Reactivity of silicate liming materials from Northern Europe assessed by Soil Incubation and two pH Stat methods

Selostus: Pohjois-Euroopan silikaattisten kalkitusaineiden reaktiivisuus astiakoemenetelmällä ja kahdella pH-staattisella menetelmällä arvioituna

Organo

Soitinnus: urut.

Production of Mg(OH)2 from Mg-silicate rock for CO2 mineral sequestration

Sequestration of carbon dioxide in mineral rocks, also known as CO2 Capture and Mineralization (CCM), is considered to have a huge potential in stabilizing anthropogenic CO2 emissions. One of the CCM routes is the ex situ indirect gas/sold carbonation of reactive materials, such as Mg(OH)2, produced from abundantly available Mg-silicate rocks. The gas/solid carbonation method is intensively researched at Åbo Akademi University (ÅAU ), Finland because it is energetically attractive and utilizes the exothermic chemistry of Mg(OH)2 carbonation. In this thesis, a method for producing Mg(OH)2 from Mg-silicate rocks for CCM was investigated, and the process efficiency, energy and environmental impact assessed. The Mg(OH)2 process studied here was first proposed in 2008 in a Master’s Thesis by the author. At that time the process was applied to only one Mg-silicate rock (Finnish serpentinite from the Hitura nickel mine site of Finn Nickel) and the optimum process conversions, energy and environmental performance were not known. Producing Mg(OH)2 from Mg-silicate rocks involves a two-staged process of Mg extraction and Mg(OH)2 precipitation. The first stage extracts Mg and other cations by reacting pulverized serpentinite or olivine rocks with ammonium sulfate (AS) salt at 400 - 550 oC (preferably < 450 oC). In the second stage, ammonia solution reacts with the cations (extracted from the first stage after they are leached in water) to form mainly FeOOH, high purity Mg(OH)2 and aqueous (dissolved) AS. The Mg(OH)2 process described here is closed loop in nature; gaseous ammonia and water vapour are produced from the extraction stage, recovered and used as reagent for the precipitation stage. The AS reagent is thereafter recovered after the precipitation stage. The Mg extraction stage, being the conversion-determining and the most energy-intensive step of the entire CCM process chain, received a prominent attention in this study. The extraction behavior and reactivity of different rocks types (serpentinite and olivine rocks) from different locations worldwide (Australia, Finland, Lithuania, Norway and Portugal) was tested. Also, parametric evaluation was carried out to determine the optimal reaction temperature, time and chemical reagent (AS). Effects of reactor types and configuration, mixing and scale-up possibilities were also studied. The Mg(OH)2 produced can be used to convert CO2 to thermodynamically stable and environmentally benign magnesium carbonate. Therefore, the process energy and life cycle environmental performance of the ÅAU CCM technique that first produces Mg(OH)2 and the carbonates in a pressurized fluidized bed (FB) were assessed. The life cycle energy and environmental assessment approach applied in this thesis is motivated by the fact that the CCM technology should in itself offer a solution to what is both an energy and environmental problem. Results obtained in this study show that different Mg-silicate rocks react differently; olivine rocks being far less reactive than serpentinite rocks. In summary, the reactivity of Mg-silicate rocks is a function of both the chemical and physical properties of rocks. Reaction temperature and time remain important parameters to consider in process design and operation. Heat transfer properties of the reactor determine the temperature at which maximum Mg extraction is obtained. Also, an increase in reaction temperature leads to an increase in the extent of extraction, reaching a maximum yield at different temperatures depending on the reaction time. Process energy requirement for producing Mg(OH)2 from a hypothetical case of an iron-free serpentine rock is 3.62 GJ/t-CO2. This value can increase by 16 - 68% depending on the type of iron compound (FeO, Fe2O3 or Fe3O4) in the mineral. This suggests that the benefit from the potential use of FeOOH as an iron ore feedstock in iron and steelmaking should be determined by considering the energy, cost and emissions associated with the FeOOH by-product. AS recovery through crystallization is the second most energy intensive unit operation after the extraction reaction. However, the choice of mechanical vapor recompression (MVR) over the “simple evaporation” crystallization method has a potential energy savings of 15.2 GJ/t-CO2 (84 % savings). Integrating the Mg(OH)2 production method and the gas/solid carbonation process could provide up to an 25% energy offset to the CCM process energy requirements. Life cycle inventory assessment (LCIA) results show that for every ton of CO2 mineralized, the ÅAU CCM process avoids 430 - 480 kg CO2. The Mg(OH)2 process studied in this thesis has many promising features. Even at the current high energy and environmental burden, producing Mg(OH)2 from Mg-silicates can play a significant role in advancing CCM processes. However, dedicated future research and development (R&D) have potential to significantly improve the Mg(OH)2 process performance.

Jäähdytykseen ja täyssuolanpoistoon perustuva lauhteen puhdistus soodakattilalaitoksella

Tämän diplomityön oleellisempana tavoitteena oli tutkia ioninvaihtohartsien pitkäaikaista toiminnallista lämpötilakestävyyttä kirjallisuustutkimuksin ja kuormituskokein. Lisaksi työssä optimoitiin taloudellisesti ja teknisesti paras kytkentävaihtoehto soodakattilan lauhteenpuhdistuslaitokselle. Tässä diplomityössä selvitettiin myös soodakattilan ulospuhallusveden sisältämien veden jälkiannostelukemikaalien ja epäpuhtauksien vaikutusta ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.; Ioninvaihtohartsien lämpötilakestävyyteen liittyvät koeajot suoritettiin Stora Enso Laminating Papers Oy Kotkan tehtaalla. Koeajoja varten oli erikseen suunniteltu koeajolaitteisto, jossa lauhdenäytettä puhdistettiin patruunasuotimella ja sekavaihtimella. Sekavaihtimessa käytettiin vahvoja anioni- ja kationihartseja. Koeajoja oli yhteensä neljäkappaletta ja niissä tutkittiin hartsien lämpötilakestävyyttä ja anionihartsin silikaatti-vuodon riippuvuutta lämpötilasta. Lämpötilakestävyyskoeajoissa käytetyt hartsit lähetettiin Rohm and Haasille analysoitavaksi. Lopulta koeajojen tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin aikaisempiin tutkimuksiin. Lauhteenpuhdistuslaitoksen kytkentävaihtoehtojen optimoinnissa käytettiin apuna Kotkan ja UPM-Kymmene Oyj Pietarsaaren tehtaiden kokemuksia. Kytkentävaihtoehtojen energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 -180 kg/s. Lisaksi selvitettiin kytkentävaihtoehtojen investointikustannukset ja kertakäyttöhartsien vuotuiset kustannukset laitokselle, jossa syöttöveden virtaus oli 67 kg/s. Ulospuhalluksen talteenottojärjestelmän energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 - 180 kg/s. Laskelmien lähtökohtana käytettiin kunkin soodakattilan ulospuhallusveden määriä, jotka selvitettiin tehdasvierailujen yhteydessä. Ulospuhallusveden epäpuhtauksien ja jälkiannostelukemikaalien pitoisuudet arvioitiin kattilaveden perusteella. Aikaisempien kokemusten perusteella arvioitiin, että ulospuhallusvesi johdettaisiin lisäveden valmistukseen ennen suolanpoistosarjoja. loninvaihtohartsien kuormituskokeiden ja kirjallisuustutkimusten perusteella oli selkeästi nähtävissä, että etenkin anionihartsin kapasiteetti heikkeni nopeasti lämpötilan ollessa yli 60 °C. Kationihartsin suolanpoistolle kriittinen lämpötilaraja on 100 °C.Lisäksi yli 60 °C:ssa anionihartsi ei pysty poistamaan silikaattia lauhteesta. Seuraavaksi on esitelty lauhteenpuhdistuslaitoksen optimikytkentävaihtoehdot sekä vanhoille että uusille laitoksille. Vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa on käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on erilliset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Uudelle ja vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa ei ole käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on yhteiset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Lauhteen puhdistuksessa käytetyt sekavaihtimen toimintalämpötila on 45 °C molemmissa kytkentävaihtoehdoissa. Kertakäyttöhartsien käyttö osoittautui suuressa mittakaavassa kannattamattomaksi. Tämä asia tarvinnee kuitenkin jatkotutkimuksia. Ulospuhallusveden talteenotolla saadaan energiasäästöä 6-53 k¤/a riippuenlaitoksesta. Etenkin soodakattilalaitoksissa, joissa soodakattila ja vedenkäsittelylaitos sijaitsevat lähellä toisiaan, kannattaa ulospuhallusvesi johtaa lisäveden valmistukseen. Jos edellä mainittujen laitosten etäisyydet kasvavat, saattavat ulospuhallusjärjestelmän investointi-kustannukset nousta kohtuuttoman suureksi. Tämä työ osoitti myös, että ulospuhallusveden epäpuhtauksilla ei ole merkittävää vaikutusta kemiallisesti puhdistetun veden laatuun ennen suolanpoistolaitosta ja ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.

Natriumsilikaatin liuotuslaitoksen kapasiteetin nosto

Tässä työssä tutkittiin natriumsilikaatin (vesilasi) liuotukseen ja suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Työssä pyrittiin optimoimaan natriumsilikaatin liuotus- ja suodatuskapasiteetti J. M. Huber Finland Oy:n Haminan tehtaan liuotuslaitoksella. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kiinteän natriumsilikaatin ja natriumsilikaatin vesiliuoksen ominaisuuksiin, sekä käsiteltiin soveltuvin osin liuotuksen ja suodatuksen teoriaa. Kokeellisessa osassa vertailtiin kahden eri valmistajan natriumsilikaatteja toisiinsa, sekä pyrittiin löytämään molemmille laseille optimaalisimmat prosessiparametrit liuotus- ja suodatuskokeiden avulla. Erilaisia prosessiparametreja ja ajotapoja testattiin tehdasmittakaavan koeajoilla todellisilla prosessilaitteilla. Eri natriumsilikaattien vertailu tehtiin tehdasmittakaavan koeajojen sekä laboratorioanalyysien avulla. Koeajojen tulosten perusteella Taavetista toimitettu vesilasi liukenee nopeammin kuin Puolasta toimitettu ostolasi, mutta puolalaisesta lasista liuotettu silikaatti suodattuu helpommin kuin Taavetin lasista liuotettu silikaatti. Liukenemisnopeuden eroon selitettävissä Taavetin lasin suuremmalla ominaispinta-alalla sekä hauraammalla rakenteella. Suodatuseroon ei löytynyt yksiselitteistä syytä, joten sen löytämiseksi vaadittaisiin jatkotutkimuksia. Kokeiden perusteellaparas keino puolalaisen lasin liuotuksen nopeuttamiseen olisi pitää liuotussäiliön lasiylimäärä mahdollisimman korkeana jokaisessa panoksessa ja nopeuttaa liuotussäiliön panostusta lasin ja veden yhtäaikaisella annostelulla. Tulosten perusteella paras keino Taavetin lasista liuotetun silikaatin suodatuksen helpottamiseen olisi laskea liuoksen tavoitetiheyttä nykyisestä arvostaan, jolloin viskositeetti pienenee merkittävästi ja suodatus onnistuu liuotuslaitoksen kapasiteetin kannalta paremmin. Edellä mainituilla ajotavoilla tehtyjen koeajojen perusteella, molemmilla laseilla on mahdollista päästä 150 MT/d tavoitekapasiteettiin, mutta varmin tapa kyseisen kapasiteetin saavuttamiseksi olisi lisätä suodatuskapasiteettia investoimalla toiseen silikaattisuodattimeen.

Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

Vaihtoehtoalkalit mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Tehokkain tapavalkaista mekaanisesti kuidutettua puumassaa on suorittaa se hapettavasti peroksidikemikaalilla vahvasti alkalisissa oloissa. Perinteisesti alkalisuus on aikaansaatu natriumhydroksidin ja -silikaatin avulla. Se kuitenkin liuottaa massasta merkittävästi ligniiniä, mikä huonontaa saantoa ja suurentaa valkaisun jätevesien orgaanisen hiilen määrää sekä kemiallista hapenkulutusta. Yhä kovenevien vaaleustavoitteiden ja tiukentuneen vedenkäytön seurauksena on syntynyt tarve etsiä parempia valkaisun alkaleja. Kirjallisuuden pohjalta valittiinkokeellisesti tutkittaviksi alkaleiksi magnesiumhydroksidi, magnesiumoksidi, kalsiumhydroksidi sekä kalsiumoksidi. Niiden toimivuutta hapettavan vetyperoksidivalkaisun alkaleina tutkittiin valkaisukokein natriumsilikaattilisäyksen kanssa sekä ilman. Näistä parhaiten toimivaksi osoittautui Mg(OH)2. Sen avulla suoritettiin jatkoksi laboratoriokoevalkaisuja korkeassa sakeudessa. Keski- ja korkeasakeusvalkaisukokeiden tulosten mukaan käytettäessä Mg(OH)2 -alkalia natriumydroksidin ja -silikaatin asemesta jää massan loppuvaaleus noin yhden ISO-prosentin verran heikommaksi. Tällöin valkaisusuodoksessa oli vain varsin vähäinen määrä massasta liuennutta orgaanista hiiliainesta, noin 45 % siitä, mitä natriumin yhdisteiden käyttö vertailukokeessa tuotti. Tulosta varmennettiin suorittamalla korkea-sakeusvalkaisukokeita hiokemassatehtaan olosuhteissa, massoilla ja kiertovesillä.Myös tehdaskokeiden mukaan valkaistun massan loppuvaaleus jää noin yhden ISO-prosentin alhaisemmaksi, mutta valkaisusuodoksen orgaanisen hiilen määrä (TOC) jääalle puoleen Na-kemikaalein suoritetusta vertailukokeesta.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

Häiriöaineiden vaikutus käytettäessä magnesiumhydroksidialkalia mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Nykypäivänä ympäristön suojelu ja erityisesti jätevesipäästöjen pienentäminen vaikuttavat yhä enemmän metsäteollisuuden toimintatapoihin. Lisäksi veden käytön vähentyessä ja prosesseja suljettaessa silikaatteihin väistämättä liittyvät saostumat ovat kasvava ongelma. Magnesiumhydroksidin on havaittu olevan potentiaalinen natriumhydroksidin korvaava alkali mekaanisen massan peroksidivalkaisussa. Lisäksi magnesiumhydroksidilla voidaan saavuttaa lähes yhtä korkea vaaleus, jopa ilman silikaattia, kuin natriumhydroksidilla natriumsilikaatin kanssa. Magnesiumhydroksidin orgaanista ainesta liuottava vaikutus on myös noin puolet verrattuna natriumhydroksidiin. Työssä selvitettiin, miten häiriöaineet vaikuttavat mekaanisen massan peroksidivalkaisuun käytettäessä magnesiumhydroksidialkalia. Laboratoriokokeiden tulokset osoittivat, että magnesiumhydroksidi kesti paremmin valkaisussa käytettyjä häiriöaineita. Pienillä metallilisäyksillä ei ole vaikutusta massan vaaleuteen käytettäessä magnesiumhydroksidia. Korvattaessa laimennusvettä viirapuristimen suodoksella peroksidi kului lähes loppuun käytettäessä natriumhydroksidia, mikä näkyi myös vaaleuden heikkenemisenä. Valkaisukokeiden perusteella magnesiumhydroksidialkalilla jäädään jopa kolme prosenttiyksikköä natriumhydroksidin kanssa saadusta vaaleudesta, peroksidiannoksen olleessa kolme prosenttia. Mutta käytettäessä magnesiumhydroksidialkalia liuenneen orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä biologinen (BOD7) että kemiallinen (CODcr) hapenkulutus pienenivät lähes puolella.

Asbestin tunnistaminen keinonenällä

Asbesti on yleisnimike kuitumaisille silikaattimineraaleille. Sillä on monia hyviä ominaisuuksia. Siksi sitä on käytetty useisiin eri käyttötarkoituksiin jo yli 4 000 vuoden ajan. Sisäänhengitettynä asbesti aiheuttaa kuitenkin vakavia terveyshaittoja, mm. asbestoosia, keuhkosyöpää ja mesotelioomaa. Vuosina 1918-1988 Suomessa käytettiin asbestia 300 000 tonnia. Yleisintä käyttö oli 1960-70-lukujen vaihteessa. Sairauksien viive altistumisesta on 10-40 vuotta. Sairauksien esiintyminen onkin nyt suurimmillaan. Suurin osa sairauksista on hyvänlaatuisia keuhkopussin paksuuntumia eli plakkeja. Vuosittain asbestin aiheuttamiin sairauksiin, etupäässä syöpiin, kuolee Suomessa noin 100 ihmistä. Yhteensä altistuneita arvellaan olevan 250 000. Heistä elossa on noin 50 000. Vaarallisuutensa vuoksi asbestin käyttö on useissa maissa kielletty, mutta maailmalla sitä käytetään edelleen suuria määriä. Suomessa asbestin käyttöä rajoitettiin jo 1970-luvulla. Pieniä poikkeuksia lukuun ottamatta täyskielto tuli voimaan 1.1.1994. Suomessa asbestia esiintyy edelleen vanhoissa rakennuksissa. Asbestipurkutyö on luvanvaraista. Asbestitöissä on huolehdittava siitä, että kukaan ei altistu asbestille. Asbestipitoisen materiaalin tunnistaminen silmämääräisesti on vaikeaa. Materiaali luokitellaan asbestipitoiseksi, jos siinä on asbestia yli 1 painoprosenttia tai jos sitä voidaan pölyävyytensä takia pitää vaarallisena. Asbestipitoisen materiaalin kartoituksessa voidaan käyttää rakennussuunnitelmia, vanhoja asiakirjoja kuten urakoitsijan laskuja sekä tuntemusta rakennusajan yleisistä rakennustavoista. Varmuus saadaan kuitenkin vain tutkimalla materiaali esimerkiksi laboratoriokokeissa. Tässä diplomityössä on pyritty selvittämään, voidaanko asbesti tunnistaa ChemPro 100 -keinonenällä. Laite perustuu ioniliikkuvuusspektrometriaan eli eri yhdisteiden erilaiseen liikkuvuuteen kaasumaisessa väliaineessa. Menetelmä on nopea ja yksinkertainen. Tutkimusta varten hankittiin asbestipitoisia materiaaleja, joista saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa. Nykyiset asbestintunnistusmenetelmät ovat monimutkaisia ja hitaita. Jos keinonenä pystyttäisiin kouluttamaan tunnistamaan asbestimateriaali, helpottaisi se asbestikartoituksen tekemistä.

Genesis and Emplacement of Carbonatites and Lamprophyres in the Svecofennian Domain

A small carbonatite dyke swarm has been identified at Naantali, southwest Finland. Several swarms of shoshonitic lamprophyres are also known along the Archean-Proterozoic boundary in eastern Finland and northwest Russia. These intrusions, along with the carbonatite intrusion at Halpanen, eastern Finland, represent a stage of widespread low-volume mantle-sourced alkaline magmatism in the Svecofennian Domain. Using trace element and isotope geochemistry coupled with precise geochronology from these rocks, a model is presented for the Proterozoic metasomatic evolution of the Fennoscandian subcontinental lithospheric mantle. At ~2.2-2.06 Ga, increased biological production in shallow seas linked to continental rifting, resulted in increased burial rates of organic carbon. Subduction between ~1.93-1.88 Ga returned organic carbon-enriched sediments of mixed Archean and Proterozoic provenance to the mantle. Dehydration reactions supplied water to the mantle wedge, driving arc volcanism, while mica, amphibole and carbonate were brought deeper into the mantle with the subducting slab. The cold subducted slab was heated conductively from the surrounding warm mantle, while pressures continued to gradually increase as a result of crustal thickening. The sediments began to melt in a two stage process, first producing a hydrous alkaline silicate melt, which infiltrated the mantle wedge and crystallised as metasomatic veins. At higher temperatures, carbonatite melt was produced, which preferentially infiltrated the pre-existing metasomatic vein network. At the onset of post-collisional extension, deep fault structures formed, providing conduits for mantle melts to reach the upper crust. Low-volume partial melting of the enriched mantle at depths of at least 110 km led to the formation of first carbonatitic magma and subsequently lamprophyric magma. Carbonatite was emplaced in the upper crust at Naantali at 1795.7 ± 6.8 Ma; lamprophyres along the Archean-Proterozoic boundary were emplaced between 1790.1 ± 3.3 Ma and 1781 ± 20 Ma.

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.

Understanding the in vitro dissolution rate of glasses with respect to future clinical applications

Glass is a unique material with a long history. Several glass products are used daily in our everyday life, often unnoticed. Glass can be found not only in obvious applications such as tableware, windows, and light bulbs, but also in tennis rackets, windmill turbine blades, optical devices, and medical implants. The glasses used at present as implants are inorganic silica-based melt-derived compositions mainly for hard-tissue repair as bone graft substitute in dentistry and orthopedics. The degree of glass reactivity desired varies according to implantation situation and it is vital that the ion release from any glasses used in medical applications is controlled. Understanding the in vitro dissolution rate of glasses provides a first approximation of their behavior in vivo. Specific studies concerning dissolution properties of bioactive glasses have been relatively scarce and mostly concentrated to static condition studies. The motivation behind this work was to develop a simple and accurate method for quantifying the in vitro dissolution rate of highly different types of glass compositions with interest for future clinical applications. By combining information from various experimental conditions, a better knowledge of glass dissolution and the suitability of different glasses for different medical applications can be obtained. Thus, two traditional and one novel approach were utilized in this thesis to study glass dissolution. The chemical durability of silicate glasses was tested in water and TRIS-buffered solution at static and dynamic conditions. The traditional in vitro testing with a TRISbuffered solution under static conditions works well with bioactive or with readily dissolving glasses, and it is easy to follow the ion dissolution reactions. However, in the buffered solution no marked differences between the more durable glasses were observed. The hydrolytic resistance of the glasses was studied using the standard procedure ISO 719. The relative scale given by the standard failed to provide any relevant information when bioactive glasses were studied. However, the clear differences in the hydrolytic resistance values imply that the method could be used as a rapid test to get an overall idea of the biodegradability of glasses. The standard method combined with the ion concentration and pH measurements gives a better estimate of the hydrolytic resistance because of the high silicon amount released from a glass. A sensitive on-line analysis method utilizing inductively coupled plasma optical emission spectrometer and a flow-through micro-volume pH electrode was developed to study the initial dissolution of biocompatible glasses. This approach was found suitable for compositions within a large range of chemical durability. With this approach, the initial dissolution of all ions could be measured simultaneously and quantitatively, which gave a good overall idea of the initial dissolution rates for the individual ions and the dissolution mechanism. These types of results with glass dissolution were presented for the first time during the course of writing this thesis. Based on the initial dissolution patterns obtained with the novel approach using TRIS, the experimental glasses could be divided into four distinct categories. The initial dissolution patterns of glasses correlated well with the anticipated bioactivity. Moreover, the normalized surface-specific mass loss rates and the different in vivo models and the actual in vivo data correlated well. The results suggest that this type of approach can be used for prescreening the suitability of novel glass compositions for future clinical applications. Furthermore, the results shed light on the possible bioactivity of glasses. An additional goal in this thesis was to gain insight into the phase changes occurring during various heat treatments of glasses with three selected compositions. Engineering-type T-T-T curves for glasses 1-98 and 13-93 were stablished. The information gained is essential in manufacturing amorphous porous implants or for drawing of continuous fibers of the glasses. Although both glasses can be hot worked to amorphous products at carefully controlled conditions, 1-98 showed one magnitude greater nucleation and crystal growth rate than 13-93. Thus, 13-93 is better suited than 1-98 for working processes which require long residence times at high temperatures. It was also shown that amorphous and partially crystalline porous implants can be sintered from bioactive glass S53P4. Surface crystallization of S53P4, forming Na2O∙CaO∙2SiO2, was observed to start at 650°C. The secondary crystals of Na2Ca4(PO4)2SiO4, reported for the first time in this thesis, were detected at higher temperatures, from 850°C to 1000°C. The crystal phases formed affected the dissolution behavior of the implants in simulated body fluid. This study opens up new possibilities for using S53P4 to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the proportions of the different phases. The results obtained in this thesis give valuable additional information and tools to the state of the art for designing glasses with respect to future clinical applications. With the knowledge gained we can identify different dissolution patters and use this information to improve the tuning of glass compositions. In addition, the novel online analysis approach provides an excellent opportunity to further enhance our knowledge of glass behavior in simulated body conditions.

Lignoselluloosapohjaisten väkevähappohydrolysaattien jatkuvatoiminen kromatografinen fraktiointi

Työssä tutkittiin lignoselluloosapohjaisten väkevähappohydrolysaattien (monosakkaridit, rikki- ja etikkahppo) jatkuvatoimista kromatografista fraktiointia käyttäen Japan Organo SMB -prosessia. Adsorbenttinä toimi happomuotoinen (H+) vahva kationinvaihtohartsi. Panostoimista fraktiointia käytettiin vertailukohtana. Jatkuvatoimisen prosessin optimoinnilla saavutettiin monosakkaridien suurimmaksi tuottavuudeksi 283 mol/(m3 h) (panosprosessille 145 mol/(m3 h). JO-prosessilla saavutettiin korkeat rikki- ja etikkahapon saannot: 97,3 % ja 93,5 %. Monosakkaridisaanto jäi hieman alhaisemmaksi (61,7 %) johtuen monosakkaridi- ja rikkihappo-profiilien hankalasta erottamisesta. Ulostulo virtojen puhtaudet olivat korkeat: 89 % monosakkarideille, 89 % rikkihapolle ja 100 % etikkahapolle.

Magnesium hydroxide-based peroxide bleaching of high-brightness mechanical pulps

A high final brightness is desired in most paper and board products. This requires bleaching processes that are able to produce high-brightness pulps. Mechanical pulps are widely bleached for high brightness using alkaline hydrogen peroxide with traditional sodium hydroxide and sodium silicate as additives. With high doses however, peroxide bleaching causes high organic loads in the mill effluent and anionic trash carry-over to papermaking. To alleviate the problems that arise from the use of sodium-based additives in peroxide bleaching, interest in the use of alternative magnesium-based chemicals has increased. In this study, a new, technical high-purity magnesium hydroxide-based bleaching additive was evaluated on laboratory-scale, pilot-scale and mill-scale experiments and trials for its ability to produce a high brightness in peroxide bleaching without the known problems of sodium-based chemicals. The key findings of this study include: a high brightening potential of peroxide bleaching using the Mg(OH)2-based additive, significant reductions (40-70%) in all categories of environmental load, and cationic demand lowered by 60-70% in bleached pulp with no loss in strength properties or in sheet bulk. When used in TMP refiner bleaching, the Mg(OH)2-based additive resulted in savings in specific energy consumption and provided a good bleaching response.