A Mobile High Sensitivity On-field Organophosphorous Compounds Detecting System for IoT Based Food Safety Tracking

Food safety has always been a social issue that draws great public attention. With the rapid development of wireless communication technologies and intelligent devices, more and more Internet of Things (IoT) systems are applied in the food safety tracking field. However, connection between things and information system is usually established by pre-storing information of things into RFID Tag, which is inapplicable for on-field food safety detection. Therefore, considering pesticide residue is one of the severe threaten to food safety, a new portable, high-sensitivity, low-power, on-field organophosphorus (OP) compounds detection system is proposed in this thesis to realize the on-field food safety detection. The system is designed based on optical detection method by using a customized photo-detection sensor. A Micro Controller Unit (MCU) and a Bluetooth Low Energy (BLE) module are used to quantize and transmit detection result. An Android Application (APP) is also developed for the system to processing and display detection result as well as control the detection process. Besides, a quartzose sample container and black system box are also designed and made for the system demonstration. Several optimizations are made in wireless communication, circuit layout, Android APP and industrial design to realize the mobility, low power and intelligence.

Paperitehdasintegraatin tuorevesien käsittely kloorikaasun korvaavalla menetelmällä

Työn tarkoitus on löytää paperitehdasintegraatin tuorevesien käsittelyyn kloorikaasun korvaava desinfiointimenetelmä Stora Enso Publication Papers Oy Ltd.:n Anjalan tehtailla. Tehtaalla on ympäristöluvassaan velvoite selvittää mahdollisuudet tuoreveden desinfiointiin käytettävän kaasumaisen kloorin korvaamiseen hypokloriitilla. Kloorikaasun käyttö tehtaalla on työturvallisuusriski, ja jäännösklooripitoisuuksien hallittavuus kloorikaasua käytettäessä on heikko. Työssä tutkittava vesijae on kemiallisesti puhdistettu vesi. Koeajossa käytettävät kemikaalit ovat 10 % natriumhypokloriitti (NaOCl) ja kantaja-aine eli bromikloori- di-metyyli-hydantoiini (BCDMH). Tuloksista voidaan päätellä, että NaOCl:lla ja NaOCl:lla yhdessä BCDMH:n kanssa saavutetaan veden käyttökohteessa korkeammat aktiivisen kloorin jäännöspitoisuudet kuin kloorikaasulla. NaOCl:n ja kaksikomponenttisysteemin käyttökustannukset ovat kuitenkin yli kuusinkertaiset kloorikaasuun verrattuna. NaOCl annosteltuna yhteen pisteeseen olisi vaivattomin menetelmä kloorikaasun korvaamiseen. NaOCl:n annostelulla kahteen pisteeseen voitaisiin saavuttaa korkeampia jäännöspitoisuuksia kuin yhden pisteen annostelulla, mutta menetelmä vaatii lisätutkimuksia. Kaksikomponenttisysteemillä saavutetaan korkeimmat aktiivisen kloorin jäännöspitoisuudet, mutta sen seurantamenetelmien luotettavuudesta tulee varmistua ennen menetelmän käyttöönottoa. Korroosion ehkäisyn ja työturvallisuuden kannalta sekä NaOCl että NaOCl yhdessä BCDMH:n kanssa ovat turvallisempia vaihtoehtoja kuin kaasukloori.

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Pohjaöljyn käsittely

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia Naantalin jalostamolle soveltuvaa pohjaöljyn käsittely-yksikköä syntyvän raskaan polttoöljyn määrän vähentämiseksi. Kirjallisuusosassa tutkittiin eri prosessivaihtoehtoja pohjaöljyn käsittelylle. Prosesseista selvitettiin käytettävät syötöt, prosessiolosuhteet, saatavat tuotteet ja niiden saannot sekä prosessin investointi- ja käyttökustannukset. Lisäksi tutkittiin tuotteiden käyttökohteita ja niiden vaatimia jatkokäsittelyjä. Työn tutkimusosassa valittiin tarkasteltavaksi prosessiksi ylikriittinen uutto, deasfaltointi. Työssä tarkasteltiin uuttoyksikön eri kytkentävaihtoehtoja Naantalin jalostamolle ja valittiin käytettävät uuttoprosentit ja liuottimet. Yksiköstä saataville tuotteille laskettiin aineominaisuudet. Deasfaltoidun öljyn käsittelyyn suunnitelluille katalyyttisille krakkausyksiköille tehtiin saantoarviot ja laskettiin massataseet. Deasfaltointiyksikön pohjatuotteena saatavan asfalteenirikasteen jatkokäsittelyssä tutkittiin bitumin, raskaan ja erikoisraskaan polttoöljyn sekä bitumikomponentin valmistusta. Vaihtoehdoista laskettiin massataseet ja tuotteiden aineominaisuudet. Prosessivaihtoehdoista tehtiin kannattavuustarkastelu vuotuisten käyttökatteiden perusteella, joita verrattiin nykyiseen jalostamorakenteeseen perustuvaan perus-tapaukseen. Lopuksi tehtiin yhteenveto ja annettiin ehdotuksia jatkotutkimuksille.

Jätteenpolton tuhkien käsittelytekniikoiden ympäristövaikutukset

Jätteenpoltossa syntyvät tuhkat sisältävät paljon haitta-aineita, joiden vuoksi niitä ei yleensä voida suoraan sijoittaa kaatopaikoille. Käsittelyllä pyritään parantamaan tuhkien ominaisuuksia ja vähentämään haitta-aineiden liukoisuutta. Samalla kuitenkin käsittely kuluttaa raaka-aineita ja energiaa sekä aiheuttaa päästöjä. Tuhkien käsittelyn kokonaishyötyjä ja -haittoja ympäristön kannalta arvioitaessa tulisikin ottaa huomioon sekä käsiteltävän tuhkan parantuneet ominaisuudet että käsittelystä aiheutuneet ympäristökuormitukset. Tämän diplomityön tavoitteena oliselvittää jätteenpolton tuhkien käsittelystä aiheutuvia ympäristövaikutuksia tarkastelemalla esimerkinomaisesti neljää erilaista käsittelytekniikkaa (pesua, sementtikiinteytystä, Ferrox-prosessia ja vitrifiointia) sekä kahta muuta loppusijoitusvaihtoehtoa (mahdollisuutta sijoittaa tuhkat kaatopaikalle ilman käsittelyä ja kuljettamista Norjassa sijaitsevalle käsittely- ja loppusijoituslaitokselle). Tarkastelussa keskityttiin jätteenpolton ongelmallisimpiin tuhkajakeisiin, lentotuhkaan ja savukaasujen puhdistusjätteisiin eli APC-jätteisiin. Tavoitteena oli selvittää käsittelyvaihtoehdoista syntyvät ympäristökuormitukset ns. koko niiden elinkaaren ajalta, eli huomioiden käsittelyyn tarvittavien lisäaineiden valmistuksesta, itse käsittelyprosessista sekä loppusijoituksesta aiheutuvat kuormitukset. Tarkastelun perusteella eri käsittelyvaihtoehdot aiheuttavat hyvin erilaisia ja erisuuruisia ympäristökuormituksia. Lisäksi käsitellyn materiaalin ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti käsittelytavasta riippuen. Tarkastelluista käsittelyvaihtoehdoista suurimmat ympäristökuormitukset ilmapäästöjen osalta aiheutuivat tyypillisesti joko käsittelyyn tarvittavien raaka-aineiden valmistuksesta tai itse käsittelyprosessin energiankulutuksesta. Loppusijoituksesta sen sijaan aiheutui ympäristöhaittoja kaatopaikkarakenteiden muodostamisesta sekä maaperään vapautuvista haitta-aineista, joiden määrä riippuu tuhkan käsittelyn tehokkuudesta.

Improvement of pyrolysis oil quality by scrubbing

Diplomityössä tutkittiin kuuman pyrolyysihöyryn puhdistamista haisevista ja kevyistä haihtuvista yhdisteistä. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin pyrolyysiöljyn kannattavuutta uusiutuvana energialähteenä. Lisäksi eri pesurityyppejä tarkasteltiin ja ja vertailtiin. Työn kokeellisessa osassa käytettiin kahta erilaista koelaitteistoa. Tuotteen talteenotossa vertailtiin reaktorilämpötilan ja raaka-aineen kosteuden vaikutusta pyrolyysisaantoihin. Komponenttien talteenotossa tutkittiin epästabiilien ja pistävän hajuisten yhdisteiden poistamista kuumasta pyrolyysihöyrystä. Raaka-aineena käytettiin kuusen metsätäh-dehaketta, joka sisältää runsaasti neulasia ja kaarnaa. Kokeet toteutettiin lämpötila-alueella 460 - 520 °C. Koelaitteistot koostuivat kaasun (N2) syöttöjärjestelmään kytketystä kuumasta ja kyl-mästä puolesta. Tuotteen talteenotossa kuuma pyrolyysihöyry jäähdytettiin ja otettiin talteen. Komponenttien talteenotossa tuote kerättiin suodattimelle ja metyleeniklo-ridiloukkuun. Tuotteiden koostumukset analysoitiin kaasukromatokrafilla. Korkeimmat orgaaniset saannot saatiin 480 °C reaktorilämpötilalla ja 8-9 p-% raaka-ainekosteudella. Pyrolyysiveden määrä putosi raaka-aineen kosteutta nostettaessa. Eri reaktorilämpötiloilla ja raaka-ainekosteuksilla ei ollut vaikutusta hiiltosaantoihin. Kaasusaannot (pääosin CO2, CO ja hiilivedyt) olivat noin 10 p-%. Komponenttien talteenotossa suodatin tukkeutui matalissa (< 250 °C) lämpötiloissa. Suodattimelle jäänyt materiaali oli pääosin neulasista ja kaarnasta peräisin olevia uuteaineita (pääosin hartsi- rasvahappoja) ja sokereita. Korkeimmissa lämpötiloissa (> 250 °C) uuteaineet läpäisivät suodattimen paremmin. 250 ja 300 °C:n lämpötiloissa suuri määrä lyhytketjuisia helposti haihtuvia epästabiileja ja haisevia yhdisteitä (ketoneja, furaani- ja furfuraalijohdannaisia jne.) jäi metyleenikloridi- ja metanoliloukkuihin.

Metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden hyödyntäminen Etelä-Karjalassa

Tässä diplomityössä on selvitetty merkittävimpien kotimaisten polttoaineiden määrät Etelä-Karjalassa vuonna 1999. Pääpaino työssä on metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden tarkastelussa. Metsähakkeelle ja kierrätyspolttoaineille on määritetty tuotantopotentiaalit. Myös turpeen tuotantomäärät on selvitetty. Lisäksi työssä on tarkasteltu alueella sijaitsevien teollisuuslaitosten ja kuntien energialaitosten polttoaineiden käyttöä. Työn tuloksia käytetään tutkimuksen seuraavassa vaiheessa, jolloin pyritään kehittämään teollisuusyritysten ja yhdyskuntien välistä energiaintegraatiota. Etelä-Karjalan kemiallisen metsäteollisuuden oman käytön ylijäävä sivutuotepolttoaineiden määrä oli vuonna 1999 yli 230 000 k-m3 (370 GWh). Mekaanisen metsäteollisuuden vastaava luku oli noin 210 000 k-m3 (330 GWh). Puunkäyttömäärien, energiankäyttötietojen ja kirjallisuudesta saatavien osuuksien perusteella mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden oman käytön ylijäävä määrä olisi noin 350 000 k-m3 (580 GWh). Eroa selittävät lähinnä tilastolliset virheet, sivutuoteliiketoiminnan vähyys ja vaihtoehtoiset käyttökohteet. Metsähakkeen tuotantopotentiaali oli vuoden 1999 hakkuutietoihin perustuen yli 640 000 k-m3, josta tekniset, taloudelliset ja ympäristölliset seikat huomioiden noin 210 000 k-m3 (410 GWh) olisi voitu hyödyntää energiantuotannossa. Etelä-Karjalassa vuonna 1999 syntyneistä jätemääristä olisi arvioiden mukaan voitu valmistaa noin 25 000 tonnia (100 GWh) kierrätyspolttoaineita. Kierrätyspolttoaineiden valmistus alkaa Joutsenossa vuosien 2003 - 2004 välillä. Turpeen tuotantomäärä oli vuonna 1999 noin 1 200 000 tonnia (1020 GWh). Etelä-Karjalan teollisuus ja kuntien energialaitokset käyttivät vuonna 1999 yli 17400 GWh polttoaineita. Ostopolttoaineiden tarve oli noin 4700 GWh, josta lähes 85 % täytettiin maakaasulla. Alueen kunnista kaikki, joissa ei ole kemiallista metsäteollisuutta, pystyisivät teoriassa täyttämään teollisuuden ja energialaitostensa ostopolttoaineiden tarpeen oman kunnan alueelta saatavilla kotimaisilla polttoaineilla.

Energiantuotanto kuivalla puupolttoaineella

Diplomityössä esitetään taustatietona puupolttoaineen ominaisuuksien vaikutusta energiantuotantolaitoksen mitoitukseen ja käyttöön. Työssä esitellään ensimmäisessä vaiheessa tehty laskentamalli, jolla on tehty 20 MW laitoksen mitoitus kolmelle eri polttoaineen kosteudelle. Mitoitustulosten perusteella määritellään jokaiselle laitokselle energiantuotantohinta, joita vertaillaan. Vertailun avulla saadaan tieto siitä, onko uusi laitos syytä mitoittaa kuivatulle puupolttoaineelle investointisäästöjen vuoksi. Työssä tarkastellaan myös risutukkien ominaisuuksia, hyödyntämismahdollisuuksia sekä niiden varastokuivatuksen taloudellisuutta.

Biocide analysis, usability and stability

Biosidien toimittajat tavallisesti suorittavat biosidien annostelumäärien hallinnan paperi- ja kartonkiteollisuudessa. Useimmiten annostelun hallinta määritetään epäsuorilla menetelmillä, kuten esimerkiksi määrittämällä bakteerien kasvua. Biosidien tehoaineiden todellista konsentraatiota tai määrää prosessivesissä tai lopputuotteessa ei tavallisesti mitata. Diplomityössä kehitettiin kolmelle paperiteollisuudessa yleisesti käytetyllä biosidin tehoaineelle analyyttiset menetelmät. Menetelmät kehitettiin glutaraldehydille, 2,2-dibromi-3-nitriilipropionamidi:lle (DBNPA) ja 5-kloori-2-metyyli-4-isotiatsoliini-3-oni:lle (CMI). Kehitettyjä menetelmiä käytettiin tehoaineiden stabiilisuuden seuraamiseen vesiliuoksessa eri pH:ssa ja lämpötilassa. Lisäksi kartonkinäytteistä tehtiin uuttokokeita ja yritettiin kehittää uuttomenetelmät, joilla pystyttäisiin määrittämään biosidien tehoaineiden jäännöspitoisuuksia lopputuotteesta. Glutaraldehydille ja CMI:lle onnistuttiin kehittämään uuttomenetelmät, joilla pystyttiin määrittämään kartongista tutkittujen tehoaineiden jäännöspitoisuudet. Saadut tulokset vaikuttavat realistisilta. Glutaraldehydille ja DBNPA:lle tehtiin stabiilisuuskokeita ja tulokset ovat samankaltaisia mitä muut tutkijat ovat saaneet.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.