Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract

0 AND 02 ADSORPTION ON Ag/Cu[100]

In this work the adsorption mechanisms of atomic and molecular oxygen on Cu(100) surface are studied using ab initio simulation methods. Through the atomistic scale under-standing of the elementary oxidation processes we can further understand the large-scale oxidation. Copper is a material widely used in industry which makes it an interesting subject, and also understanding the oxidation of copper helps us understand the oxidation mechanism of other metals. First we have a look on some theory on surface alloys in general and behaviour of Ag on Cu(100) surface. After that the physical background there is behind the methods of density functional calculations are discussed, and some methods, namely potential energy surfaces and molecular dynamics, are introduced. Then there is a brief look on the numerical details used in the calculations, and after that, the results of the simulations are exhibited.

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.

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.

Fibre-reinforced composites as root canal posts

Fibre-reinforced composite (FRC) root canal posts are suggested to have biomechanical benefits over traditional metallic posts, but they lack good adhesion to resin composites. The aim of this series of studies was to evaluate the adhesion of individually formed fibre-reinforced composite material to composite resin and dentin, as well as some mechanical properties. Flexural properties were evaluated and compared between individually formed FRC post material and different prefabricated posts. The depth of polymerization of the individually formed FRC post material was evaluated with IR spectrophotometry and microhardness measurements, and compared to that of resin without fibres. Bonding properties of the individually formed FRC post to resin cements and dentin were tested using Pull-out- and Push-out-force tests, evaluated with scanning electron microscopy, and compared to those of prefabricated FRC and metal posts. Load-bearing capacity and microstrain were evaluated and failure mode assessment was made on incisors restored with individually formed FRC posts of different structures and prefabricated posts. The results of these studies show that the individually polymerized and formed FRC post material had higher flexural properties compared to the commercial prefabricated FRC posts. The individually polymerized FRC material showed almost the same degree of conversion after light polymerization as monomer resin without fibres. Moreover, it was found that the individually formed FRC post material with a semiinterpenetrating polymer network (IPN) polymer matrix bonded better to composite resin luting cement, than did the prefabricated posts with a cross-linked polymer matrix. Furthermore, it was found that, contrary to the other posts, there were no adhesive failures between the individually formed FRC posts and composite resin luting cement. This suggests better interfacial adhesion of cements to these posts. Although no differences in load-bearing capacity or microstrain could be seen, the incisors restored with individually formed FRC posts with a hollow structure showed more favourable failures compared to other prefabricated posts. These studies suggest that it is possible to use individually formed FRC material with semi-IPN polymer matrix as root canal post material. They also indicate that there are benefits especially regarding the bonding properties to composite resin and dentin with this material compared to prefabricated FRC post material with a cross-linked matrix. Furthermore, clinically more repairable failures were found with this material compared to those of prefabricated posts.

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.

Globaalin hankintastrategian komponentit, case: Joptek Oy Composites

Viimeiset vuosikymmenet ovat olleet voimakasta kansainvälistymisen aikaa liiketoiminnassa, jonka myötä globaalista hankinnasta on tullut yhä enenevässä määrin hyvin merkittävä osa yritysten hankintastrategiaa. Kansainvälisten hankintapäätösten tekeminen vaatii yritykseltä kansainvälistymisen asteesta riippuen taloudellisia-, ajallisia- ja henkilöresursseja. Suhteessa näihin panoksiin nähden kansainvälisestä hankinnasta on saavutettavissa merkittäviä etuja, joista tärkeimpiä ovat kustannussäästöt, kilpailuetu sekä laatu- ja teknologiaedut. Projektiluontoisessa liiketoiminnassa hankintastrategian muodostamiseen ja hankintaprosesseihin vaikuttavat yksittäisten projektien ominaisuudet ja niille asetetut tavoitteet. Projektitoiminnassa hankintastrategian mukauttaminen kulloinkin vallitseviin olosuhteisiin, tavoitteisiin ja asiakkaiden tarpeisiin on projektien onnistumisen kannalta tärkeää. Tutkielman teoriaosassa tarkasteltiin projektihankintaprosesseja sekä projekteihin perustuvan liiketoiminnan ominaispiirteitä ja niiden vaikutuksia hankintaan. Teorian keskeisimpänä asiakokonaisuutena on kansain-välinen hankintastrategia osana yrityksen kokonaisvaltaista hankinta-strategiaa. Globaalia hankintastrategiaa on tarkasteltu investointien, kilpailuedun, strategian muodostuksen, motiivien ja esteiden sekä sen eri komponenttien osalta. Empiiriaosassa tutkittiin tutkielman case –yrityksen ja toimeksiantajan, Joptek Oy Compositesin hankinnan nykytilaa sekä kansainvälisen hankintastrategian eri osa-alueita. Haastattelun avulla suoritetun tutkimuksen mukaan Joptek Oy:n liiketoimintaympäristö edellyttää yrityksen entistä aktiivisempaa panostamista kansainväliseen hankintaan. Projektiliiketoiminnassa kansainvälisen hankintastrategian muodostamisessa on pyrittävä yrityksen tarpeisiin vastaaviin räätälöityihin ratkaisuihin, huomioiden erillisten projektien muutokset ja riskitekijät.

Coatings on Composites

Polymer based composite materials coated with thin layers of wear resistant materials have been proposed as replacements for steel components for certain applications with the advantage of reduced mass. Magnetron sputtered coatings can be successfully deposited on composite materials. Nevertheless there are number of issues which must be addressed such as limited temperature, which the composite can withstand because of the epoxy binder which is used, the adhesion of the coating to the composite and the limited mechanical support, the hard coating can obtain from the relatively soft epoxy. We have investigated the deposition of chromium nitride, titanium carbide and titanium doped DLC coatings on carbon fibre reinforced composites and various polymers. The adhesion of the coatings has been studied by the pull-off adhesion tester. In general, the failure mechanism has been noticed to be due to the cohesive failure for a wide range of conditions. The wear behavior of the coatings has been noticed to be complicated. Wear tests on coated composites have shown that where the reinforcing fibres are near the surface, the composite samples do not perform well due to breakage of the fibres from the polymer matrix. A fibre free surface has been noticed to improve the wear resistance.

Ta enonta. Luc. XI. 41

Invocatio: Q.B.V.D.T.O.M.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

Narkissoksen kaikuna : miksi luemme Tournier'ta?

Lectio praecursoria, Helsingin yliopisto 28.1.1995.

Microstructural and environmental effects on the mechanical properties of porous particle-polymer composites

Papper kan anses vara ett av de mest använda materialen i det dagliga livet. Tidskrifter, tidningar, böcker och diverse förpackningar är några exempel på pappersbaserade produkter. Papperets egenskaper måste anpassas till användningsändamålet. En tidskrift kräver t.ex. hög ljushet, opacitet och en slät yta hos papperet, medan dessa egenskaper är mindre viktiga för en dagstidning. Allt tryckpapper behöver vissa mekaniska egenskaper för att tåla vidarebearbetning såsom kalandrering, tryckning och vikning. Man kan bestryka papper för att förbättra dess optiska egenskaper och tryckbarhetsegenskaper. Vid bestrykning appliceras en dispersion av mineralpigment och polymerbindemedel som ett tunt lager på papperets yta. Bestrykningsskiktet kan ses som ett komplext, poröst kompositmaterial som även bidrar till papperets mekaniska egenskaper och dess processerbarhet i diverse konverteringsoperationer. Kravet på framställning av förmånligt papper med tillräckliga styrkeegenskaper ställer allt högre krav på optimeringen av pappersbestrykningsskiktets egenskaper och produktionskostnader. Målet med detta arbete var att förstå sambandet mellan pigmentbestrykningsskiktets mikrostruktur och dess makroskopiska, mekaniska egenskaper. Resultaten visar att adhesionen i gränsytan mellan pigment och bindemedel är kritisk för bestrykningsskiktets förmåga att bära mekanisk belastning. Polära vätskor är vanliga i tryckfärger och kan, eftersom de påverkar syra/bas-interaktionerna mellan pigment och latexbindemedel, försvaga denna adhesion. Resultaten tyder på att ytstyrkan hos bestruket papper kan höjas genom användning av bifunktionella dispergeringsmedel för mineralpigment. Detta medför inbesparingar i pappersproduktionen eftersom mängden bindemedel, den dyraste komponenten i bestrykningsskiktet, kan minskas.