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.

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.

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.

Pulsed electric field assisted sol-gel preparation of TiO2 particles and their photocatalytic properties

The objective of this thesis was to study the effect of pulsed electric field on the preparation of TiO2 nanoparticles via sol-gel method. The literature part deals with properties of different TiO2 crystal forms, principles of photocatalysis, sol-gel method and pulsed electric field processing. It was expected that the pulsed electric field would have an influence on crystallite size, specific surface area, polymorphism and photocatalytic activity of produced particles. TiO2 samples were prepared by using different frequencies and treatment times of pulsed electric field. The properties of produced TiO2 particles were examined X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and BET surface area analysis. The photocatalytic activities of produced TiO2 particles were determined by using them as photocatalysts for the degradation of formic acid under UVA-light. The photocatalytic activities of samples produced with sol-gel method were also compared with the commercial TiO2 powder Aeroxide® (Evonic Degussa GmbH). Pulsed electric field did not have an effect on the morphology of particles. Results from XRD and Raman analysis showed that all produced TiO2 samples were pure anatase. However, pulsed electric field did have an effect on crystallite size, specific surface area and photocatalytic activity of TiO2 particles. Generally, the crystallite sizes were smaller, specific surface areas larger and initial formic acid degradation rates higher for samples that were produced by applying the pulsed electric field. The higher photocatalytic activities were attributed to larger surface areas and smaller crystallite sizes. Though, with all of the TiO2 samples produced by the sol-gel method the initial formic acid degradation rates were significantly slower than with the commercial TiO2 powder.

The Role of Structural Imperfections in Sr2FeMoO6 Thin Films

In this work, Sr2FeMoO6 (SFMO) thin films were studied with the main focus on their magnetic and magneto-transport properties. The fabrication process of pulsed laser deposited SFMO films was first optimized. Then the effects of strain, film thickness and substrate were thoroughly investigated. In addition to these external factors, the effect of intrinsic defects on the magnetic properties of SFMO were also clarified. Secondly, the magnetoresistivity mechanims of SFMO films were studied and a semiempirical model of the temperature dependence of resistivity was introduced. The films were grown on single crystal substrates using a ceramic target made with sol-gel method. The structural characterization of the films were carried out with X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy and high kinetic energy photoelectron spectroscopy. The magnetic properties were measured with SQUID magnetometer and the magneto-transport properties by magnetometer with a resistivity option. SFMO films with the best combination of structural and magnetic properties were grown in Ar atmosphere at 1050 °C . Their magnetic properties could not be improved by the ex situ post-annealing treatments aside from the treatments in ultra-high vacuum conditions. The optimal film thickness was found to be around 150 nm and only small improvement in the magnetic properties with decreasing strain was observed. Instead, the magnetic properties were observed to be highly dependent on the choice of the substrate due to the lattice mismatch induced defects, which are best avoided by using the SrTiO3 substrate. The large difference in the Curie temperature and the saturation magnetization between the SFMO thin film and polycrystalline bulk samples was connected to the antisite disorder and oxygen vacancies. Thus, the Curie temperature of SFMO thin films could be improved by increasing the amount of oxygen vacancies for example with ultra-high vacuum treatments or improving the B-site ordering by further optimization of the deposition parameters. The magneto-transport properties of SFMO thin films do not follow any conventional models, but the temperature dependence of resistivity was succesfully described with a model of two spin channel system. Also, evidences that the resistivity-temperature behaviour of SFMO thin films is dominated by the structural defects, which reduce the band gap in the majority spin band were found. Moreover, the magnetic field response of the resistivity in SFMO thin films were found to be superposition of different mechanisms that seems to be related to the structural changes in the film.

Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

Epäpuhtauksien vaikutus monokaliumfosfaattikiteen kasvuun

Työssä on tutkittu epäpuhtauksien vaikutusta kastelulannoitesuolojen monokaliumfosfaatin, kaliumnitraatin ja ureafosfaatin kiteytyksessä. Kirjallisuusosassa on käsitelty kastelulannoiteprosessit ja epäpuhtauksien vaikutus kastelulannoitteiden valmistuksessa. Kiteytys ja kiteenkasvu on esitetty perusyhtälöin, joissa on otettu epäpuhtauksien vaikutus huomioon. Tarkemmin on perehdytty monokaliumfosfaatin kiteytykseen ja kolmenarvoisten kationeiden, Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutukseen kiteiden kasvuun. Kolmenarvoiset metalli-ionit adsorboituvat kiteen pintaan haitaten kiteenkasvua, mikä vaikuttaa erityisesti kiteen prismapinnan kasvuun. Lisäksi on esitelty muita kiteenkasvuun vaikuttavia olosuhteita. Lopuksi on käsitelty kompleksinmuodostajia metalli-ionien haitallisten vaikutusten ehkäisijöinä. Kokeellisessa osassa suoritettiin liukoisuuskokeita monokaliumfosfaatin liukoisuuden selvittämiseksi eri pH-olosuhteissa. Suoritetuissa yksikidekokeissa tutkittiin pH:n ja kolmenarvoisten kationeiden; Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutus monokaliumfosfaattikiteen pituus- ja leveyskasvuun ja kidemuotoon eri ylikylläisyyksillä. Lisäksi tutkittiin voidaanko lämpötilaa ja pH muuttamalla tai pyrofosfaattia lisäämällä poistaa raudan kasvua inhiboima vaikutus. Kiteytyslämpötilaa nostamalla voidaan poistaa raudan haitallinen vaikutus kiteen kasvuun.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.

Drug loading of mesoporous silicon particles

Porous silicon (PSi) is a promising material to be utilized in drug delivery formulations. The release rate of the drug compound can be controlled by changing the pore properties and surface chemistry of PSi. The loading of a poorly soluble drug into mesoporous silicon particles enhances its dissolution in the body. The drug loading is based on adsorption. The attainable maximum loaded amount depends on the properties of the drug compound and the PSi material, and on the process conditions. The loading solvent also essentially affects the adsorption process. The loading of indomethacin into PSi particles with varying surface modification was studied. Solvent mixtures were applied in the loading, and the loaded samples were analyzed with thermal analysis methods. The best degree of loading was obtained using a mixture of dichloromethane and methanol. The drug loads varied from 7.7 w-% to 26.8 w-%. A disturbing factor in the loading experiments was the tendency of indomethacin to form solvates with the solvents applied. In addition, the physical form and stability of indomethacin loaded in PSi and silica particles were studied using Raman spectroscopy. In the case of silica, the presence of crystalline drug as well as the polymorph form can be detected, but the method proved to be not applicable for PSi particles.

NMR in Crystals and Powders of Topazes with Different Colours

The present work is a part of the large project with purpose to investigate microstructure and electronic structure of natural topazes using NMR method. To reach this task we determined the relative contents of fluorine and hydrogen in crystals blue, colorless, wine and wine irradiated topazes. Then we determined the electric field gradients in site of aluminium atoms by NMR method, calculated EFG using ab initio method, and measured relaxation time dependence on heating temperature for blue, colorless, Swiss blue and sky blue topazes. Nuclear magnetic resonance (NMR) is an effective method to investigate the local structure in the crystal. The NMR study of the single crystal gives detailed information especially about the local crystal structure. As a result of this work we have received practical data, which is possible to use in future for making personal dosimetry and for preparation of mullite, which is widely used in traditional and advanced ceramic materials.

Galvanomagnetic properties of CdSb

Main aim of this work was preparation of a computer program for investigation of galvanomagnetic effects in solid state materials. These effects were investigated in magnetic field up to 6 T at temperatures 4.6 and 80.5 K. Two CdSb samples with Ni shallow impurities (concentration of impurity was 5% by mass) and one undoped CdSb single crystal were studied. Obtained results were compared with previous experimental results for these samples, and showed their identity.

Reaaliaikaisen esikäsittelyn kehittäminen hemiselluloosa-analytiikalle

Tämän työn tavoitteena oli kehittää esikäsittelymenetelmä, jolla voidaan reaaliaikaisesti vähentää hydrolysaatin ligniinipitoisuutta ja näin vähentää fluoresenssia hemiselluloosan analysoimisessa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien rakennetta sekä niiden erottamista puusta, sekä käydään läpi hemiselluloosien käyttömahdollisuuksia ja niiden reaaliaikaiseen analysointiin soveltuvia tekniikoita. Kokeellisessa osassa tutkittiin ultrasuodatusta sekä adsorptiohartsikäsittelyä hydrolysaatin esikäsittelynä ennen Raman-analyysiä. Esikäsittelyn tavoitteena oli vähentää Raman-analyysia häiritsevää ligniinistä johtuvaa fluoresenssia. Suodatukset tehtiin Amicon-suodatuslaitteistolla käyttäen viittä eri suodatuskalvoa. Hartsikäsittelyissä käytettiin Amberliten XAD16 ja XAD7HP adsorbtiohartseja. Hartsisuhteina käytettiin 1/80, 1/40, 1/19 ja 1/13. Käytetyt ultrauodatuskalvot osoittautuivat suodatusnäytteistä tehtyjen HPLC-analyysien perusteella cut-off-luvultaan liian pieniksi, sillä hemiselluloosien ja ligniinin erotus ei onnistunut, vaan molemmat väkevöityivät konsentraattiin. Hartsikäsittelyillä saatiin ligniiniä poistettua aiheuttamatta hemiselluloosahäviöitä. Parhaimmillaan ligniinin poistumista kuvaava UV-absorbanssi pieneni hartsilla XAD16 37 % ja hartsilla XAD7 25 %. Vaikka ligniinipitoisuus aleni, näytteet fluoresoivat edelleen voimakkaasti Raman-mittauksessa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että hartsikäsittelyä optimoimalla analyysiä häiritsevää fluoresenssia olisi edelleen mahdollista vähentää.

Morfologian hallinta nikkelin sulfidisaostuksessa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia nikkelin sulfidisaostuksessa syntyvien kiteiden morfologiaa ja siihen vaikuttavia parametreja. Syntyvien kiteiden kasvua ja morfologiaa tutkittiin kiteen muodostumisen ja kasvun teorioiden avulla. Saostuksen olosuhteet, kuten lämpötila, paine ja pH vaikuttavat muodostuvien kiteiden morfologiaan. Muilla parametreilla, kuten liuoksen ylikylläisyydellä, epäpuhtauksilla, lisäaineilla, sekoituksella ja reaktioajalla on myös suuri merkitys. Kokeiden avulla haluttiin liuoskoostumuksen, saostusolosuhteiden ja muiden komponenttien vaikutusta nikkelisulfidikiteiden morfologiaan. Kokeissa käytettiin kahta eri sulfidilähdettä: natriumvetysulfidia ja rikkivetyä. Puolipanoskokeissa nikkelipitoisuus oli 1,5 g/l, paine 101,3 kPa ja sekoitusnopeus 650 rpm. Saostuskokeet tehtiin natriumsulfaatti- 5 g/l ja ammoniumsulfaattiliuoksissa 300 g/l. Saostuskokeissa muuttujia olivat saostimen konsentraatio ja määrä, rauta- ja magne-siumepäpuhtaudet, lämpötila ja lisäaineet. Diplomityön kokeellisessa osassa morfologiaa tutkittiin suoraan valomikroskoopin ja pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) avulla. Morfologiaa tutkittiin myös epäsuorasti laskeutumisnopeuden, keskimääräisen partikkelikoon, ja ominaispinta-alamittausten avulla. Saostimen pitoisuuden vaikutukset partikkelimuotoon olivat pieniä, mutta vaikutukset ominaispinta-alaan ja partikkelikokoon olivat suuria. Natriumlauryylisul-faatti ja EDTA ohjasivat partikkelien rakennetta levymäisemmäksi, joka johti hitaaseen laskeutumisnopeuteen. Polyakryylihappo lisäaineena muuttaa partikkelien morfologiaa kuutiomaisemmaksi. Flokkulanttien ja raudan morfologiset vaikutukset olivat pieniä. Partikkelikoko ja omaispinta-ala pienenivät selvästi magnesiumpitoisuuden kasvaessa. Lämpötilan kasvattaminen lisäsi epäsäännöllisten kiteiden määrää ja muodostuneet kiteet olivat enemmän neulamaisia.