Nitrogen and phosphorus losses in surface runoff and drainage water after application of slurry and mineral fertilizer to perennial grass ley

Selostus: Typen ja fosforin kulkeutuminen pinta- ja salaojavalunnassa lietelannalla ja NKP-lannoitteella lannoitetulta nurmelta

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.

Naudan lietelannan käsittelymenetelmien taloudellinen vertailu

Maataloudessa syntyvä lanta on arvokas lannoite ja maanparannusaine, jonka käsittelystä aiheutuu sekä kustannuksia että ympäristövaikutuksia. Muita haasteita ovat esimerkiksi lannan mikrobit, lannan levitykseen soveltuvan ajankohdan lyhyys, lannan ravinteiden sovittaminen kasvien tarpeisiin ja lannan ravinteiden määrä suhteessa levityskelpoisen peltoalan määrään. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa naudan lietelannan käsittelyketjuihin liittyvät kustannukset ja osoittaa eri käsittelyketjujen kustannusten eroavaisuudet. Tavoitteena oli myös tunnistaa ja osoittaa käsittelyketjujen laadulliset erot. Kustannukset selvitettiin kustannuslaskelmin ja laadulliset erot SWOT-menetelmällä. Tutkimuksen kohteeksi valittiin 6 tilakokoluokkaa ja käsittelyketjuiksi lietelanta-, kompostointi- ja mädätysketju. Tutkimuksessa alhaisimmat kustannukset olivat lietelantaketjulla, jonka kustannukset 25 – 250 naudan tilalla olivat 5 200 – 6 600 €/a ja yksikkökustannukset 1 – 9 €/m3. Mädätysketjun kustannukset vastaavissa tilakokoluokissa olivat noin 33 000 – 50 000 €/a ja yksikkökustannukset 8 – 55 €/m3. Kompostointiketjun kustannukset olivat 35 000 – 143 000 €/a ja yksikkökustannukset 24 – 58 €/m3. Lietelantaketjun edullisuus johtui vähäisistä laite- ja rakennusinvestoinneista ja pienistä työmääristä ja kompostointiketjun kalleus suurista tukiaine- ja investointikustannuksista. Käsittelyketjujen asettaminen paremmuusjärjestykseen oli hankalaa. Työn määrä oli pienin lietelantaketjussa ja toiseksi pienin suurilla tiloilla mädätysketjussa. Kompostointiketjulla itse levitykseen kuluva aika oli pienin. Ravinteiden osalta mädätysketju oli parhain ja kompostointiketju huonoin. Ympäristövaikutuksiltaan ja hajuhaitoiltaan kompostointi- ja mädätysketju olivat parhaimmat. Mikrobien osalta parhain oli kompostointiketju.

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.

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Nauhasuodatukseen vaikuttavien parametrien tutkiminen

Nauhasuodattimia käytetään teollisuuden aloilla, joissa suodatettavan suspension määrä vaihtelee laajalti ja suodinkakun peseytyminen on tärkeää. Oikean kangasrakenteen valinnalla voidaan kasvattaa suodatuskapasiteettia ja parantaa suodatustulosta. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia metallisulfidisakan nauhasuodatukseen liittyviä parametreja suodatuksen parantamiseksi. Tavoitteena oli löytää sopiva kangas ja ajoparametrit kloridin pesemiseksi suodinkakusta mahdollisimman tarkasti ja samalla säilyttää hyvä suodospuhtaus. Suodatuskapasiteetin kasvattaminen oli myös toivottavaa. Kirjallisuusosassa keskityttiin kakkusuodatuksen teoriaan, nauhasuodatukseen ja tutustuttiin hieman nauhasuodatukseen liittyvään laskentaan. Uusia kehitteillä olevia suodatusta parantavia menetelmiä käsiteltiin myös kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa tutkittiin koesuunnittelua hyväksi käyttäen metallisulfidisakan suodatukseen vaikuttavienparametrien vaikutusta. Testattavia parametreja olivat mm. alipaine, lietteen kiintoainepitoisuus, syötön ja pesuveden määrä. Kokeet osoittivat, että kankaan rakenteella ei ole suurta vaikutusta pesutulokseen. Pesuilla ei myöskään voida kokonaan poistaa suodinkakussa olevaa kloridia. Tulosten perusteella kokeissa käytetyillä kudotuilla kankailla päästiin yhtä hyviin kuin huopakankaalla. Suodattimen toiminnan kannalta paras tilanne on, jos suodattimelle tulevan lietteen kiintoainepitoisuus pysyy melko vakiona. Suodattimella käytettävän kankaan käyttöikää kasvattaa kankaan hyvä kulutuskestävyys, kakun irtoaminen helposti kankaan pinnalta ja kankaan pysyminen huokoisena kankaan pesujen ansiosta.

Development of filter media treatments for liquid filtration

Woven monofilament, multifilament, and spun yarn filter media have long been the standard media in liquid filtration equipment. While the energy for a solid-liquid separation process is determined by the engineering work, it is the interface between the slurry and the equipment - the filter media - that greatly affects the performance characteristics of the unit operation. Those skilled in the art are well aware that a poorly designed filter medium may endanger the whole operation, whereas well-performing filter media can make the operation smooth and economical. As the mineral and pulp producers seek to produce ever finer and more refined fractions of their products, it is becoming increasingly important to be able to dewater slurries with average particle sizes around 1 ¿m using conventional, high-capacity filtration equipment. Furthermore, the surface properties of the media must not allow sticky and adhesive particles to adhere to the media. The aim of this thesis was to test how the dirt-repellency, electrical resistance and highpressure filtration performance of selected woven filter media can be improved by modifying the fabric or yarn with coating, chemical treatment and calendering. The results achieved by chemical surface treatments clearly show that the woven media surface properties can be modified to achieve lower electrical resistance and improved dirt-repellency. The main challenge with the chemical treatments is the abrasion resistance and, while the experimental results indicate that the treatment is sufficiently permanent to resist standard weathering conditions, they may still prove to be inadequately strong in terms of actual use.From the pressure filtration studies in this work, it seems obvious that the conventional woven multifilament fabrics still perform surprisingly well against the coated media in terms of filtrate clarity and cake build-up. Especially in cases where the feed slurry concentration was low and the pressures moderate, the conventional media seemed to outperform the coated media. In the cases where thefeed slurry concentration was high, the tightly woven media performed well against the monofilament reference fabrics, but seemed to do worse than some of the coated media. This result is somewhat surprising in that the high initial specific resistance of the coated media would suggest that the media will blind more easily than the plain woven media. The results indicate, however, that it is actually the woven media that gradually clogs during the coarse of filtration. In conclusion, it seems obvious that there is a pressure limit above which the woven media looses its capacity to keep the solid particles from penetrating the structure. This finding suggests that for extreme pressures the only foreseeable solution is the coated fabrics supported by a strong enough woven fabric to hold thestructure together. Having said that, the high pressure filtration process seems to follow somewhat different laws than the more conventional processes. Based on the results, it may well be that the role of the cloth is most of all to support the cake, and the main performance-determining factor is a long life time. Measuring the pore size distribution with a commercially available porometer gives a fairly accurate picture of the pore size distribution of a fabric, but failsto give insight into which of the pore sizes is the most important in determining the flow through the fabric. Historically air, and sometimes water, permeability measures have been the standard in evaluating media filtration performance including particle retention. Permeability, however, is a function of a multitudeof variables and does not directly allow the estimation of the effective pore size. In this study a new method for estimating the effective pore size and open pore area in a densely woven multifilament fabric was developed. The method combines a simplified equation of the electrical resistance of fabric with the Hagen-Poiseuille flow equation to estimate the effective pore size of a fabric and the total open area of pores. The results are validated by comparison to the measured values of the largest pore size (Bubble point) and the average pore size. The results show good correlation with measured values. However, the measured and estimated values tend to diverge in high weft density fabrics. This phenomenon is thought to be a result of a more tortuous flow path of denser fabrics, and could most probably be cured by using another value for the tortuosity factor.

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.

Pigmenttien suodatus

Työn tavoitteena oli tutkia neljän eri koesuotimen soveltuvuutta pigmenttilietteen kiintoainepitoisuuden nostoon. Työssä käytetyt suotimet olivat Larox PF 0,1, Certus-CU-0047, Crossflow-koesuodin ja Steuerung ET06-linko. Suodinväliaineena Larox PF 0,1-suotimessa ja Crossflow-koesuotimessa käytettiin Tamfelt Oyj:n suodinkankaita. Certus-CU-0047-suotimessa suodinväliaineena toimi keraaminen membraani. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin partikkelien karakterisointia, suodatuksen teoriaa, kakkusuodatusta, suodinväliaineista suodinkankaita ja membraaneja. Lisäksi tarkasteltiin paperin päällystämiseen käytettyjen pigmenttien ominaisuuksia ja niiden suodatusta. Kokeet suoritettiin Larox PF 0,1, Certus-CU-0047 ja Crossflow-koesuotimella vakiopainesuodatuksena yhdellä paineella. Steuerung ET06-lingon kokeet suoritettiin vakiovirtaussuodatuksena käyttäen kolmea eri virtausnopeutta ja kolmea eri lingon ja ruuvin kierrossuhdetta. Työssä suodatettiin neljää erilaista pigmenttilietettä. Suodoksista otettiin näytteitä niiden sameuden määrittämiseksi. Larox Pf 0,1-suotimella ja Steuerung ET06-dekantterilingolla saatiin nostettua pigmenttilietteen kiintoainepitoisuutta erittäin hyvin. Loput kaksi suodinta eivät sovellu tähän tarkoitukseen ollenkaan. Vakiopainesuodatuksissa suodatusajat muodostuivat kuitenkin liian pitkiksi. Suodoksien kiintoainepitoisuudet olivat suurimmaksi osaltaan pieniä lukuun ottamatta tiettyjä suodinkankaita. Lietteen 2 kiintoainepitoisuuden nostaminen oli kaikilla suotimilla erittäin vaikeaa, muut lietteet suodattuivat kohtuullisen hyvin. Näiden kokeiden perusteella voidaan sanoa, että varsinkin vakiovirtaussuodatus soveltuu hyvin ainakin tiettyjen pigmenttilietteiden kiintoainepitoisuuden nostoon.

Kakun rakenteen vaikutus pesutulokseen

Tässä työssä tutkittiin suodatukseen vaikuttavien tekijöiden vaikutusta suodatuksessa syntyvän kakun ominaisuuksiin sekä kakun ominaisuuksien vaikutusta syrjäytyspesun tehokkuuteen. Lisäksi määritettiin tärkeimmät suodatusparametrit sekä niiden riippuvuudet suodatusolosuhteista. Toissijaisena tavoitteena oli lisäksi tutkia, miten suodatusolosuhteita ja suodatettavan lietteen ominaisuuksia muuttamalla voidaan vaikuttaa suodatusjakson kestoon. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin aluksi yleisesti kiintoaineen erotusta nesteestä. Tämän jälkeen käsiteltiin yleisimmät suodatustekniikat ja tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin painesuodatusta ja varsinkin syntyvän kakun rakenteeseen vaikuttavia tekijöitä. Lopuksi käytiin läpi kakulle suodatuksen jälkeen suoritettavat jälkikäsittelymenetelmät ja selvitettiin varsinkin syrjäytyspesun tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä tarkemmin. Kokeellisessa osassa tehtiin koesuodatuksia lietteellä joka sisälsi hienojakoista pigmenttiä. Koesuodatukset tehtiin kahdella eri kankaalla panostoimisella piston press- laboratoriopainesuodattimella johon oli liitetty tiedonkeruuohjelmisto, joka keräsi tiedostoon paineet suodatuskammiossa, kankaan alapuolella ja työsylinterin syöttölinjassa sekä lisäksi männän korkeuden, lietteen lämpötilan ja suodosvaakalukeman. Lietteiden ominaisuuksia seurattiin analysoimalla niiden kiintoainepitoisuuksia, kloridipitoisuuksia, z-potentiaaleja ja partikkelikokojakau-mia siten että jokaisessa suodatuksessa käytetyn lietteen ominaisuudet olivat tiedossa. Suodatusten jälkeen syntyneistä kakuista määritettiin kiintoaine- sekä joissain tapauksissa myös kloridipitoisuudet. Suodatus- ja puristuspaineiden havaittiin vaikuttavan kakkujen huokoisuuksiin ja ominaisvastuksiin selvästi, joskin muutokset olivat melko pieniä. Vaikutus näkyi selvästi myös suodatusten kestoissa ja muutosten havaittiin olevan merkittävän suuruisia. Myös lietteen pH:n havaittiin vaikuttavan merkitsevästi suodatusten kestoihin ja kakkujen ominaisuuksiin. Pesutuloksen ja kakun ominaisuuksien välille löydettiin riippuvuus heikoksi jääneestä pesutuloksesta huolimatta. Myös koesuodatuksissa käytettyjen kankaiden välillä havaittiin selviä eroavaisuuksia.