Monitoring Directed Energy Deposition Processes in Additive Manufacturing

The purpose of this study is to find out how laser based Directed Energy Deposition processes can benefit from different types of monitoring. DED is a type of additive manufacturing process, where parts are manufactured in layers by using metallic powder or metallic wire. DED processes can be used to manufacture parts that are not possible to manufacture with conventional manufacturing processes, when adding new geometries to existing parts or when wanting to minimize the scrap material that would result from machining the part. The aim of this study is to find out why laser based DED-processes are monitored, how they are monitored and what devices are used for monitoring. This study has been done in the form of a literature review. During the manufacturing process, the DED-process is highly sensitive to different disturbances such as fluctuations in laser absorption, powder feed rate, temperature, humidity or the reflectivity of the melt pool. These fluctuations can cause fluctuations in the size of the melt pool or its temperature. The variations in the size of the melt pool have an effect on the thickness of individual layers, which have a direct impact on the final surface quality and dimensional accuracy of the parts. By collecting data from these fluctuations and adjusting the laser power in real-time, the size of the melt pool and its temperature can be kept within a specified range that leads to significant improvements in the manufacturing quality. The main areas of monitoring can be divided into the monitoring of the powder feed rate, the temperature of the melt pool, the height of the melt pool and the geometry of the melt pool. Monitoring the powder feed rate is important when depositing different material compositions. Monitoring the temperature of the melt pool can give information about the microstructure and mechanical properties of the part. Monitoring the height and the geometry of the melt pool is an important factor in achieving the desired dimensional accuracy of the part. By combining multiple different monitoring devices, the amount of fluctuations that can be controlled will be increased. In addition, by combining additive manufacturing with machining, the benefits of both processes could be utilized.

MOCVD growth andproperties of GaN and AlGaN layers

In this work GaN and AlGaN layers were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on sapphire substrates. The research was carried out at Micro and Nanoscience Laboratory of Helsinki University of Technology. The objective of this thesis is the study of MOCVD technique for the growth of GaN and AlGaN films and optimization of growth parameters in purpose to improve crystal quality of the films. The widely used two-step and the new multistep methods have been used for GaN, AlGaN MOCVD growth on c-plane sapphire. Properties of the GaN and AlGaN layers were studied using in-situ reflectance monitoring during MOCVD growth, atomic force microscopy and x-ray diffraction. Compared to the two step method, the multistep method has produced even better qualities of the GaN and AlGaN layers and significant reduction of threading dislocation density.

Hiilinanoputkireaktorin suunnittelu

Hiilinanoputki on vasta 90-luvun alussa löydetty uusi hiilestä koostuva materiaali, jonka erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tarjoavat niiden käytölle useita mahdollisia sovelluskohteita. Teknologian puute ja valmistusmenetelmien korkeat kustannukset ovat kuitenkin estäneet tehokkaasti niiden käytön nykyisten materiaalien ja puolijohteiden korvaajana. Tämän työn tarkoituksena on esitellä yleisimmät menetelmät hiilinanoputkien syntetisoimiseksi sekä suunnitella laite yksiseinäisten hiilinanoputkien tuottamiseen kemiallisen höyrydeposition avulla. Lisäksi tavoitteena on luoda laitteelle modulaarinen rakenne, jolloin sen eri osien korvaaminen rajapintojen sallimissa rajoissa on helppoa. Reaktorin mekaanisen suunnittelun ja komponenttien valinnan lisäksi työssä käsitellään laitteen kaasu- ja lämpövirtauksia, prosessissa tärkeiden katalyyttipartikkelien tuotantoa sekä laitteessa tarvittavien jäähdytysjärjestelmien mitoituksia. Tuloksena syntyi helposti toteutettava suunnitelma yksiseinäisiä nanoputkia tuottavan reaktorin valmistamiseksi. Työ jatkuu laitteen rakentamisella, testaamisella sekä jatkokehittelyllä.

Reducing contact resistance in graphene devices

In this thesis, the contact resistance of graphene devices was investigated because high contact resistance is detrimental to the performance of graphene field-effect transistors (GFET). Method for increasing so-called edge-contact area was applied in device fabrication process, as few nanometers thick Ni layer was used as a catalytic etchant during the annealing process. Finally, Ni was also used as a metal for contact. GFETs were fabricated using electron beam lithography using graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD). Critical part of the fabrication process was to preserve the high quality of the graphene channel while etching the graphene at contact areas with Ni during the annealing. This was achieved by optimizing the combination of temperature and gas flows. The structural properties of graphene were studied using scanning electron microscopy, scanning confocal μ-Raman spectroscopy and optical microscopy. Evaluation of electric transport properties including contact resistance was carried out by transmission line method and four-probe method. The lowest contact resistance found was about at 350 Ωμm. In addition, different methods to transfer CVD graphene synthesized on copper were studied. Typical method using PMMA as a supporting layer leaves some residues after its removal, thus effecting on the performance of a graphene devices. In a metal assisted transfer method, metal is used as an interfacial layer between PMMA and graphene. This allows more effective removal of PMMA. However, Raman spectra of graphene transferred by metal assisted method showed somewhat lower quality than the PMMA assisted method

Surface Modification of Ceramics

Ceramics are widely used in industrial applications due to their advantageous thermal and mechanical stability. Corrosion of ceramics is a great problem resulting in significant costs. Coating is one method of reducing adversities of corrosion. There are several different thin film deposition processes available such as sol-gel, Physical and Chemical Vapour Deposition (PVD and CVD). One of the CVD processes, called Atomic Layer Deposition (ALD) stands out for its excellent controllability, accuracy and wide process capability. The most commonly mentioned disadvantage of this method is its slowness which is partly compensated by its capability of processing large areas at once. Several factors affect the ALD process. Such factors include temperature, the grade of precursors, pulse-purge times and flux of precursors as well as the substrate used. Wrongly chosen process factors may cause loss of self-limiting growth and thus, non-uniformities in the deposited film. Porous substrates require longer pulse times than flat surfaces. The goal of this thesis was to examine the effects of ALD films on surface properties of a porous ceramic material. The analyses applied were for permeability, bubble point pressure and isoelectric point. In addition, effects of the films on corrosion resistance of the substrate in aqueous environment were investigated. After being exposured to different corrosive media the ceramics and liquid samples collected were analysed both mechanically and chemically. Visual and contentual differences between the exposed and coated ceramics versus the untreated and uncoated ones were analysed by scanning electron microscope. Two ALD film materials, dialuminium trioxide and titanium dioxide were deposited on the ceramic substrate using different pulse times. The results of both film materials indicated that surface properties of the ceramic material can be modified to some extent by the ALD method. The effect of the titanium oxide film on the corrosion resistance of the ceramic samples was observed to be fairly small regardless of the pulse time.

Polymer surface modification by atomic layer deposition

Current industrial atomic layer deposition (ALD) processes are almost wholly confined to glass or silicon substrates. For many industrial applications, deposition on polymer substrates will be necessary. Current deposition processes are also typically carried out at temperatures which are too high for polymers. If deposition temperatures in ALD can be reduced to the level applicable for polymers, it will open new interesting areas and applications for polymeric materials. The properties of polymers can be improved for example by coatings with functional and protective properties. Although the ALD has shown its capability to operate at low temperatures suitable for polymer substrates, there are other issues related to process efficiency and characteristics of different polymers where new knowledge will assist in developing industrially conceivable ALD processes. Lower deposition temperature in ALD generally means longer process times to facilitate the self limiting film growth mode characteristic to ALD. To improve process efficiency more reactive precursors are introduced into the process. For example in ALD oxide processes these can be more reactive oxidizers, such as ozone and oxygen radicals, to substitute the more conventionally used water. Although replacing water in the low temperature ALD with ozone or plasma generated oxygen radicals will enable the process times to be shortened, they may have unwanted effects both on the film growth and structure, and in some cases can form detrimental process conditions for the polymer substrate. Plasma assistance is a very promising approach to improve the process efficiency. The actual design and placement of the plasma source will have an effect on film growth characteristics and film structure that may retard the process efficiency development. Due to the fact that the lifetime of the radicals is limited, it requires the placement of the plasma source near to the film growth region. Conversely this subjects the substrate to exposure byother plasma species and electromagnetic radiation which sets requirements for plasma conditions optimization. In this thesis ALD has been used to modify, activate and functionalize the polymer surfaces for further improvement of polymer performance subject to application. The issues in ALD on polymers, both in thermal and plasma-assisted ALD will be further discussed.

Emission, kinetic and magnetic phenomena in rare-earth and transition metal doped ZnSe single crystals

In this work emission, optical, electrical and magnetic properties of the d- and f- elements doped zinc selenide crystals were investigated within a wide temperature range. Doping was performed in various technological processes: during the growth by chemical vapor transport method; by thermal diffusion from the Bi or Zn melt. Concentration of the doping impurity in the crystals was controlled by amount of the dopant in the source material or by its concentration in the doping media. Special interest in the work was paid to the influence of the different concentrations of Cr and Yb impurities on ZnSe crystals’ properties, correlations between observed effects and similarities with the Ni, Mn and Gd dopants are analysed. Possibility of formation of the excitons bound to the doping d-ions was shown. In contrast to this, it was observed that f-elements do not bound excitons, but prevent formation of excitons bound to some uncontrolled impurities. A mechanism of Cr doping impurity interaction with background impurities and zinc selenide structural defects was proposed based on experimental data. An assumption about resonant energy transfer between double charged chromium ions and complexes based on crystals’ vacancy defects was made. A correlation between emission and magnetic properties of the d- ions doped samples was established. Based on this correlation a mechanism explaining the concentration quench of the emission was proposed. It was found that f-ions bind electrically active shallow and deep donor and acceptor states of background impurity to electrically neutral complexes. This may be observed as “purification” of ZnSe crystals by doping with the rare-earth elements, resulting i tendency of the properties of f-ion doped crystals to the properties of intrinsic crystals, but with smaller concentration of uncontrolled native and impurity defects. A possible interpretation of this effect was proposed. It was shown that selenium substituting impurities decrease efficiency of the Yb doping. Based on this experimental results an attempt to determine ytterbium ion surroundings in the crystal lattice was made. It was shown that co-doping of zinc selenide crystals with the d- and f- ions leads to the combination of the impurities influence on the material’s properties. On the basis of obtained data an interaction mechanism of the d- and f-elements co-dopants was proposed. Guided by the model of the ytterbium ion incorporation in the selenide sublattice of the ZnSe crystals, an assumption about stabilization of single charged chromium ions in the zinc sublattice crystal nodes, by means of formation of the local charge compensating clusters, was made.

Suljetun jätetäytön kaatopaikkavesien käsittelyvaihtoehtojen vertailu

Hajoaminen kaatopaikalla tapahtuu fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten prosessien avulla. Nämä prosessit voivat kestää vuosista jopa vuosikymmeniin. Näiden prosessien kehittymistä ajan saatossa kuvataan jätetäytön eri hajoamisvaiheiden avulla. Kaatopaikan eri toiminnoista syntyvät vesivirrat ovat laadultaan ja määrältään hyvin erilaisia. Suotovesi syntyy jätetäytön läpi suotautuvasta vedestä ja on yleisesti ottaen suurin kaatopaikkavesien kuormituksen aiheuttaja. Suotoveden sisältämien pitoisuuksien tiedetään laskevan kun jätteen loppusijoitus on lopetettu ja kun jätetäyttö on suljettu pintarakentein. Mitä pidemmälle jätetäytön hajoaminen on edennyt, sitä pienemmät suotoveden pitoisuudet ovat. Hyvä käytäntö on erottaa erityyppiset kaatopaikkavedet toisistaan ja käsitellä ne niiden vaatimalla tavalla. Diplomityön tarkoitus on löytää ympäristöystävällisin ja taloudellisin keino suljetun jätetäytön suotovesien sekä muiden vähintään yhtä laimeiden kaatopaikkavesien käsittelemiseksi. Vertailtavia käsittelymenetelmiä ovat kunnallisella jätevedenpuhdistamolla ja juurakkopuhdistamolla käsittely. Työn tulos on, että eri tyyppisillä juurakkopuhdistamoilla voidaan tehokkaasti käsitellä kaatopaikkavesiä. Empiirisen osan tarkastelu osoittaa, että hyvin pienien haitta-aine- ja ravinnepitoisuuksien käsittelyssä juurakkopuhdistamo on ympäristöystävällisempi sekä taloudellisempi kunnalliseen jätevedenpuhdistamoon verrattuna.

Atomic Force Microscopy Investigation of NI Particles Deposited on Porous Silicon

In this thesis properties and influence of modification techniques of porous silicon were studied by Atomic Force Microscope (AFM). This device permits to visualize the surface topography and to study properties of the samples on atomic scale, which was necessary for recent investigation. Samples of porous silicon were obtained by electrochemical etching. Nickel particles were deposited by two methods: electrochemical deposition and extracting from NiCl2 ethanol solution. Sample growth was conducted in Saint-Petersburg State Electrotechnical University, LETI. Kelvin probe force microscopy (KPFM) and Magnetic force microscopy (MFM) were utilized for detailed information about surface properties of the samples. Measurements showed the difference in morphology correlating with initial growth conditions. Submicron size particles were clearly visible on surfaces of the treated samples. Although their nature was not clarified due to limitations of AFM technique. It is expected that surfaces were covered by nanometer scale Ni particles, which can be verified by implication of RAMAN device.

Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

Sampling in chemical analysis

The uncertainty of any analytical determination depends on analysis and sampling. Uncertainty arising from sampling is usually not controlled and methods for its evaluation are still little known. Pierre Gy’s sampling theory is currently the most complete theory about samplingwhich also takes the design of the sampling equipment into account. Guides dealing with the practical issues of sampling also exist, published by international organizations such as EURACHEM, IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) and ISO (International Organization for Standardization). In this work Gy’s sampling theory was applied to several cases, including the analysis of chromite concentration estimated on SEM (Scanning Electron Microscope) images and estimation of the total uncertainty of a drug dissolution procedure. The results clearly show that Gy’s sampling theory can be utilized in both of the above-mentioned cases and that the uncertainties achieved are reliable. Variographic experiments introduced in Gy’s sampling theory are beneficially applied in analyzing the uncertainty of auto-correlated data sets such as industrial process data and environmental discharges. The periodic behaviour of these kinds of processes can be observed by variographic analysis as well as with fast Fourier transformation and auto-correlation functions. With variographic analysis, the uncertainties are estimated as a function of the sampling interval. This is advantageous when environmental data or process data are analyzed as it can be easily estimated how the sampling interval is affecting the overall uncertainty. If the sampling frequency is too high, unnecessary resources will be used. On the other hand, if a frequency is too low, the uncertainty of the determination may be unacceptably high. Variographic methods can also be utilized to estimate the uncertainty of spectral data produced by modern instruments. Since spectral data are multivariate, methods such as Principal Component Analysis (PCA) are needed when the data are analyzed. Optimization of a sampling plan increases the reliability of the analytical process which might at the end have beneficial effects on the economics of chemical analysis,