Kohti vesiensuojelun aikaa; veden laadun muutokset eteläisimmällä Saimaalla

Työn tarkoituksena on ollut tutkia vesianalytiikan kehitystä Suomessa, arvioida rutiini-analytiikan luotettavuutta, selvittää eteläisimmän Saimaan jätevesikuormituksen kehitys ja siihen vaikuttaneet tekijät, laatia aikasarjat eräiden tutkimusalueen keskeisten veden laadun seurantapaikkojen veden laadun kehityksestä ja esittää keinoja veden laadun kehityksen kuvaa¬miseksi tiivistämällä suuri havaintomateriaali yksinkertaisiksi tunnusluvuiksi. Työssä käsiteltä¬vä aikajakso alkaa 1900-luvun alusta ja päättyy vuoteen 1998. Tutkimus on osa laajempaa ko¬konaisuutta. Tutkimusalue käsittää Vuoksen vesistön keskusjärven, Saimaan, eteläisimmät osat eli Pien-Saimaan, Suur-Saimaan, Vuoksen niskan ja Haapaveden altaat sekä vesistön purku¬-uoman, Vuoksen virran (ks. kuvat 5.1. ja 5.2.). Veden laatu alueen luonnontilaisilla alueilla on luokiteltavissa osin oligotrofiseksi, osin lievästi dysoligotrofiseksi. Sadan viimeisen vuoden aikana teollinen toiminta on muuttanut sitä voimakkaasti. Vesiensuojeluun on eteläisimmän Saimaan alueella investoitu yli 1,5 miljardia markka viimeisten noin 30 vuoden aikana. Investointien tuloksena kuormitus on laskenut oleellisesti 1960-luvun maksimikuormituksesta. Jätevesien purkuvesistön veden laatu on tänä aikana myös merkittävästi parantunut. Tämä on osoitettu veden laadun seurantatuloksista tehtyjen erilaisten tarkastelujen avulla (aikasarjadiagrammit, tilasto tarkastelut, indeksilukuluokitukset, PCA- ja PLS- ja DPLS- monimuuttujamallinnukset). Nykyisin veden laatu on lähes koko tutkimusalu¬eella vähintään tyydyttävä. Fysikaalis-kemiallisen veden laadun seurannan historia on Suomessa kansainvälisesti ja kansallisesti pitkä, ja Saimaalta voidaan veden laadun kehitystä arvioida luotettavasti 40 vuoden ajalta. Tutkimusmetodiikat vesitutkimusten pioneerimaissa ovat olleet samankaltaisia ja niiden perusteella on laadittu myös eurooppalaisen vedenlaadunseurannan suositukset. Vaikka tulevai¬suudessa vesistöä ja sen tilan kehitystä on tarkasteltava ekologisena kokonaisuutena, ei tätä voida tehdä ilman nykyisen kaltaista monitorointia. Teollisuuden jätevesikuormitus on laskenut neljännesvuosisadan aikana hyvin merkittä¬västi tavalla, joka vielä kymmenkunta vuotta sitten tuntui saavuttamattomalta. Saimaan. kuten muunkin Suomen metsäteollisuuden taso onkin kansainvälisesti korkea ja täyttää jo nyt kuormi¬tuksen suhteen lähes 2000-luvun alun BAT-tekniikan vaatimukset. Veden laatu ei kuitenkaan ole kuormitetuilla alueilla kaikkialla vielä hyvä, joten vesiensuojeluun on edelleen panostettava, kun tavoitteena on vesien hyvä ekologinen tila. Vesistöstä käsin tarkasteltuna hitaasti hajoavan orgaanisen aineen määrän vähentäminen vedestä on oltava seuraavana tavoitteena. Tätä tukee myös BAT-tekniikan tarkastelu.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Sellun kuivauskoneen ajettavuusongelman monimuuttujainen tarkastelu

Tässä työssä on tutkittu sellun kuivauskoneella koivusellua kuivattaessa esiintyvää ajettavuusongelmaa. Tähän ongelmaan on etsitty ratkaisua monimuuttujamenetelmien avulla. Työn kirjallisuusosassa on lyhyesti käyty läpi sellun kuivauskoneiden historia lieriöviirakoneista nykyaikaisiin kaksoisviirasovelluksiin. Lisäksi kirjallisuusosassa on käsitelty tässä työssä käytettyjen monimuuttujamenetelmien perusteet ja käyty esimerkin omaisesti läpi joitakin kemometrian sovelluksia puunjalostusteollisuudessa. Työn kokeellisessa osassa on haettu tiedonkeruujärjestelmästä massan ominaisuuksista ja kuivauskoneen ajoparametreistä koostuvaa dataa vuoden 1999 ajalta. Tästä datasta on tehty PCA-mallit vuoden 1999 jokaisen kuukauden datasta ja diskriminoiva PLS-malli ajettavuuden kannalta hyvästä ja huonosta jaksosta koostuvasta datasta. Kuivauskoneelta on koottu dataa myös ottamalla kiertovesi- ja selluarkkinäytteitä. Kiertovesinäytteiden analyysituloksista on tehty PCA-mallit ja lisäksi analyysitulokset on tarkasteltu yksimuuttujaisesti. Selluarkkinäytteistä on määritetty UV-spektrit ja niistä on tehty PCA-mallit, jotta spektreistä saataisiin mahdollisimman paljon informaatiota. Työssä on havaittu yhdeksi selitykseksi ajettavuusongelmalle kuivauskoneen kiertovesien likaantuminen. Kiertovesiä ja massarainan pintakemiaa tulisi kuitenkin tutkia laajemmassa mittakaavassa kuin tämän työn puitteissa on ollut mahdollista tutkia.

Advanced chemometric methods: Applicability on industrial data

Recent years have produced great advances in the instrumentation technology. The amount of available data has been increasing due to the simplicity, speed and accuracy of current spectroscopic instruments. Most of these data are, however, meaningless without a proper analysis. This has been one of the reasons for the overgrowing success of multivariate handling of such data. Industrial data is commonly not designed data; in other words, there is no exact experimental design, but rather the data have been collected as a routine procedure during an industrial process. This makes certain demands on the multivariate modeling, as the selection of samples and variables can have an enormous effect. Common approaches in the modeling of industrial data are PCA (principal component analysis) and PLS (projection to latent structures or partial least squares) but there are also other methods that should be considered. The more advanced methods include multi block modeling and nonlinear modeling. In this thesis it is shown that the results of data analysis vary according to the modeling approach used, thus making the selection of the modeling approach dependent on the purpose of the model. If the model is intended to provide accurate predictions, the approach should be different than in the case where the purpose of modeling is mostly to obtain information about the variables and the process. For industrial applicability it is essential that the methods are robust and sufficiently simple to apply. In this way the methods and the results can be compared and an approach selected that is suitable for the intended purpose. Differences in data analysis methods are compared with data from different fields of industry in this thesis. In the first two papers, the multi block method is considered for data originating from the oil and fertilizer industries. The results are compared to those from PLS and priority PLS. The third paper considers applicability of multivariate models to process control for a reactive crystallization process. In the fourth paper, nonlinear modeling is examined with a data set from the oil industry. The response has a nonlinear relation to the descriptor matrix, and the results are compared between linear modeling, polynomial PLS and nonlinear modeling using nonlinear score vectors.

Happaman hydrometallurgisen PLS-liuoksen puhdistaminen kiintoaineesta kalvosuodatustekniikalla

Tässä diplomityössä tutkittiin keraamisten mikrosuodatuskalvojen soveltuvuutta kiintoaineen erottamiseen happamasta PLS-liuoksesta eri huokoskoon omaavilla mikrosuodatuskalvoilla. Koelaitteistolla suodatettiin puhdasta vettä, kaoliinipitoista vesiliuosta sekä hapanta kuparia, kalsiumia ja kaoliinia sisältävää malliliuosta. Koeajojen tavoitteena oli saada tietoa permeaattivuon maksimimäärästä eri mikrosuodatuskalvoilla sekä tuotteen puhtaudesta. Näiden lisäksi saatiin tietoa kalvojen likaantumisesta ajon aikana. Teoriaosassa käsiteltiin yleisesti kalvosuodatusta, esitettiin yleiset kalvotekniset menetelmät ja sovellukset sekä käytiin läpi tutkimuksia samankaltaisiin kalvoihin ja sovelluksiin liittyen. Lisäksi teoriaosuudessa pohdittiin mahdollisuutta käyttää myös muita, kuin putkimoduulisia mikrosuodatuskalvoja. Myös työhön oleellisena taustana kuuluvaa hydrometallurgiaa tarkasteltiin teoreettiselta kannalta. Puhtaan veden suodatuskoetuloksista havaittiin, että kaikki kalvot jäivät selvästi valmistajan ilmoittamista arvoista. 1,0 µm CoMetas CoMem® kalvon teoreettinen vesivuo on 10 m3/(h bar) ja 3,0 µm CoMetas CoMem® teoreettinen vesivuo on yli 50 m3/(h bar). Näistä parhaimman vuon arvon sai 1,0 µm CoMetas CoMem® mikrosuodatuskalvo. Tämä kalvo oli paras sekä veden suodatuksissa että malliliuoksella tehdyillä suodatuksilla. Malliliuoksella saavutettiin n. 2000 L/(m2 h) paineen ollessa 2,0 bar ja virtausnopeuden ollessa 4,4 m/s. Vastaavat vesiajon tulokset olivat n. 1100 L/(m2 h) paineen ollessa 1,0 bar ja virtausnopeuden 2,9 m/s. Kaikki kolme käytettyä kalvoa pidättivät kaoliiniliuoksen 81–100 %:sesti. Kuparipitoista malliliuosta suodatettaessa pystyttiin vastaavasti erottamaan 77–99 % kiintoaineesta. Koeajoissa kuitenkin havaittiin huomattava vuon arvojen putoaminen, joka johtui kalvon likaantumisesta. Huomioitavaa oli kuitenkin, että hapanta malliliuosta suodatettaessa permeaattivuon arvot olivat kaoliiniliuoksen suodatuksessa saatuja vastaavia arvoja korkeammat.

Novel Regression Methods For Spectral Data

Singular Value Decomposition (SVD), Principal Component Analysis (PCA) and Multiple Linear Regression (MLR) are some of the mathematical pre- liminaries that are discussed prior to explaining PLS and PCR models. Both PLS and PCR are applied to real spectral data and their di erences and similarities are discussed in this thesis. The challenge lies in establishing the optimum number of components to be included in either of the models but this has been overcome by using various diagnostic tools suggested in this thesis. Correspondence analysis (CA) and PLS were applied to ecological data. The idea of CA was to correlate the macrophytes species and lakes. The di erences between PLS model for ecological data and PLS for spectral data are noted and explained in this thesis. i