In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Fourier self-deconvolution in coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is rapidly developing into a unique microscopic tool in biophysics, biology and the material sciences. The nonlinear nature of CARS spectroscopy complicates the analysis of the received spectra. There were developed mathematical methods for signal processing and for calculations spectra. Fourier self-deconvolution is a special high pass FFT filter which synthetically narrows the effective trace bandwidth features. As Fourier self-deconvolution can effectively reduce the noise, which may be at a higher spatial frequency than the peaks, without losing peak resolution. The idea of the work is to experiment the possibility of using wavelet decomposition in spectroscopic for background and noise removal, and Fourier transformation for linenarrowing.

Effect of soil wetness on air composition and nitrous oxide emission in a loam soil

Selostus: Maan märkyyden vaikutus ilman koostumukseen ja dityppioksidiemissioon hiuemaassa

Intra-specific variation in cell wall constituents of needle age classes of Pinus sylvestris in relation to soil fertility status in Southwest England

Abstract

Effect of liming on yield and quality of pepperment and Sachalin mint in fine sand soil of Northern Finland

Selostus: Kalkituksen vaikutus piparmintun ja Sachalinin mintun satoon Pohjois-Suomessa

Biogeochemistry in acid sulphate soil landscapes and small urban centres in Western Finland

The overall purpose of this thesis was to increase the knowledge on the biogeochemistry of rural acid sulphate (AS) soil environments and urban forest ecosystems near small towns in Western Finland. In addition, the potential causal relationship between the distribution of AS soils and geographical occurence of multiple sclerosis (MS) disease was assessed based on a review of existing literature and data. Acid sulphate soils, which occupy an area of approximately 17–24 million hectare worldwide, are regarded as the nastiest soils in the world. Independent of the geographical locality of these soils, they pose a great threat to their surrounding environment if disturbed. The abundant metal-rich acid drainage from Finnish AS soils, which is a result of sulphide oxidation due to artificial farmland drainage, has significant but spatially and temporally variable ecotoxicological impacts on biodiversity and community structure of fish, benthic invertebrates and macrophytes. This has resulted in mass fish kills and even eradication of sensitive fish species in affected waters. Moreover, previous investigations demonstrated significantly enriched concentrations of Co, Ni, Mn and Al, metals which are abundantly mobilised in AS soils, in agricultural crops (timothy grass and oats) and approximately 50 times higher concentrations of Al in cow milk originating from AS soils in Western Finland. Nevertheless, the results presented here demonstrate, in general, relatively moderate metal concentrations in oats and cabbage grown on AS soils in Western Finland, although some of the studied fields showed anomalous values of metals (e.g. Co and Ni) in both the soil and target plants (especially oats), similar to that of the previous investigations. The results indicated that the concentrations of Co, Ni, Mn and Zn in oats and Co and Zn in cabbage were governed by soil geochemistry as these metals were correlated with corresponding concentrations extracted from the soil by NH4Ac-EDTA and NH4Ac, respectively. The concentrations of Cu and Fe in oats and cabbage were uncorrelated to that of the easily soluble concentrations in the soils, suggesting that biological processes (e.g. plant-root processes) overshadow geochemical variation. The concentrations of K and Mg in cabbage, which showed a low spread and were strongly correlated to the NH4Ac extractable contents in the soil, were governed by both the bioavailable fractions in the topsoil and plant-uptake mechanisms. The plant´s ability to regulate its uptake of Ca and P (e.g. through root exudates) seemed to be more important than the influence of soil geochemistry. The distribution of P, K, Ca, Mg, Mn and S within humus, moss and needles in and around small towns was to a high degree controlled by biological cycling, which was indicated by the low correlation coefficients for P, K, Ca, Mg and S between humus and moss, and the low spread of these nutrients in moss and needles. The concentration variations of elements in till are mainly due to natural processes (e.g. intrusions, weathering, mineralogical variations in the bedrock). There was a strong spatial pattern for B in humus, moss and needles, which was suggested to be associated with anthropogenic emissions from nearby town centres. Geogenic dust affected the spatial distribution of Fe and Cr in moss, while natural processes governed the Fe anomaly found in the needles. The spatial accumulation patterns of Zn, Cd, Cu, Ni and Pb in humus and moss were strong and diverse, and related to current industry, the former steel industry, coal combustion, and natural geochemical processes. An intriguing Cu anomaly was found in moss. Since it was located close to a main railway line and because the railway line´s electric cables are made of Cu, it was suggested that the reason for the Cu anomaly is corrosion of these cables. In Western Finland, where AS soils are particularly abundant and enrich the metal concentrations of stream waters, cow milk and to some extent crops, an environmental risk assessment would be motivated to elucidate if the metal dispersion affect human health. Within this context, a topic of concern is the distribution of multiple sclerosis as high MS prevalence rates are found in the main area of AS soils. Regionally, the AS soil type in the Seinäjoki area has been demonstrated to be very severe in terms of metal leaching, this area also shows one of the highest MS rates reported worldwide. On a local scale, these severe AS soil types coincide well with the corresponding MS clustering along the Kyrönjoki River in Seinäjoki. There are reasons to suspect that these spatial correlations are causal, as multiple sclerosis has been suggested to result from a combination of genetic and environmental factors.

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

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.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.