Chemistry of potassium halides and their role in corrosion in biomass and waste firing

Compared to the use of traditional fossil fuels (coal, oil, natural gas), combustion of biomass and waste fuels has several environmental and economic advantages for heat and power generation. However, biomass and waste fuels might contain halogens (Cl, Br, F), alkali metals (Na, K) and heavy metals (Zn, Pb), which may cause harmful emissions and corrosion problems. Hightemperature corrosion occurs typically on furnace waterwalls and superheaters. The corrosion of the boiler tube materials limits the increase of thermal efficiency of steam boilers and leads to costly shutdowns and repairs. In recent years, some concerns have been raised about halogen (Cl, Br, and F)-related hightemperature corrosion in biomass- and waste-fired boilers. Chlorine-related high-temperature corrosion has been studied extensively. The presence of alkali chlorides in the deposits is believed to play a major role in the corrosion observed in biomass and waste fired boilers. However, there is much less information found in literature on the corrosion effect of bromine and fluorine. According to the literature, bromine is only assumed to play a role similar to chlorine; the role of fluorine is even less understood. In this work, a series of bubbling fluidized bed (BFB) bench-scale tests were carried out to characterize the formation and sulfation behaviors of KCl and KBr in BFB combustion conditions. Furthermore, a series of laboratory tests were carried out to investigate the hightemperature corrosion behaviors of three different superheater steels (10CrMo9-10, AISI 347 and Sanicro 28) exposed to potassium halides in ambient air and wet air (containing 30% H2O). The influence of H2O and O2 on the high-temperature corrosion of steels both with and without a salt (KCl) in three gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2) was also studied. From the bench-scale BFB combustion tests, it was found that HBr has a clearly higher affinity for the available K forming KBr than HCl forming KCl. The tests also indicated that KCl has a higher tendency for sulfation than KBr. From the laboratory corrosion tests in ambient air (also called “dry air” in Paper III and Paper IV), it was found that at relatively low temperatures (≤ 550 °C) the corrosivity of KBr and KF are similar to KCl. At 600 °C, KF showed much stronger corrosivity than KBr and KCl, especially for 10CrMo9-10 and AISI 347. When exposed to KBr or KF, 10CrMo9-10 was durable at least up to 450 °C, while AISI 347 and Sanicro 28 were durable at least up to 550 °C. From the laboratory corrosion tests in wet air (30% H2O), no obvious effect of water vapor was detected at 450 °C. At 550 °C, the influence of water vapor became significant in some cases, but the trend was not consistent. At 550 °C, after exposure with KBr, 10CrMo9-10 suffered from extreme corrosion; after exposure with KF and KCl, the corrosion was less severe, but still high. At 550 °C, local deep pitting corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 after exposure with KF. Some formation of K2CrO4 was observed in the oxide layer. At 550 °C, AISI 347 and Sanicro 28 suffered from low corrosion (oxide layer thickness of < 10 μm) after exposure with KBr and KCl. No formation of K2CrO4 was observed. Internal oxidation occurred in the cases of AISI 347 with KBr and KCl. From the laboratory corrosion tests in three different gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2), it was found that in tests with no salt, no corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 up to 600 °C in both the “O2-rich” (2% H2O-30% O2-N2) and “H2O-rich” (30% H2O-2% O2-N2) gas atmospheres; only 10CrMo9-10 showed increased corrosion with increasing temperature. For 10CrMo9-10 in the “O2-rich” atmosphere, the presence of KCl significantly increased the corrosion compared to the “no salt” cases. For 10CrMo9-10 in the “H2O-rich” atmosphere, the presence or absence of KCl did not show any big influence on corrosion. The formation of K2CrO4 was observed only in the case with the “O2-rich” atmosphere. Considering both the results from the BFB tests and the laboratory corrosion tests, if fuels containing Br were to be combusted, the corrosion damage of superheaters would be expected to be higher than if the fuels contain only Cl. Information generated from these studies can be used to help the boiler manufacturers in selecting materials for the most demanding combustion systems.

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.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Transmission properties of high barrier coated paperboard packages

High barrier materiaaleilla pyritään pidentämään pakattujen elintarvikkeiden hyllyikää. Barrierin tärkein tehtävä on elintarvikkeen suojaaminen hapelta ja kosteudelta. Alumiinin käyttöä barriermateriaalina pyritään vähentämään korvaamalla alumiini polymeereillä, jotka täyttävät elintarvikkeiden asettamat korkeat säilyvyysvaatimukset. Etyylivinyylialkoholin (EVOH) hapenläpäisevyys on kuivissa olosuhteissa alhaisin kaupallisista muovilaaduista. EVOH tarjoaa myös erinomaisen suojan muita kaasuja, rasvoja, hajuja ja aromeja vastaan ja sitä on helppo prosessoida. Polyamideilla on erinomainen kaasutiiveys sekä hyvä lujuus ja sitkeys. Eri muovilaatuja sekoittamalla voidaan vähentää hapenläpäisyä ja parantaa prosessointia. Polyolefiineja käytetään yleisesti päällystysmateriaaleina, koska ne suojaavat tuotetta erinomaisesti kosteudelta. Hapenläpäisyllä tarkoitetaan hapen kulkeutumista materiaalin läpi joko permeaation kautta tai reikien ja vuotojen läpi. Kaasun permeoitumiseen materiaalin läpi vaikuttavat materiaalin vapaa tilavuus, kiteisyysaste, orientaatio, substituointi, suhteellinen kosteus, lämpötila, barrierkerroksen paksuus, paine-ero ja permeoituvan molekyylin ominaisuudet. Kokeellisessa osassa analysoitiin ja vertailtiin kartonkipohjaisia mehutölkkejä, joissa käytettävät high barrier materiaalit olivat EVOH ja PA. Kartonkipohjaisia alumiinitölkkejä käytettiin referenssinä. Pakkausten hapenläpäisevyysmittauksissa saatiin samasta näytteestä toistettavia tuloksia, vaikka vuotomittauksissa saadut tulokset eivät olleet vertailukelpoisia hapenläpäisytulosten kanssa. Tölkkien valmistus vaikutti oleellisesti pakkausten tiiveysominaisuuksiin. Hapenläpäisy vuotojen ja reikien läpi oli merkittävämpää kuin hapenläpäisy materiaalin läpi. Pakkausten tiiveysominaisuuksia analysoitiin mittaamalla appelsiinimehun askorbiini-happopitoisuus. Askorbiinihapon hajoaminen mitattiin koetölkkeihin pakatusta appelsiinimehusta, ja lämpötilan, valon ja hapen vaikutusta askorbiinihapon hajoamiseen tutkittiin 12 viikon ajan. Lämpötilalla oli suurin vaikutus askorbiinihapon hajoamiseen huolimatta käytetystä pakkausmateriaalista.

Lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuuden tutkiminen

Diplomityössä on haettu tietoa lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuudesta ja sen testaamisesta. Lujitemuovikomposiitissa hartsi sitoo materiaalit yhteen ja antaa rakenteelle kemiallisen kestävyyden, sitkeyden ja välittää kuormitukset kuitujen kannettaviksi. Vaadittavan lujuuden rakenteelle antaa lasikuitu. Se päällystetään valmistusvaiheessa pinnoiteaineella, sizingilla. Sillä on ratkaiseva merkitys hartsin ja lasikuidun väliin syntyvän rajapinnan muodostumisessa kovettumisprosessin aikana. Käytännössä rajapinnan toimivuutta ja materiaalien yhteensopivuutta tutkitaan makromekaanisilla lujuustesteillä. Menetelmät perustuvat rajapinnan leikkaus¬lujuuden määrittämiseen, mutta myös murtumamekanismeihin perustuvia testi¬menetelmiä käytetään. Mikrotason menetelmät, jotka perustuvat yksittäisen kuidun ja käytetyn hartsin välisen adheesion mittaamiseen ovat yleistyneet, mutta niistä saatujen tulosten ei ole vielä todettu riittävästi korreloivan makro¬mekaanisten lujuustestien kanssa. Työssä tutkittiin kahta eri makromekaanista testimenetelmää. Testeissä havaittiin eroja valittujen lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien välillä. Hauras hartsi oli herkempi lasikuitupinnoitteen kemialle. Kun yhteensopivuus vinyyli-esterihartsin ja lasikuitupinnoitteen välillä oli huono, saatiin sekä poikittaisessa vetolujuustestissä että Mode I murtumissitkeystestissä heikko tulos. Pyyhkäisy¬elektronimikroskoopilla suoritettu mikrotason analyysi murtopinnasta vahvisti saatuja tuloksia ja se osoittautui toimivaksi menetelmäksi kuvantamaan ilmiöitä, jotka vaikuttavat yhteensopivuuteen vinyyliesterihartsin ja pinnoitetun lasikuidun välillä.

Kullan uutto kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin kullan neste-nesteuuttoa kloridiliuoksista kirjallisuustutkimuksen ja laboratoriokokeiden avulla. Uuttoreagenssina käytettiin Outotecin kehittämää kullanuuttoreagenssia. Teoreettisessa osassa tarkastellaan kullan käyttäytymistä happamissa vesiliuoksissa, jotka sisältävät kloridia ja bromidia. Lisäksi työssä käsitellään kultakloridiyhdisteiden käyttöturvallisuutta. Teollisuudessa vuonna 2012 käytettäviä neste-nesteuuttoon perustuvia kullan talteenottomenetelmiä esitellään lyhyesti. Kirjallisuusosassa käsitellään myös joidenkin teollisesti käytettävien polymeeristen rakennemateriaalien ominaisuuksia. Kokeellisessa osassa määritettiin kullanuuttoreagenssin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen tiheys, viskositeetti, liukoisuus veteen sekä faasien selkeytyminen uuttoprosessissa. Tuloksista havaittiin, että eri modifiointiaineet vaikuttavat huomattavasti kullanuuttoliuoksen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kullan uuttoa tutkittiin pienen mittakaavan laboratoriokokein käyttämällä synteettisiä kultaa sisältäviä lähtöliuoksia. Kokeissa tutkittiin lähtöliuoksen happopitoisuuden ja bromidipitoisuuden, sekä uuttoreagenssin modifiointiaineiden vaikutuksia kullan uuttotasapainoon. Lisäksi tutkittiin joidenkin epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista. Materiaalitutkimuksissa tarkasteltiin kullanuuttoreagenssin ja autenttisen kullan halidiliuoksen vaikutuksia polymeerimateriaaleihin pitkäaikaisessa kontaktissa. Uuttoliuosten havaittiin aiheuttavan turpoamaa sekä pinnan pehmenemistä joissakin teollisissa muoveissa.

Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

Solid-state reference and ion-selective electrodes : towards portable potentiometric sensing

Potentiometric sensors are very attractive tools for chemical analysis because of their simplicity, low power consumption and low cost. They are extensively used in clinical diagnostics and in environmental monitoring. Modern applications of both fields require improvements in the conventional construction and in the performance of the potentiometric sensors, as the trends are towards portable, on-site diagnostics and autonomous sensing in remote locations. The aim of this PhD work was to improve some of the sensor properties that currently hamper the implementation of the potentiometric sensors in modern applications. The first part of the work was concentrated on the development of a solid-state reference electrode (RE) compatible with already existing solid-contact ion-selective electrodes (ISE), both of which are needed for all-solid-state potentiometric sensing systems. A poly(vinyl chloride) membrane doped with a moderately lipophilic salt, tetrabutylammonium-tetrabutylborate (TBA-TBB), was found to show a satisfactory stability of potential in sample solutions with different concentrations. Its response time was nevertheless slow, as it required several minutes to reach the equilibrium. The TBA-TBB membrane RE worked well together with solid-state ISEs in several different situations and on different substrates enabling a miniature design. Solid contacts (SC) that mediate the ion-to-electron transduction are crucial components of well-functioning potentiometric sensors. This transduction process converting the ionic conduction of an ion-selective membrane to the electronic conduction in the circuit was studied with the help of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The solid contacts studied were (i) the conducting polymer (CP) poly(3,4-ethylienedioxythiophene) (PEDOT) and (ii) a carbon cloth having a high surface area. The PEDOT films were doped with a large immobile anion poly(styrene sulfonate) (PSS-) or with a small mobile anion Cl-. As could be expected, the studied PEDOT solid-contact mediated the ion-toelectron transduction more efficiently than the bare glassy carbon substrate, onto which they were electropolymerized, while the impedance of the PEDOT films depended on the mobility of the doping ion and on the ions in the electrolyte. The carbon cloth was found to be an even more effective ion-to-electron transducer than the PEDOT films and it also proved to work as a combined electrical conductor and solid contact when covered with an ion-selective membrane or with a TBA-TBB-based reference membrane. The last part of the work was focused on improving the reproducibility and the potential stability of the SC-ISEs, a problem that culminates to the stability of the standard potential E°. It was proven that the E° of a SC-ISE with a conducting polymer as a solid contact could be adjusted by reducing or oxidizing the CP solid contact by applying current pulses or a potential to it, as the redox state of the CP solid-contact influences the overall potential of the ISE. The slope and thus the analytical performance of the SC-ISEs were retained despite the adjustment of the E°. The shortcircuiting of the SC-ISE with a conventional large-capacitance RE was found to be a feasible instrument-free method to control the E°. With this method, the driving force for the oxidation/reduction of the CP was the potential difference between the RE and the SC-ISE, and the position of the adjusted potential could be controlled by choosing a suitable concentration for the short-circuiting electrolyte. The piece-to-piece reproducibility of the adjusted potential was promising, and the day-today reproducibility for a specific sensor was excellent. The instrumentfree approach to control the E° is very attractive considering practical applications.