Wet oxidation of recalcitrant lignin waters: Experimental and kinetic studies

The dissertation is based on four articles dealing with recalcitrant lignin water purification. Lignin, a complicated substance and recalcitrant to most treatment technologies, inhibits seriously pulp and paper industry waste management. Therefore, lignin is studied, using WO as a process method for its degradation. A special attention is paid to the improvement in biodegradability and the reduction of lignin content, since they have special importance for any following biological treatment. In most cases wet oxidation is not used as a complete ' mineralization method but as a pre treatment in order to eliminate toxic components and to reduce the high level of organics produced. The combination of wet oxidation with a biological treatment can be a good option due to its effectiveness and its relatively low technology cost. The literature part gives an overview of Advanced Oxidation Processes (AOPs). A hot oxidation process, wet oxidation (WO), is investigated in detail and is the AOP process used in the research. The background and main principles of wet oxidation, its industrial applications, the combination of wet oxidation with other water treatment technologies, principal reactions in WO, and key aspects of modelling and reaction kinetics are presented. There is also given a wood composition and lignin characterization (chemical composition, structure and origin), lignin containing waters, lignin degradation and reuse possibilities, and purification practices for lignin containing waters. The aim of the research was to investigate the effect of the operating conditions of WO, such as temperature, partial pressure of oxygen, pH and initial concentration of wastewater, on the efficiency, and to enhance the process and estimate optimal conditions for WO of recalcitrant lignin waters. Two different waters are studied (a lignin water model solution and debarking water from paper industry) to give as appropriate conditions as possible. Due to the great importance of re using and minimizing the residues of industries, further research is carried out using residual ash of an Estonian power plant as a catalyst in wet oxidation of lignin-containing water. Developing a kinetic model that includes in the prediction such parameters as TOC gives the opportunity to estimate the amount of emerging inorganic substances (degradation rate of waste) and not only the decrease of COD and BOD. The degradation target compound, lignin is included into the model through its COD value (CODligning). Such a kinetic model can be valuable in developing WO treatment processes for lignin containing waters, or other wastewaters containing one or more target compounds. In the first article, wet oxidation of "pure" lignin water was investigated as a model case with the aim of degrading lignin and enhancing water biodegradability. The experiments were performed at various temperatures (110 -190°C), partial oxygen pressures (0.5 -1.5 MPa) and pH (5, 9 and 12). The experiments showed that increasing the temperature notably improved the processes efficiency. 75% lignin reduction was detected at the lowest temperature tested and lignin removal improved to 100% at 190°C. The effect of temperature on the COD removal rate was lower, but clearly detectable. 53% of organics were oxidized at 190°C. The effect of pH occurred mostly on lignin removal. Increasing the pH enhanced the lignin removal efficiency from 60% to nearly 100%. A good biodegradability ratio (over 0.5) was generally achieved. The aim of the second article was to develop a mathematical model for "pure" lignin wet oxidation using lumped characteristics of water (COD, BOD, TOC) and lignin concentration. The model agreed well with the experimental data (R2 = 0.93 at pH 5 and 12) and concentration changes during wet oxidation followed adequately the experimental results. The model also showed correctly the trend of biodegradability (BOD/COD) changes. In the third article, the purpose of the research was to estimate optimal conditions for wet oxidation (WO) of debarking water from the paper industry. The WO experiments were' performed at various temperatures, partial oxygen pressures and pH. The experiments showed that lignin degradation and organics removal are affected remarkably by temperature and pH. 78-97% lignin reduction was detected at different WO conditions. Initial pH 12 caused faster removal of tannins/lignin content; but initial pH 5 was more effective for removal of total organics, represented by COD and TOC. Most of the decrease in organic substances concentrations occurred in the first 60 minutes. The aim of the fourth article was to compare the behaviour of two reaction kinetic models, based on experiments of wet oxidation of industrial debarking water under different conditions. The simpler model took into account only the changes in COD, BOD and TOC; the advanced model was similar to the model used in the second article. Comparing the results of the models, the second model was found to be more suitable for describing the kinetics of wet oxidation of debarking water. The significance of the reactions involved was compared on the basis of the model: for instance, lignin degraded first to other chemically oxidizable compounds rather than directly to biodegradable products. Catalytic wet oxidation of lignin containing waters is briefly presented at the end of the dissertation. Two completely different catalysts were used: a commercial Pt catalyst and waste power plant ash. CWO showed good performance using 1 g/L of residual ash gave lignin removal of 86% and COD removal of 39% at 150°C (a lower temperature and pressure than with WO). It was noted that the ash catalyst caused a remarkable removal rate for lignin degradation already during the pre heating for `zero' time, 58% of lignin was degraded. In general, wet oxidation is not recommended for use as a complete mineralization method, but as a pre treatment phase to eliminate toxic or difficultly biodegradable components and to reduce the high level of organics. Biological treatment is an appropriate post treatment method since easily biodegradable organic matter remains after the WO process. The combination of wet oxidation with subsequent biological treatment can be an effective option for the treatment of lignin containing waters.

Design and implementation of a multipurpose reactor for scale-up studies

In the theoretical part, the different polymerisation catalysts are introduced and the phenomena related to mixing in the stirred tank reactor are presented. Also the advantages and challenges related to scale-up are discussed. The aim of the applied part was to design and implement an intermediate-sized reactor useful for scale-up studies. The reactor setting was tested making one batch of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The catalyst preparation with a designed equipment setting succeeded and the catalyst was analysed. The analyses of the catalyst were done, because the properties of the catalyst were compared to the normal properties of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The total titanium content of the catalyst was slightly higher than in normal Ziegler–Natta polypropylene catalyst, but the magnesium and aluminium content of the catalyst were in the normal level. By adjusting the siphonation tube and adding one washing step the titanium content of the catalyst could be decreased. The particle size of the catalyst was small, but the activity was in a normal range. The size of the catalyst particles could be increased by decreasing the stirring speed. During the test run, it was noticed that some improvements for the designed equipment setting could be done. For example more valves for the chemical feed line need to be added to ensure inert conditions during the catalyst preparation. Also nitrogen for the reactor needs to separate from other nitrogen line. With this change the pressure in the reactor can be kept as desired during the catalyst preparation. The proposals for improvements are presented in the applied part. After these improvements are done, the equipment setting is ready for start-up. The computational fluid dynamics model for the designed reactor was provided by cooperation with Lappeenranta University of Technology. The experiments showed that for adequate mixing with one impeller, stirring speed of 600 rpm is needed. The computational fluid dynamics model with two impellers showed that there was no difference in the mixing efficiency if the upper impeller were pumping downwards or upwards.

Evaluation of gas diffusion electrodes as detectors in amperometric hydrogen sensors

This work is directed to the study and evaluation of gas diffusion electrodes as detectors in hydrogen sensors. Electrochemical experiments were carried out with rotating disk electrodes with a thin porous coating of the catalyst as a previous step to select useful parameters for the sensor. An experimental arrangement made in the laboratory that simulates the sensor was found appropriate to detect volumetric hydrogen percentages above 0.25% in mixtures H2:N2. The system shows a linear response for volumetric percentages of hydrogen between 0.25 and 2 %.

Preparation of nano-MgO using ultrasonic method and its characteristics

MgO is an important inorganic material, which can be used in many aspects, such as catalyst, toxic-waste remediation agent, adsorbent, and others. In order to make use of MgO, nano-MgO was prepared by ultrasonic method using Mg (CH3COO)2.2H2O as precursor, NaOH aqueous solution as precipitant in this paper. Effect factors on MgO nano-particle size were investigated. Characteristics of samples were measured by TGA, XRD, TEM, and others techniques. The results showed that the size of nano-MgO about 4 nm could be obtained under the following conditions (ultrasonic time 20 min, ultrasonic power 250 W, titration rate of NaOH 0.25 mL/min, NaOH concentration 0.48 mol/L, calcinations temperature 410 °C, calcination time 1.5 h, heating rate of calcination 5 °C/min). It was a very simple and effective method to prepare nano-MgO.

Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Synthesis and characterization of Fe(III)-doped ceramic membranes of titanium dioxide and its application in photoelectrocatalysis of a textile dye

Pure and Fe(III)-doped TiO2 suspensions were prepared by the sol gel method with the use of titanium isopropoxide (Ti(OPri)4) as precursor material. The properties of doped materials were compared to TiO2 properties based on the characterization by thermal analysis (TG-DTA and DSC), X-ray powder diffractometry and spectroscopy measurements (FTIR). Both undoped and doped TiO2 suspensions were used to coat metallic substrate as a mean to make thin-film electrodes. Thermal treatment of the precursors at 400ºC for 2 h in air resulted in the formation of nanocrystalline anatase TiO2. The thin-film electrodes were tested with respect to their photocatalytic performance for degradation of a textile dye in aqueous solution. The plain TiO2 remains as the best catalyst at the conditions used in this report.

Synthesis of percarboxylic acids in microreactor

Percarboxylic acids are commonly used as disinfection and bleaching agents in textile, paper, and fine chemical industries. All of these applications are based on the oxidative potential of these compounds. In spite of high interest in these chemicals, they are unstable and explosive chemicals, which increase the risk of synthesis processes and transportation. Therefore, the safety criteria in the production process should be considered. Microreactors represent a technology that efficiently utilizes safety advantages resulting from small scale. Therefore, microreactor technology was used in the synthesis of peracetic acid and performic acid. These percarboxylic acids were produced at different temperatures, residence times and catalyst i.e. sulfuric acid concentrations. Both synthesis reactions seemed to be rather fast because with performic acid equilibrium was reached in 4 min at 313 K and with peracetic acid in 10 min at 343 K. In addition, the experimental results were used to study the kinetics of the formation of performic acid and peracetic acid. The advantages of the microreactors in this study were the efficient temperature control even in very exothermic reaction and good mixing due to the short diffusion distances. Therefore, reaction rates were determined with high accuracy. Three different models were considered in order to estimate the kinetic parameters such as reaction rate constants and activation energies. From these three models, the laminar flow model with radial velocity distribution gave most precise parameters. However, sulfuric acid creates many drawbacks in this synthesis process. Therefore, a ´´greener´´ way to use heterogeneous catalyst in the synthesis of performic acid in microreactor was studied. The cation exchange resin, Dowex 50 Wx8, presented very high activity and a long life time in this reaction. In the presence of this catalyst, the equilibrium was reached in 120 second at 313 K which indicates a rather fast reaction. In addition, the safety advantages of microreactors were investigated in this study. Four different conventional methods were used. Production of peracetic acid was used as a test case, and the safety of one conventional batch process was compared with an on-site continuous microprocess. It was found that the conventional methods for the analysis of process safety might not be reliable and adequate for radically novel technology, such as microreactors. This is understandable because the conventional methods are partly based on experience, which is very limited in connection with totally novel technology. Therefore, one checklist-based method was developed to study the safety of intensified and novel processes at the early stage of process development. The checklist was formulated using the concept of layers of protection for a chemical process. The traditional and three intensified processes of hydrogen peroxide synthesis were selected as test cases. With these real cases, it was shown that several positive and negative effects on safety can be detected in process intensification. The general claim that safety is always improved by process intensification was questioned.

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.

Suomen Ilmavoimien johtamisjärjestelmän evoluutio ilmasotateorian, kansallisten instituutioiden ja johtamisjärjestelmän ulkomaisen kehityksen näkökulmasta

Ilmavoimien johtamisjärjestelmä on osa Ilmavoimien järjestelmäkokonaisuutta, jonka kaksi muuta osaa ovat taistelujärjestelmä ja tukeutumisjärjestelmä. Ilmavoimien materiaalista suorituskykyä rakennetaan tämän järjestelmäajattelun pohjalta. tässä tutkimuksessa Ilmavoimien johtamisjärjestelmää tutkitaan kolmen kokonaisuuden, ilmavalvontajärjestelmän, ilmatilannekuvan muodostamisjärjestelmän ja tulenkäytön johtamisjärjestelmän, näkökulmasta. Ilmavoimien johtamisjärjestelmän laajuuden vuoksi tutkimusaluetta on jouduttu rajaamaan. Tutkimus perustuu evoluutioparadigmaan, jonka mukaisesti kaikki olevainen on evolutionaarista. Mikään tässä ajassa oleva ilmiö ei ole historiaton. Jokaisella ilmiöllä on nykyisyytensä lisäksi historia ja tulevaisuus. Evoluutioparadigman avulla laajennetaan Ilmavoimien johtamisjärjestelmän nykyisyyden ymmärtämistä kuvaamalla ja analysoimalla sen evoluutiota. Tutkimusaineistoa analysoidaan käyttäen hyväksi polkuriippuvuutta evolutionaarisena mallina. tätä mallia on käytetty uusinstitutionaalisessa ja evolutionaarisessa taloustieteessä ja taloushistoriassa tutkittaessa yritysten, toimialojen tai tuotteiden pysyvyyttä markkinoilla sekä erilaisten innovaatioiden vaikuttavuutta menestymiseen eri markkinatilanteissa. Tutkimusasetelman lähtökohtana on Ilmavoimien johtamisjärjestelmäevoluution kuvaaminen kolmen tekijän tasapainoasetelman suhteen, joita ovat instituutiot, ilmasotateoria ja kansainvälinen ilmavoimien johtamisjärjestelmän kehitys. tutkimuksen tavoitteena on löytää institutionaalinen logiikka Ilmavoimien johtamisjärjestelmän evoluutiolle sekä sen eri kehitysprosesseihin liittyvä mahdollinen polkuriippuvuuden logiikka. Tutkittavina instituutioina ovat kansallinen poliittinen päätöksenteko, joka ilmentyy erilaisina komiteamietintöjä, raportteina ja selontekoina. Sotilaallista instituutiota edustavat eri operatiiviset ohjeet, ohjesäännöt ja doktriinit, jotka ovat ohjanneet johtamisjärjestelmäkehitystä. Ilmasotateorian vaikuttavuuden analyysiä varten tutkimuskohteiksi on valittu seitsemän merkittävää ilmasotateoreetikkoa. Kenraalimajuri Giulio douhet, ilmamarsalkka Hugh Trenchard ja kenraalimajuri William Mitchell edustavat ilmasotateorian varhaista kautta. Kansallista ilmasotateorian kehitystä edustavat eversti Richard Lorentz ja kenraalimajuri Gustaf Erik Magnusson. Yhdysvaltalaiset everstit John Boyd ja John Warden III ovat uuden ajan ilmasotateoreetikkoja. Näiden henkilöiden tuottamien teorioiden avulla voidaan piirtää kuva muutoksesta, jota ilmasodankäynnin teoreetti- sessa ajattelussa on tapahtunut. Ilmavoimien johtamisjärjestelmän evoluutiolle haetaan vertailua kehityksestä, jota on tapahtunut Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa ja Saksassa. Ilmavoimat on saanut vaikutteita muistakin maista, mutta näiden maiden kehityksen avulla voidaan selittää Suomessa tapahtunutta kehitystä. Tutkimuksessa osoitetaan, että kansainvälisellä johtamisjärjestelmäevoluutiolla on ollut merkittävä vaikutus suomalaiseen kehitykseen. Tämä tutkimus laajentaa prosessuaalista tutkimusteoriaa ja polkuriippuvuusmallin käyttöä sotatieteelliseen tutkimuskenttään. tutkimus yhdistää toisiinsa aivan uudella tavalla sotilasorganisaation institutionaalisia tekijöitä pitkässä evoluutioketjussa. Tutkimus luo pohjaa prosessuaaliseen, havaintoihin perustuvaan evoluutioajatteluun, jossa eri tekijöiden selitysmalleja ja kausaalisuutta eri periodien aikana voidaan kuvata. Tutkimuksen tuloksena ilmavoimien johtamisjärjestelmäevoluutiossa paljastui merkittäviä piirteitä. Teknologia on ollut voimakas katalysaattori ilmapuolustuksen evoluutiossa. Uusien teknologisten innovaatioiden ilmestyminen taistelukentälle on muuttanut oleellisesti taistelun kuvaa. Sodankäynnin revoluutiosta huolimatta sodankäynnin tai operaatiotaidon ja taktiikan perusperiaatteissa ei ole tapahtunut perustavanlaatuista muutosta. Ilmavoimien johtamisjärjestelmän kehitys on voimakkaasti linkittynyt ulkomaiseen johtamisjärjestelmäkehitykseen, jossa teknologiaimplementaatiot perustuvat usean eri ilmiön paljastumiseen ja hyväksikäyttöön. Sotilas- ja siviili-instituutiot ovat merkittävästi vaikuttaneet Ilmavoimien johtamisjärjestelmän kansalliseen kehitykseen. Ne ovat antaneet poliittisen ohjauksen, taloudellisten resurssien ja strategis-operatiivisten käskyjen ja suunnitelmien avulla perusteet, joiden pohjalta johtamisjärjestelmää on kehitetty. Tutkimus osoittaa, että Suomen taloudellisten resurssien rajallisuus on ollut merkittävin institutionaalinen rajoite Ilmavoimien johtamisjärjestelmää kehitettäessä. Useat poliittiset ohjausasiakirjat ovat korostaneet, ettei Suomella pienenä kansakuntana ole taloudellisia resursseja seurata kansainvälistä sotilasteknologiakehitystä. Lisäksi ulko- ja turvallisuuspoliittinen liikkumavapaus on vaikuttanut kehittämismahdollisuuksiin. Ilmasotateorian evoluutio on luonut johtamisjärjestelmän kehitykselle välttämättömän konseptuaalisen viitekehyksen, jotta ilmasota on voitu viedä käytännön tasolle. Teoria, doktriini ja instituutiot toimivat vuorovaikutuksessa, jossa ne interaktiivisesti vaikuttavat toinen toisiinsa. Tutkimus paljasti kuusi merkittävää sokkia, jotka saivat aikaan radikaaleja muutoksia johtamisjärjestelmän evoluutiopolulla. tutkimuksen perusteella vaikuttavimmat muutoksia aiheuttavat sokit olivat radikaalit turvallisuuspoliittiset muutokset kuten sota ja voimakkaat kansantalouden muutokset kuten lama. Sokkeja aiheuttaneet kuusi ajankohtaa olivat: 1. Puolustusvoimien rakentamisen aloittaminen vapaussodan jälkeen 1918 2. Maailmanlaajuinen lama 1929–1933 ja eurooppalainen rauhanaate 1928–1933 3. Talvi- ja jatkosota 1939–1944 4. Uusi alku Pariisin rauhansopimuksen 1947 ja YYA-sopimuksen 1948 varjossa 5. Kylmän sodan päättyminen ja Suomen lama 1990–1993 6. Maailmanlaajuinen lama 2008- Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että Suomen ilmavoimien johtamisjärjestelmän kehittäminen on perustunut rationaalisiin päätöksiin, jotka ovat saaneet vaikutteita ulkomaisesta ilmasotateorian ja -doktriinien kehityksestä sekä kansainvälisestä johtamisjärjestelmäkehityksestä. Johtamisjärjestelmän evoluutioon on vaikuttanut globaali konvergenssi, johon on tehty kansallisen tason ratkaisuja järjestelmien adaptaation ja implementaation yhteydessä.

Catalysis by gold for biomass transformations

The development of new technologies to supplement fossil resources has led to a growing interest in the utilization of alternative routes. Biomass is a rich renewable feedstock for producing fine chemicals, polymers, and a variety of commodities replacing petroleumderived chemicals. Transformation of biomass into diverse valuable chemicals is the key concept of a biorefinery. Catalytic conversion of biomass, which reduces the use of toxic chemicals is one of the important approaches to improve the profitability of biorefineries. Utilization of gold catalysts allows conducting reactions under environmentally-friendly conditions, with a high catalytic activity and selectivity. Gold-catalyzed valorization of several biomass-derived compounds as an alternative approach to the existing technologies was studied in this work. Isomerization of linoleic acid via double bond migration towards biologically active conjugated linoleic acid isomers (CLA) was investigated. The activity and selectivity of various gold catalysts towards cis-9,trans-11-CLA and trans-10,cis-12-CLA were investigated in a semi-batch reactor, showing that the yield of the desired products varied, depending on the catalyst support. The structure sensitivity in the selective oxidation of arabinose was demonstrated using a series of gold catalysts with different Au cluster sizes in a shaker reactor operating in a semibatch mode. The gas-phase selective oxidation of ethanol was studied and the influence of the catalyst support on the catalytic performance was investigated. The selective oxidation of the lignan hydroxymatairesinol (HMR), extracted from the Norway spruce (Picea abies) knots, to the lignan oxomatairesinol (oxoMAT) was extensively investigated. The influence of the reaction conditions and catalyst properties on the yield of oxoMAT was evaluated. In particular, the structure sensitivity of the reaction was demonstrated. The catalyst deactivation and regeneration procedures were studied. The reaction kinetics and mechanism were advanced.

Development of racemization catalysts for dynamic kinetic resolution

Preparation of optically active compounds is of high importance in modern medicinal chemistry. Despite recent advances in the field of asymmetric synthesis, resolution of racemates still remains the most utilized way for preparation of single enantiomers in industrial scale due to its cost-efficiency and simplicity. Enzymatic kinetic resolution (KR) of racemates is a classical method for separation of enantiomers. One of its drawbacks is the limitation of target enantiomer yield to 50%. Dynamic Kinetic Resolution (DKR) allows to reach yields up to 100% by in situ racemization of the less reactive enantiomer. In the first part of this thesis, a number of half-sandwich ruthenium complexes were prepared and evaluated as catalysts for racemization of optically active secondary alcohols. A leading catalyst, Bn5CpRu(CO)2Cl, was identified. The catalyst discovered was extensively characterized by its application for DKR of a broad range of secondary alcohols in a wide range of reaction loadings (1 mmol – 1 mol). Cost-efficient chromatography-free procedure for preparation of this catalyst was developed. Further, detailed kinetic and mechanistic studies of the racemization reactions were performed. Comparison of racemization rates in the presence of Bn5CpRu(CO)2Cl and Ph5CpRu(CO)2Cl catalysts reveals that the performance of the catalytic system can be adjusted by matching of the electronic properties of the catalysts and the substrates. Moreover, dependence of the rate-limiting step from the electronic properties of the reagents was observed. Important conclusions about reaction mechanism were made. Finally, an alternative approach to DKR of amines based on space separated vessels was addressed. This procedure allows the combination of thermolabile enzyme with racemization catalysts active only at high temperatures.

Keskusteluja vuokratyöstä. Vuokratyön diskursiivinen rakentuminen Suomessa

1990-luvun alussa lainsäädäntö ja työmarkkinajärjestöt määrittelivät Suomessa, että vuokratyötä tuli käyttää vain tilapäiseen työvoimatarpeeseen, esimerkiksi sijaisuuksiin ja ruuhkahuippuihin. Joillakin aloilla vuokratyö oli työnantajien ja työntekijöiden yhteissopimuksella kielletty. Vaikka vuokratyösuhteet saivat jo 1980-luvulla niin Suomessa kuin kansainvälisestikin maineen työsuhdekeinotteluna, alkoi vuokratyön määrä Suomessa kasvaa 1990-luvun puolivälissä ja erityisesti tultaessa 2000-luvulle. Suomalaiset akateemiset tutkijat eivät ole juuri vuokratyöstä kiinnostuneet. Aiemmat, harvalukuiset tutkimukset ovat keskittyneet lähinnä työyhteisöjen ja työntekijöiden kokemuksiin sekä vuokratyön työehtoihin. Vuokratyö ymmärretäänkin edelleen lähinnä työntekijän subjektiivisena kokemuksena. Vuokratyössä on kuitenkin kysymys paitsi kokemuksista, myös yhteiskunnallisesta valtakamppailusta, jossa diskursiivisin keinoin pyritään vaikuttamaan ilmiöön nimeltä vuokratyö, laajemmin ilmiöön nimeltä työmarkkinat, sekä toisaalta kansalaisten käsityksiin työelämän ”normaalista”. Käsillä oleva tutkimus laajentaa ymmärrystä vuokratyöstä tarkastelemalla ilmiötä lainsäädännön, uutisoinnin ja markkinoinnin rakentamien julkisten käsitysten ja merkityksenantojen kautta. Teoreettisena viitekehyksenä käytän hallinnan ja työprosessin säätelyn teoriaperinteitä. Se, miten työmarkkinoiden muutosta ja uusia työsuhdemuotoja politiikassa, mediassa, lainsäädännössä, tai työpaikan kahvipöytäkeskusteluissa perustellaan ja tehdään ymmärrettäväksi, on samalla työelämään kiinnitettävien arvojen, merkitysten ja toimijuuksien luomista, rajaamista ja kuvailua. Työelämäpuheessa ei siis ole kyse vain talouden lainalaisuuksista, kansantalouden toimivuudesta, tai yritysten kilpailukyvystä, vaan myös ja erityisesti niiden toimijoiden luomisesta, määrittelemisestä ja legitimoimisesta, jotka työelämän kentällä saavat toimia ja tulevat palkituiksi. Säätelyn ja hallinnan näkökulmasta on relevanttia tarkastella millaisilla käsitteillä ja merkityksillä vuokratyötä ilmiönä rakennetaan . Tutkimuskysymyksinä esitän: 1) Miten ja millä perusteilla vuokratyöstä rakennettiin Suomessa legitiimi tapa työllistää ja työllistyä? 2) Millaisia työntekijäideaaleja vuokratyöhön liittyvissä keskusteluissa rakennetaan? Tutkimusaineistona tarkastelen lainsäädäntöön liittyviä dokumentteja, Helsingin Sanomien uutisointia, vuokratyöyritysten markkinointimateriaaleja, sekä vuokratyöyritysten edustajien haastatteluita. Analyysimenetelmänä käytän kriittistä diskurssianalyysia. Tämä menetelmä mahdollistaa puheen ja dokumenttien tarkastelun sosiaalisena toimintana, jolla eri toimijat pyrkivät osallistumaan yhteiskunnassa hyväksyttyjen ja tunnustettujen käsitysten ja toimintavaihtoehtojen rakentamis-, tulkinta- ja määrittelyprosesseihin. Tutkimukseni päätuloksena esitän, että vuokratyöstä muodostui legitiimi tapa työllistää Suomessa 1990-luvulla, koska vuokratyö käsitteellistettiin sekä lainsäädännön että median diskursseissa ennen kaikkea ratkaisuksi työttömyyteen. Toisaalta vuokratyö käsitteellistettiin vain marginaalisten työntekijäryhmien (naiset ja opiskelijat) rooliksi, jolloin se ei liittynyt miesvaltaisten työpaikkojen arkeen. Ratkaisuna työttömyyteen vuokratyö myös samalla luonnollistettiin osaksi yleisempää työmarkkinakehitystä, jolle ”kukaan ei voi mitään”. 2000-luvulla vuokratyö jatkoi voittokulkuaan ja rakentui pysyväksi ilmiöksi, koska työlainsäädännön uudistus institutionalisoi vuokratyön työehtosopimusmenettelyyn, jolloin sen ”salonkikelpoisuus” ja normaalius vahvistettiin. Vaikka työehtosopimusasia oli ratkaisuna merkittävä, nousi vuokratyön osalta itse työehtosopimus tärkeämmäksi kuin sen sisältö. Työehtosopimuksilla ei kuitenkaan pystytty vaikuttamaan esimerkiksi vuokratyöntekijän olemattomaan työsuhdeturvaan. Lisäksi työnantajapuhe käsitteellistää vuokratyön 2000-luvulla ennen kaikkea työmarkkinavaihtoehdoksi, vapautta ja monipuolisia työkokemuksia tarjoavaksi työmarkkinoiden katalysaattoriksi. Vuokratyö on tässä merkitysavaruudessa työntekijöille ”vain” yksi tapa työllistyä ja löytää oma tiensä työmarkkinoille, ei suinkaan työnantajien sanelema pakko. Työntekijöihin kohdistuva hallintapuhe niin mediassa kuin työnantajien haastatteluissakin pyrkii puolestaan rakentamaan ideaalityöntekijäkuvaksi yrittäjämäisen oman elämänsä toimitusjohtajan. Työnantajien diskursseissa kaikuvatkin työntekijään kohdistuva vaatimus itse itsensä ohjaamisesta sekä työntekijäidentiteetin muotoilemisesta joustavuutta, sopeutuvuutta, vaihtelua ja jatkuvaa muutosta vähintäänkin sietäväksi, mutta mieluiten näitä ominaisuuksia jopa aktiivisesti hakevaksi ja arvostavaksi. Työmarkkinoiden toimijana on nimenomaisesti yksilö, jonka mahdollisuudet menestyä ovat vain ja ainoastaan hänen omissa käsissään. Työntekijän roolin korostaminen aktiivisena toimijana ja vuokratyöstä ”oikeita”, norminmukaisia sisältöjä löytävänä pärjääjänä on diskursiivisesti hallittua yritystä ohjata työntekijöitä näkemään sekä itsensä tietynlaisina toimijoina että työmarkkinat tietyllä tavalla toimivina. Vuokratyössä ei ole kyse vain työntekijöiden yksilöllisistä tai yksittäisistä kokemuksista. Vuokratyö on yhteiskunnallisen merkityskamppailun tulos, jossa käyttövoimana ovat toimineet hallinnalliset ja säätelyyn pyrkivät käsitteellistykset työllisyydestä, yksilön valinnasta ja koko yhteiskunnan edusta. Hallinnan ja säätelyn näkökulmasta katsottuna vuokratyö on myös merkinnyt säätelyn liukumista tasa-arvoa, yhdenmukaista kohtelua ja työntekijän suojelua korostavasta viranomaisten ja poliittisten toimijoiden suorittamasta työmarkkinoiden kollektiivisesta säätelystä työnantajien ylläpitämään työntekijän persoonan ja käyttäytymisen hegemoniseen, yksilölliseen säätelyyn.

Capital Structure and Firm Growth: R&D Intensive Companies

The purpose of this study is to examine and explain firm`s growth impact on capital structure decision-making in research and development intensive companies. Many studies claim that R&D has a pivotal impact on capital structure decisions, but corporate finance theories have often failed to explain these observed patterns. As sales growth is an important concept and objective for R&D firms, it is logical to assume that it plays a vital role in capital structure decisions. This study applies nomothetic research approach. The theoretical part employs a formal conceptual analysis in order to develop the propositions that are tested with empirical data. The empirical part consists of the analysis of three companies; the data is obtained from the annual reports over the period 2003 – 2008. The companies operate in IT- or ICT-industry and are publicly listed. The method for analyzing the case data is based on the financial indicators, which are obtained from the financials of the case companies. These economic indicators describe the capital structure and the financial decision-making of the firms. The method relates to the quantitative studies. Yet, this study extends the analysis beyond the indicators. Specifically, this study addresses the question of what is behind the economic indicators, therefore combining aspects of quantitative and qualitative analysis. The firms examined in this study seem to prefer internal finance during growth. However, external finance seems to be a catalyst for sales growth. Firms strongly prefer equity financing. In growth, the use of equity per capital either increases or stays in a constant level. Over the period 2003 – 2008, the firms were often associated to equity related transactions and short-term debt. Short-term debt was used as a substitute of long-term debt and equity. The case firms also adjusted their capital structure – these adjustments were carried out with short-term debt or equity. The case data also provides implications for the growth signal theory that was developed in this study. Based on the econometric indicators, arguments can be made that equity investors are `attracted` to growing R&D firms. This is because growth helps investors perceive the true type of firm. The findings of this study are best explained by the trade-off theory and the pecking order theory. These corporate finance theories are considered as mainstream. Little support can be found to the implications of the signaling theory and market timing theory.

Jalometallikustannusten hallintatyökalu

Tämän työn tavoitteena on luoda malli tai työkalu Ecocat Oy:n jalometallihävikin kustan-nusten hallitsemiseen tuote- tai tuoteperhetasolla. Lisäksi osatavoitteena on nostaa esiin huomioita ja käytäntöjä hävikin hallinnan tueksi. Työn teoriaosuudessa käydään läpi prosesseihin liittyvää kirjallisuutta keskittyen proses-sien kuvaamiseen, määrittelyyn, kehittämiseen sekä vaihtelun vähentämisen perusteisiin. Lisäksi teoriaosassa on lyhyt Lean perusteiden sekä työkalujen kuvaus, jonka tarkoituk-sena on antaa pohjaa hävikin minimointityölle. Viimeinen teoriakappale keskittyy jalo-metalleihin raaka-aineina; niiden hankintaan, markkinoiden piirteisiin ja kustannusvaiku-tuksiin. Työn empiirisen osan johdantona toimii kappaleessa 4 oleva katalysaattorien ja niissä käytettävien jalometallien esittely. Kappaleissa 5 - 7 on työn empiirinen osuus, jossa luodaan tavoitteiden mukainen kustannustenhallintyökalu. Työn tuloksena syntyi viiden tutkimukseen valitun tuotteen avulla Excel-laskentatyökalu, jolla tiettyjen spesifikaatioiden mukaisten tuotteiden jalometallihävikin osuus tuotannon aikana voidaan laskea. Lisäksi työn tuloksissa, osatavoitteen mukaisesti, tarkastellaan muun muassa mittausprosesseihin sekä työn suoritukseen liittyviä kehityskohteita.

Development of a process for the direct synthesis of hydrogen peroxide in a novel microstructured reactor

Microreactors have proven to be versatile tools for process intensification. Over recent decades, they have increasingly been used for product and process development in chemical industries. Enhanced heat and mass transfer in the reactors due to the extremely high surfacearea- to-volume ratio and interfacial area allow chemical processes to be operated at extreme conditions. Safety is improved by the small holdup volume of the reactors and effective control of pressure and temperature. Hydrogen peroxide is a powerful green oxidant that is used in a wide range of industries. Reduction and auto-oxidation of anthraquinones is currently the main process for hydrogen peroxide production. Direct synthesis is a green alternative and has potential for on-site production. However, there are two limitations: safety concerns because of the explosive gas mixture produced and low selectivity of the process. The aim of this thesis was to develop a process for direct synthesis of hydrogen peroxide utilizing microreactor technology. Experimental and numerical approaches were applied for development of the microreactor. Development of a novel microreactor was commenced by studying the hydrodynamics and mass transfer in prototype microreactor plates. The prototypes were designed and fabricated with the assistance of CFD modeling to optimize the shape and size of the microstructure. Empirical correlations for the mass transfer coefficient were derived. The pressure drop in micro T-mixers was investigated experimentally and numerically. Correlations describing the friction factor for different flow regimes were developed and predicted values were in good agreement with experimental results. Experimental studies were conducted to develop a highly active and selective catalyst with a proper form for the microreactor. Pd catalysts supported on activated carbon cloths were prepared by different treatments during the catalyst preparation. A variety of characterization methods were used for catalyst investigation. The surface chemistry of the support and the oxidation state of the metallic phase in the catalyst play important roles in catalyst activity and selectivity for the direct synthesis. The direct synthesis of hydrogen peroxide was investigated in a bench-scale continuous process using the novel microreactor developed. The microreactor was fabricated based on the hydrodynamic and mass transfer studies and provided a high interfacial area and high mass transfer coefficient. The catalysts were prepared under optimum treatment conditions. The direct synthesis was conducted at various conditions. The thesis represents a step towards a commercially viable direct synthesis. The focus is on the two main challenges: mitigating the safety problem by utilization of microprocess technology and improving the selectivity by catalyst development.