Polymeerien erotus ultrasuodatuksella

Työssä selvitettiin suodatusolosuhteiden vaikutusta neutraalien polymeerien pidättymiseen niiden vesiliuoksia suodatettaessa. Suodatuksissa käytettiin kahta regeneroidusta selluloosasta valmistettua ultrasuodatuskalvoa (Microdyn-Nadir UC 030T ja JSC STC Vladipor C 30V). Malliaineina käytettiin polyetyleeniglykolia ja dekstraania. Kirjallisuusosassa esiteltiin aluksi lyhyesti ultrasuodatus erotusmenetelmänä. Lisäksi käsiteltiin ultrasuodatuskalvojen huokoskoon karakterisointimenetelmiä ja selvitettiin polymeerien erottumiseen ultrasuodatuksen aikana vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin paineen ja virtausnopeuden vaikutusta malliaineiden pidättymiseen ultrasuodatuskalvoilla. Lisäksi pyrittiin löytämään suodatusolosuhteet, joissa toinen aineista läpäisisi suodatuskalvon lähes täydellisesti toisen konsentroituessa syöttöliuokseen. Työssä myös määritettiin tutkimuksissa käytetyille kalvoille katkaisukoko, joka kuvaa kalvon kykyä pidättää moolimassaltaan erikokoisia molekyylejä. Lisäksi kokeellisessa osassa selvitettiin työssä käytettyjen kalvojen tasalaatuisuutta vertailemalla keskenään samanlaisissa suodatusolosuhteissa eri kalvopaloilla tehtyjen suodatusten tuloksia. Työssä saatiin erotettua kaksi lähes samankokoista malliaineeksi valittua neutraalia polymeeriä toisistaan siten, että toinen aine pidättyi kalvolla huomattavasti toista ainetta paremmin. Parhaimpaan erotustulokseen päästiin, kun permeaattivuo kalvon läpi oli noin 400 l/(m2 h). Tällöin suodatuspaine oli noin 2 bar ja virtausnopeus alle 2 m/s. Työn aikana määritettyjen katkaisukokojen havaittiin poikkeavan huomattavasti kalvojen valmistajien ilmoittamista arvoista, mutta olevan kuitenkin samaa suuruusluokkaa kuin muiden tutkimusryhmien vastaaville ultrasuodatuskalvoille esittämät arvot. Työn tulosten perusteella C 30V olisi hieman tasalaatuisempi kalvo kuin UC 030T.

Modification of commercial poly-lactide for extrusion coated food packaging applications

Poly-L-lactide (PLLA) is a widely used sustainable and biodegradable alternative to replace synthetic non-degradable plastic materials in the packaging industry. Conversely, its processing properties are not always optimal, e.g. insufficient melt strength at higher temperatures (necessary in extrusion coating processes). This thesis reports on research to improve properties of commercial PLLA grade (3051D from NatureWorks), to satisfy and extend end-use applications, such as food packaging by blending with modified PLLA. Adjustment of the processability by chain branching of commercial poly-L-lactide initiated by peroxide was evaluated. Several well-defined branched structures with four arms (sPLLA) were synthesized using pentaerythritol as a tetra-functional initiator. Finally, several block copolymers consisting of polyethylene glycol and PLLA (i.e. PEGLA) were produced to obtain a well extruded material with improved heat sealing properties. Reactive extrusion of poly-L-lactide was carried out in the presence of 0.1, 0.3 and 0.5 wt% of various peroxides [tert-butyl-peroxybenzoate (TBPB), 2,5-dimethyl-2,5-(tert-butylperoxy)-hexane (Lupersol 101; LOL1) and benzoyl peroxide (BPO)] at 190C. The peroxide-treated PLLAs showed increased complex viscosity and storage modulus at lower frequencies, indicating the formation of branched/cross linked architectures. The material property changes were dependent on the peroxide, and the used peroxide concentration. Gel fraction analysis showed that the peroxides, afforded different gel contents, and especially 0.5 wt% peroxide, produced both an extremely high molar mass, and a cross linked structure, not perhaps well suited for e.g. further use in a blending step. The thermal behavior was somewhat unexpected as the materials prepared with 0.5 wt% peroxide showed the highest ability for crystallization and cold crystallization, despite substantial cross linking. The peroxide-modified PLLA, i.e. PLLA melt extruded with 0.3 wt% of TBPB and LOL1 and 0.5 wt% BPO was added to linear PLLA in ratios of 5, 15 and 30 wt%. All blends showed increased zero shear viscosity, elastic nature (storage modulus) and shear sensitivity. All blends remained amorphous, though the ability of annealing was improved slightly. Extrusion coating on paperboard was conducted with PLLA, and peroxide-modified PLLA blends (90:10). All blends were processable, but only PLLA with 0.3 wt% of LOL1 afforded a smooth high quality surface with improved line speed. Adhesion levels between fiber and plastic, as well as heat seal performance were marginally reduced compared with pure 3051D. The water vapor transmission measurements (WVTR) of the blends containing LOL1 showed acceptable levels, only slightly lower than for comparable PLLA 3051D. A series of four-arm star-shaped poly-L-lactide (sPLLA) with different branch length was synthesized by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using pentaerythritol as initiator and stannous octoate as catalyst. The star-shaped polymers were further blended with its linear resin and studied for their melt flow and thermal properties. Blends containing 30 wt% of sPLLA with low molecular weight (30 wt%; Mwtotal: 2500 g mol-1 and 15000 g mol-1) showed lower zero shear viscosity and significantly increased shear thinning, while at the same time slightly increased crystallization of the blend. However, the amount of crystallization increased significantly with the higher molecular weight sPLLA, therefore the star-shaped structure may play a role as nucleating agent. PLLA-polyethylene glycol–PLLA triblock copolymers (PEGLA) with different PLLA block length were synthesized and their applicability as blends with linear PLLA (3051D NatureWorks) was investigated with the intention of improving heat-seal and adhesion properties of extrusion-coated paperboard. PLLA-PEG-PLLA was obtained by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using PEG (molecular weight 6000 g mol-1) as an initiator, and stannous octoate as catalyst. The structures of the PEGLAs were characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR). The melt flow and thermal properties of all PEGLAs and their blends were evaluated using dynamic rheology, and differential scanning calorimeter (DSC). All blends containing 30 wt% of PEGLAs showed slightly higher zero shear viscosity, higher shear thinning and increased melt elasticity (based on tan delta). Nevertheless, no significant changes in thermal properties were distinguished. High molecular weight PEGLAs were used in extrusion coating line with 3051D without problems.

Development of Raman microscopy methods for polymer coatings of polyfilms

Työn tavoitteena oli tutkia Raman-spektrometrin soveltuvuutta muovipäällystettyjen kartonkien syvyyssuuntaisiin mittauksiin. Lisäksi pyrittiin selvittämään voidaanko kiteisyyttä nähdä Raman-laitteistolla. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty Raman-laitteiston teknisiä ominaisuuksia. Kokeellinen osa suoritettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Membraanitekniikan ja teknillisen polymeerikemian laboratoriossa. Työssä käytettiin Horiban Jobin Yvon¿in valmistamaa konfokaalista Raman-spektrometri-laitteistoa (LabRam). Syvyyssuuntaisissa mittauksissa käytettiin apuna motorisoitua x-, y- ja z-suuntaan liikkuvaa tasoa. Mittaukset suoritettiin pistemäisesti tietyllä askelvälillä fokusoimalla näytteen pinnasta sisällepäin. Syvyysprofilointimittaukset aloitettiinmäärittelemällä laitteiston syvyysresoluutio eri konfokaalireikäkoolla. Lisäksityössä tehtiin syvyysprofilointimittauksia sekä läpinäkyvillä monikerrosmuoveilla että muovipäällystetyillä kartongeilla. Työssä mitatut muovipäällysteet sisälsivät pääasiassa polyeteeniä. Tulokset osoittivat, että Raman laitteistolla voidaan havainnoida Raman-aktiiviset ryhmät näytteen eri kerroksista. Lisäksi polyeteenin kiteisyysaste voidaan havaita tietyillä aallonpituuksilla.

Unsaturated Polyester Resins from Recycled Polyethyleneterephthalate

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia miten kuluttajien kierrättämästä polyeteenitereftalaatista ( PET ) voi valmistaa tyydyttymättömiä polyesterihartseja. Työssä valmistettiin yleiskäyttöön soveltuva laminointihartsi sekä 'gel coat' -hartsi jota käytetään esim. veneiden pintamaalina. Yleishartsin depolymerointiin käytettiin propyleeniglykolia ja 'gel coat' -hartsin valmistamiseen neopentyyliglykolia. Polykondensaatiovaiheessa reaktioon lisättiin maleiinihappoa ja lopuksi hartsit liuotettiin styreeniin. Kirjallisuusosassa esitetään eri menetelmiä PET:n depolymeroimiseksi. Lisäksi esitetään eri vaihtoehtoja glykolien, happojen, katalyyttien ja vinyylimonomeerien valitsemiseksi tyydyttymättömien polyesterihartsien valmistuksessa. Analyysimenetelmiä nestemäisten ja kovetettujen hartsien tutkimiseen ja vertailuun käydään läpi kuten myös erilaisia sovelluksia polyesterihartsien käyttämiseksi. Kokeellinen osa todisti että PET-pullojäte voidaan prosessoida hartsiksiilman uusia investointeja prosessilaitteistoon. PET:n glykolyysi kesti viidestäseitsemään tuntia ja polykondensaatiovaihe kahdesta ja puolesta viiteen tuntiin. Hartsien molekyylipainot ja mekaanisten testien tulokset olivat vertailukelpoisia kaupallisten hartsien antamien tulosten kanssa. Glykolyysivaiheen momomeeri- ja oligomeeripitoisuudet mitattiin geelipermeaatiokromatografialla, jotta nähtiin miten pitkälle depolymerisaatio oli edennyt. Tätä tietoa voidaan hyödyntää uusien hartsireseptin suunnittelussa. Polymeeriketjussa jäljellä olevien C=C kaksoissidosten määrä ja niiden isomeraatioaste maleaattimuodosta fumaraattimuotoon mitattiin 1H-NMR -menetelmällä. Tislevesien koostumus määritettiin kaasukromatografialla, ja tulokset kertoivat katalyytin sisältämän kloorin reagoineen glykolien kanssa, johtaen suureen glykolikulutukseen ja muihin ei-toivottuihin sivureaktioihin. Hartsien sietokykyä auringon valolle mitattiin niiden UV-absorption avulla. Kummastakin hartsista valmistettiin 'gel coat' -maalit jotkalaitettiin sääkoneeseen, joka simuloi auringonpaistetta ja vesisadetta vuorotellen. Näistä 'gel coateista' mitattiin niiden kellastumista. Kummastakin hartsista tehdyt valut asetettiin myös sääkoneeseen ja IR-spektreistä ennen jajälkeen koetta nähtiin että C=O ja C-O esterisidoksia oli hajonnut.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF AQUEOUS SOLUTIONS OF JET FUEL AND ICING INHIBITORS

The present paper is devoted to the results of experimental research undertaken into photocatalytical oxidation (PCO) of aqueous solutions of de-icing agents and aqueous extract of jet fuel. The report consists of introduction, literature review, description of materials and methods, discussion of results and conclusions. TiO2 was selected as a photocatalyst for the experiments with synthetic solutions of ethylene glycol, 2-ethoxyethanol and aqueous extract of jet fuel. To explain the PCO mechanisms affecting certain behaviour of de-icing agent under distinctive conditions, the following factors were studied: the impact of initial concentration of pollutant, the role of pH, the presence of tert-butanol as OH·-radicals scavenger and mineral admixtures. PCO under solar radiation performed in two ways: catalysed by irradiated TiO2 slurry or by TiO2 attached to buoyant hollow glass micro-spheres. Special attention was paid to the energy-saving PCO with reduced intensity mixing of the slurry. The effect of PCO was assessed by determination of residual chemical oxygen demand of solution (COD) and by measuring of concentration of glycols. The PCO process efficiency was assumed to be dependent on the TiO2 suspension fractional composition. Thus, the following effects of solutions’ media were viewed: presence of organic admixtures, pH influence, mixing mode during the PCO. The effects of mineral admixtures - Ca2+, Fe3+/2+, Mn2+, SO42- - that are often present in natural and wastewater systems or produced during the degradation of organic pollutants and which can affect the rate of PCO of de-icing agents, were also investigated.

Paperirullan kannatushihnan kestoiän pidentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää kannatushihnapituusleikkurissa paperin rullaukseen käytettävän kannatushihnan kestoikään vaikuttavia tekijöitä ja ratkaisuja liian lyhyeen kestoikään liittyviin ongelmiin. Työssä selvitettiin ensin kannatushihnatyyppisen pituusleikkurin toimintaa ja tarkemmin sen rullausosaa ja rullausprosessin parametreja. Kannatushihnan kestoikään vaikuttavia tekijöitä on käsitelty kirjallisuuden ja kohdeyrityksessä olevan materiaalin perusteella. Seuraavaksi esitettiin ideoita kannatushihnan rakenteesta ja materiaaleista sekä vertailtiin niitä keskenään ja nykyiseen hihnan rakenteeseen. Työssä tehtiin nykyistä kannatushihnaa simuloiva kaksiulotteinen elementtimalli. Tämän elementtimallin mukaan pituusleikkurin telojen suunnassa epätasainen hihnan kuluminen johtuu hihnan paksuussuuntaisten jännitysten eroista. Hihnan kulkua arvioitiin kokeellisesti kahdella erityyppisellä hihnalla. Hihnan kulkuun eniten vaikutti esikiristysvoima, jota pienennettäessä kehänopeusero paperirullaa simuloivan kuormittavan telan ja hihnatelan välillä pieneni. Työssä löydettiin mahdollinen yhteys rullauksessa tulostietona saatavan datan sekä hihnan geometrian välille. Polyeteenivaahtomuovit ovat kitkansa puolesta lupaavia hihnan kitkapinnoitteen materiaaliksi. Toisaalta polyeteenivaahtomuovien mekaanisia ominaisuuksia ei juuri tunneta, eikä niitä ole käytetty kulutuskestoa vaativissa sovelluksissa. Hihnan ulkopinnan kulumismekanismia ei täysin tunneta.

Kaukojäähdytysverkon rakennevaihtoehdot

Kaukojäähdytyksellä tarkoitetaan keskitetysti tuotetun jäähdytysenergian jakamista kiinteistöihin jakeluverkossa kiertävän kylmän veden välityksellä, eli kaukojäähdytys on ulkoistettu jäähdytysratkaisu. Jäähdytysenergiaa tarvitaan työtehon, viihtyisyyden ja sisäilman laadun parantamiseksi, sekä joidenkin prosessien tarpeisiin. Siinä missä perinteinen kiinteistökohtainen jäähdytysjärjestelmä tuottaa jäähdytysenergian sähköllä, käytetään kaukojäähdytyksessä jäähdytysenergian tuottamiseen sellaisia resursseja, jotka muuten jäisivät käyttämättä. Tästä syystä kaukojäähdytys vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä, jonka lisäksi kaukojäähdytys vähentää kylmäkoneissa käytettävien kylmäaineiden aiheuttamia kasvihuonekaasupäästöjä. Kaukolämpöverkkoa muistuttavan kaukojäähdytysverkon rakentaminen vaatii suuria investointeja. Nykyisin jakeluverkon rakenteena käytetään 2Mpuk- rakennetta, jonka todettiin olevan teknistaloudellisesti soveltuvin vaihtoehto Helsingin Energian kaukojäähdytysverkkoon. Myös PE 100 putkia voitaisiin käyttää PN 16 paineluokassa alle DN 300 kokoluokkaa vastaavissa johdoissa, ja PN 10 paineluokassa alle DN 400 johdoissa. Kaukolämpöverkon paineluokan valinta vaikuttaa oleellisesti investointikustannuksiin PE- putkilla ja joillekin alueille kannattanee rakentaa alemman paineluokan omaava erillisverkko PE- putkista. Happidiffuusion kautta PE- putkista pääsee jonkin verran happea verkkoon, mutta määrät ovat melko pieniä, eikä muitakaan teknisiä esteitä hyvin korroosiota kestävien PE- putkien käytölle ole. 2Mpuk- rakenteelle suurimman riskin aiheuttaa elementtien liitoskohdista teräsputken pinnalle pääsevä ulkopuolinen vesi. Koska kaukojäähdytysjohdot ovat lisäksi yleensä ympäristöä kylmempiä, kondensoivat ne vettä pinnallensa kaukolämpöjohdoista poiketen. Ulkopuolisen veden aiheuttamaa riskiä voitaisiin pienentää eristämällä liitoskohdat sähkömuhveilla. Verkoston rakentamiskustannuksia ja liikenteelle aiheutuvia haittoja voidaan vähentää ojattomia rakentamismenetelmiä, kuten suuntaporausta käyttämällä.

Tuplakuori-rakenne eristettyihin muoviputkiin

Eristettyjen muoviputkien kuljetus- tai asennusvaiheessa on mahdollista, että putken suojakuori rikkoutuu mekaanisen iskun vaikutuksesta ja putken sisään pääsee vettä. Huonoimmassa tapauksessa vesi pääsee etenemään suojakuoren ja eristekerroksen välissä talon sisälle ja aiheuttaa mittavat kosteusvahingot. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää, onko eristetylle muoviputkelle mahdollista toteuttaa tuotantotaloudellisesti tuplakuori-rakenne. Tuplakuoren tarkoituksena oli tässä työssä estää putken sisärakenteisiin päässeen veden eteneminen putken pitkittäissuunnassa. Diplomityössä käsiteltiin muutamia vaihtoehtoisia ratkaisuja toteuttaa tuplakuori-rakenne joista lopulta päädyttiin keskittymään muovikalvon käyttöön. Muovikalvon käytöllä oli lähinnä kaksi tarkoitusta. Tärkeimpänä oli saada muovikalvo sulamaan eristekerroksen ja suojakuoren väliin. Tällöin sulanut muovikalvo toimisi liiman tavoin ja hitsaisi eristekerroksen ja suojakuoren toisiinsa kiinni. Näin veden eteneminen eristekerroksen ja suojakuoren välissä saataisiin estetyksi. Muovikalvo oli myös tarkoitus kiristää eristepaketin päälle niin kireälle, että eristepaketin halkaisijaa saataisiin pienennettyä. Muovikalvon käyttöön perehdyttiin suorittamalla tuotantolinjalla koeajoja. Koeajoissa kokeiltiin erilaisia ja erikokoisia putkituotteita erilaisilla tuotantoparametreilla. Näin pyrittiin löytämään parhaat parametrit ja arvot, joilla muovikalvoa pystyttäisiin tulevaisuudessa käyttämään jatkuvassa tuotannossa. Koeajojen tuloksista voitiin havaita, että kalvoitetut putkituotteet käyttäytyivät tuotannossa hyvin eri tavoin.

Creating carbon footprint calculating tool for plastic packaging products

The environmental challenges of plastic packaging industry have increased remarkably along with climate change debate. The interest to study carbon footprints of packaging has increased in packaging industry to find out the real climate change impacts of packaging. In this thesis the greenhouse gas discharges of plastic packaging during their life cycle is examined. The carbon footprint is calculated for food packaging manufactured from plastic laminate. The structure of the laminate is low density polyethylene (PE-LD) and oriented polypropylene (OPP), which have been joined together with laminating adhesive. The purpose is to find out the possibilities to create a carbon footprint calculating tool for plastic packaging and its usability in a plastic packaging manufacturing company. As a carbon footprint calculating method PAS 2050 standard has been used. In the calculations direct and indirect greenhouse gas discharges as well as avoided discharges are considered. Avoided discharges are born for example in packaging waste utilization as energy. The results of the calculations have been used to create a simple calculating tool to be used for similar laminate structures. Although the utilization of the calculating tool is limited to one manufacturing plant because the primary activity data is dependent of geographical location and for example the discharges of used energy in the plant. The results give an approximation of the climate change potential caused by the laminate. It is although noticed that calculations do not include all environmental impacts of plastic packaging´s life cycle.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Natural and synthetic fibres improving tensile strength and elongation of paper products

The theory part of the Master’s thesis introduces fibres with high tensile strength and elongation used in the production of paper or board. Strong speciality papers are made of bleached softwood long fibre pulp. The aim of the thesis is to find new fibres suitable for paper making to increase either tensile strength, elongation or both properties. The study introduces how fibres bond and what kind of fibres give the strongest bonds into fibre matrix. The fibres that are used the in manufacturing of non-wovens are long and elastic. They are longer than softwood cellulose fibres. The end applications of non-wovens and speciality papers are often the same, for instance, wet napkins or filter media. The study finds out which fibres are used in non-wovens and whether the same fibres could be added to cellulose pulp as armature fibres, what it would require for these fibres to be blended in cellulose, how they would bind with cellulose and whether some binding agents or thermal bonding, such as hot calendaring would be necessary. The following fibres are presented: viscose, polyester, nylon, polyethylene, polypropylene and bicomponent fibres. In the empiric part of the study the most suitable new fibres are selected for making hand sheets in laboratory. Test fibres are blended with long fibre cellulose. The test fibres are viscose (Tencel), polypropylene and polyethylene. Based on the technical values measured in the sheets, the study proposes how to continue trials on paper machine with viscose, polyester, bicomponent and polypropylene fibres.

Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.