Poster presentation as a report of a self-designed laboratory experiment : a case study

Julkaisumaa: 203 CZ CZE Tšekki

Arseenin käyttö sinkkitehtaan koboltinpoistoon

Työssä selvitettiin kuparielektrolyysissä syntyvän sivutuotteen, arseenitrioksidin, soveltuvuutta The New Boliden Kokkola Zinc Oy:n sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Nykyään sinkkitehtaalla käytetään puhdasta arseenitrioksidia koboltinpoiston apuaineena. Tällä hetkellä kuparielektrolyysin arseenista valmistetaan puunsuoja-aineita. Lainsäädäntö muuttuu siten että tulevaisuudessa kyseisten puunsuoja-aineiden käyttöä tullaan yhä rajoittamaan. Kun puunsuoja-aineiden kulutus vähenee, täytyy syntyvä arseeni varastoida jätealueelle ellei sille löydetä muuta käyttöä. Arseenin varastointitarve ei lisäänny jos kuparielektrolyysistä saatava arseeni voidaan hyödyntää sinkkitehtaalla. Kuparielektrolyysissä syntyvä arseenitrioksidi ei ole puhdasta. Työssä selvitettiin epäpuh-tauksien vaikutusta sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Kokeiden olosuhteet pyrittiin yhdenmukaistamaan sinkkitehtaan koboltinpoistovaiheessa vallitsevia olosuhteita vastaaviksi. Kokeissa käytetyillä arseeniliuosten eri epäpuhtaustasoilla ei havaittu olevan selkeää eroa liuospuhdistuskyvyssä. Koetulokset antavat viitteitä siitä, että koboltinpoistoprosessi on oletettua epäherkempi arseeniliuoksen epäpuhtauksien vaikutuksille. Kirjallisuudesta haettiin arseenitrioksidin valmistukseen ja puhdistamiseen liittyvää aineistoa. Valmistusmenetelminä tarkasteltiin valmistusta arseenimalmista ja kuparielektrolyytistä ja puhdistusmenetelminä uudelleenkiteytystä, jäädytys-sulatusprosessia ja ioninvaihtoa. Työssä puhdistettiin kuparielektrolyysin liuospuhdistuksessa syntyvää arseenitrioksidia. Puhdistuslaitteistosta tehtiin alustava prosessisuunnitelma.

Thinking Outside the Box: Enhancing Science Teaching by Combining (Instead of Contrasting) Laboratory and Simulation Activities

The focus of the present work was on 10- to 12-year-old elementary school students’ conceptual learning outcomes in science in two specific inquiry-learning environments, laboratory and simulation. The main aim was to examine if it would be more beneficial to combine than contrast simulation and laboratory activities in science teaching. It was argued that the status quo where laboratories and simulations are seen as alternative or competing methods in science teaching is hardly an optimal solution to promote students’ learning and understanding in various science domains. It was hypothesized that it would make more sense and be more productive to combine laboratories and simulations. Several explanations and examples were provided to back up the hypothesis. In order to test whether learning with the combination of laboratory and simulation activities can result in better conceptual understanding in science than learning with laboratory or simulation activities alone, two experiments were conducted in the domain of electricity. In these experiments students constructed and studied electrical circuits in three different learning environments: laboratory (real circuits), simulation (virtual circuits), and simulation-laboratory combination (real and virtual circuits were used simultaneously). In order to measure and compare how these environments affected students’ conceptual understanding of circuits, a subject knowledge assessment questionnaire was administered before and after the experimentation. The results of the experiments were presented in four empirical studies. Three of the studies focused on learning outcomes between the conditions and one on learning processes. Study I analyzed learning outcomes from experiment I. The aim of the study was to investigate if it would be more beneficial to combine simulation and laboratory activities than to use them separately in teaching the concepts of simple electricity. Matched-trios were created based on the pre-test results of 66 elementary school students and divided randomly into a laboratory (real circuits), simulation (virtual circuits) and simulation-laboratory combination (real and virtual circuits simultaneously) conditions. In each condition students had 90 minutes to construct and study various circuits. The results showed that studying electrical circuits in the simulation–laboratory combination environment improved students’ conceptual understanding more than studying circuits in simulation and laboratory environments alone. Although there were no statistical differences between simulation and laboratory environments, the learning effect was more pronounced in the simulation condition where the students made clear progress during the intervention, whereas in the laboratory condition students’ conceptual understanding remained at an elementary level after the intervention. Study II analyzed learning outcomes from experiment II. The aim of the study was to investigate if and how learning outcomes in simulation and simulation-laboratory combination environments are mediated by implicit (only procedural guidance) and explicit (more structure and guidance for the discovery process) instruction in the context of simple DC circuits. Matched-quartets were created based on the pre-test results of 50 elementary school students and divided randomly into a simulation implicit (SI), simulation explicit (SE), combination implicit (CI) and combination explicit (CE) conditions. The results showed that when the students were working with the simulation alone, they were able to gain significantly greater amount of subject knowledge when they received metacognitive support (explicit instruction; SE) for the discovery process than when they received only procedural guidance (implicit instruction: SI). However, this additional scaffolding was not enough to reach the level of the students in the combination environment (CI and CE). A surprising finding in Study II was that instructional support had a different effect in the combination environment than in the simulation environment. In the combination environment explicit instruction (CE) did not seem to elicit much additional gain for students’ understanding of electric circuits compared to implicit instruction (CI). Instead, explicit instruction slowed down the inquiry process substantially in the combination environment. Study III analyzed from video data learning processes of those 50 students that participated in experiment II (cf. Study II above). The focus was on three specific learning processes: cognitive conflicts, self-explanations, and analogical encodings. The aim of the study was to find out possible explanations for the success of the combination condition in Experiments I and II. The video data provided clear evidence about the benefits of studying with the real and virtual circuits simultaneously (the combination conditions). Mostly the representations complemented each other, that is, one representation helped students to interpret and understand the outcomes they received from the other representation. However, there were also instances in which analogical encoding took place, that is, situations in which the slightly discrepant results between the representations ‘forced’ students to focus on those features that could be generalised across the two representations. No statistical differences were found in the amount of experienced cognitive conflicts and self-explanations between simulation and combination conditions, though in self-explanations there was a nascent trend in favour of the combination. There was also a clear tendency suggesting that explicit guidance increased the amount of self-explanations. Overall, the amount of cognitive conflicts and self-explanations was very low. The aim of the Study IV was twofold: the main aim was to provide an aggregated overview of the learning outcomes of experiments I and II; the secondary aim was to explore the relationship between the learning environments and students’ prior domain knowledge (low and high) in the experiments. Aggregated results of experiments I & II showed that on average, 91% of the students in the combination environment scored above the average of the laboratory environment, and 76% of them scored also above the average of the simulation environment. Seventy percent of the students in the simulation environment scored above the average of the laboratory environment. The results further showed that overall students seemed to benefit from combining simulations and laboratories regardless of their level of prior knowledge, that is, students with either low or high prior knowledge who studied circuits in the combination environment outperformed their counterparts who studied in the laboratory or simulation environment alone. The effect seemed to be slightly bigger among the students with low prior knowledge. However, more detailed inspection of the results showed that there were considerable differences between the experiments regarding how students with low and high prior knowledge benefitted from the combination: in Experiment I, especially students with low prior knowledge benefitted from the combination as compared to those students that used only the simulation, whereas in Experiment II, only students with high prior knowledge seemed to benefit from the combination relative to the simulation group. Regarding the differences between simulation and laboratory groups, the benefits of using a simulation seemed to be slightly higher among students with high prior knowledge. The results of the four empirical studies support the hypothesis concerning the benefits of using simulation along with laboratory activities to promote students’ conceptual understanding of electricity. It can be concluded that when teaching students about electricity, the students can gain better understanding when they have an opportunity to use the simulation and the real circuits in parallel than if they have only the real circuits or only a computer simulation available, even when the use of the simulation is supported with the explicit instruction. The outcomes of the empirical studies can be considered as the first unambiguous evidence on the (additional) benefits of combining laboratory and simulation activities in science education as compared to learning with laboratories and simulations alone.

Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Effect of fertilization on soil phosphorus in a long-term field experiment in southern Finland

Selostus: Maan fosforitilan muutos pitkäaikaisessa kenttäkokeessa hietamaalla

Forest owners' acceptance of incentive based policy instruments in forest biodiversity conservation : a choice experiment based approach

Abstract

Vitamin B12 Deficiency in the aged: Laboratory Diagnosis, Prevalence and Clinical Profile

B₁₂-vitamiinin puute iäkkäillä: laboratoriodiagnostiikka, yleisyys ja yhteys sairastavuuteen Tausta: B12-vitamiinin puute on yleistä iäkkäillä ja se tulisi todeta riittävän varhaisessa vaiheessa palautumattomien vaurioiden estämiseksi. On epäselvää pitäisikö diagnostiikka kohdistaa tiettyihin riskiryhmiin vai mahdollisesti seuloa valikoimatonta vanhusväestöä. Myöskään yksimielisyyttä laboratoriotutkimusten valinnasta ei ole. Tavoitteet: Tutkimuksen tarkoituksena oli evaluoida uutta HoloTC RIA menetelmää ja tuottaa viitearvot sille, selvittää B12-vitamiinin puutteen yleisyys, yhteys sairastavuuteen ja mahdolliset riskitekijät suomalaisessa vanhusväestössä, arvioida munuaisfunktion vaikusta B12-vitamiinin puutteen laboratoriotutkimuksiin ja näiden perusteella ehdottaa suomalaiseen terveydenhuoltoon sopivaa laboratoriotutkimusstrategiaa. Aineisto ja menetelmät: Liedon iäkkäät -tutkimuksen vanhusaineisto on edustava otos yhden kunnan yli 65-vuotiaasta väestöstä, yhteensä 1260 henkilöä. Tutkittavat kävivät lääkärintarkastuksessa, ja heistä on käytettävissä runsaasti laboratoriotutkimuksia sekä tiedot sairauksista, ruokavaliosta, lääkkeiden ja vitamiinivalmisteiden käytöstä, dementiaseula ja depressiokysely. Viitearvoaineistoa varten kerättiin näytteet 84 vapaaehtoisesta terveestä aikuisesta ja menetelmäevaluaatiota varten 107 sairaalapotilaasta. Tulokset: HoloTC RIA menetelmän toistettavuus oli hyvä manuaalimenetelmäksi. 95%:n viiteväli holotranskobalamiinille oli 37-171 pmol/l. Kaikilla tutkittavilla, joilla oli muilla laboratoriotutkimuksilla osoitettu todennäköinen B12-vitamiinin puute, myös holotranskobalamiini oli viitealueen alarajaa pienempi. Suurentuneella kystatiini C-pitoisuudella osoitettu munuaisten vajaatoiminta korreloi voimakkaasti homokysteiinin (rs=0.53, p<0.001) ja metyylimalonihapon (rs=0.27, p<0.001) pitoisuuksiin, mutta ei kokonais-B12-vitamiinin (rs=- 0.04, p=0.227) tai holotranskobamiinin (rs=-0.01, p=0.817) pitoisuuksiin. Suomalaisessa vanhusväestössä B12-vitamiinin puutteen prevalenssi oli 12%. Kokonais- B12-vitamiinin pitoisuus oli matala (<150 pmol/l) 6%:lla. Miessukupuoli (OR 1.9, 95% CI 1.2-2.9), ikä ≥75 (OR 2.2, 95% CI 1.4-3.4) ja maitotuotteiden välttäminen (OR 2.3, 95% CI 1.2-4.4) lisäsivät B12-vitamiinin puutteen riskiä, mutta anemia (OR 1.3, 95% CI 0.7-2.3) tai makrosytoosi (OR 1.2, 95% CI 0.6-2.7) eivät. Päätelmät: Diagnosoimaton B12-vitamiinin puute on yleistä iäkkäillä, mutta kliinisesti merkityksellistä spesifistä riskiryhmää ei löydy. Koska anemian ja makrosytoosin puuttuminen ei poissulje B12-vitamiinin puutetta ja munuaisten vajaatoiminta heikentää metabolisten merkkiaineiden käyttökelpoisuutta, kokonais-B12-vitamiinia suositellaan ensisijaiseksi laboratoriotutkimukseksi epäiltäessä B12-vitamiinin puutetta ja tarvittaessa varmentavina tutkimuksina käytetään homokysteiiniä ja holotranskobalamiinia.

Building Environmental Management System for Laboratory Products Manufacturing Company according ISO 14001-standard

Tutkielman tavoitteena on rakentaa toimiva ympäristöjärjestelmä Thermo Fisher Scientific Oy:lle. Tutkimuksen tarkoituksena on myös löytää kahdelle täysin erilaiselle toiminnalle yhtenäinen ympäristöjärjestelmä, jonka avulla pystytään ottamaan huomioon molempien toimipaikkojen hieman erilaiset vaatimukset. Lisäksi tavoitteena on muodostaa ympäristöjärjestelmälle oma organisaatio, jonka avulla ympäristöjärjestelmän integrointi yrityksen prosesseihin voidaan suorittaa sujuvasti. Aluksi tutkimusongelmaa lähestytään teoreettisesta näkökulmasta,jossa tarkastellaan ympäristöjärjestelmän historiaa, rakennetta, etuja sekä ISO 14001–standardin rakennetta ja sen etenemistä ympäristöjärjestelmän rakentamisen yhteydessä aina kolmannen osapuolen sertifiointiin asti. Empiria osa alkaa alustavalla ympäristökatselmuksella, jossa selvitetään ympäristöasioiden hoidon nykytaso ja luodaan pohja koko ympäristöjärjestelmän luomiselle, jonka vankimpana perustana on ympäristöpolitiikka. Johdon hyväksymä ympäristöpolitiikka varmistaa johdon sitoutumisen järjestelmään. Ympäristöjärjestelmän toimintarakenteen muodostaminen kahdelle erilaiselle toiminnalle onnistui tutkimuksessa kiitettävästi. Se miten ympäristöjärjestelmä toimii todellisuudessa, tullaan näkemään käytännön kokemuksien yhteydessä.

Development of a Testing Method for Convertibility of Paperboard

Työssä tutkittiin muovattujen kartonkivuokien sekä muovattujen kartonkinäytteiden rinnastettavuutta. Puristusvaiheen prosessiolosuhteiden miellettiin vaikuttavan eniten multidimensionaliseen muodonmuutokseen. Multidimensionaalista muodonmuutosta simuloitiin uudella muovaamiseen soveltuvalla muovauslaitteella. Kirjallisuusosassa keskeisiä teemoja ovat kartongin muovaus sekä kuitupohjaisen materiaalin reologinen käyttäytyminen. Kirjallisuusosassa esitellään lisäksi yksi tekninen sovellus, jonka avulla kyetään ennustamaan kuitumateriaalin muovautuvuutta sekä mittaamaan tapahtunutta muodonmuutosta. Prosessiparametrien teoreettista vaikutustakuituihin tarkastellaan myös kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa toteutettiin kartonkivuokien valmistus puristamalla. Vastaavilla prosessiparametreilla muovattiin myös pienemmät testinäytteet. Perinteiset yksidimensionaliset deformaatiomittaukset toteutettiin lujuusominaisuuksien laboratoriomäärityksinä. Myös kitka, joka toimii tärkeänä muuttujana prässäysprosessissa, mitattiin laboratorio-olosuhteissa. Tämän työn tulokset osoittavat uuden kehitetyn muovausmenetelmän toimivuuden. Asema-voima kuvaajat ovat selkeitä sekä helposti luettavia. Tuloksissa havaittiin materiaalin muovauspotentiaalin sekä asema-voima kuvaajan välillä vallitseva yhteys. Erittäin merkittävä huomio oli myös, että muovipäällystetyllä kartongilla oli yhteys päällystämättömän kartongin asema-voima kuvaajaan. Tämä tulos osoittaa, että muovipäällystetyn kartongin muovautuvuutta voi olla mahdollista ennustaa pohjakartongin muovautuvuustulosten perusteella. Perinteiset yksidimensionaliset laboratoriomittaukset eivät kykene antamaan riittävää informaatiota muovautuvuuden ennustamiseen. Tästä näkökulmasta on tärkeää että kartongin multidimensionalista muotoutuvuutta voidaankin tutkia kehitetyllä muovausmenetelmällä.

Verification of a dynamic laboratory scale former

Laboratoriomittakaavainen formeri on välttämätön, jotta paperinvalmistusprosessin jäljitteleminen olisi mahdollista. Vaikka erilaisia formereita löytyykin paperiteollisuudesta, tilaa on kuitenkin laboratoriomittakaavaiselle paperinvalmistusmenetelmälle, joka sijoittuisipilottikoneen ja perinteisen laboratorioarkkimuotin välille. Formeri, jolla saadaan aikaiseksi oikean paperinvalmistuksen kaltaiset olosuhteet ja ilmiöt on kehitetty, ja sen toiminta on testattu Nalcon Papermaking Centreof Excellence:ssä Espoossa. Formeri on yhdistetty Nalcon lähestymisjärjetelmäsimulaattoriin ja simulaattorilla aikaansaadut hydro-kemialliset ilmiöt voidaan testata nyt myös arkeista. Laitteessa on perälaatikko ja viiraosa. Perälaatikosta massa virtaa viiralle, joka liikkuu eteenpäin hihnakuljettimen hihnojen päällä. Suihku-viira -suhdetta voidaan muuttaa joko muuttamalla virtausnopeutta tai viiran nopeutta tai säätämällä perälaatikon huuliaukkoa. Formerintoiminnan testaus osoitti, että se toimii teknisesti hyvin ja tulokset ovat toistettavia ja loogisia. Arkeissa kuidut ovat orientoituneet, formaatio ja vetolujuussuhde KS/PS riippuvat voimakkaasti suihku-viira -suhteesta, kuten oikeillakinpaperikoneilla.