Lämpötilan vaikutus oksaalihapon hapetukseen pulssitetulla koronapurkauksella

Tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa lämpötilan vaikutusta veden orgaanisten haitta-aineiden hapetuksessa PCD-menetelmällä. Kokeita tehtiin näytteiden eri alkulämpötiloilla. Malliyhdisteenä kokeissa käytettiin oksaalihappoa. Teoriaosuudessa käsiteltiin pulssittaista koronapurkausta ilmiönä. Lisäksi tarkasteltiin, kuinka PCD-menetelmällä muodostuu hapettimia neste-kaasufaasissa. Syntyvistä hapettimista keskityttiin otsoniin ja hydroksyyliradikaaliin. Kokeellisessa osuudessa esiteltiin käytetty PCD-laitteisto. Esittelyn jälkeen siirryttiin hapetuskokeiden kuvaamiseen ja analyysin suorittamiseen titrauksella. Lopuksi koottiin tulokset. Tutkimuksissa prosessin hapetustehon havaittiin heikentyvän lämpötilan noustessa tutkitulla lämpötila-alueella, mikä voi selittyä kaasufaasissa muodostuvan otsonin heikentyvällä liukoisuudella. Tuloksia voidaan pitää viitteellisinä, ja selkeän mallin muodostamiseksi tarvitaan jatkotutkimuksia laajemmalla lämpötila-alueella tarkasti toistettavilla koejärjestelyillä.

Emission, kinetic and magnetic phenomena in rare-earth and transition metal doped ZnSe single crystals

In this work emission, optical, electrical and magnetic properties of the d- and f- elements doped zinc selenide crystals were investigated within a wide temperature range. Doping was performed in various technological processes: during the growth by chemical vapor transport method; by thermal diffusion from the Bi or Zn melt. Concentration of the doping impurity in the crystals was controlled by amount of the dopant in the source material or by its concentration in the doping media. Special interest in the work was paid to the influence of the different concentrations of Cr and Yb impurities on ZnSe crystals’ properties, correlations between observed effects and similarities with the Ni, Mn and Gd dopants are analysed. Possibility of formation of the excitons bound to the doping d-ions was shown. In contrast to this, it was observed that f-elements do not bound excitons, but prevent formation of excitons bound to some uncontrolled impurities. A mechanism of Cr doping impurity interaction with background impurities and zinc selenide structural defects was proposed based on experimental data. An assumption about resonant energy transfer between double charged chromium ions and complexes based on crystals’ vacancy defects was made. A correlation between emission and magnetic properties of the d- ions doped samples was established. Based on this correlation a mechanism explaining the concentration quench of the emission was proposed. It was found that f-ions bind electrically active shallow and deep donor and acceptor states of background impurity to electrically neutral complexes. This may be observed as “purification” of ZnSe crystals by doping with the rare-earth elements, resulting i tendency of the properties of f-ion doped crystals to the properties of intrinsic crystals, but with smaller concentration of uncontrolled native and impurity defects. A possible interpretation of this effect was proposed. It was shown that selenium substituting impurities decrease efficiency of the Yb doping. Based on this experimental results an attempt to determine ytterbium ion surroundings in the crystal lattice was made. It was shown that co-doping of zinc selenide crystals with the d- and f- ions leads to the combination of the impurities influence on the material’s properties. On the basis of obtained data an interaction mechanism of the d- and f-elements co-dopants was proposed. Guided by the model of the ytterbium ion incorporation in the selenide sublattice of the ZnSe crystals, an assumption about stabilization of single charged chromium ions in the zinc sublattice crystal nodes, by means of formation of the local charge compensating clusters, was made.

Kattilatekniikat biopolttoaineille alle 5 MW teholuokassa

Tässä kandidaatintyössä on tarkoituksena kertoa mahdollisista eri biopolttoaineista ja niiden polttamiseen kehitetyistä kattilatekniikoista alle 5MW:n kokoluokassa. Eri kattilatyyppejä esitellään ja vertaillaan niiden toiminta-arvojen ja investointihintojen perusteella. Lisäksi työssä esitellään näiden kattilatyyppien kotimaisia polttokattilavalmistajia ja -myyjiä tarkastellun tehoalueen rajoissa. Työssä käsitellään vain pienitehoisia biopolttoainekattiloita, jolloin kattilaratkaisut rajoittuvat lähinnä arina- ja leijukerroskattiloihin. Kaasutuskattilat rajattiin työn ulkopuolelle työn rajatun laajuuden takia. Kaasutuskattiloilla on myös Suomessa vähän ja niiden tarjonta on pientä. Kattiloista on pyritty selvittämään niiden paineluokat ja tuotetun veden tai höyryn lämpötila. Kattilavalmistajilta kerättiin tietoa kyselyillä ja internetsivujen avulla. Valmistajien ja toimittajien halukkuus kertoa omista tuotteistaan vaihteli jonkin verran. Tämän takia myös tiedon määrä tuotteista vaihtelee yrityksien välillä.

Haihdutusnopeuksien määritys glysiinin alipainekiteytyksessä

Alipainekiteytyksessä tasalaatuisen lopputuotteen valmistamiseksi kiteytysolosuhteiden vaikutus liuottimen haihtumisvuohon ja kiteiden ominaisuuksiin on huomioitava. Kandidaatin työn tavoitteena oli selvittää, miten glysiinin alipainekiteytyksessä vesiliuoksesta kiteytysolosuhteet (lämpötila ja paine) vaikuttavat liuottimen haihtumisvuohon ja syntyvien kiteiden polymorfiaan. Haihdutuskokeet suoritettiin puhtaalle vedelle ja alipainekiteytyskokeet glysiinin 95 % kylläiselle vesiliuokselle lämpötiloissa 40 °C, 50 °C ja 60 °C ja paineissa 40 mbar, 60 mbar ja 80 mbar. Kiteyttimenä käytettiin suljettua, virtaushaitoilla, sekoittimella ja ohjausputkella varustettua reaktoria johon oli kytketty alipainepumppu ja termostaatti paineen ja lämpötilan ohjaamiseksi. Nesteen määrä haihdutuskokeissa oli 2 kg ja alipainekiteytyskokeissa 1,2 kg. Osa alipainekiteytyskokeista saaduista kiteistä analysoitiin jauheröntgendiffraktioanalysaattorin (PXRD, engl. powder x-ray diffraction) avulla. Kaikki PXRD-laitteella analysoidut alipainekiteytyskokeissa saadut kiteet osoittautuivat glysiinin γ-polymorfiksi. Kiteytysolosuhteilla oli selkeä vaikutus haihtumisvuohon, mutta vaikutusta glysiinikiteiden polymorfiaan ei havaittu koealueella.

Radiaalikompressoritestiaseman käyttöönotto

Tässä kandidaatintyössä käsitellään Lappeenrannan teknilliseen yliopistoon rakennettua radiaalikompressoritestiasemaa ja sen käyttöönottoa. Käyttöönottoa varten selvitetään laitteiston toimintaperiaatetta ja standardinmukaisuutta. Testiasemassa voidaan koeajaa erityyppisiä radiaalikompressoreja ja laskea niille tunnuslukuja. Kompressorin tunnuslukujen laskemista varten mitataan prosessin eri vaiheista paine, lämpötila, massavirta ja kosteus. Mittaustulokset kerätään tiedonkeruujärjestelmällä tietokoneelle. Mittausohjelmaan syötetyillä yhtälöillä lasketaan tunnusluvut koeajetulle kompressorille. Työssä on esitelty testiaseman laitteisto ja sen toiminta, käytössä olevat mittalaitteet sekä mittausohjelma yhtälöineen. Liitteissä on mittauspöytäkirja, komponenteista kerätyt tunnistetiedot ja mittausohjelman kanavalista.

Food webs in the era of molecular revolution – Like resolving the Gordian knot with a tricorder

Living nature consists of countless organisms, which are classified into millions of species. These species interact in many ways; for example predators when foraging on their prey, insect larvae consuming plants, and pathogenic bacteria drifting into humans. In addition, abiotic nature has a great initiative impact on life through many factors (including sunlight, ambient temperature, and water. In my thesis, I have studied interactions among different life forms in multifaceted ways. The webs of these interactions are commonly referred to as food webs, describing feeding relationships between species or energy transfer from one trophic level to another. These ecological interactions – whether they occur between species, between individuals, or between microorganisms within an individual – are among the greatest forces affecting natural communities. Relationships are tightly related to biological diversity, that is, species richness and abundances. A species is called a node in food web vocabulary, and its interactions to other species are called links. Generally, Artic food webs are considered to be loosely linked, simple structures. This conception roots into early modern food webs, where insects and other arthropods, for example, were clumped under one node. However, it has been shown that arthropods form the greatest part of diversity and biomass both in the tropics and in Arctic areas. Earlier challenges of revealing the role of insects and microorganisms in interactions webs have become possible with the help of recent advances in molecular techniques. In the first chapter, I studied the prey diversity of a common bat, Myotis daubentonii, in southwestern Finland. My results proved M. daubentonii being a versatile predator whose diet mainly consists of aquatic insects, such as chironomid midges. In the second chapter, I expanded the view to changes in seasonal and individual-based variation in the diet of M. daubentonii including the relationship between available and observed prey. I found out that chironomids remain the major prey group even though their abundance decreases in proportion to other insect groups. Diet varied a lot between individuals, although the differences were not statistically significant. The third chapter took the study to a large network in Greenland. I showed that Artic food webs are very complex when arthropods are taken into account. In the fourth chapter, I examined the bacterial flora of M. daubentonii and surveyed the zoonotic potential of these bacteria. I found Bartonella bacteria, of which one was described as a new species named after the locality of discovery. I have shown in my thesis that Myotis daubentonii as a predator links many insect species as well as terrestrial and aquatic environments. Moreover, I have exposed that Arctic food webs are complex structures comprising of many densely linked species. Finally, I demonstrated that the bacterial flora of bats includes several previously unknown species, some of which could possibly turn in to zoonosis. To summarize, molecular methods have untied several knots in biological research. I hope that this kind of increasing knowledge of the surrounding nature makes us further value all the life forms on earth.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.

Monitoring Directed Energy Deposition Processes in Additive Manufacturing

The purpose of this study is to find out how laser based Directed Energy Deposition processes can benefit from different types of monitoring. DED is a type of additive manufacturing process, where parts are manufactured in layers by using metallic powder or metallic wire. DED processes can be used to manufacture parts that are not possible to manufacture with conventional manufacturing processes, when adding new geometries to existing parts or when wanting to minimize the scrap material that would result from machining the part. The aim of this study is to find out why laser based DED-processes are monitored, how they are monitored and what devices are used for monitoring. This study has been done in the form of a literature review. During the manufacturing process, the DED-process is highly sensitive to different disturbances such as fluctuations in laser absorption, powder feed rate, temperature, humidity or the reflectivity of the melt pool. These fluctuations can cause fluctuations in the size of the melt pool or its temperature. The variations in the size of the melt pool have an effect on the thickness of individual layers, which have a direct impact on the final surface quality and dimensional accuracy of the parts. By collecting data from these fluctuations and adjusting the laser power in real-time, the size of the melt pool and its temperature can be kept within a specified range that leads to significant improvements in the manufacturing quality. The main areas of monitoring can be divided into the monitoring of the powder feed rate, the temperature of the melt pool, the height of the melt pool and the geometry of the melt pool. Monitoring the powder feed rate is important when depositing different material compositions. Monitoring the temperature of the melt pool can give information about the microstructure and mechanical properties of the part. Monitoring the height and the geometry of the melt pool is an important factor in achieving the desired dimensional accuracy of the part. By combining multiple different monitoring devices, the amount of fluctuations that can be controlled will be increased. In addition, by combining additive manufacturing with machining, the benefits of both processes could be utilized.

Magnetophotoresistance in Pr 1–x CaxMnO3 Thin Films

In this work, a colossal magnetoresistive (CMR) Pr1−xCaxMnO3 (PCMO) man- ganite thin films and polycrystalline samples were studied with the main focus on the properties of the insulator to metal Mott phase transition. The polycrystalline PCMO samples were fabricated with the solid state reaction method. The polycrystalline sam- ples were further processed into the epitaxial thin films with the pulsed laser deposition method (PLD). The structural and magnetic properties of the samples were systemat- ically investigated and the thin films samples were further investigated with magneto- transport measurement where the thin films response to illumination was also studied. After the successful synthesis of polycrystalline PCMO samples with varying x = between 0.0 - 0.5, the magnetic characterization of the samples showed rich magnetic properties having the signatures of the magnetic phase coexistence of antiferromag- netic (AFM) and ferromagnetic (FM) ordering and cluster glass behaviour. With the increased doping concentration from x = 0.3 to 0.5, the AFM charge-order (CO) phase started to form up being strongest on the sample x = 0.5. This AFM CO phase could be melted with the high external magnetic field at temperatures below Neel’s tempera- ture TN inducing an irreversible first order metamagnetic AFM to FM phase transition. The strength of the AFM CO phase decreased with decreasing Ca concentration and increasing temperature. The polycrystalline PCMO samples with Ca concentrations of 0.3 - 0.5, showing metamagnetic behaviour, were selected for the fabrication of the thin film samples. The films were grown using two different in situ oxygen treatment temperatures at 500 ◦C and 700 ◦C in the PLD system. The films with x = 0.4 and 0.5 showed weaker AFM CO phase with greatly reduced melting fields when compared to polycrystalline samples. Also, the robustness of the AFM CO phase was further decreased in thin films with the lower oxygen treatment temperature of 500 ◦C. The magneto-transport measurements made on the thin films showed that the melting of AFM CO phase was connected to CMR effect where the increasing magnetic field induced an insulator to metal phase transition, which reduces the resistivity of the film around nine orders of magnitude. The use of illumination during the magneto-transport measurements showed a vari- ety of intriguing phenomena including magnetophotoresistance. The illumination had a huge effect to the insulator to metal transition (IMT) reducing the transition magnetic field significantly. Moreover, by magnetically biasing the thin films with the constant external magnetic field, the IMT could be induced by switching on the illumination.