Influence of Pulsed-Electric Field Irradiation in Crystallization

The growing pharmaceutical interest, among others, in the polymorphic composition of the emerging solid end-products from production processes has been traced to the need for attainment of high product purity. This is more so as the presence of different polymorphs may constitute physical impurity of the product. Hence, the need for optimization of the yield of desired product component(s) through controlled crystallization kinetics for instance. This study was carried out to investigate the impact of pulsed electric field (PEF) irradiation on the crystal morphology of glycine obtained by cooling crystallization (without seeding) from commercial glycine sample in distilled deionized water solution. In doing so, three different pulse frequencies (294, 950 and 145 Hz) and a case without PEF were studied at three cooling rates (5, 10 and 20 ºC/h). The crystal products obtained were analyzed for polymorphic composition by powder x-ray diffraction (PXRD) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy while the particles characterization was done on Morphologi G3. The results obtained from this study showed that pulsed electric field irradiation had significant impact on metastability of the aqueous solution as well as on the polymorphic composition of the end product. With increasing PEF frequency applied, nucleation started earlier and the γ-glycine polymorph content of the product crystals increased. These were found to have been aided by cooling rate, as the most significant effect was observed at 5 ºC/h. It was also discovered that PEF application had no measurable impact on the pH of the aqueous solution as well as the size distribution of the particles. Cooling on the contrary was believed to be responsible for the broadening of the particle size distribution with a downward shift of the lower limit of the raw material from about 100 μm to between 10 and 50 μm.

Photocatalysis Studies under Visible Light Irradiation with TiO2 Obtained by Pulsed Electric Field Assisted Sol-Gel Method

The objective of this thesis was to study the effect of pulsed electric field on the preparation of TiO2 nanoparticles via sol-gel method under the visible light irradiation. The literature part introduces properties of different TiO2 crystal forms and principle of photocatalysis. It was expected that pulsed electric field would have an influence on degradation for oxalic acid and formic acid. TiO2 samples were prepared by using three frequencies (50Hz, 294Hz, and 963Hz) and two treatment times (12 minutes and 24 minutes) of pulsed electric field. The photocatalytic activities of TiO2 samples produced with sol-gel method were also compared with the TiO2 particles made by previous study and with the commercial TiO2 powder Aeroxide® (Evonic Degussa GmbH) at the same condition. Results show that pulsed electric field does have an effect on degradation for oxalic acid and formic acid. Generally, higher photocatalytic activities for oxalic acid and formic acid were obtained with lower frequency and longer treatment time of pulsed electric field.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Fabrication and characterization of silicon position sensitive particle detectors

Position sensitive particle detectors are needed in high energy physics research. This thesis describes the development of fabrication processes and characterization techniques of silicon microstrip detectors used in the work for searching elementary particles in the European center for nuclear research, CERN. The detectors give an electrical signal along the particles trajectory after a collision in the particle accelerator. The trajectories give information about the nature of the particle in the struggle to reveal the structure of the matter and the universe. Detectors made of semiconductors have a better position resolution than conventional wire chamber detectors. Silicon semiconductor is overwhelmingly used as a detector material because of its cheapness and standard usage in integrated circuit industry. After a short spread sheet analysis of the basic building block of radiation detectors, the pn junction, the operation of a silicon radiation detector is discussed in general. The microstrip detector is then introduced and the detailed structure of a double-sided ac-coupled strip detector revealed. The fabrication aspects of strip detectors are discussedstarting from the process development and general principles ending up to the description of the double-sided ac-coupled strip detector process. Recombination and generation lifetime measurements in radiation detectors are discussed shortly. The results of electrical tests, ie. measuring the leakage currents and bias resistors, are displayed. The beam test setups and the results, the signal to noise ratio and the position accuracy, are then described. It was found out in earlier research that a heavy irradiation changes the properties of radiation detectors dramatically. A scanning electron microscope method was developed to measure the electric potential and field inside irradiated detectorsto see how a high radiation fluence changes them. The method and the most important results are discussed shortly.

Development of advanced silicon radiation detectors for harsh radiation environment

This thesis describes the development of advanced silicon radiation detectors and their characterization by simulations, used in the work for searching elementary particles in the European Organization for Nuclear Research, CERN. Silicon particle detectors will face extremely harsh radiation in the proposed upgrade of the Large Hadron Collider, the future high-energy physics experiment Super-LHC. The increase in the maximal fluence and the beam luminosity up to 1016 neq / cm2 and 1035 cm-2s-1 will require detectors with a dramatic improvement in radiation hardness, when such a fluence will be far beyond the operational limits of the present silicon detectors. The main goals of detector development concentrate on minimizing the radiation degradation. This study contributes mainly to the device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors with better characteristics. Also the defect engineering technology is discussed. In the nearest region of the beam in Super-LHC, the only detector choice is 3D detectors, or alternatively replacing other types of detectors every two years. The interest in the 3D silicon detectors is continuously growing because of their many advantages as compared to conventional planar detectors: the devices can be fully depleted at low bias voltages, the speed of the charge collection is high, and the collection distances are about one order of magnitude less than those of planar technology strip and pixel detectors with electrodes limited to the detector surface. Also the 3D detectors exhibit high radiation tolerance, and thus the ability of the silicon detectors to operate after irradiation is increased. Two parameters, full depletion voltage and electric field distribution, is discussed in more detail in this study. The full depletion of the detector is important because the only depleted area in the detector is active for the particle tracking. Similarly, the high electric field in the detector makes the detector volume sensitive, while low-field areas are non-sensitive to particles. This study shows the simulation results of full depletion voltage and the electric field distribution for the various types of 3D detectors. First, the 3D detector with the n-type substrate and partial-penetrating p-type electrodes are researched. A detector of this type has a low electric field on the pixel side and it suffers from type inversion. Next, the substrate is changed to p-type and the detectors having electrodes with one doping type and the dual doping type are examined. The electric field profile in a dual-column 3D Si detector is more uniform than that in the single-type column 3D detector. The dual-column detectors are the best in radiation hardness because of their low depletion voltages and short drift distances.

Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.