Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Väkevän urealiuoksen puhdistaminen kalvotekniikalla

Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatus-, käänteisosmoosi- ja elektrodialyysitekniikoita liuosten puhdistuksessa. Nanosuodatuksella ja käänteisosmoosilla voidaan liuottimesta erottaa pienen moolimassan omaavia liuenneita aineita ohuen kalvon avulla. Nanosuodatuksessa ja käänteisosmoosissa ajavana voimana on paine, jonka tulee ylittää liuoksen osmoottinen paine. Elektrodialyysissä ajavana voimana toimii sähköpotentiaaliero. Tekniikka käyttää hyväkseen ionien tai molekyylien kykyä johtaa sähköä. Elektrodialyysillä voidaan liuoksesta erottaa toisistaan varauksettomat ja varaukselliset komponentit sähköä johtavan membraanin avulla. Kokeellisessa osassa väkevää ureavesiliuosta suodatettiin nanosuodatus- ja käänteisosmoosikalvoilla tutkien paineen, lämpötilan ja konsentroitumisen vaikutusta vuohonja retentioon. Tarkoituksena oli saada urea tuotteena permeaattiin ja epäpuhtaudet erottumaan retentaattiin. Permeaattien epäpuhtauksien pitoisuuksia verrattiin tuotteen spesifikaation raja-arvoihin. Suodatukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston tiloissa DSS Labstak M20 suotimella. Työssä käytettiin NF1-, NF2-, NF270-, NF-, NF90-, Desal-5 DK-, OPMN-P 70- ja TFC ULP-kalvoja. Nanosuodatuskalvot NF2- ja NF270 antoivat parhaan vuon ja erotuskyvyn suhteen puhdistettaessa urealiuosta. Paineen noustessa kalvojen retentiot paranivat. Lämpötilan noustessa vuo parani, joskin täytyy huomioida urean kiihtyvä hajoaminen lähestyttäessä 40 °C astetta. Kalvojen kestävyyttä ureasuodatuksissa ei voitu näiden kokeiden avulla varmentaa.

On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

Kineettinen tarkastelu keskisakeusalueella toimivalle happivaiheelle

Työn tavoitteena oli tarkastella keskisakeudessa toimivan happidelignifioinnin kinetiikkaa ja vertailla sitä olemassa olevien kineettisten tutkimuksien kanssa. Lisäksi tutkittiin kuinka happivaiheen suodos vaikuttaa delignifiointiasteeseen sekä selektiivisyyteen. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin happidelignifioinnin kineettisiin malleihin, jotka on kehitetty ennustamaan alkalin, paineen, lämpötilan ja ajan vaikutusta ligniinin poistumiselle sekä hiilihydraattiketjujen katkeilulle. Delignifioituminen on nopeaa ensimmäisen kymmenen minuutin aikana ja hidastuu jäännösdelignifiointivaiheessa. Laboratoriotutkimuksissa selvitettiin kuinka prosessimuuttujat vaikuttavat kappaluvun ja viskositeetin muutokseen. Tuloksia tarkasteltiin lineaarisella regressioanalyysillä, jonka avulla muuttujien vaikutukset saadaan selkeästi esille. Happivaiheen ensimmäisessä vaiheessa suurin vaikutus delignifiointiasteeseen sekä viskositeetin alenemiseen on alkaliannoksella. Pienillä hapen annostuksella saavutettiin hyvä selektiivisyys, suurillakin alkaliannoksilla. Lämpötilan vaikutus on lähes olematon, kun paine on pieni. Kun paine kasvaa, kasvaa myös lämpötilan vaikutus delignifiointiasteeseen. Hiilihydraattien depolymerisoituminen lisääntyy lämpötilan kasvaessa lähes lineaarisesti, riippumatta paineesta. Hyvä loppuselektiivisyys saavutetaan kun ensimmäisen vaiheen selektiivisyys on hyvä. Ensimmäisessä vaiheessa saavutettiin hyvä selektiivisyys, kun alkali ei pääse kulumaan loppuun eikä delignifioituminen jatku liian pitkälle. Toisessa vaiheessa selektiivisyys säilyy parhaiten, kun lisättävä alkaliannos on pieni. Lämpötila ja paine vaikuttavat alkaliannokseen verrattuna hyvin vähän loppuselektiivisyyteen.

Melamiinipinnoituslinjan puristusparametrien määrittäminen

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää melamiinipinnoituslinjalla käytettäville eri pinnoituskalvoille linjan käytön kannalta optimaaliset puristusparametrit. Tutkimuksessa vertailtiin erityisesti puristuslämpötilan ja -ajan vaikutusta pinnoitettujen levyjen pinnoitteiden kypsymiseen. Pinnoitteiden kypsyminen mitattiin pääasiassa kypsyystestien avulla. Tulosten pohjalta laadittiin 6 eri pinnoitusreseptiä, joihin pinnoitteet jaoteltiin. Yksi pinnoitusresepti pitää sisällään tiedot käytettävistä puristusparametreista, eli puristuspaineesta, -lämpötilasta ja -ajasta. Testien tuloksia analysoitaessa havaittiin eri pinnoitteiden käyttäytyvän eri tavoin. Osa pinnoitteista kesti korkeampia lämpötiloja, osa taas vaati pidemmän puristusajan sopivan kypsyysasteen saavuttamiseksi. Sopiviin puristusaikoihin havaittiin vaikuttavan erityisesti käytetyn hartsin reaktiivisuus ja kalvoissa käytetyn pigmenttiväriaineen tummuus.

Mittaukset kostean höyryn turbiineille

Diplomityön tavoitteena oli selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suoritus-kyvyn mittaamiseen käytettävissä olevia menetelmiä ja mittausjärjestelmiä. Tavoitteena oli selvittää mitkä tekijät aiheuttavat mittauksiin mittausvirheitä ja tutkia turbiineiden nykyisten mittalaitteiden epävarmuudet. Tässä diplomityössä selvitettiin millaisia standardinmukaisia testejä sekä muita varteenotettavia testejä turbiinin suorituskyvyn määrittämiseen on käytetty ja millaisia mittauksia ne vaativat. Lisäksi tutkittiin eri lähteistä millaisia mittalaitteita ja mittausjärjestelmiä voidaan käyttää turbiinin toiminnan mittauksiin. Soveltuvista mittausmenetelmistä esitettiin toimintaperiaatteet ja teoria. Kunnonvalvontaa varten esiteltiin värähtelyiden ja vääntö-momentin mittaamisen periaatteet. Epävarmuuksia arvioitiin mittalaitteiden teoreettisen epävarmuuden ja laitesijoittelun pohjalta. Työssä havaittiin, että suorituskyvyn arvioimiseksi on olemassa useita standardeja, mutta niiden mukaisiin mittauksiin tarvittaisiin nykyistä enemmän mittaustuloksia. Tarkkoja sekä luotettavia mittaustuloksia on haasteellista saada kaksifaasivirtauksesta. Mittalaitevalinnoilla ja mittalaitteiden määrää lisäämällä voidaan mittausten epävarmuutta pienentää. Loviisan ydinvoimalaitokselle ehdotettiin muutamia mittausjärjestelmiä turbiinin suoritus-kyvyn määrittämiseksi. Erityisesti turbiinin sisäiset olosuhteet tulisi määrittää nykyistä tarkemmin. Vääntömomentin mittaaminen olisi hyvä kunnonvalvonnan työkalu.

Ultrasuodatuskalvon modifiointi paineen, lämpötilan ja emäksen avulla

Työssä tutkittiin polymeerisen ultrasuodatuskalvon modifiointimahdollisuuksia prosessiolosuhteita muuttamalla. Kalvon modifioimisella pyritään sen suodatusominaisuuksien muuttumiseen, joka voi lisätä kalvon käyttökohteita ja parantaa kalvon soveltuvuutta tiettyjen yhdisteiden suodatukseen. Hydrofiilisiä, tiukkoja polymeerisiä ultrasuodatuskalvoja on kaupallisesti saatavilla vähän, joten työssä tutkittiin niiden valmistusta modifioimalla markkinoilla olevaa, löysempää, hydrofiilistä, polymeeristä ultrasuodatuskalvoa. Ultrasuodatuskalvo modifioitiin paineen, lämpötilan ja emäksen avulla. Modifioinnin aiheuttamat muutokset voidaan jakaa pysyviin, osittain palautuviin tai palautuviin muutoksiin. Kalvon rakenteen muuttuessa pysyvästi voidaan kalvo modifioida ennen suodatuksen aloittamista. Tällöin modifioinnissa käytetyt olosuhteet eivät vaikuta suodatukseen kuten muissa tapauksissa. Modifioinnin vaikutusta kalvoon voidaan analysoida eri menetelmillä. Näitä ovat esimerkiksi elektronimikroskopia ja kalvon vuon tai retention analysointi. Mikroskooppikuvia ei voida ottaa suodatuksen aikana, vaan kalvosta saada tietoa ainoastaan alku- ja lopputilanteissa suodatusolosuhteista poistettuna. Vuon ja retention avulla saadaan reaaliaikaista tietoa modifioidun kalvon suodatuskapasiteetin ja erotuskyvyn muutoksista. Työssä modifioinnin vaikutusta seurattiin vuo- ja retentiomittausten avulla ja kalvon rakenteessa tapahtuvia muutoksia tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvien ja mikrometrimittausten avulla. Korkeampaa painetta tai lämpötilaa käytettäessä havaittiin vuon alenevan modifioitaessa enemmän kuin matalammissa paineissa tai lämpötiloissa. Korkeampi puristuslämpötila kasvatti myös retentiota. Modifiointiolosuhteiden ollessa emäksisiä aleni permeabiliteetti neutraaleissa olosuhteissa tehtyä puristusta enemmän. Myös retentio aleni emäksen avulla tehdyssä modifioinnissa. Kalvon rakenteessa tapahtuneiden muutosten palautuminen riippui modifiointilämpötilasta, korkeassa lämpötilassa modifioidussa kalvossa palautumista ei tapahtunut. Modifioinnin aiheuttamat kalvojen paksuuden muutokset tukivat retentio- ja vuomittauksia. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista voitiin havaita kalvon huokosrakenteen puristuneen modifioinnin aikana.

Freezing and low temperature photoinhibition tolerance in cultivated potato and potato hybrids

Selostus: Perunan ja perunahybridien jäätymisen ja fotoinhibition kestävyys

Isentropic Exergy and Pressure of the Shock Wave Caused by the Explosion of a Pressure Vessel

An accidental burst of a pressure vessel is an uncontrollable and explosion-like batch process. In this study it is called an explosion. The destructive effectof a pressure vessel explosion is relative to the amount of energy released in it. However, in the field of pressure vessel safety, a mutual understanding concerning the definition of explosion energy has not yet been achieved. In this study the definition of isentropic exergy is presented. Isentropic exergy is the greatest possible destructive energy which can be obtained from a pressure vessel explosion when its state changes in an isentropic way from the initial to the final state. Finally, after the change process, the gas has similar pressure and flow velocity as the environment. Isentropic exergy differs from common exergy inthat the process is assumed to be isentropic and the final gas temperature usually differs from the ambient temperature. The explosion process is so fast that there is no time for the significant heat exchange needed for the common exergy.Therefore an explosion is better characterized by isentropic exergy. Isentropicexergy is a characteristic of a pressure vessel and it is simple to calculate. Isentropic exergy can be defined also for any thermodynamic system, such as the shock wave system developing around an exploding pressure vessel. At the beginning of the explosion process the shock wave system has the same isentropic exergyas the pressure vessel. When the system expands to the environment, its isentropic exergy decreases because of the increase of entropy in the shock wave. The shock wave system contains the pressure vessel gas and a growing amount of ambient gas. The destructive effect of the shock wave on the ambient structures decreases when its distance from the starting point increases. This arises firstly from the fact that the shock wave system is distributed to a larger space. Secondly, the increase of entropy in the shock waves reduces the amount of isentropic exergy. Equations concerning the change of isentropic exergy in shock waves are derived. By means of isentropic exergy and the known flow theories, equations illustrating the pressure of the shock wave as a function of distance are derived. Amethod is proposed as an application of the equations. The method is applicablefor all shapes of pressure vessels in general use, such as spheres, cylinders and tubes. The results of this method are compared to measurements made by various researchers and to accident reports on pressure vessel explosions. The test measurements are found to be analogous with the proposed method and the findings in the accident reports are not controversial to it.

Climate driven changes in temperature, pH and food quality : effects on copepod reproduction

Increased emissions of greenhouse gases into the atmosphere are causing an anthropogenic climate change. The resulting global warming challenges the ability of organisms to adapt to the new temperature conditions. However, warming is not the only major threat. In marine environments, dissolution of carbon dioxide from the atmosphere causes a decrease in surface water pH, the so called ocean acidification. The temperature and acidification effects can interact, and create even larger problems for the marine flora and fauna than either of the effects would cause alone. I have used Baltic calanoid copepods (crustacean zooplankton) as my research object and studied their growth and stress responses using climate predictions projected for the next century. I have studied both direct temperature and pH effects on copepods, and indirect effects via their food: the changing phytoplankton spring bloom composition and toxic cyanobacterium. The main aims of my thesis were: 1) to find out how warming and acidification combined with a toxic cyanobacterium affect copepod reproductive success (egg production, egg viability, egg hatching success, offspring development) and oxidative balance (antioxidant capacity, oxidative damage), and 2) to reveal the possible food quality effects of spring phytoplankton bloom composition dominated by diatoms or dinoflagellates on reproducing copepods (egg production, egg hatching, RNA:DNA ratio). The two copepod genera used, Acartia sp. and Eurytemora affinis are the dominating mesozooplankton taxa (0.2 – 2 mm) in my study area the Gulf of Finland. The 20°C temperature seems to be within the tolerance limits of Acartia spp., because copepods can adapt to the temperature phenotypically by adjusting their body size. Copepods are also able to tolerate a pH decrease of 0.4 from present values, but the combination of warm water and decreased pH causes problems for them. In my studies, the copepod oxidative balance was negatively influenced by the interaction of these two environmental factors, and egg and nauplii production were lower at 20°C and lower pH, than at 20°C and ambient pH. However, presence of toxic cyanobacterium Nodularia spumigena improved the copepod oxidative balance and helped to resist the environmental stress, in question. In addition, adaptive maternal effects seem to be an important adaptation mechanism in a changing environment, but it depends on the condition of the female copepod and her diet how much she can invest in her offspring. I did not find systematic food quality difference between diatoms and dinoflagellates. There are both good and bad diatom and dinoflagellate species. Instead, the dominating species in the phytoplankton bloom composition has a central role in determining the food quality, although copepods aim at obtaining as a balanced diet as possible by foraging on several species. If the dominating species is of poor quality it can cause stress when ingested, or lead to non-optimal foraging if rejected. My thesis demonstrates that climate change induced water temperature and pH changes can cause problems to Baltic Sea copepod communities. However, their resilience depends substantially on their diet, and therefore the response of phytoplankton to the environmental changes. As copepods are an important link in pelagic food webs, their future success can have far reaching consequences, for example on fish stocks.

From genes to communities : stress tolerance in eelgrass (Zostera marina)

Shallow coastal areas are dynamic habitats that are affected by a variety of abiotic and biotic factors. In addition to the natural environmental stress, estuarine and coastal seagrass ecosystems are exposed to effects of climate change and other anthropogenic impacts. In this thesis the effect of different abiotic (shading stress, salinity and temperature) and biotic stressors (presence of co-occurring species) and different levels and combinations of stressors on the performance and survival of eelgrass (Zostera marina) was assessed. To investigate the importance of scale for stress responses, varying levels of biological organization (genotype, life stage, population and plant community) were studied in field and aquarium experiments. Light limitation, decreased salinity and increased temperature affected eelgrass performance negatively in papers I, II and III, respectively. While co-occurring plant species had no notable effect on eelgrass in paper IV, the presence of eelgrass increased the biomass of Potamogeton perfoliatus. The findings in papers II and III confirmed that more extreme levels of salinity and temperature had stronger impacts on plant performance compared to intermediate levels, but intermediate levels also had more severe effects on plants when they were exposed to several stressors, as illustrated in paper II. Thus, multiple stressors had negative synergetic effects. The results in papers I, II and III indicate that future changes in light climate, salinity and temperature can have serious impacts on eelgrass performance and survival. Stress responses were found to vary among genotypes, life stages and populations in papers I, II and III, respectively, emphasizing the importance of study scale. The results demonstrate that while stress in general affects seagrass productivity negatively, the severity of effects can vary substantially depending on the studied scale or level of biological organization. Eelgrass genotypes can differ in their stress and recovery processes, as observed in paper I. In paper II, eelgrass seedlings were less prone to abiotic stress compared to adult plants, but stress also decreased their survival considerably. This indicates that recruitment and re-colonization through seeds might be threatened in the future. Variation among population responses observed in paper III indicates that long-term local adaptation under differing selection pressures has caused divergence in salinity tolerance between Baltic eelgrass populations. This variability in stress tolerance observed in papers I and III suggests that some eelgrass genotypes and populations have a better capacity to adapt to changes and survive in a changing environment. Multiple stressors and biological level-specific responses demonstrate the uncertainty in predicting eelgrass responses in a changing environment. As eelgrass populations may differ in their stress tolerance both within and across regions, conservation strategies at both local and regional scales are urgently needed in order to ensure the survival of these important ecosystems.

Bumblebees in a Changing Climate: Evaluating the Effects of Temperature on Queen Performance

Bumblebees are a very essential group of pollinating insects, but their populations have declined drastically during the past decades. We need to understand why their numbers are decreasing and what can be done to reverse this trend. Climate change-related phenomena, such as changes in the overwintering temperatures and spring conditions, are among the most prominent threats to bumblebees. Queens have a special role in the lifecycle of bumblebees because they overwinter and start new colonies the next year. Their successful performance: survival, overwintering ability, longevity, immune competence, and nest establishing capability in spring, is highly important for bumblebee populations. However, the effects of climate change on bumblebee queen performance remain unknown. The main objective of this thesis was to assess how temperature affects the performance of bumblebee queens during and after overwintering. The effects of warm temperature predicted by climate change scenarios on queen survival and stress-tolerance were studied by a four-month artificial diapause of bumblebee queens at two temperatures (9°C and 1.8°C). Bumblebee colonies were also reared in a laboratory and factors affecting colony characteristics were examined. In addition, queen performance during spring was studied in a starvation experiment using two temperatures (15°C as normal; 24°C as warmer than average) and queens collected from nature right after their emergence. My research revealed how temperature affects queen performance, and queen size was found to be an important factor determining the direction of some of these effects. We found a 0.4g weight threshold for bumblebee queens to be able to survive overwintering. In addition, during mild winters, larger queens have a higher chance than smaller ones to survive through winter and also to cope with immunological stresses after overwintering. During cold conditions, which are normal in the current climatic situation, this advantage disappears. In the spring starvation experiment, the starved queens survived approximately eight days longer in 15°C than in 24°C, which means that starvation risk rises significantly with increasing spring temperature, in a situation where food is scarce due to for example frost damage or asynchrony between bumblebees and their important food plants. These results could mean that in the future climate, larger queens are better able to survive the winter, initiate their nests and start rearing their offspring. This may be problematic, because I also detected two alternative strategies of colony development that differ between large and small queens; larger queens start to lay eggs earlier at nest initiation, their colonies mature later, they produce more workers, and they have a more strongly male biased sex allocation compared with smaller queens. If larger queens have a greater change of producing offspring after a mild winter, this could lead to a significant decline in the total production of new queens at a population level. Thus, it seems that queen size could act as one mechanism regulating the population level outcomes in different temperatures. The new information presented in my thesis reinforces that basic research, monitoring, and local species conservation of bumblebees both in Finland and globally must be increased to ensure that this highly important pollinator group survives in the face of climate change.