Synthesis, characterization and thermal behaviour on solid pyruvates of some bivalent metal ions

Solid state M-L compounds, were M stands for bivalent Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and L is pyruvate, have been synthesized. Thermogravimetry and derivative thermogravimetry (TG/DTG), differential scanning calorimetry (DSC), X-Ray powder diffractometry, infrared spectroscopy, elemental analysis, and complexometry were used to characterize and to study the thermal behaviour of these compounds. The results led to information about the composition, dehydration, ligand denticity, and thermal decomposition of the isolated compounds.

Biomassan termisen konversion ja palamisen mallinnus leijupetikattilassa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään eri biopolttoaineiden ominaisuuksia sekä biomassan termistä konversiota ja palamista. Erityisesti tutkimuksessa keskitytään edellä mainittuja prosesseja kuvaaviin malleihin. Tutkimuksessa käydään lyhyesti läpi myös biopolttoaineiden palamisesta syntyviin päästöihin sekä polton seurauksena aiheutuviin ongelmiin liittyviä ilmiöitä. Tavoitteena on tiivistää ja tuoda esille olennaisimpia biomassan palamiseen liittyviä prosesseja. Työssä keskitytään vain tiettyihin, kohdassa 2.3 esiteltyihin biopolttoaineisiin. Sen lisäksi tarkastelu kohdistetaan erityisesti leijupetikattiloihin, joiden on koetulosten perusteella osoitettu soveltuvan hyvin erilaisten biomassojen polttoon.

Comparison of the dehydration kinetics of solid state compounds of 2-methoxybenzylidenepyruvate with some divalent metal ions

Divalent metal complexes of ligand 2-methoxybenzylidenepyruvate with Fe, Co, Ni, Cu and Zn as well as sodium salt were synthesized and investigated in the solid state. TG curves of these compounds were obtained with masses sample of 1 and 5mg under nitrogen atmosphere. Different heating rates were used to characterize and study these compounds from the kinetic point of view. The activation energy and pre-exponential factor were obtained applying the Wall-Flynn-Ozawa method to the TG curves. The obtained data were evaluated and the values of activation energy (Ea / kJ mol-1) was plotted in function of the conversion degree (α). The results show that due to mass sample, different activation energies were obtained. The results are discussed mainly taking into account the linear dependence between the activation energy and the pre exponential factor, where was verified the effect of kinetic compensation (KCE) and possible linear relations between the dehydrations steps of these compounds.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Synthesis, characterization and thermal behaviour of solid 2-methoxycinnamylidenepyruvate of some bivalent metal ions in CO2 and N2 atmospheres

Solid State M-2-MeO-CP compounds, where M stands for bivalent metals (Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn) and 2-MeO-CP is 2-methoxycinnamylidenepyruvate, were synthesized. Simultaneous thermogravimetry and differential thermal analysis (TG-DTA), differential scanning calorimetry (DSC), elemental analysis and complexometry were used to establish the stoichiometry and to study the thermal behaviour of these compounds in CO2 and N2 atmospheres. The results were consistent with the general formula: M(L)2∙H2O. In both atmospheres (CO2, N2) the thermal decomposition occurs in consecutive steps which are characteristic of each compound. For CO2 atmosphere the final residues were: Mn3O4, Fe3O4, Co3O4, NiO, Cu2O and ZnO, while under N2 atmosphere the thermal decomposition is still observed at 1000 º C.

Investigation of Oxygen Cutting Process in Solid-State Welding

The oxygen cutting is a thermal cutting process, in which metal is heated locally up to its ignition temperature and burnt off by oxygen blast. Oxygen cutting can be used to remove upset metal of a hollow bar occurred due to solid-state welding process. The main goal of this research was to establish a connection between oxygen blasts and mass of metal removed and relate findings to production to suggest improvements to the current process. This master´s thesis describes the designing and building of a test rig for oxygen blowing measurements. It also contains all executed tests and test results, which were carried out. There are different cutting parameters which were studied as well as their effect on cutting process. The oxygen cutting process, used in solid-state welding process, can be improved by the test results.

Kuulakekoreaktorin sydämen jäähdytevirtauksen CFD-mallinnus

Kandidaatintyössä luotiin CFD-malli mallintamaan jäähdytevirtausta kuulakekoreaktorin sydämessä käyttämällä Ansys Fluent -ohjelmaa. Mallin avulla tarkasteltiin virtauksen käyttäymistä ja painehäviötä ja saatuja tuloksia verrattiin aiempiin tutkimuksiin. Kandidaatin työssä on myös kerrottu mallintamisen etenemisestä ja laskentateoriaa.

Ensihoito: ambulanssien kiinteiden sijoituspaikkojen optimointitehtävän mallinnus

Kun ihminen joutuu onnettomuuteen tai sairastuu vakavasti, toivoo hän saavansa luotettavan hoidon riittävän nopeasti. Ensihoito pyrkii tarjoamaan tämän palvelun. Työssä aloitetaan tutkimusta ensihoidon mallinnuksesta ja autetaan vastauksen saamisessa kysymykseen, kuinka monta prosenttia sairaanhoitopiirin kullakin alueella asuvista ihmisistä tavoitetaan määräajassa. Pohjustusta tämän määrittämiseen on tässä pro gradu -työssä tehty laatimalla optimointimalli ensihoidon ambulanssien kiinteille sijoituspaikoille. Mallin avulla kyetään arvioimaan ambulanssien saavutettavuudeltaan ja kustannuksiltaan optimaalisia kiinteitä sijoituspaikkoja. Tuloksena saadaan tietyllä tavoittamisviiveellä Pareto-tehokas ratkaisu palvelutason ja kustannusten suhteen. Tässä työssä selvitetään mallinnuksen matemaattista pohjaa eivätkä reaaliset parametrit ole vielä olennaisen tärkeässä osassa. Esimerkiksi tieverkosto ei ole mukana ja keliominaisuudet on mallinnettu yksinkertaisella kertoimella. Prototyyppimallia voidaan jatkossa muunnella muihin vastaavanlaisiin ongelmiin sekä tarkentaa ottamalla mukaan reaalisia karttapohjia ja keli- ym. olosuhteita. Valtakunnallisesti ollaan ehdottamassa siirtymistä pienemmistä ensihoidon sopimusalueista pinta-alaltaan ja väestömäärältään laajemman asiakaskannan kattaviin, esimerkiksi sairaanhoitopiirikohtaisiin, palvelualueisiin. Tämä uudistus tarjoaa mahdollisuuden suunnitella ambulanssien määrät ja sijoituspaikat uudelleen, jotta saavutetaan mahdollisimman hyvä tasapaino sekä kustannusten että palvelun peiton osalta. Työssä kehitetty ensihoidon optimointiin käytettävä matemaattinen malli toimii lähtökohtana reaaliselle optimaalisen kustannusten ja palvelun peiton tuottavalle ambulanssien sijoituspaikkojen ratkaisulle. Tässä Pareto-optimaalisessa tilanteessa kumpaakaan parametreista – kustannusta tai palveluprosenttia - ei voida parantaa huonontamatta toista.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto haasteellisilla polttoaineilla

Maailman energian kulutuksen lisääntymisen ja ilmastonmuutoksen myötä energiantuotannossa joudutaan jatkuvasti sopeutumaan muuttuviin tilanteisiin ja haasteisiin. Polttoteknillisiä haasteita aiheuttavat pelto- ja kierrätyspolttoaineet ovat lisäämässä osuuttaan uusiutuvien polttoaineiden joukossa. Jotta kyseisiä haasteellisia polttoaineita pystytään hyödyntämään, täytyy niiden aiheuttamat ongelmat tuntea ja laitevalmistajien kehittää niiden hyödyntämiseen sopivaa tekniikkaa. Tässä diplomityössä käydään läpi tulevaisuudessa käytettävät polttoaineet, nykyiset päästörajat, kiinteiden polttoaineiden poltto- ja kaasutustekniikat sekä likaantumis-, kuonaantumis- ja korroosiomekanismit voimalaitoskattiloissa. Työssä tutkitaan, onko haasteellisten polttoaineiden käyttöön investoiminen järkevää ja mikä nykypäivän tekniikoista on kannattavin. Myös välitulistuksen, lauhdeperän ja apujäähdyttimen kannattavuuksia vertaillaan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Tuloksiksi saatiin, että edullisten peltobiomassojen ja kierrätyspolttoaineiden käyttäminen, joko perinteisten polttoaineiden seassa tai pääpolttoaineena, on nykyhinnoilla perinteisiin polttoaineisiin verrattuna kannattavaa. Investoiminen kierrätyspolttoaineiden valmistuslaitteisiin maksimoi kierrätyspolttoaineista saatavaa hyötyä. Välitulistuksen todettiin soveltuvan huonosti vastapaineprosessiin, sillä siitä saatava sähköntuotannon lisäys on hyvin pieni. Lauhdeperän ja apujäähdyttimen vertailuissa huomattiin, että lauhdeperä on kannattava investointi, jos sähkön ja lämmön hintaero pysyy tarpeeksi suurena. Haasteellisilla polttoaineilla pystytään pienentämään kasvihuonepäästöjä ja korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

Suljetun jäähdytysvesiverkon mallinnus

Työssä selvitettiin Neste Oil Porvoon jalostamon tuotantolinja 2 jäähdytysvesiverkon tilaa. Jäähdytysvesiverkon hydraulinen malli päivitettiin ja verifioitiin painemittauksin. Mallia tarkennettiin säätöventtiilien mallinnuksen sekä virhelähteiden tarkastelun perusteella havaituin muutoksin. Mallin verifioinnissa havaittiin huomattavia eroja mallin ja mitattujen paineiden välillä. Tämä johti mallin tarkempaan tarkasteluun, sekä virhelähteiden ja niiden vaikutusten selvittämiseen. Putkivarusteiden mallinnusmenetelmiä, sekä mallinnusperiaatteita vertailtiin keskenään. Koska jäähdytysveden kokonaiskierto oli riittämätön, tarkasteltiin kolmea vaihtoehtoa riittävän kiertovesimäärän aikaansaamiseksi. Nykyisten kiertovesipumppujen rinnanoperointi, sekä riittävän suureksi skaalatun pumpun käyttö simuloitiin. Kolmantena tapauksena arvioitiin lämmönvaihdinkohtaisen kuristussuunnitelman vaikutus putkiston painehäviöön, sekä putkistolle sopiva kiertovesipumppu. Vaihtoehdoille laskettiin suuntaa-antavat investointi- ja käyttökustannukset. Tarkastelun perusteella riittävän suureksi skaalattu pumppu todettiin kannattavimmaksi pienen hintaeron, sekä luotettavamman jäähdytysvesikierron käyttövarmuuden vuoksi. Työssä onnistuttiin tuottamaan yleispätevää tietoa suljetun jäähdytysvesiverkon hydrauliseen mallinnukseen vaikuttavista tekijöistä, sekä niiden vaikutuksesta mallin tarkkuuteen. Selvityksen perusteella tarkasteltua mallia saatiin tarkemmaksi.

Industrial solid waste (whitewash mud) use in forest road pavements

The objective of the present study was to evaluate the effects of industrial solid waste (whitewash mud) on geotechnical properties considering the following engineering parameters: California Bearing Ratio (CBR), Atterberg limits and Permeability test. Seven soil samples derived from Alagoinhas, Bahia - Brazil, were classified by the Transportation Research Board (TRB) system. Two were selected as having a great geotecnical potential classified as A-3 (0) and A-2-4 (0), whitewash mud contents 10%, 15%, 20% and 25% dry weight and medium compaction effort were studied in the laboratory testing program. The results indicated the soil denominated good gravel as being the most promising one, when stabilized with whitewash mud, reaching the best results with the dosage of 20 and 25% of whitewash mud.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.