Vaihtoehtoalkalit mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Tehokkain tapavalkaista mekaanisesti kuidutettua puumassaa on suorittaa se hapettavasti peroksidikemikaalilla vahvasti alkalisissa oloissa. Perinteisesti alkalisuus on aikaansaatu natriumhydroksidin ja -silikaatin avulla. Se kuitenkin liuottaa massasta merkittävästi ligniiniä, mikä huonontaa saantoa ja suurentaa valkaisun jätevesien orgaanisen hiilen määrää sekä kemiallista hapenkulutusta. Yhä kovenevien vaaleustavoitteiden ja tiukentuneen vedenkäytön seurauksena on syntynyt tarve etsiä parempia valkaisun alkaleja. Kirjallisuuden pohjalta valittiinkokeellisesti tutkittaviksi alkaleiksi magnesiumhydroksidi, magnesiumoksidi, kalsiumhydroksidi sekä kalsiumoksidi. Niiden toimivuutta hapettavan vetyperoksidivalkaisun alkaleina tutkittiin valkaisukokein natriumsilikaattilisäyksen kanssa sekä ilman. Näistä parhaiten toimivaksi osoittautui Mg(OH)2. Sen avulla suoritettiin jatkoksi laboratoriokoevalkaisuja korkeassa sakeudessa. Keski- ja korkeasakeusvalkaisukokeiden tulosten mukaan käytettäessä Mg(OH)2 -alkalia natriumydroksidin ja -silikaatin asemesta jää massan loppuvaaleus noin yhden ISO-prosentin verran heikommaksi. Tällöin valkaisusuodoksessa oli vain varsin vähäinen määrä massasta liuennutta orgaanista hiiliainesta, noin 45 % siitä, mitä natriumin yhdisteiden käyttö vertailukokeessa tuotti. Tulosta varmennettiin suorittamalla korkea-sakeusvalkaisukokeita hiokemassatehtaan olosuhteissa, massoilla ja kiertovesillä.Myös tehdaskokeiden mukaan valkaistun massan loppuvaaleus jää noin yhden ISO-prosentin alhaisemmaksi, mutta valkaisusuodoksen orgaanisen hiilen määrä (TOC) jääalle puoleen Na-kemikaalein suoritetusta vertailukokeesta.

Electromagnetic Design of a Solid Steel Rotor Motor for Demanding Operation Environments

The solid-rotor induction motor provides a mechanically and thermally reliable solution for demanding environments where other rotor solutions are prohibited or questionable. Solid rotors, which are manufactured of single pieces of ferromagnetic material, are commonly used in motors in which the rotationspeeds exceed substantially the conventional speeds of laminated rotors with squirrel-cage. During the operation of a solid-rotor electrical machine, the rotor core forms a conductor for both the magnetic flux and the electrical current. This causes an increase in the rotor resistance and rotor leakage inductance, which essentially decreases the power factor and the efficiency of the machine. The electromagnetic problems related to the solid-rotor induction motor are mostly associated with the low performance of the rotor. Therefore, the main emphasis in this thesis is put on the solid steel rotor designs. The rotor designs studied in thisthesis are based on the fact that the rotor construction should be extremely robust and reliable to withstand the high mechanical stresses caused by the rotational velocity of the rotor. In addition, the demanding operation environment sets requirements for the applied materials because of the high temperatures and oxidizing acids, which may be present in the cooling fluid. Therefore, the solid rotors analyzed in this thesis are made of a single piece of ferromagnetic material without any additional parts, such as copper end-rings or a squirrel-cage. A pure solid rotor construction is rigid and able to keep its balance over a large speed range. It also may tolerate other environmental stresses such as corroding substances or abrasive particles. In this thesis, the main target is to improve the performance of an induction motor equipped with a solid steel rotor by traditional methods: by axial slitting of the rotor, by selecting a proper rotor core material and by coating the rotor with a high-resistive stainless ferromagnetic material. In the solid steel rotor calculation, the rotor end-effects have a significant effect on the rotor characteristics. Thus, the emphasis is also put on the comparison of different rotor endfactors. In addition, a corrective slip-dependent end-factor is proposed. The rotor designs covered in this thesis are the smooth solid rotor, the axially slitted solid rotor and the slitted rotor having a uniform ferromagnetic coating cylinder. The thesis aims at design rules for multi-megawatt machines. Typically, mega-watt-size solidrotor machines find their applications mainly in the field of electric-motor-gas-compression systems, in steam-turbine applications, and in various types of largepower pump applications, where high operational speeds are required. In this thesis, a 120 kW, 10 000 rpm solid-rotor induction motor is usedas a small-scale model for such megawatt-range solid-rotor machines. The performance of the 120 kW solid-rotor induction motors is determined by experimental measurements and finite element calculations.

pH:n stabiilisuus ditioniittivalkaistulla neutraalilla LWC-prosessilla

Tässä työssä Oy Keskuslaboratoriossa sijaitsevalla kiertovesisimulaattorilla on tutkittiu ditioniittivalkaisun ja hylyn määrän vaikutusta pH:n stabiilisuuteen ja häiriöaineiden määrään neutraalissa LWC-prosessissa. Lisäksi on tutkittu ditioniitin määrän seisokkien ja valkaisuviiveiden vaikutusta. Kirjallisuusosassa tutustutaan ditioniittivalkaisuun ja valkaisun kemiaan sekä kalsiumkarbonaatin liukenemiseen. Lyhyesti selvitetään myös paperikoneen vesikiertoja sekä prosessissa olevia häiriöaineita. Karbonaatin liukenemisen osalta tarkastellaan myös mahdollisuutta mallintaa prosessia. Diplomityön aikana ajettiin yhdeksän simulaattoriajoa, jotka ajettiin kahden tai kolmen ajon sarjoissa. Ajoja ajettiin kolmella eri hylkymäärällä. Ditioniittivalkaisun lisäksi suoritettiin referenssiajoja ilman valkaisua. Lyhyen kierron pH pyrittiin pääosin säätämään seitsemään. Valkaisuviiveiden ja yli-yön kestävien seisokkien vaikutusta tutkittiin myös. Kokeissa todettiin ditioniitin alentavan pH tasoa. Tämä pH:n aleneminen johtaa kalsiumkarbonaatin liukenemiseen kalsiumkarbonaatin pyrkiessä puskuroimaan pH:n laskua. Valkaisureaktiossa syntyy negatiivisesti varauruneita yhdisteitä, jotka lisäävät prosessin anionisuutta. Ditioniitin valkaisuvaikutus näkyi lopputuotteen vaaleuden kasvuna sekä kieroveden värillisten yhdisteiden vähenemisenä. Ditioniittivalkaisu näytti poistavan myös noin 30% ligniinistä. Lipofiilisiin uuteaineisiin ditioniitilla ei ollut vaikutusta. Riittävä ditioniittiannos kokeiden perusteella on korkeintaan 1% ditioniittiä käytetyn mekaanisen massan määrästä. Korkeammalla annostuksella ei ollut vaikutusta vaaleuteen. Valkaisuaikana 30 minuuttia on riittävä. Pidempien valkaisuviiveiden ja seisokkien aikana valkaisussa syntyvän sulfiitin todettiin muuttuvan sulfaatiksi. Hylyn määrän lisääminen nosti pH:ta, varausta, johtokykyä ja liuenneen kalsiumin määrään. Hylyn määrän lisäminen paransi myös optisia ominaisuuksia, mikä johtui osin hylyn sisältämästä kalsiumkarbonaatista ja osin hylyn sisältämästä mekaanisesta massasta, joka oli valkaistua.

Otsonin käyttö paperin ja kartongin valmistuksen kiertovesien mikrobiologisen tilan hallintaan

Diplomityössä tutkittiin otsonin käytön soveltuvuutta ja etsittiin optimaalista soveltamistapaa kartonki- ja paperikoneen kiertoveden mikrobiologisen tilan hallintaan. Kirjallisuusosassa selvitettiin otsonin tuotannon nykytekniikkaa sekä otettiin selvää saatavilla olevista kapasiteetiltaan riittävistä otsonigeneraattoreista. Kirjallisuuden perusteella selvitettiin myös otsonin reaktioita paperi- ja kartonkikoneen kiertovesissä olevien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kanssa. Lisäksi käsiteltiin otsonin käytön eri sovelluksia vedenpuhdistuksessa sekä perehdyttiin aikaisemmin tehtyihin tutkimuksiin otsonin käytöstä mikrobitorjuntaan paperi- ja kartonkikoneiden kiertovesistä. Kokeellisessa osassa määritettiin sopiva otsoniannos valkaisematonta sellua käyttävän koneen kiekkosuotimen kirkkaalle ja samealle suodokselle. Vesien otsonointi suoritettiin otsonipilotlaitteistolla. Työssä tutkittiin otsonoinnin vaikutusta kiertoveden mikrobiologisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tarkasteltiin kiertoveden otsonoinnin vaikutuksia koepaperikoneella valkaisemattomasta sel-lusta ja hylkymassasta valmistettujen lopputuotteiden laatuun. Työssä arvioitiin myös otsonin käytön mahdollisuutta osittain korvaamaan jo käytössä olevia hapettavia biosidejä. Samealle suodokselle sopivaksi otsoniannokseksi osoittautui 120 mg O3/l (0,3 mg O3/mg CODCr) ja kirkkaalle suodokselle riittävä annos olisi 60 mg O3/l (0,2 mg/mg CODCr). Näillä annoksilla kiertoveden mikrobireduktiot olivat 98–100 %. Kiertoveden hapetuskyky kasvoi 9-14 % ja pH laski yhdellä yksiköllä otsonoinnin vaikutuksesta. Kiertoveden kemiallisiin ominaisuuksiin otsonoinnilla oli edullinen vaikutus, sillä veden sameus, kiintoaine- ja CODCr-pitoisuudet laskivat. Koepaperikoneella havaittiin perälaatikon ilmapitoisuuden vähentyneen jopa 49 % käytettäessä ot-sonoitua kiertovettä. Mikrobiologiset analyysit suoritettiin koepaperikoneen massalle, viiravedelle ja lopputuotteelle. Tutkimusten perusteella mikrobientorjunnan kannalta parhaimmaksi otsonin annos-telupaikaksi osoittautui samea suodos. Massan, viiraveden ja lopputuotteen mikrobimäärät alenivat selvästi. Kemialliset analyysit osoittivat, että kirkasta suodosta käytettäessä oli koepaperikoneen vii-raveden kemiallinen tila parantunut LK-aineen muuttuessa hydrofiilisemmäksi ja sen sitoutumisky-vyn parantuessa. Samealla suodoksella ei muutosta havaittu. Valkaisemattomasta sellusta ja päällystetystä hylystä koepaperikoneella valmistettujen lopputuotteiden lujuus- ja aistinvaraisissa ominaisuuksissa ei tapahtunut merkittävää muutosta. Tulosten perusteella otsonia voisi käyttää korvaamaan hinnaltaan kalliimpia hapettavia biosidejä. Otsonin etuna on, ettei sille resistenttejä mikrobikantoja ole. Kirjallisuuden perusteella otsonin heikkoutena on sen tehon paikallisuus eli otsonin lisänä on käytettävä jotain muuta sekundääristä biosidia ylläpitämään matala mikrobitaso otsonoinnin jälkeen.

Sinkkirikasteen liukenemisnopeuteen vaikuttavat tekijät ja sinkkirikasteen suoraliuotuksen mallintaminen

Työn kirjallisuusosassa selvitettiin eri tekijöiden (lämpötila, paine, mineralogia, partikkelikoko, sekoitus, kiintoainepitoisuus, liuoksen happo-, rauta- ja happipitoisuus) vaikutusta sinkkirikasteen suoraliuotusprosessin tärkeimpiin ilmiöihin (diffuusio, aineensiirto, reaktiokinetiikka). Kirjallisuusosassa kartoitettiin myös tämän hetkistä tietämystä niistä tekijöistä, jotka ovat oleellisia, kun sinkkirikasteen suoraliuotusprosessia mallinnetaan. Näitä tekijöitä ovat: sinkkirikasteiden liuotuksen kemia, sinkkirikasteiden liuotuksen kinetiikka ja mekanismit, kaasuneste aineensiirto ja kiinteäneste aineensiirto. Lisäksi selvitettiin millä tavoin aikaisemmissa tutkimuksissa sinkkirikasteiden suoraliuotusta on mallinnettu. Mallinnusosassa käsiteltiin atmosfääristä sinkkirikasteen suoraliuotusta, jossa hapettimena toimi ferri(III)rauta. Mallintamisessa käytettiin kirjallisuudessa esitettyjä mittaustuloksia ja mallintaminen tehtiin Modest tietokoneohjelmistolla. Työssä tehty atmosfäärisen suoraliuotuksen mallintaminen labo-ratoriomittakaavassa (laimeat liuokset ja pienet kiintoainepitoisuudet) antoi lupaavia tuloksia. Ongelmia mallin ennustuksen kanssa esiintyi pienissä happopitoisuuksissa, alhaisissa lämpötiloissa sekä pienillä ja suurilla partikkeleilla. Työn kirjallisuusosassa tunnistettiin ne ongelmakohdat, jotka vaativat lisätutkimuksia, jotta sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle pystytään kehittämään simulointimalli. Näitä ovat: 1. Hapen liukoisuus ja aineensiirto teollisuuden käyttämissä sinkkirikastelietteissä, 2. Sopivien mittaustulosten puuttuminen, jotta atmosfääristä suoraliuotusta, jossa O2 ja Fe3+ toimivat hapettimena voitaisiin mallintaa, 3. Kiinteäneste aineensiirron merkitys sinkkirikasteen suoraliuotuksessa. Mallinnusosassa osoitettiin, että mekanistisella mallintamisella voidaan simuloida sinkkirikasteen atmosfääristä suoraliuotusta ainakin laboratoriomittakaavassa. Työn perusteella voidaan todeta, että sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle voidaan työssä ehdotettujen jatkotutkimusten avulla kehittää numeerinen mekanistinen malli, jolla atmosfääristä sinkkirikasteiden suoraliuotusprosessia voidaan simuloida eri olosuhteissa.

BimTwin - Two component continuous process hygiene concept

The aim of this study was to examine suitability of BimTwin cleaning concept in card board machine to control microbiological activity and describe microbiological balance of the machine. In a review of literature is examined microbe and spore caused problems in paper industry. Biggest problems are deposits, which decrease runnability and cause quality errors. In this chapter is also introduced most common oxidizing biocides used in paper industry and described ATP assay as a microbiological monitoring method. In an experimental part are included BimTwin mill trial results, chemical condition monitoring methods and microbiological balance in a card board machine. In a second part are examined possibilities to effect hygiene of card board by chemical treatment of the surface size and coating. Result showed that BimTwin concept is suitable for card board machine as a cleaning concept, when chemical dosing is fitted right. For proper dosing and secure tolerable hygiene level, chemical and microbiological monitoring is significant. Determining of the microbiological balance would have need more sampling. According to acquired results, broke turned out to be the biggest microbe source. Sizing and coating experiments showed that it is possible to improve hygiene of card board by chemically treated surface size and coating color.

DPS-Like Peroxide Resistance Protein: Structural and Functional Studies on a Versatile Nanocontainer

Oxidative stress is a constant threat to almost all organisms. It damages a number of biomolecules and leads to the disruption of many crucial cellular functions. It is caused by reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O₂), superoxide (•O₂ -), and hydroxyl radical (•OH). The most harmful of these compounds is •OH, which is only formed in cells in the presence of redox-cycling transition metals, such as iron and copper. Bacteria have developed a number of mechanisms to cope with ROS. One of the most widespread means employed by bacteria is the DNA-binding proteins from starved cells (Dps). Dps proteins protect the cells by binding and oxidizing Fe2+, thus greatly reducing the production of •OH. The oxidized iron is stored inside the protein as an iron core. In addition, Dps proteins bind directly to DNA forming a protective coating that shields DNA from harmful agents. Moreover, Dps proteins have been found to elicit other protective functions in cells and to participate in bacterial virulence. Dps proteins are of special importance to Streptococci owing to the lack of catalase in this genus of bacteria.This study was focused on structural and functional characterization of streptococcal Dpslike peroxide resistance (Dpr) proteins. Initially, crystal structures of Streptococcus pyogenes Dpr were determined. The data confirmed the presence of a di-metal ferroxidase center (FOC) in Dpr proteins and revealed the presence of a novel N-terminal helix as well as a surface metal-binding site. The crystal structures of Streptococcus suis Dpr complexed with transition metals demonstrated the metal specificity of the FOC. Solution binding studies also indicated the presence of a di-metal FOC. These results suggested a possible role for Dpr in the detoxification of various metals. Iron was found to mineralize inside the protein as ferrihydrite based on X-ray absorption spectroscopy data. The iron core was found to exhibit clear superparamagnetic behaviour using magnetic and Mössbauer measurements. The results from this study are expected to further increase our understanding on the binding, oxidation, and mineralization of iron and other metals in Dpr proteins. In particular, the structural and magnetic properties of the iron core can form a basis for potential new applications in nanotechnology. From the streptococcal viewpoint, the results would help in understanding better the complicated picture of bacterial pathogenesis. Dpr proteins may also provide a novel target for drug design due to their tight involvement in bacterial virulence.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Terpenoid transformations over gold catalysts

Nowadays biomass transformation has a great potential for the synthesis of value-added compounds with a wide range of applications. Terpenoids, extracted from biomass, are inexpensive and renewable raw materials which often have a biological activity and are widely used as important organic platform molecules in the development of new medicines as well as in the synthesis of fine chemicals and intermediates. At the same time, special attention is devoted to the application of gold catalysts to fine chemical synthesis due to their outstanding activity and/or selectivity for transformations of complex organic compounds. Conversion of renewable terpenoids in the presence of gold nanoparticles is one of the new and promising directions in the transformation of biomass to valuable chemicals. In the doctoral thesis, different kinds of natural terpenoids, such as α-pinene, myrtenol and carvone were selected as starting materials. Gold catalysts were utilized for the promising routes of these compounds transformation. Investigation of selective α-pinene isomerization to camphene, which is an important step in an industrial process towards the synthesis of camphor as well as other valuable substrates for the pharmaceutical industry, was performed. A high activity of heterogeneous gold catalysts in the Wagner-Meerwein rearrangement was demonstrated for the first time. Gold on alumina carrier was found to reach the α-pinene isomerization conversion up to 99.9% and the selectivity of 60-80%, thus making this catalyst very promising from an industrial viewpoint. A detailed investigation of kinetic regularities including catalyst deactivation during the reaction was performed. The one-pot terpene alcohol amination, which is a promising approach to the synthesis of valuable complex amines having specific physiological properties, was investigated. The general regularities of the one-pot natural myrtenol amination in the presence of gold catalysts as well as a correlation between catalytic activity, catalyst redox treatment and the support nature were obtained. Catalytic activity and product distribution were shown to be strongly dependent on the support properties, namely acidity and basicity. The gold-zirconia (Au/ZrO2) catalyst pretreated under oxidizing atmosphere was observed to be rather active, resulting in the total conversion of myrtenol and the selectivity to the corresponding amine of about 53%. The reaction kinetics was modelled based on the mechanistic considerations with the catalyst deactivation step incorporated in the mechanism. Carvone hydrogenation over a gold catalyst was studied with the general idea of investigating both the activity of gold catalysts in competitive hydrogenation of different functional groups and developing an approach to the synthesis of valuable carvone derivatives. Gold was found to promote stereo- and chemoselective carvone hydrogenation to dihydrocarvone with a predominant formation of the trans-isomer, which generally is a novel synthetic method for an industrially valuable dihydrocarvone. The solvent effect on the catalytic activity as well as on the ratio between trans- and cis-dihydrocarvone was evaluated.

Kaatopaikkakaasujen käsittelyn kehittäminen Korvenmäen kaatopaikalla

Työssä tutkittiin Salossa sijaitsevan Korvenmäen kaatopaikan kaasunkeräysjärjestelmää. Tavoitteena oli selvittää kaatopaikkakaasun talteenoton merkittävimmät haasteet, löytää ratkaisuja ongelmiin ja hajuhaittojen vähentämiseen sekä arvioida keräysjärjestelmän parannusten ja kaatopaikalle tulevan pintarakenteen vaikutus talteenottoon ja hajuhaittoihin. Korvenmäen kaatopaikalla on käytössä vaakakeräysjärjestelmä, jonka merkittävimpiä ongelmia ovat olleet kaatopaikkakaasun matala talteenottoaste, happipitoisuuden nousu, järjestelmän hankala säädettävyys sekä kaatopaikalla ja ympäristössä havaitut hajuhaitat. Muodostuvan ja karkaavan kaatopaikkakaasun määrää arvioitiin Jouko Petäjän metaanilaskentamallin avulla. Tulosten perusteella kaasua muodostuu runsaasti, mutta suurin osa siitä pääsee karkaamaan ympäristöön, sillä arvioitu kaatopaikkakaasun talteenottoaste on tällä hetkellä vain 11 %. Kaasujen käsittelykäytäntöjä suomalaisilla kaatopaikoilla selvitettiin kyselytutkimuksella. Tutkimuksen mukaan kaasunkeräyksen ongelmat ja hajuhaitat ovat yleisiä, mutta erilaisilla toimenpiteillä niitä voidaan huomattavasti vähentää. Korvenmäelle suositeltavia kehitystoimia ovat kaasulinjoihin yhdistettyjen suotoveden keräys- ja tarkkailukaivojen tiivistäminen, vanhojen vaakalinjojen kunnon tarkistus ja korjaus sekä pystykaivojen asentaminen kaasunkeräyksen tehostamiseksi. Pintarakenne tulee valmistuttuaan vähentämään karkaavan kaasun ja kaasulinjoihin imeytyvän ilman määrää. Hajuhaittojen hallinnassa tärkeintä on toimiva kaasunkeräys, mutta lisäksi suositellaan rikkivetyä hapettavien päivittäispeittomateriaalien levittämistä kaatopaikan pinnalle. Kehitystoimenpiteiden myötä kaatopaikkakaasun talteenottoaste tulee paranemaan ja hajuhaitat vähenevät. Kerättävän kaasumäärän kasvaessa mikroturbiinilaitoksen kapasiteettia voidaan lisätä, jotta kaasu saadaan mahdollisimman tehokkaasti hyödynnettyä energiana.

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.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Alternative electron transfer routes involved in photoprotection of cyanobacteria

In oxygenic photosynthesis, the highly oxidizing reactions of water splitting produce reactive oxygen species (ROS) and other radicals that could damage the photosynthetic apparatus and affect cell viability. Under particular environmental conditions, more electrons are produced in water oxidation than can be harmlessly used by photochemical processes for the reduction of metabolic electron sinks. In these circumstances, the excess of electrons can be delivered, for instance, to O2, resulting in the production of ROS. To prevent detrimental reactions, a diversified assortment of photoprotection mechanisms has evolved in oxygenic photosynthetic organisms. In this thesis, I focus on the role of alternative electron transfer routes in photoprotection of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Firstly, I discovered a novel subunit of the NDH-1 complex, NdhS, which is necessary for cyclic electron transfer around Photosystem I, and provides tolerance to high light intensities. Cyclic electron transfer is important in modulating the ATP/NADPH ratio under stressful environmental conditions. The NdhS subunit is conserved in many oxygenic phototrophs, such as cyanobacteria and higher plants. NdhS has been shown to link linear electron transfer to cyclic electron transfer by forming a bridge for electrons accumulating in the Ferredoxin pool to reach the NDH-1 complexes. Secondly, I thoroughly investigated the role of the entire flv4-2 operon in the photoprotection of Photosystem II under air level CO2 conditions and varying light intensities. The operon encodes three proteins: two flavodiiron proteins Flv2 and Flv4 and a small Sll0218 protein. Flv2 and Flv4 are involved in a novel electron transport pathway diverting electrons from the QB pocket of Photosystem II to electron acceptors, which still remain unknown. In my work, it is shown that the flv4-2 operon-encoded proteins safeguard Photosystem II activity by sequestering electrons and maintaining the oxidized state of the PQ pool. Further, Flv2/Flv4 was shown to boost Photosystem II activity by accelerating forward electron flow, triggered by an increased redox potential of QB. The Sll0218 protein was shown to be differentially regulated as compared to Flv2 and Flv4. Sll0218 appeared to be essential for Photosystem II accumulation and was assigned a stabilizing role for Photosystem II assembly/repair. It was also shown to be responsible for optimized light-harvesting. Thus, Sll0218 and Flv2/Flv4 cooperate to protect and enhance Photosystem II activity. Sll0218 ensures an increased number of active Photosystem II centers that efficiently capture light energy from antennae, whilst the Flv2/Flv4 heterodimer provides a higher electron sink availability, in turn, promoting a safer and enhanced activity of Photosystem II. This intertwined function was shown to result in lowered singlet oxygen production. The flv4-2 operon-encoded photoprotective mechanism disperses excess excitation pressure in a complimentary manner with the Orange Carotenoid Protein-mediated non-photochemical quenching. Bioinformatics analyses provided evidence for the loss of the flv4-2 operon in the genomes of cyanobacteria that have developed a stress inducible D1 form. However, the occurrence of various mechanisms, which dissipate excitation pressure at the acceptor side of Photosystem II was revealed in evolutionarily distant clades of organisms, i.e. cyanobacteria, algae and plants.