Impact of engineered nanomaterials on health : considerations for benefit-risk assessment

Nanotechnology encompasses the design, characterisation, production and application of materials and systems by controlling shape and size at the nanoscale (nanometres). Nanomaterials may differ from other materials because of their relatively large specific surface area, such that surface properties become particularly important. There has been rapid growth in investment in nanotechnology by both the public and private sectors worldwide. In the EU, nanotechnology is expected to become an important strategic contributor to achieving economic gain and societal and individual benefits. At the same time there is continuing scientific uncertainty and controversy about the safety of nanomaterials. It is important to ensure that timely policy development takes this into consideration. Uncertainty about safety may lead to polarised public debate and to business unwillingness to invest further. A clear regulatory framework to address potential health and environmental impacts, within the wider context of evaluating and communicating the benefit-risk balance, must be a core part of Europe's integrated efforts for nanotechnology innovation. While a number of studies have been carried out on the effect of environmental nanoparticles, e.g. from combustion processes, on human health, there is yet no generally acceptable paradigm for safety assessment of nanomaterials in consumer and other products. Therefore, a working group was established to consider issues for the possible impact of nanomaterials on human health focussing specifically on engineered nanomaterials. This represents the first joint initiative between EASAC and the Joint Research Centre of the European Commission. The working group was given the remit to describe the state of the art of benefits and potential risks, current methods for safety assessment, and to evaluate their relevance, identify knowledge gaps in studying the safety of current nanomaterials, and recommend on priorities for nanomaterial research and the regulatory framework. This report focuses on key principles and issues, cross-referencing other sources for detailed information, rather than attempting a comprehensive account of the science. The focus is on human health although environmental effects are also discussed when directly relevant to health

6.2

Airborne particles can come from a variety of sources and contain variable chemical constituents. Some particles are formed by natural processes, such as volcanoes, erosion, sea spray, and forest fires, while other are formed by anthropogenic processes, such as industrial- and motor vehicle-related combustion, road-related wear, and mining. In general, larger particles (those greater than 2.5 μm) are formed by mechanical processes, while those less than 2.5 μm are formed by combustion processes. The chemical composition of particles is highly influenced by the source: for combustion-related particles, factors such as temperature of combustion, fuel type, and presence of oxygen or other gases can also have a large impact on PM composition. These differences can often be observed at a regional level, such as the greater sulphate-composition of PM in regions that burn coal for electricity production (which contains sulphur) versus regions that do not. Most countries maintain air monitoring networks, and studies based on the resulting data are the most common basis for epidemiology studies on the health effects of PM. Data from these monitoring stations can be used to evaluate the relationship between community-level exposure to ambient particles and health outcomes (i.e., morbidity or mortality from various causes). Respiratory and cardiovascular outcomes are the most commonly assessed, although studies have also considered other related specific outcomes such as diabetes and congenital heart disease. The data on particle characteristics is usually not very detailed and most often includes some combination of PM2.5, PM10, sulphate, and NO2. Other descriptors that are less commonly found include particle number (ultrafine particles), metal components of PM, local traffic intensity, and EC/OC. Measures of association are usually reported per 10 μg/m3 or interquartile range increase in pollutant concentration. As the exposure data are taken from regional monitoring stations, the measurements are not representative of an individual's exposure. Particle size is an important descriptor for understanding where in the human respiratory system the particles will deposit: as a general rule, smaller particles penetrate to deeper regions of the lungs. Initial studies on the health effects of particulate matter focused on mass of the particles, including either all particles (often termed total suspended particulate or TSP) or PM10 (all particles with an aerodynamic diameter less than 10 μm). More recently, studies have considered both PM10 and PM2.5, with the latter corresponding more directly to combustion-related processes. UFPs are a dominant source of particles in terms of PNC, yet are negligible in terms of mass. Very few epidemiology studies have measured the effect of UFPs on health; however, the numbers of studies on this topic are increasing. In addition to size, chemical composition is of importance when understanding the toxicity of particles. Some studies consider the composition of particles in addition to mass; however this is not common, in part due the cost and labour involved in such analyses.

Monipolttoainekattilan päästöjen tarkkailu ja raportointi

Suurten polttolaitosten päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat uudistuneet viime vuosina paljon. Suurimpia muutosten aiheuttajia ovat Valtioneuvoston asetus 1017/2002 ja standardi EN-14181. Tässä työssä kuvataan uudet vaatimukset täyttävän päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän rakentaminen monipolttoainekattilalle. Aluksi esitellään mitä uusia vaatimuksia päästöjen tarkkailulle ja raportoinnille on tullut viime aikoina. Lisäksi selvitetään vaatimusten mahdolliset ristiriidat ja ristiriitatilanteiden ratkaisutavat. Seuraavaksi esitellään vaatimukset täyttävän järjestelmän määritelmät. Erityisestiselvitetään kattilan erityispiirteiden vaatimia ratkaisuja. Lopuksi esitellään päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän käyttökokemuksia ja parantamismahdollisuuksia. Kaikki tarkastelut tehdään ensisijaisesti toiminnanharjoittajan näkökulmasta. Järjestelmä toteutettiin Stora Enso Oyj:n Heinolan Flutingtehtaan voimalaitoksen pääkattilalle, jossa käytetään laajaa polttoainevalikoimaa. Toteutuspaikan valinta tehtiin sillä perusteella, että uudet päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat erityisen haasteellisia monipolttoainekattiloiden tapauksessa. Työssä selvitetään järjestelmän soveltamismahdollisuuksia myös kahdella muulla Stora Enson tehtaalla. Käyttöönottovaiheen johtopäätöksenä todettiin päästöjen tarkkailu- ja raportointijärjestelmän täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi havaittiin, että toiminnanharjoittajan kannattaa panostaa erityisesti järjestelmän joustavuuteen, luotettavuuteen, helppokäyttöisyyteen ja vikasietoisuuteen. Toiminnanharjoittaja pystyy määrittelyvaiheessa vaikuttamaan järjestelmän ominaisuuksiin helpommin ja edullisemmin kuin käyttöönoton jälkeen. Toiminnanharjoittajalta vaadittu työtuntimäärä arvioitiin Heinolan Flutingtehtaan tapauksen perusteella. Lopuksi selvitettiin mahdollisia tulevaisuuden kehityskohteita vastaavissa järjestelmissä.

Yhdyskuntalietteen ja biopolttoaineiden käsittelyketjujen ja polton teknistaloudellinen tarkastelu

Työn tavoitteena on kartoittaa yhdyskuntalietteen ja kierrätys- sekä biopolttoaineiden käsittelyä ja polttoa lietteenpolttolaitoksen tarpeita ajatellen. Lietteen käsittelyketjun ja kierrätys- sekä biopolttoaineketjujen tekninen tarkastelu on siis työn keskeinen tavoite. Lisäksi lasketaan polttolaitoksen suurimpia mahdollisia investointikustannuksia eri polttoainevaihtoehdoilla. Työssä tehdään muun ohella case-tarkastelua Kaakkois- Suomen alueeseen liittyen. Tavoitteena on muodostaa tarkoitukseen soveltuva polttoaineratkaisu kullekin tapauk-selle. Työn alkuosassa tutustutaan yleisesti lietteeseen sekä polttoaineen että jätteen roolissa. Tarkastelu sisältää tietoja lietteen ominaisuuksista sekä lietteenkäsittelyssä olennaisista lainsäädännöllisistä seikoista. Samoin katsastetaan hieman lietteen esikäsittelyä, mekaanista vedenerotusta, termistä kuivausta ja polttoa tarkastellaan yleisessä valossa. Lisäksi alkuosassa keskitytään eri bio- jakierrätyspolttoainevaihtoehtoihin tarkastelemalla niiden yleisyyttä polttoaineena sekä esittelemällä niiden käsittelyketjuja. Työn loppupuoliskolla kiinnitetään huomiota case tapausten avulla polttolaitoksesta saataviin tuottoihin sekä millaisen liikkumavaran eri polttoainevaihtoehdot investointien osalta sallivat. Case-tapauksissa pohditaan Kymenlaakson ja Etelä-Karjalan paikallisia lietteen-polttomahdollisuuksia yhdistettynä kierrätys- tai biopolttoaineisiin. Mekaanisesti kuivattua lietettä käsitellään kyseisissä tapauksissa vuosittain 6000 t ja 15 000 t. Lietteen polton tuottama sähkö- ja lämpöteho näyttävät riippuvan voimakkaasti lietteen kuiva-ainepitoisuudesta, eivät niinkään lietteen muista ominaisuuksista. Lisäksi joko bio- tai kierrätyspolttoaineella saadaan sähkön- ja lämmöntuotantoa nostettua huomattavasti.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.

Jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa

Suomen jätehuolto on kokemassa murrosta kuluvina aikoina. Pienimuotoinen jätteen rinnakkaispoltto, joka on ollut Suomen jätehuollolle ominaista, uhkaa koitua kannattamattomaksi ja loppua kokonaan. Tässä työssä pyritään selvittämään jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa nytkun jätehuolto on muuttunut uusien direktiivien voimaan astumisen myötä. Työssäkäsitellään rinnakkaispolttoa koskevaa lainsäädäntöä ja sen vaikutusta polton tulevaisuuteen. Rajaehtoja on tarkasteltu savukaasupäästöjen, päästörajojen ja tuhkan ominaisuuksien muuttumisen avulla polttosuhteen muuttuessa. Lisäksi työssä on arvioitu jätteenpolttoasetuksen aiheuttamat lisäkustannukset jätettä polttaville voimalaitoksille ja pohdittu, miten kustannukset on kompensoitavissa. Työn perusteella vaikuttaa siltä, että jätteen rinnakkaispoltolla voi tulevaisuudessakin olla merkittävä rooli Suomen jätehuollossa. Jätteen energiahyödyntämistä joudutaan lisäämään tulevaisuudessa rutkasti, jotta saavutettaisiin vaadittu jätteen hyötykäyttötaso. Rinnakkaispolton alalta on Suomessa huippuosaamista ja laitospotentiaalia on valmiina, joten rinnakkaispoltto tarjoaa helpon mahdollisuuden jätteen hyödyntämisasteen parantamiseen. Kriittiseksi tekijäksimuodostuu se, voiko yhdyskuntajätteistä valmistettua polttoainetta polttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoon tarkoitetuilla laitoksilla. Mikäli se olisi mahdollista, voisi tämän työn perusteella rinnakkaispoltolla olla suuri rooli suomalaisessa jätehuollossa ja sen tulevaisuudessa.

Polttomoottorin sähkömekaaninen venttiilinohjaus

Työssä tarkastellaanpolttomoottorin venttiilitoimilaitteen toteuttamista sähkömekaanisesti. Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ja rakennetut prototyypit soveltuvat pääosin henkilöautojen vapaasti hengittävien ottomoottoreiden venttiilien ohjaukseen. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen soveltuvuutta suuriin polttomoottoreihin kuten esimerkiksi voimalaitosdieseleihin on myös tarkasteltu, mutta ongelmaksi muodostuu riittävän suuren magneettisen voiman kehittäminen magneettivuon reitillä esiintyvän suuren ilmavälin takia. Työssä esitetään valmiita ja kehitteillä olevia ratkaisuja polttomoottorin venttiilien ohjaukseen sähkömekaanisesti. Lisäksi käsitellään parannusmahdollisuuksia jo valmiisiin ratkaisuihin ja käydään läpi sähkömekaanisen venttiilinohjauksen ongelmakohtia. Suomeksi ei ole kovin paljon julkaistua materiaalia polttomoottorin venttiilien sähkömekaanisesta ohjauksesta, joten työ tukeutuu pääosin Internetissä julkaistuihin artikkeleihin sekä sähköpostin välityksellä käytyihin keskusteluihin niiden tahojen kanssa, jotka tutkivat ja kehittävät polttomoottorinsähkömekaanista venttiilien ohjausta. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen tutkiminen tällä hetkellä jakautuu pääpainotteisesti sähkömagneettisen osuuden ja säätöteknisen osuuden tutkimiseen ja kehittämiseen. Työssä ei mennä näiden aihepiirien syvälliseen analysointiin vaan esitetään tämän hetkisentutkimuksen painopisteet ja lähdeviitteet aihepiiriä syventäviin julkaisuihin.

Probing functional groups at the gas-aerosol interface using heterogeneous titration reactions: a tool for predicting aerosol health effects?

The complex chemical and physical nature of combustion and secondary organic aerosols (SOAs) in general precludes the complete characterization of both bulk and interfacial components. The bulk composition reveals the history of the growth process and therefore the source region, whereas the interface controls--to a large extent--the interaction with gases, biological membranes, and solid supports. We summarize the development of a soft interrogation technique, using heterogeneous chemistry, for the interfacial functional groups of selected probe gases [N(CH(3))(3), NH(2)OH, CF(3)COOH, HCl, O(3), NO(2)] of different reactivity. The technique reveals the identity and density of surface functional groups. Examples include acidic and basic sites, olefinic and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) sites, and partially and completely oxidized surface sites. We report on the surface composition and oxidation states of laboratory-generated aerosols and of aerosols sampled in several bus depots. In the latter case, the biomarker 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine, signaling oxidative stress caused by aerosol exposure, was isolated. The increase in biomarker levels over a working day is correlated with the surface density N(i)(O3) of olefinic and/or PAH sites obtained from O(3) uptakes as well as with the initial uptake coefficient, γ(0), of five probe gases used in the field. This correlation with γ(0) suggests the idea of competing pathways occurring at the interface of the aerosol particles between the generation of reactive oxygen species (ROS) responsible for oxidative stress and cellular antioxidants.

Polttolaitosten päästöjen viranomaisraportoinnin uudistaminen

EU:n suurtenpolttolaitosten direktiivi (2001/80/EY) sekä jätteenpolttodirektiivi (2000/76/EY) aiheuttavat lähivuosina oleellisia muutoksia polttolaitosten päästöjen tarkkailuun. Nämä direktiivit on pantu täytäntöön Suomen lainsäädännössä vastaavina asetuksina. Tässä diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia uudistunut lainsäädäntö tuo polttolaitosten päästölaskentaan ja viranomaisraportointiin. Suurimpia muutoksia ovat päästöjen tarkkailujaksojen lyhentyminen, raja-arvojen tulkinnan muuttuminen, häiriö- sekä ylös- ja alasajojaksojen jättäminen pois pitoisuusraja-arvojen tarkkailusta sekä siirtyminen ominaispäästöjen (mg/MJ) laskennasta pitoisuusarvojen (mg/m3n) laskentaan. Päästötietojen raportoinnissa on huomioitava, että ympäristöhallinnon tavoitteena on siirtyä sähköisesti tapahtuvaan tiedonsiirtoon ja kuukausittain tapahtuvaan raportointiin kaikkien tarkkailtavien päästöjenosalta. Uudistunut ympäristölainsäädäntö koskee jo eräitä polttolaitoksia ja lopuillekin uudistuneet vaatimukset astuvat voimaan lähivuosien aikana. LCP-asetuskoskee uusia laitoksia heti, olemassa oleville laitoksille uudet mittausvelvoitteet astuvat voimaan 27.11.2004 ja asetuksen mukaiset raja-arvot 1.1.2008 alkaen. Samoin jätteenpolttoasetus koskee uusia laitoksia heti, käytössä oleville laitoksille se astuu voimaan 29.12.2005. Ensimmäisen ympäristöluvan myöntämisajankohta määrää, luetaanko laitos uusiin vai olemassa tai käytössä oleviin laitoksiin.LCP-asetuksessa uusien ja olemassa olevien laitosten päästöjen tarkkailu poikkeaa hieman toisistaan. Jätteenpoltto- ja rinnakkaispolttolaitoksilla päästöjen tarkkailun toteutustapa puolestaan riippuu poltettavan jätteen laadusta ja sen määrän suhteesta muuhun polttoaineeseen. Lisäksi tämän diplomityöprojektin aikana laadittiin yksityiskohtaiset toteutusohjeet polttolaitoksia koskevan uudistuneen ympäristölainsäädännön mukaiselle päästöjen tarkkailulle ja raportoinnille. Ohjeet laadittiin erikseen LCP- ja jätteenpolttoasetusten soveltamiseksi sekä CO2-päästöjen määrittämistä varten. Ohjeita ei ole sisällytetty tähän työhön, vaan niitä kannattaa tiedustella Kontram Oy:ltä, mikäli niihin halutaan tutustua tarkemmin.

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.

Laimentimen merkitys metallien neste-nesteuutossa

Työssä tutkittiin korkean leimahduspisteen laimentimien vaikutusta uuton tehokkuuteen ja turvallisuuteen. Kirjallisuusosa sisältää katsauksen uuttolaitoksilla tapahtuneista suuronnettomuuksista, staattisen sähkön aiheuttamista vaaroista uuttolaitoksilla ja kaupallisesti saatavista laimentimista. Lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan hiilivetyjen molekyylirakenteen vaikutusta niiden leimahduspisteeseen, haihtuvuuteen, viskositeettiin ja liuotinominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin uuton tehokkuutta kuvaavia ominaisuuksia, joita olivat sekoituksen pisarakoko, faasien selkeytymisnopeus,uuton ja takaisinuuton kinetiikka, orgaanisen faasin viskositeetti ja tiheys. Uuttoliuosten turvallisuusominaisuuksia tutkittiin mittaamalla synteettisten uuttoliuosten ja laimentimien leimahduspisteitä sekä sähköisesti varattujen laimentimien relaksaatioaikoja. Korkean leimahduspisteen laimentimena käytettiin Orfom SX 11-laimenninta. Vertailukohteena käytettiin Shellsol D70- ja Escaid 100- laimentimia. Malliuuttona käytettiin kuparin uuttoa hydroksioksiimireagensilla happamasta sulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin, että korkean leimahduspisteen laimentimen viskositeetti oli huomattavasti suurempi kuin Shellsol D70- laimentimella. Korkea viskositeetti hidasti faasien selkeytymistä uutossa, mutta sillä ei ollut vaikutusta uuton kinetiikkaan tai sekoituksen aiheuttamaan pisarakokoon. Uuttoliuoksen reagenssipitoisuudella havaittiin olevan vaikutusta uuttoliuoksen leimahduspisteeseen, mutta uuttoliuoksen latausasteella ei havaittu olevan vaikutusta. Sähköisesti varattujen laimentimien varauksien relaksaatioajoissa oli hieman eroja, mutta relaksaatioajat olivat kaikilla laimentimilla liian pitkiä staattisen sähkön aiheuttaman vaaran poistamiseksi.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Sulakaasutustutkimuslaitteiston kehittäminen ja testaus

Työ liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa voimalaitostekniikan laboratoriossa vuonna 2004 aloitettuun sulapoltto- ja sulakaasutustutkimukseen. Päätavoitteena on suunnitella, rakentaa ja testata pienen kokoluokan sulakaasutuslaitetta. Kirjallisuusosassa luodaan lyhyt katsaus viime vuosina muualla tehtyyn sulapoltto- ja sulakaasutustutkimukseen. Laskentaosassa mallinnetaan sulapoltto- ja sulakaasutusprosessia eri polttoainekoostumuksilla. Tutkimusosassa suunnitellaan ja rakennetaan sulakaasutuskoelaitteisto kaasutuskokeita varten. Lopussa on kehittyneemmän tutkimuslaitteiston alustavaa suunnittelua.

Basin-internal derivation of hydrocarbons in the Witwatersrand Basin, South Africa: evidence from bulk and molecular δ13C data

Gold in the quartz-pebble conglomerates of the late Archean Witwatersrand Basin, South Africa, is often intimately associated with carbonaceous matter of organic/biogenic origin which occurs in the form of stratiform carbon seams and paragenetically late bitumen nodules. Both carbon forms are believed to be formed by solidification of migrating hydrocarbons. This paper presents bulk and molecular chemical and stable carbon isotope data for the carbonaceous matter, all of which are used to provide a clue to the source of the hydrocarbons. These data are compared with those from intra-basinal shales and overlying dolostone of the Transvaal Supergroup. The delta C-13 values of the extracts from the Witwatersrand carbonaceous material show small differences (up to 2.4 parts per thousand) compared to the associated insoluble organic matter. This suggests that the auriferous rocks were stained by mobile hydrocarbons produced by thermal and oxidative alteration of indigenous bitumens, a contribution from hydrocarbons derived from intra-basinal Witwatersrand shales cannot be excluded. Individual aliphatic hydrocarbons of the various carbonaceous materials were subjected to compound specific isotope analysis using on-line gas chromatography/combustion/stable isotope ratio mass spectrometry (GC/C/IRMS). The limited variability of the molecular parameters and uniform delta C-13 values of individual n-alkanes (-31.1 +/- 1.7 parts per thousand) and isoprenoids (-30.7 +/- 1.1 parts per thousand) in the Witwatersrand samples exclude the mixing of oils from different sources. Carbonaceous matter in the dolostones shows distinctly different bulk and molecular isotope characteristics and thus cannot have been the source of the hydrocarbons in the Witwatersrand deposits. All the various forms of Witwatersrand carbon appear indigenous to the Witwatersrand Basin, and the differences between them are explained by variable, in general probably short (centimeter- to meter-scale) hydrocarbon migration during diagenesis and subsequent hydrothermal infiltration. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Viabilitat energètica de la sobrealimentació tèrmica de motors de combustió interna alternatius

Avaluació de la la viabilitat energètica de la millora de prestacions d’un motor de combustió interna alternatiu de tipus MEP (Motor d’Encesa Provocada o gasolina), mitjançant una sobrealimentació tèrmica. En aquest projecte, s’ha defugit de les tecnologies més esteses i s’ha estudiat una nova via no tant explorada, l’augment de la densitat de l’aire mitjançant la disminució de la seva temperatura a l’admissió, tecnologia que es coneix amb el nom de “sobrealimentació tèrmica”. Així doncs, respecte a les tecnologies de sobrealimentació més clàssiques, en aquest cas no es disposarà de cap sistema de compressió mecànica que augmenti la densitat de l’aire comprimint-lo, sinó que s’utilitzarà un sistema totalment diferent, el qual consistirà en un circuit de refrigeració per compressió mecànica de refrigerant, molt semblant a l’utilitzat pel sistema de climatització del vehicle i que en aquest cas refrigerarà l’aire d’admissió fent-lo passar per un intercanviador de calor (evaporador). Aquest fet repercutirà en un augment de potència i de les prestacions del motor tèrmic, que per contra haurà d’alimentar el cicle de compressió de vapor que produeix el fred. L’elecció d’aquest sistema, ha estat motivada sobretot per demostrar que altres sistemes de sobrealimentació són possibles a partir d’elements en part ja presents en el vehicle i que siguin fàcilment implementables, sense haver de modificar elements mecànics importants del motor