Microstructural evolution of primary crystallization in diffusion-controlled grain growth

A model has been developed for evaluating grain size distributions in primary crystallizations where the grain growth is diffusion controlled. The body of the model is grounded in a recently presented mean-field integration of the nucleation and growth kinetic equations, modified conveniently in order to take into account a radius-dependent growth rate, as occurs in diffusion-controlled growth. The classical diffusion theory is considered, and a modification of this is proposed to take into account interference of the diffusion profiles between neighbor grains. The potentiality of the mean-field model to give detailed information on the grain size distribution and transformed volume fraction for transformations driven by nucleation and either interface- or diffusion-controlled growth processes is demonstrated. The model is evaluated for the primary crystallization of an amorphous alloy, giving an excellent agreement with experimental data. Grain size distributions are computed, and their properties are discussed.

Assessment of diesel exhaust particulate exposure and surface characteristics in association with levels of oxidative stress biomarkers

Exposure to PM10 and PM2.5 (particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 10 μm and 2.5 μm, respectively) is associated with a range of adverse health effects, including cancer, pulmonary and cardiovascular diseases. Surface characteristics (chemical reactivity, surface area) are considered of prime importance to understand the mechanisms which lead to harmful effects. A hypothetical mechanism to explain these adverse effects is the ability of components (organics, metal ions) adsorbed on these particles to generate Reactive Oxygen Species (ROS), and thereby to cause oxidative stress in biological systems (Donaldson et al., 2003). ROS can attack almost any cellular structure, like DNA or cellular membrane, leading to the formation of a wide variety of degradation products which can be used as a biomarker of oxidative stress. The aim of the present research project is to test whether there is a correlation between the exposure to Diesel Exhaust Particulate (DEP) and the oxidative stress status. For that purpose, a survey has been conducted in real occupational situations where workers were exposed to DEP (bus depots). Different exposure variables have been considered: - particulate number, size distribution and surface area (SMPS); - particulate mass - PM2.5 and PM4 (gravimetry); - elemental and organic carbon (coulometry); - total adsorbed heavy metals - iron, copper, manganese (atomic adsorption); - surface functional groups present on aerosols (Knudsen flow reactor). Several biomarkers of oxidative stress (8-hydroxy-2'-deoxyguanosine and several aldehydes) have been determined either in urine or serum of volunteers. Results obtained during the sampling campaign in several bus depots indicated that the occupational exposure to particulates in these places was rather low (40-50 μg/m3 for PM4). Bimodal size distributions were generally observed (5 μm and <1 μm). Surface characteristics of PM4 varied strongly, depending on the bus depot. They were usually characterized by high carbonyl and low acidic sites content. Among the different biomarkers which have been analyzed within the framework of this study, mean urinary levels of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine increased significantly (p<0.05) during two consecutive days of exposure for non-smoker workers. On the other hand, no statistically significant differences were observed for serum levels of hexanal, nonanal and 4- hydroxy-nonenal (p>0.05). Biomarkers levels will be compared to exposure variables to gain a better understanding of the relation between the particulate characteristics and the formation of ROS by-products. This project is financed by the Swiss State Secretariat for Education and Research. It is conducted within the framework of the COST Action 633 "Particulate Matter - Properties Related to Health Effects".

Exhaled breath condensate as a matrix for combustion-based nanoparticle exposure and health effect evaluation

Health assessment and medical surveillance of workers exposed to combustion nanoparticles are challenging. The aim was to evaluate the feasibility of using exhaled breath condensate (EBC) from healthy volunteers for (1) assessing the lung deposited dose of combustion nanoparticles and (2) determining the resulting oxidative stress by measuring hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA). Methods: Fifteen healthy nonsmoker volunteers were exposed to three different levels of sidestream cigarette smoke under controlled conditions. EBC was repeatedly collected before, during, and 1 and 2 hr after exposure. Exposure variables were measured by direct reading instruments and by active sampling. The different EBC samples were analyzed for particle number concentration (light-scattering-based method) and for selected compounds considered oxidative stress markers. Results: Subjects were exposed to an average airborne concentration up to 4.3×10(5) particles/cm(3) (average geometric size ∼60-80 nm). Up to 10×10(8) particles/mL could be measured in the collected EBC with a broad size distribution (50(th) percentile ∼160 nm), but these biological concentrations were not related to the exposure level of cigarette smoke particles. Although H2O2 and MDA concentrations in EBC increased during exposure, only H2O2 showed a transient normalization 1 hr after exposure and increased afterward. In contrast, MDA levels stayed elevated during the 2 hr post exposure. Conclusions: The use of diffusion light scattering for particle counting proved to be sufficiently sensitive to detect objects in EBC, but lacked the specificity for carbonaceous tobacco smoke particles. Our results suggest two phases of oxidation markers in EBC: first, the initial deposition of particles and gases in the lung lining liquid, and later the start of oxidative stress with associated cell membrane damage. Future studies should extend the follow-up time and should remove gases or particles from the air to allow differentiation between the different sources of H2O2 and MDA.

Brittle to ductile transition in a fiber bundle with strong heterogeneity

We analyze the failure process of a two-component system with widely different fracture strength in the framework of a fiber bundle model with localized load sharing. A fraction 0≤α≤1 of the bundle is strong and it is represented by unbreakable fibers, while fibers of the weak component have randomly distributed failure strength. Computer simulations revealed that there exists a critical composition αc which separates two qualitatively different behaviors: Below the critical point, the failure of the bundle is brittle, characterized by an abrupt damage growth within the breakable part of the system. Above αc, however, the macroscopic response becomes ductile, providing stability during the entire breaking process. The transition occurs at an astonishingly low fraction of strong fibers which can have importance for applications. We show that in the ductile phase, the size distribution of breaking bursts has a power law functional form with an exponent μ=2 followed by an exponential cutoff. In the brittle phase, the power law also prevails but with a higher exponent μ=92. The transition between the two phases shows analogies to continuous phase transitions. Analyzing the microstructure of the damage, it was found that at the beginning of the fracture process cracks nucleate randomly, while later on growth and coalescence of cracks dominate, which give rise to power law distributed crack sizes.

Firms, destinations, and aggregate fluctuations

This paper uses a database covering the universe of French firms for the period 1990-2007 to provide a forensic account of the role of individual firms in generating aggregatefluctuations. We set up a simple multi-sector model of heterogeneous firms selling tomultiple markets to motivate a theoretically-founded decomposition of firms' annualsales growth rate into different components. We find that the firm-specific componentcontributes substantially to aggregate sales volatility, mattering about as much as thecomponents capturing shocks that are common across firms within a sector or country.We then decompose the firm-specific component to provide evidence on two mechanismsthat generate aggregate fluctuations from microeconomic shocks highlighted in the recentliterature: (i) when the firm size distribution is fat-tailed, idiosyncratic shocks tolarge firms directly contribute to aggregate fluctuations; and (ii) aggregate fluctuationscan arise from idiosyncratic shocks due to input-output linkages across the economy.Firm linkages are approximately three times as important as the direct effect of firmshocks in driving aggregate fluctuations.

Effects of nutrients and turbulence on the production of transparent exopolymer particles: a mesocosm study

The production of transparent exopolymer particles (TEP) in response to several environmental variables was studied in 2 mesocosm experiments. The first (Expt 1) examined a gradient of 4 nutrient levels; the second (Expt 2) examined different conditions of silicate availability and zooplankton presence. Tanks were separated in 2 series, one subjected to turbulence and the other not influenced by turbulence. In tanks with nutrient addition, TEP were rapidly formed, with net apparent production rates closely linked to chl a growth rates, suggesting that phytoplankton cells were actively exuding TEP precursors. High nutrient availability increased the absolute concentration of TEP; however, the relative quantity of TEP produced was found to be lower, as TEP concentration per unit of phytoplankton biomass was inversely related to the initial nitrate dose. In Expt 1, an increase in TEP volume (3 to 48 µm equivalent spherical diameter) with nutrient dose was observed; in Expt 2, both silicate addition and turbulence enhanced TEP production and favored aggregation to larger TEP (>48 µm). The presence of zooplankton lowered TEP concentration and changed the size distribution of TEP, presumably by grazing on TEP or phytoplankton. For lower nutrient concentrations, the ratio of particulate organic carbon (POC) to particulate organic nitrogen (PON) followed the Redfield ratio. At higher nutrient conditions, when nutrients were exhausted during the post-bloom, a decoupling of carbon and nitrogen dynamics occurred and was correlated to TEP formation, with a large flow of carbon channeled toward the TEP pool in turbulent tanks. TEP accounted for an increase in POC concentration of 50% in high-nutrient and turbulent conditions. The study of TEP dynamics is crucial to understanding the biogeochemical response of the aquatic system to forcing variables such as nutrient availability and turbulence intensity.

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Implementation of population balances in simulation of gas-liquid reactors using a CFD-PBM coupled approach

In bubbly flow simulations, bubble size distribution is an important factor in determination of hydrodynamics. Beside hydrodynamics, it is crucial in the prediction of interfacial area available for mass transfer and in the prediction of reaction rate in gas-liquid reactors such as bubble columns. Solution of population balance equations is a method which can help to model the size distribution by considering continuous bubble coalescence and breakage. Therefore, in Computational Fluid Dynamic simulations it is necessary to couple CFD and Population Balance Model (CFD-PBM) to get reliable distribution. In the current work a CFD-PBM coupled model is implemented as FORTRAN subroutines in ANSYS CFX 10 and it has been tested for bubbly flow. This model uses the idea of Multi Phase Multi Size Group approach which was previously presented by Sha et al. (2006) [18]. The current CFD-PBM coupled method considers inhomogeneous flow field for different bubble size groups in the Eulerian multi-dispersed phase systems. Considering different velocity field for bubbles can give the advantageof more accurate solution of hydrodynamics. It is also an improved method for prediction of bubble size distribution in multiphase flow compared to available commercial packages.

Eräiden paperinvalmistuksessa käytettävien vahadispersioiden stabiilisuuden hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää millainen laaduntarkastus AKD-dispersioille tulisi suorittaa kuormien vastaanotossa ja tulisiko dispersioiden laatu tarkastaa uudelleen ennen annostelua. Tätä varten seurattiin toimituserien laadun tasaisuutta ja tarkasteltiin varastointiolosuhteiden vaikutusta dispersioiden säilyvyyteen. Lisäksi kartoitettiin dispersioiden käsittelyssä ja kartonginvalmistusprosessissa esiintyvien riskitekijöiden vaikutuksia kaupallisten dispersioiden stabiilisuuteen. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kolloidisiin dispersioihin sekä niiden stabiilisuuteen vaikuttaviin tekijöihin. AKD-dispersiot valmistetaan emulgointitekniikoiden avulla, joten dispergointimenetelmien ohella käsiteltiin myös emulsioiden valmistamista. Lisäksi luotiin katsaus dispersioteknologian tärkeimpiin analyysimenetelmiin. Alkyyliketeenidimeerin osalta käsiteltiin emulgoinnin lisäksi vahan ja muiden lisäaineiden vaikutuksia dispersioiden stabiilisuuteen ja myös niiden merkitystä dispersioiden formuloinnissa. AKD-liimauksen osalta esiin tuotiin AKD:n tärkeimmät reaktiomekanismit, sillä ne liittyvät osittain myös dispersioiden stabiilisuuteen. Lopuksi luotiin lyhyt katsaus AKD-dispersioiden stabiilisuutta käsittelevään tutkimukseen, jota on toistaiseksi julkaistu varsin niukasti. Kokeellisessaosassa tarkastelun kohteeksi valittiin neljä kaupallista alkyyliketeenidimeerinvesidispersiota, joiden koostumus ja ominaisuudet selvitettiin perusteellisesti. Tarkoituksena oli auttaa ymmärtämään dispersioiden stabiilisuudessa mahdollisesti esiintyviä eroja. Laajamittainen dispersioiden karakterisointi näyttää olevan tarpeen ainakin otettaessa uutta AKD-laatua käyttöön, sillä dispersioiden koostumus ja ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi. AKD-dispersioiden laadussa esiintyi vaihtelua eri toimituserien välillä. Suurimmat vaihtelut havaittiin dispersioiden varaustiloissa ja partikkelikokojakaumissa. Laadun epätasaisuuden vuoksi vastaanottotarkastuksen merkitys korostuu. Vastaanottotarkastuksessa syytä olisi kiinnittää dispersion kuiva-ainepitoisuuden ohella sen viskositeettiin, varaustilaan, tehoainepitoisuuteen sekä rakenteeseen. Rakenteen tarkastelussa optinen mikroskooppi voi rutiininomaisessa seurannassa korvata partikkelikokojakauman määrittämisen. Varastointilämpötilan vaikutus dispersioidenlaatuun on merkittävä. Dispersiot säilyvät parhaiten viileässä, joten jos varastosäiliöissä ei ole jäähdytystä, on dispersioiden laadun tarkastus tarpeen myös ennen annostelua. Jotta dispersion kunnosta saadaan luotettava arvio, on viskositeetin määrittämiseen yhdistettävä vähintään rakenteen tarkastelu optisella mikroskoopilla. Mekaaninen rasitus voi dominoivasta stabilointimekanismistariippuen aiheuttaa dispersiossa hienoaineen muodostumista tai partikkelien flokkaantumista. Stabilointimekanismi vaikuttaa niin ikään partikkelien käyttäytymiseen korkeissa lämpötiloissa. Dispersioiden stabiilisuuden todettiin heikkenevän pH:n kohotessa emäksiselle alueelle. Elektrolyyttikonsentraatio vaikuttaa partikkelien mikroelektroforeettiseen ioniliikkuvuuteen merkittävästi. Kartonkikoneen märkäosan kemikaaleista anionisen retentioaineen (BMA) todettiin vuorovaikuttavan kationisten AKD-partikkelien kanssa selvimmin. Mikroelektroforeettisen ioniliikkuvuuden mittaaminen kiertovedessä todettiin tärkeäksi, sillä se kuvaa dispersion käyttäytymistä sen käyttöympäristössä.

Equilibration and disequilibration between monazite and garnet: indication from phase-composition and quantitative texture analysis

The integration of information which can be gained from accessory [i.e. age (t)] and rock-forming minerals [i.e. temperature (T) and pressure (P)] requires a more profound understanding of the equilibration kinetics during metamorphic processes. This paper presents an approach comparing conventional P-T estimate from equilibrated assemblages of rock-forming minerals with temperature data derived from yttrium-garnet-monazite (YGM) and yttrium-garnet-xenotime (YGX) geothermometry. Such a comparison provides an initial indication on differences between equilibration of major and trace elements. Regarding this purpose, two migmatites, two polycyclic and one monocyclic gneiss from the Central Alps (Switzerland, northern Italy) were investigated. While the polycyclic samples exhibit trace-element equilibration between monazite and garnet grains assigned to the same metamorphic event, there are relics of monazite and garnet obviously surviving independent of their textural position. These observations suggest that surface processes dominate transport processes during equilibration of those samples. The monocyclic gneiss, on the contrary, displays rare isolated monazite with equilibration of all elements, despite comparably large transport distances. With a nearly linear crystal-size distribution of the garnet grain population, growth kinetics, related to the major elements, were likely surface-controlled in this sample. In contrast to these completely equilibrated examples, the migmatites indicate disequilibrium between garnet and monazite with a change in REE patterns on garnet transects. The cause for this disequilibrium may be related to a potential disequilibrium initiated by a changing bulk chemistry during melt segregation. While migmatite environments are expected to support high transport rates (i.e. high temperatures and melt presence), the evolution of equilibration in migmatites is additionaly related to change in chemistry. As a key finding, surface-controlled equilibration kinetics seem to dominate transport-controlled processes in the investigated samples. This may be decisive information towards the understanding of age data derived from monazite.

Lastunmuodostus jäätyneen ja sulan puun pyörösahauksessa

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää eri parametrien vaikutusta lastunmuodostukseen pyörösahattaessa jäätynyttä ja sulaa puuta. Tutkimuksessa vertailtiin erityisesti jäätyneen ja sulan puun eroja sahauksen kannalta. Lisäksi tutkittiin puruvuodon esiintymistä pyörösahauksessa. Tutkimuksen empiirisessä osassa tutkittiineri parametrien vaikutusta sahauksen maksimitehoon, lastujen kokojakaumaan sekälastunmuodostukseen. Lastunmuodostusta kuvattiin videokameralla erittäin nopealla suljinajalla ja syntyneitä videokuvia arvioitiin silmämääräisesti. Mittaustenperusteella havaittiin, että jäätyneen ja sulan puun eroavaisuudet pyörösahauksessa ovat melko pienet. Lisäksi saatiin määritettyä muiden käytettyjen muuttujien vaikutukset puun pyörösahauksessa. Tutkimuksessa havaittiin myös, että puun sisäisillä ominaisuuksilla on erittäin suuri vaikutus sahausprosessiin.

Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Development of filter media treatments for liquid filtration

Woven monofilament, multifilament, and spun yarn filter media have long been the standard media in liquid filtration equipment. While the energy for a solid-liquid separation process is determined by the engineering work, it is the interface between the slurry and the equipment - the filter media - that greatly affects the performance characteristics of the unit operation. Those skilled in the art are well aware that a poorly designed filter medium may endanger the whole operation, whereas well-performing filter media can make the operation smooth and economical. As the mineral and pulp producers seek to produce ever finer and more refined fractions of their products, it is becoming increasingly important to be able to dewater slurries with average particle sizes around 1 ¿m using conventional, high-capacity filtration equipment. Furthermore, the surface properties of the media must not allow sticky and adhesive particles to adhere to the media. The aim of this thesis was to test how the dirt-repellency, electrical resistance and highpressure filtration performance of selected woven filter media can be improved by modifying the fabric or yarn with coating, chemical treatment and calendering. The results achieved by chemical surface treatments clearly show that the woven media surface properties can be modified to achieve lower electrical resistance and improved dirt-repellency. The main challenge with the chemical treatments is the abrasion resistance and, while the experimental results indicate that the treatment is sufficiently permanent to resist standard weathering conditions, they may still prove to be inadequately strong in terms of actual use.From the pressure filtration studies in this work, it seems obvious that the conventional woven multifilament fabrics still perform surprisingly well against the coated media in terms of filtrate clarity and cake build-up. Especially in cases where the feed slurry concentration was low and the pressures moderate, the conventional media seemed to outperform the coated media. In the cases where thefeed slurry concentration was high, the tightly woven media performed well against the monofilament reference fabrics, but seemed to do worse than some of the coated media. This result is somewhat surprising in that the high initial specific resistance of the coated media would suggest that the media will blind more easily than the plain woven media. The results indicate, however, that it is actually the woven media that gradually clogs during the coarse of filtration. In conclusion, it seems obvious that there is a pressure limit above which the woven media looses its capacity to keep the solid particles from penetrating the structure. This finding suggests that for extreme pressures the only foreseeable solution is the coated fabrics supported by a strong enough woven fabric to hold thestructure together. Having said that, the high pressure filtration process seems to follow somewhat different laws than the more conventional processes. Based on the results, it may well be that the role of the cloth is most of all to support the cake, and the main performance-determining factor is a long life time. Measuring the pore size distribution with a commercially available porometer gives a fairly accurate picture of the pore size distribution of a fabric, but failsto give insight into which of the pore sizes is the most important in determining the flow through the fabric. Historically air, and sometimes water, permeability measures have been the standard in evaluating media filtration performance including particle retention. Permeability, however, is a function of a multitudeof variables and does not directly allow the estimation of the effective pore size. In this study a new method for estimating the effective pore size and open pore area in a densely woven multifilament fabric was developed. The method combines a simplified equation of the electrical resistance of fabric with the Hagen-Poiseuille flow equation to estimate the effective pore size of a fabric and the total open area of pores. The results are validated by comparison to the measured values of the largest pore size (Bubble point) and the average pore size. The results show good correlation with measured values. However, the measured and estimated values tend to diverge in high weft density fabrics. This phenomenon is thought to be a result of a more tortuous flow path of denser fabrics, and could most probably be cured by using another value for the tortuosity factor.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.