Analysis and modelling of chemical looping combustion process with and without oxygen uncoupling

Effective control and limiting of carbon dioxide (CO₂) emissions in energy production are major challenges of science today. Current research activities include the development of new low-cost carbon capture technologies, and among the proposed concepts, chemical combustion (CLC) and chemical looping with oxygen uncoupling (CLOU) have attracted significant attention allowing intrinsic separation of pure CO₂ from a hydrocarbon fuel combustion process with a comparatively small energy penalty. Both CLC and CLOU utilize the well-established fluidized bed technology, but several technical challenges need to be overcome in order to commercialize the processes. Therefore, development of proper modelling and simulation tools is essential for the design, optimization, and scale-up of chemical looping-based combustion systems. The main objective of this work was to analyze the technological feasibility of CLC and CLOU processes at different scales using a computational modelling approach. A onedimensional fluidized bed model frame was constructed and applied for simulations of CLC and CLOU systems consisting of interconnected fluidized bed reactors. The model is based on the conservation of mass and energy, and semi-empirical correlations are used to describe the hydrodynamics, chemical reactions, and transfer of heat in the reactors. Another objective was to evaluate the viability of chemical looping-based energy production, and a flow sheet model representing a CLC-integrated steam power plant was developed. The 1D model frame was succesfully validated based on the operation of a 150 kWth laboratory-sized CLC unit fed by methane. By following certain scale-up criteria, a conceptual design for a CLC reactor system at a pre-commercial scale of 100 MWth was created, after which the validated model was used to predict the performance of the system. As a result, further understanding of the parameters affecting the operation of a large-scale CLC process was acquired, which will be useful for the practical design work in the future. The integration of the reactor system and steam turbine cycle for power production was studied resulting in a suggested plant layout including a CLC boiler system, a simple heat recovery setup, and an integrated steam cycle with a three pressure level steam turbine. Possible operational regions of a CLOU reactor system fed by bituminous coal were determined via mass, energy, and exergy balance analysis. Finally, the 1D fluidized bed model was modified suitable for CLOU, and the performance of a hypothetical 500 MWth CLOU fuel reactor was evaluated by extensive case simulations.

Photodamage to Oxygen Evolving Complex - An Initial Event in Photoinhibition of Photosystem II.

Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis is susceptible to photoinhibition. Photoinhibition is defined as light induced damage resulting in turnover of the D1 protein subunit of the reaction center of PSII. Both visible and ultraviolet (UV) light cause photoinhibition. Photoinhibition induced by UV light damages the oxygen evolving complex (OEC) via absorption of UV photons by the Mn ion(s) of OEC. Under visible light, most of the earlier hypotheses assume that photoinhibition occurs when the rate of photon absorption by PSII antenna exceeds the use of the absorbed energy in photosynthesis. However, photoinhibition occurs at all light intensities with the same efficiency per photon. The aim of my thesis work was to build a model of photoinhibition that fits the experimental features of photoinhibition. I studied the role of electron transfer reactions of PSII in photoinhibition and found that changing the electron transfer rate had only minor influence on photoinhibition if light intensity was kept constant. Furthermore, quenching of antenna excitations protected less efficiently than it would protect if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. To identify photoreceptors of photoinhibition, I measured the action spectrum of photoinhibition. The action spectrum showed resemblance to the absorption spectra of Mn model compounds suggesting that the Mn cluster of OEC acts as a photoreceptor of photoinhibition under visible light, too. The role of Mn in photoinhibition was further supported by experiments showing that during photoinhibition OEC is damaged before electron transfer activity at the acceptor side of PSII is lost. Mn enzymes were found to be photosensitive under visible and UV light indicating that Mn-containing compounds, including OEC, are capable of functioning as photosensitizers both in visible and UV light. The experimental results above led to the Mn hypothesis of the mechanism of continuous-light-induced photoinhibition. According to the Mn hypothesis, excitation of Mn of OEC results in inhibition of electron donation from OEC to the oxidized primary donor P680+ both under UV and visible light. P680 is oxidized by photons absorbed by chlorophyll, and if not reduced by OEC, P680+ may cause harmful oxidation of other PSII components. Photoinhibition was also induced with intense laser pulses and it was found that the photoinhibitory efficiency increased in proportion to the square of pulse intensity suggesting that laser-pulse-induced photoinhibition is a two-photon reaction. I further developed the Mn hypothesis suggesting that the initial event in photoinhibition under both continuous and pulsed light is the same: Mn excitation that leads to the inhibition of electron donation from OEC to P680+. Under laser-pulse-illumination, another Mn-mediated inhibitory photoreaction occurs within the duration of the same pulse, whereas under continuous light, secondary damage is chlorophyll mediated. A mathematical model based on the Mn hypothesis was found to explain photoinhibition under continuous light, under flash illumination and under the combination of these two.

Effect of supplemental vitamin E on the performance of growing-finishing pigs fed stored versus freshly harvested barley and on the storage stability and eating quality of frozen pork

Lihasikojen E-vitamiinin tarve ruokittaessa vastapuidulla ohralla ja rehuun lisätyn E-vitamiinin vaikutus lihan pakastussäilyvyyteen ja syöntilaatuun

Responses of soil respiration and barley growth to modified supply of oxygen in the soil

Selostus: Maan hengityksen ja ohran kasvun reagointi hapensaannin muutoksiin maassa

Growth of and partitioning between shoot and storage root of carrot in a northern climate

Selostus: Porkkanan kasvu ja biomassan jakautuminen varastojuuren ja verson välillä pohjoisissa oloissa

The effect of storage ageing and spring sprouting of seed tubers on the yield of three potato varieties in the Finnish Lapland : Research Note

Selostus: Siemenmukuloiden varastointiaikaisen lämpökäsittelyn ja kevätidätyksen vaikutus kolmen perunalajikkeen satoon Lapissa

Effect of harvest time on storage loss and sprouting in onion

Selostus: Sadonkorjuuajan vaikutus sipulin varastohävikkiin ja varastoinnin jälkeiseen versomiseen

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

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

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.

Effect of antifoams on oxygen mass transfer in pulp and paper mill effluents

Vaahdonestoaineiden haitallinen vaikutus hapen liukenemisnopeuteen biologisen puhdistamon jätevesissä on yleisesti tunnettua. Aineiden eri vaikutusmekanismien takia on silti vaikea etukäteen arvioida, miten ja kuinka paljon aineensiirto muuttuu. Työn tavoitteena oli saada tietoa vaahdonestoaineiden ja muiden pinta-aktiivisten aineiden vaikutuksesta kuplakokoon, kaasun tilavuusosuuteen ja kaasu-neste aineensiirtoon. Työn teoriaosassa on kuvailtu vaahdon muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri vaahdonestoaineiden vaikutusmekanismeja sellu- ja paperitehtaan jätevedessä. Edelleen on esitetty useita hapen siirtoa estäviä ja parantavia aineita. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenkymmenenviiden eri pinta-aktiivisen aineen vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen yksivaiheisessa kuplakolonnissa. Kokeet tehtiin kahdella pitoisuudella, kahdella eri kaasunjakolaitteella ja kolmella eri kaasun tyhjäputkinopeudella. Aineensiirtokokeiden rinnalla tutkittiin jätevesien laatu- ja fysikaalisiaominaisuuksia, niiden vaikutusta hapen liukenemisnopeuteen sekä testattavien koeaineiden vaikutusta fysikaalisin ominaisuuksiin. Kokeet osoittavat että pinta-aktiivisten aineiden vaikutus hapen aineensiirtoon vaihtelee riippuen kaasunjakolaitteesta ja aineen pitoisuuksista. Testatuista vaahdonestonaineista pienin negatiivinen vaikutus oli aineella AT 35 ja positiivinen vaikutustodettiin olevan vaahdonestoaineiden komponenteilla: P2, S1, F4 ja T9.

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.

Transparent and secure remote network storage system using an untrusted server

Työssä kehitettin läpinäkyvä Internet Small Computer Systems Interface-verkkolevyä (iSCSI) käyttävä varmistusjärjestelmä. Verkkolevyn sisältö suojattiin asiakaspään salauskerroksella (dm-crypt). Järjestely mahdollisti sen, että verkkolevylle tallennetut varmuuskopiot pysyivät luottamuksellisina, vaikka levypalvelinta tarjoava taho oli joko epäluotettava tai suorastaan vihamielinen. Järjestelmän hyötykäyttöä varten kehitettiin helppokäyttöinen prototyyppisovellus. Järjestelmän riskit ja haavoittuvuudet käytiin läpi ja analysoitiin. Järjestelmälle tehtiin myös karkea kryptoanalyysi sen teknistenominaisuuksien pohjalta. Suorituskykymittaukset tehtiin sekä salatulle että salaamattomalle iSCSI-liikenteelle. Näistä todettiin, että salauksen vaikutus suorituskykyyn oli häviävän pieni jopa 100 megabittiä sekunnissa siirtävillä verkkonopeuksilla. Lisäksi pohdittiin teknologian muita sovelluskohteita ja tulevia tutkimusalueita.

The effect of oxygen delignification on fiber properties in kraft pulp production - a review

Fiber damages comprise fiber deformations, characterized as fiber curl, kink, dislocations and strength losses as well as some yet unidentified factors. This recently discovered phenomenon is especially evident in mill scale kraftpulps. Laboratory produced pulps tend to have less damages and superior strength properties compared to those produced in pulp mills. Generally fiber damages pose a problem in the production of reinforcement pulp because they tend to decrease the ability of fibers to transmit load. Previous studies on fiber damage have shown that most of the fiber damages occur during brown stock processing starting from cooking and discharging. This literature review gives an overall picture on fiber damages occurring during softwood kraft pulp production with an emphasis on the oxygen delignification stage. In addition the oxygen delignification stage itself is described in more detailed extent in order to understand the mechanisms behind the delignification and fiber damaging effect. The literature available on this subject is unfortunately quite contradictory and implicates a lotof different terms. Only a few studies have been published which help to understand the nature of fiber damages. For that reason the knowledge presented in this work is not only based on previous studies but also on research scientist and mill staff interviews.

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.