottavuudella 95 %:n saannon saavuttamiseksi 95 % tuotepuhtaudella raffinaatissa ja ekstraktissa.

Reaction Kinetics and Viscosity Modelling in the Fusion Syntheses of Ca- and Ca/Mg-resinates

Rosin is a natural product from pine forests and it is used as a raw material in resinate syntheses. Resinates are polyvalent metal salts of rosin acids and especially Ca- and Ca/Mg- resinates find wide application in the printing ink industry. In this thesis, analytical methods were applied to increase general knowledge of resinate chemistry and the reaction kinetics was studied in order to model the non linear solution viscosity increase during resinate syntheses by the fusion method. Solution viscosity in toluene is an important quality factor for resinates to be used in printing inks. The concept of critical resinate concentration, c crit, was introduced to define an abrupt change in viscosity dependence on resinate concentration in the solution. The concept was then used to explain the non-inear solution viscosity increase during resinate syntheses. A semi empirical model with two estimated parameters was derived for the viscosity increase on the basis of apparent reaction kinetics. The model was used to control the viscosity and to predict the total reaction time of the resinate process. The kinetic data from the complex reaction media was obtained by acid value titration and by FTIR spectroscopic analyses using a conventional calibration method to measure the resinate concentration and the concentration of free rosin acids. A multivariate calibration method was successfully applied to make partial least square (PLS) models for monitoring acid value and solution viscosity in both mid-infrared (MIR) and near infrared (NIR) regions during the syntheses. The calibration models can be used for on line resinate process monitoring. In kinetic studies, two main reaction steps were observed during the syntheses. First a fast irreversible resination reaction occurs at 235 °C and then a slow thermal decarboxylation of rosin acids starts to take place at 265 °C. Rosin oil is formed during the decarboxylation reaction step causing significant mass loss as the rosin oil evaporates from the system while the viscosity increases to the target level. The mass balance of the syntheses was determined based on the resinate concentration increase during the decarboxylation reaction step. A mechanistic study of the decarboxylation reaction was based on the observation that resinate molecules are partly solvated by rosin acids during the syntheses. Different decarboxylation mechanisms were proposed for the free and solvating rosin acids. The deduced kinetic model supported the analytical data of the syntheses in a wide resinate concentration region, over a wide range of viscosity values and at different reaction temperatures. In addition, the application of the kinetic model to the modified resinate syntheses gave a good fit. A novel synthesis method with the addition of decarboxylated rosin (i.e. rosin oil) to the reaction mixture was introduced. The conversion of rosin acid to resinate was increased to the level necessary to obtain the target viscosity for the product at 235 °C. Due to a lower reaction temperature than in traditional fusion synthesis at 265 °C, thermal decarboxylation is avoided. As a consequence, the mass yield of the resinate syntheses can be increased from ca. 70% to almost 100% by recycling the added rosin oil.

Holocene Varved Lake Sediments as Records of Palaeoenvironmental Change and Geomagnetic Palaeosecular Variation in Eastern Finland

This dissertation discusses Holocene palaeoenvironmental and palaeomagnetic secular variation (PSV) records reconstructed from sediments preserved in Lake Lehmilampi (63º37´N, 29º06´E) and Lake Kortejärvi (63º37´N, 28º56´E) in eastern Finland. Several piston and freeze cores were obtained from both lakes for varve and magnetic analyses. Sediment samples were impregnated in low-viscosity epoxy and physical parameters of varves, including varve thickness and relative grey-scale values, were recorded using x-ray densitometry combined with semiautomatic digital image analysis. On average, varve records of Lehmilampi and Kortejärvi cover 5122 and 3902 years, respectively. Past solar activity, as estimated by residual ₁₄C data, compares favourably with varve thicknesses from Lehmilampi during the last 2000 years. This indicates the potential of clastic-organic varves to record sensitively climatic variations. Bulk magnetic parameters, including magnetic susceptibility together with natural, anhysteretic and isothermal remanent magnetizations, were measured to describe mineral magnetic properties and geomagnetic palaeosecular variation recorded in the sediments. Main stages in the development of the investigated lakes are reflected in the variations in the mineral magnetic records, sediment lithology and composition. Similar variations in magnetic parameters and sediment organic matter suggest contribution of bacterial magnetite in the magnetic assemblages of Lehmilampi. Inclination and relative declination records yielded largely consistent results, attesting to the great potential of these sediments to preserve directional palaeosecular variation in high resolution. The PSV data from Lehmilampi and Kortejärvi were stacked into North Karelian PSV stack, which may be used for dating homogenous lake sediments in the same regional context. Reconstructed millennial variations in relative palaeointensity results are approximately in agreement with those seen in the absolute palaeointensity data from Europe. Centennial variations in the relative palaeointensity, however, are influenced by environmental changes. Caution is recommended when using varved lake sediments in reconstructing relative palaeointensity.

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.

Crystallization characteristics of bioactive glasses

Bioactive glasses are excellent candidates for implant materials, because they can form a chemical bond to bone or guide bone growth, depending on the glass composition. Some compositions have even shown soft tissue attachment and antimicrobial effects. So far, most clinical applications are based on monoliths, plates and particulates of different grain sizes. There is a growing interest in special products such as porous implants sintered from microspheres and fibers drawn from preforms or glass melts. The viscosity range at which these are formed coincides with the crystallization temperature range for most bioactive glasses, thus complicating the manufacturing process. In this work, the crystallization tendency and its kinetics for a series of glasses with their compositions within the range of bioactivity were investigated. The factors affecting crystallization and how it is related to composition were studied by means of thermal analysis and hot stage microscopy. The crystal compositions formed during isothermal and non-isothermal heat treatments were analyzed with SEM-EDXA and X-ray diffraction analysis. The temperatures at which sintering and fiber drawing can take place without interfering with crystallization were determined and glass compositions which are suitable for these purposes were established. The bioactivity of glass fibers and partly crystallized glass plates was studied by soaking them in simulated body fluid (SBF). The thickness of silica, calcium and phosphate rich reaction layers on the glass surface after soaking was used as an indication of the bioactivity. The results indicated that the crystallization tendencies of the experimental glasses are strongly dependent on composition. The main factor affecting the crystallization was found to be the alkali oxide content: the higher the alkali oxide content the lower the crystallization temperature. The primary crystalline phase formed at low temperatures in these glasses was sodium calcium silicate. The crystals were found to form through internal nucleation, leading to bulk crystallization. These glasses had high bioactivity in vitro. Even when partially crystalline, they formed typical reaction layers, indicating bioactivity. In fact, sodium calcium silicate crystals were shown to transform in vitro into hydroxyapatite during soaking. However, crystallization should be avoided because it was shown to retard dissolution, bioactivity reactions and complicate fiber drawing process. Glass compositions having low alkali oxide content showed formation of wollastonite crystals on the surface, at about 300°C above the glass transition temperature. The wide range between glass transition and crystallization allowed viscous flow sintering of these compositions. These glasses also withstood the thermal treatments required for fiber drawing processing. Precipitation of calcium and phosphate on fibers of these glasses in SBF suggested that they were osteoconductive. Glasses showing bioactivity crystallize easily, making their hot working challenging. Undesired crystallization can be avoided by choosing suitable compositions and heat treatment parameters, allowing desired product forms to be attained. Small changes in the oxide composition of the glass can have large effects and therefore a thorough understanding of glass crystallization behavior is a necessity for a successful outcome, when designing and manufacturing implants containing bioactive glasses.