0 AND 02 ADSORPTION ON Ag/Cu[100]

In this work the adsorption mechanisms of atomic and molecular oxygen on Cu(100) surface are studied using ab initio simulation methods. Through the atomistic scale under-standing of the elementary oxidation processes we can further understand the large-scale oxidation. Copper is a material widely used in industry which makes it an interesting subject, and also understanding the oxidation of copper helps us understand the oxidation mechanism of other metals. First we have a look on some theory on surface alloys in general and behaviour of Ag on Cu(100) surface. After that the physical background there is behind the methods of density functional calculations are discussed, and some methods, namely potential energy surfaces and molecular dynamics, are introduced. Then there is a brief look on the numerical details used in the calculations, and after that, the results of the simulations are exhibited.

Oxygen adsorption on Cu(510)

Tässä työssä on tutkittu kuparin (510)-askelpinnan reaktiivisuutta käyttäen apuna kvanttimekaanisia ab initio laskentamenetelmiä. Tutkimus on toteutettu laskemalla happiatomin adsorptioenergia ja tilatiheys erilaisissa potentiaalisissa adsorptiopaikoissa pinnalla. Myös happimolekyylin adsorptiota ja hajoamista ontarkasteltu laskemalla pintaa lähestyvälle molekyylille potentiaalienergiapintoja. Energiapintojen tuloksia on myös täydennetty kvanttimekaanisilla molekyylidynamiikkalaskuilla. Metallisia askelpintoja pidetään yleisesti sileitä pintoja reaktiivisempina happea kohtaan, johtuen askeleen reunan pienentävästä vaikutuksesta molekyylin hajoamisen tiellä olevaan energiavaliin. On kuitenkin olemassa myös tuloksia, jotka osoittavat hapen tarttumisprosessin olevan hallitseva juuri terassialueella, askeleen reunan sijasta. Tässä työssä on todettu hapen adsorboituvan Cu(510)-pinnalla tehokkaimmin juuri terassilla olevaan hollow-paikkaan. Myös adsorptioenergiat ovat tällä pinnalla pienempiä kuin sileällä (100)-pinnalla. Potentiaalienergiapintojen perusteella Cu(510)-pinnan todetaan myös olevan vähemmän reaktiivinen kuin askelpintojen yleisesti odotetaan olevan, vaikka askeleen reunan todetaankin pienentävän happiatominhajoamisen esteenä olevaa energiavallia.

Oxygen adsorption on Cu(211) and structurally and chemically modified Cu(100)

Kuparipinnan hapettuminen on viimevuosina ollut suosittu tutkimuskohde materiaalitieteissä kuparin laajan teollisuuskäytön vuoksi. Teollisuussovellusten, kuten suojaavien pintaoksidien kehittäminen vaatii kuitenkin syvällistä tuntemusta hapettumisprosessista ja toisaalta myös normaaliolosuhteissa materiaalissa esiintyvien hilavirheiden vaikutuksesta siihen. Tässä työssä keskitytäänkin tutkimaan juuri niitä mekanismeja, joilla erilaiset pintavirheet ja porrastettu pintarakenne vaikuttavathapen adsorptioprosessiin kuparipinnalla. Tutkimus on tehty käyttämällä laskennallisia menetelmiä sekä VASP- ja SIESTA-ohjelmistoja. Työssätutkittiin kemiallisia ja rakenteellisia virheitä Cu(100)-pinnalla, joka on reaktiivisin matalanMillerin indeksin pinta ja porrastetun pinnan tutkimuksessa käytettiin Cu(211)-pintaa, joka puolestaan on yksinkertainen, stabiili ja aiemmissa tutkimuksissa usein käytetty pintarakenne. Työssä tutkitut hilavirheet, adatomit, vähentävät molekyylin dissosiaatiota kuparipinnalla, kun taas vakanssit toimivat dissosiaation keskuksina. Kemiallisena epäpuhtautena käytetty hopeakerros ei estä kuparin hapettumista, sillä happi aiheuttaa mielenkiintoisen segregaatioilmiön, jossa hopeatyöntyy syvemmälle pinnassa jättäen kuparipinnan suojaamattomaksi. Porrastetulla pinnalla (100)-hollow on todennäköisin paikka molekyylin dissosiaatiolle, kun taas portaan bridge-paikka on suotuisin molekulaariselle adsorptiolle. Lisäksi kuparin steppipinnan todettiin olevan reaktiivisempi kuin tasaiset kuparipinnat.

Separation of ammonia and carbon dioxide by adsorption

Tässä työssä on tutkittu ammoniakin ja hiilidioksidin erottamista adsorptio prosessilla ja suunniteltiin paineen muunteluun perustuvan adsorptioprosessin (PSA) käyttöä. Työn tarkoituksena oli laskea adsorptioon perustuvan prosessin kannattavuus melamiinitehtaan poistokaasujen erotuksessa. Tätä varten työssä suunniteltiin tehdasmitta-kaavainen prosessi ja arvioitiin sen kannattavuus. Työssä mitattiin adsorptiotasapainot, joiden perusteella sovitettiin sopiva kokeellinen adsorptioisotermi. Adsorptioisotermi lisättiin simulointiohjelmaan, jonka avulla suunniteltiin kaksi vaihtoehtoista pilot laitteistoa kaasujen erottamiseksi. Toisella pilot laitteistolla saadaan mitattua vain läpäisykäyrät, mutta paremmalla versiolla saadaan myös tietoa erotettujen komponenttien puhtaudesta. Suunnittelun tärkeimpiä lähtökohtia on molempien komponenttien mahdollisimman korkea puhtaus ja talteenottoaste. Täysimittakaavainen tehdas suunniteltiin simulointiohjelmiston avulla kahdelle eri kapasiteetille ja arvioitiin niiden kustannukset ja kannattavuus. Adsorptioprosessit osoittautuivat kannattaviksi kaasuseoksen erottamisessa kummassakin tapauksessa

Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä. Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon. Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

Kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistäminen biojalostamon erotusprosesseissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen ja adsorption yhdistämistä biojalostamon erotusprosesseissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien erottamista puusta, kalvosuodatusta hemiselluloosien käsittelyssä sekä hemiselluloosien pilkkomista sokereiksi ja sokereiden kromatografista erotusta. Kokeellisessa osassa tutkittiin hemiselluloosahydrolysaatin fraktioimista kalvosuodatuksella ja adsorbenttikäsittelyn vaikutusta hydrolysaatin suodatettavuuteen. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös fraktioinnin vaikutusta hartsien likaantumiseen happohydrolyysin jälkeisessä kromatografisessa erotuksessa. Työssä kokeiltiin useita erilaisia kalvoja, mutta suurin osa suodatuksista tehtiin regeneroidusta selluloosasta valmistetulla kalvolla UC030 ja polyeetterisulfoni kalvolla UFX5. Esikäsittelyyn käytettiin XAD16 adsorbenttia ja hartsien likaantumista tutkittiin CS12GC Na+ hartsilla. Suodatuskokeet tehtiin sekä laboratoriomittakaavan Amicon-suodattimella että pilot-mittakaavan CR- suodattimella. Työn tulokset osoittivat, että konsentroituneen hemiselluloosafraktion tuottaminen tehokkaasti ei onnistu kalvosuodatuksella ilman esikäsittelyä. Kalvon likaantumisen vuoksi permeaattivuo laski hyvin nopeasti niin alhaiseksi, ettei suodatuksen jatkaminen olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolysaatin esikäsittely XAD16 adsorbentillä poisti tehokkaasti kalvoja likaavia uuteaineita ja ligniiniä. Adsorbenttikäsittelyn jälkeen hydrolysaatin suodattaminen onnistui ilman permeaattivuon huomattavaa alenemista toisessa suodatusvaiheessa ja saatiin aikaiseksi hyvin konsentroitunut hemiselluloosafraktio.

The role of van der Waals interactions in the case of H2 adsorption on ruthenium (0001) surface

Computational material science with the Density Functional Theory (DFT) has recently gained a method for describing, for the first time the non local bonding i.e., van der Waals (vdW) bonding. The newly proposed van der Waals-Density Functional (vdW-DF) is employed here to address the role of non local interactions in the case of H2 adsorption on Ru(0001) surface. The later vdW-DF2 implementation with the DFT code VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) is used in this study. The motivation for studying H2 adsorption on ruthenium surface arose from the interest to hydrogenation processes. Potential energy surface (PES) plots are created for adsorption sites top, bridge, fcc and hcp, employing the vdW-DF2 functional. The vdW-DF yields 0.1 eV - 0.2 eV higher barriers for the dissociation of the H2 molecule; the vdW-DF seems to bind the H2 molecule more tightly together. Furthermore, at the top site, which is found to be the most reactive, the vdW functional suggests no entrance barrier or in any case smaller than 0.05 eV, whereas the corresponding calculation without the vdW-DF does. Ruthenium and H2 are found to have the opposite behaviors with the vdW-DF; Ru lattice constants are overestimated while H2 bond length is shorter. Also evaluation of the CPU time demand of the vdW-DF2 is done from the PES data. From top to fcc sites the vdW-DF computational time demand is larger by 4.77 % to 20.09 %, while at the hcp site it is slightly smaller. Also the behavior of a few exchange correlation functionals is investigated along addressing the role of vdW-DF. Behavior of the different functionals is not consistent between the Ru lattice constants and H2 bond lengths. It is thus difficult to determine the quality of a particular exchange correlation functional by comparing equilibrium separations of the different elements. By comparing PESs it would be computationally highly consuming.

Adsorption of hydrogen sulfide by modified cellulose nano/microcrystals

Hydrogen sulfide is toxic and hazardous pollutant. It has been under great interest for past few years because of all the time tighten environmental regulations and increased interest of mining. Hydrogen sulfide gas originates from mining and wastewater treatment systems have caused death in two cases. It also causes acid rains and corrosion for wastewater pipelines. The aim of this master thesis was to study if chemically modified cellulose nanocrystals could be used as adsorbents to purify hydrogen sulfide out from water and what are the adsorption capacities of these adsorbents. The effects of pH and backgrounds on adsorption capacities of different adsorbents are tested. In theoretical section hydrogen sulfide, its properties and different purification methods are presented. Also analytical detection methods for hydrogen sulfide are presented. Cellulose nano/microcrystals, properties, application and different modification methods are discussed and finally theory of adsorption and modeling of adsorption is shortly discussed. In experimental section different cellulose nanocrystals based adsorbents are prepared and tested at different hydrogen sulfide concentrations and in different conditions. Result of experimental section was that the highest adsorption capacity at one component adsorption had wet MFC/CaCO3. At different pH the adsorption capacities of adsorbents changed quite dramatically. Also change of hydrogen sulfide solution background did have effect on adsorption capacities. Although, when tested adsorbents’ adsorption capacities are compared to those find in literatures, it seems that more development of MFC based adsorbents is needed.

Ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poisto adsorption avulla

Kiinnostus ravinneionien ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon liittyy niiden ne-gatiivisiin ympäristövaikutuksiin ja niiden poistoon jätevesistä on olemassa erilaisia tekniikoita. Tässä työssä ionien poistoa tutkittiin adsorptiotekniikan avulla. Siinä perus-ajatuksena on ionin kiinnittyminen adsorbentin pintaan, jolloin sen poistaminen käsitel-tävästä vedestä on mahdollista. Tässä diplomityössä tutkittiin eri adsorbentteja ammoniumin, fosfaatin ja nitraatin poistoon, ja päämääränä oli niiden yhtäaikainen poistaminen. Kokeita tehtiin niin laboratoriossa valmistetuille ravinneliuoksille kuin Yara Suomi Oy:n Siilinjärven (Yara) toimipaikalta toimitetuille vesille. Yaran vesien osalta pääpaino oli ammoniumin poistossa. Tutkimuksen haasteina olivat ionien erilaiset varaukset, jolloin esimerkiksi positiivisesti varautunut ammoniumioni kiinnittyi negatiivisesti varautuneen adsorbentin pintaan hel-poiten. Toisaalta negatiivisesti varautuneet anionit fosfaatti ja nitraatti suosivat positiivi-sesti varautuneita adsorbentteja. Myös muiden ionin läsnäolo joko edisti tai esti adsorboitumista ja joissain tapauksissa pH:lla oli suuri merkitys prosessin onnistumiseen. Saatuja tuloksia tarkasteltiin tutkittujen ionien poistoprosenttien ja isotermimallinnuksien kautta unohtamatta muita esille tulleita seikkoja. Saatujen tulosten mukaan etenkin kalsinoitu hydrotalsiitti poisti fosfaattia ja nitraattia, mutta se ei mainittavasti toiminut ammoniumille. Ammoniumille sen sijaan toimi par-haiten zeoliitit ja bentoniitti, jotka vähensivät myös Yaran vesien ammoniumpitoisuutta. Ionien yhtäaikainen poistaminen oli haastavaa ja sen parempi ymmärtäminen edellyttää jatkotutkimuksia. Yksi jatkotutkimuskohde voisi olla eri adsorbenttien yhdistäminen keskenään, ja tästä saatiin jo alustavia, rohkaisevia tuloksia.

Treatment of Fe-containing Acid Mine Waters in Fixed Bed Adsorption Column with Calcite Side-Stone

The acid mining drainage is considered the most significant environmental pollution problem around the world for the extensive formation acidic leachates containing heavy metals. Adsorption is widely used methods in water treatment due to it easy operation and the availability of a wide variety of commercial adsorbent (low cost). The primary goal of this thesis was to investigate the efficiency of neutralizing agents, CaCO3 and CaSiO3, and metal adsorption materials with unmodified limestone from Company Nordkalk Oy. In addition to this, the side materials of limestone mining were tested for iron adsorption from acidic model solution. This study was executed at Lappeenranta University of Technology, Finland. The work utilised fixed-bed adsorption column as the main equipment and large fluidized column. Atomic absorption spectroscopy (AAS) and x-ray diffraction (XRD) was used to determine ferric removal and the composition of material respectively. The results suggest a high potential for the studied materials to be used a low cost adsorbents in acid mine drainage treatment. From the two studied adsorbents, the FS material was more suitable than the Gotland material. Based on the findings, it is recommended that further studies might include detailed analysis of Gotland materials.

Modified nano- and microcellulose based adsorption materials in water treatment

In recent decades, industrial activity growth and increasing water usage worldwide have led to the release of various pollutants, such as toxic heavy metals and nutrients, into the aquatic environment. Modified nanocellulose and microcellulose-based adsorption materials have the potential to remove these contaminants from aqueous solutions. The present research consisted of the preparation of five different nano/microcellulose-based adsorbents, their characterization, the study of adsorption kinetics and isotherms, the determination of adsorption mechanisms, and an evaluation of adsorbents’ regeneration properties. The same well known reactions and modification methods that were used for modifying conventional cellulose also worked for microfibrillated cellulose (MFC). The use of succinic anhydride modified mercerized nanocellulose, and aminosilane and hydroxyapatite modified nanostructured MFC for the removal of heavy metals from aqueous solutions exhibited promising results. Aminosilane, epoxy and hydroxyapatite modified MFC could be used as a promising alternative for H2S removal from aqueous solutions. In addition, new knowledge about the adsorption properties of carbonated hydroxyapatite modified MFC as multifunctional adsorbent for the removal of both cations and anions ions from water was obtained. The maghemite nanoparticles (Fe3O4) modified MFC was found to be a highly promising adsorbent for the removal of As(V) from aqueous solutions due to its magnetic properties, high surface area, and high adsorption capacity . The maximum removal efficiencies of each adsorbent were studied in batch mode. The results of adsorption kinetics indicated very fast removal rates for all the studied pollutants. Modeling of adsorption isotherms and adsorption kinetics using various theoretical models provided information about the adsorbent’s surface properties and the adsorption mechanisms. This knowledge is important for instance, in designing water treatment units/plants. Furthermore, the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent as well as adsorption mechanisms were also discussed. On the whole, both the experimental results and theoretical considerations supported the potential applicability of the studied nano/microcellulose-based adsorbents in water treatment applications.

Susteinable steelmaking by process integration

Environmental issues, including global warming, have been serious challenges realized worldwide, and they have become particularly important for the iron and steel manufacturers during the last decades. Many sites has been shut down in developed countries due to environmental regulation and pollution prevention while a large number of production plants have been established in developing countries which has changed the economy of this business. Sustainable development is a concept, which today affects economic growth, environmental protection, and social progress in setting up the basis for future ecosystem. A sustainable headway may attempt to preserve natural resources, recycle and reuse materials, prevent pollution, enhance yield and increase profitability. To achieve these objectives numerous alternatives should be examined in the sustainable process design. Conventional engineering work cannot address all of these substitutes effectively and efficiently to find an optimal route of processing. A systematic framework is needed as a tool to guide designers to make decisions based on overall concepts of the system, identifying the key bottlenecks and opportunities, which lead to an optimal design and operation of the systems. Since the 1980s, researchers have made big efforts to develop tools for what today is referred to as Process Integration. Advanced mathematics has been used in simulation models to evaluate various available alternatives considering physical, economic and environmental constraints. Improvements on feed material and operation, competitive energy market, environmental restrictions and the role of Nordic steelworks as energy supplier (electricity and district heat) make a great motivation behind integration among industries toward more sustainable operation, which could increase the overall energy efficiency and decrease environmental impacts. In this study, through different steps a model is developed for primary steelmaking, with the Finnish steel sector as a reference, to evaluate future operation concepts of a steelmaking site regarding sustainability. The research started by potential study on increasing energy efficiency and carbon dioxide reduction due to integration of steelworks with chemical plants for possible utilization of available off-gases in the system as chemical products. These off-gases from blast furnace, basic oxygen furnace and coke oven furnace are mainly contained of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and partially methane (in coke oven gas) and have proportionally low heating value but are currently used as fuel within these industries. Nonlinear optimization technique is used to assess integration with methanol plant under novel blast furnace technologies and (partially) substitution of coal with other reducing agents and fuels such as heavy oil, natural gas and biomass in the system. Technical aspect of integration and its effect on blast furnace operation regardless of capital expenditure of new operational units are studied to evaluate feasibility of the idea behind the research. Later on the concept of polygeneration system added and a superstructure generated with alternative routes for off-gases pretreatment and further utilization on a polygeneration system producing electricity, district heat and methanol. (Vacuum) pressure swing adsorption, membrane technology and chemical absorption for gas separation; partial oxidation, carbon dioxide and steam methane reforming for methane gasification; gas and liquid phase methanol synthesis are the main alternative process units considered in the superstructure. Due to high degree of integration in process synthesis, and optimization techniques, equation oriented modeling is chosen as an alternative and effective strategy to previous sequential modelling for process analysis to investigate suggested superstructure. A mixed integer nonlinear programming is developed to study behavior of the integrated system under different economic and environmental scenarios. Net present value and specific carbon dioxide emission is taken to compare economic and environmental aspects of integrated system respectively for different fuel systems, alternative blast furnace reductants, implementation of new blast furnace technologies, and carbon dioxide emission penalties. Sensitivity analysis, carbon distribution and the effect of external seasonal energy demand is investigated with different optimization techniques. This tool can provide useful information concerning techno-environmental and economic aspects for decision-making and estimate optimal operational condition of current and future primary steelmaking under alternative scenarios. The results of the work have demonstrated that it is possible in the future to develop steelmaking towards more sustainable operation.