Effect of anionic salts in concentrate mixture on some blood and urine minerals, acid-base balance and feed intake of dry pregnant cows on grass silage based feeding with high calcium intake

Selostus: Kationi-anionitasapaino ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa kalsiumin saannin ollessa runsas

Effect of anionic salts in concentrate mixture and calcium intake on some blood and urine minerals, acid-base balance and feed intake of dry pregnant cows on grass silage based feeding

Selostus: Kationi-anionitasapaino ja kalsiumin saanti ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa

Effect of anionic salts in concentrate mixture and magnesium intake on some blood and urine minerals and acid-base balance of dry pregnant cows on grass silage based feeding

Selostus: Kationi-anionitasapaino ja magnesiumin saanti ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa

Photocatalytic oxidation of humic substances and lignins in aqueous solutions

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kahden yleisen, veden ympäristökuormitusta aiheuttavan kemikaaliryhmän, ligniinin ja humusaineiden, fotokatalyyttistahapetusta (photocatalytic oxidation, PCO) vesiliuoksessa. Fotokatalyyttina käytettiin titaanidioksidia, jota säteilytettiin ultraviolettivalolla. Työssä selvitettiin useiden eri olosuhdeparametrien vaikutusta fotokatalyysiin. Tutkittavia parametreja olivat mm. kontaminanttien alkukonsentraatio, pH, vetyperoksidilisäys, rauta-ionien lisäys, fotokatalyysimenetelmä, fotokatalyytin pintakonsentraatioja titaanidioksidin määrä lasisissa mikropartikkeleissa. Ultraviolettivalon lähteinä käytettiin sekä keinovaloa että auringonvaloa. Katalyytin kantoaineena käytettiin huokoisia lasisia mikropartikkeleita, joiden pintaan kiinnittynyt titaanidioksidi pystyi hyvin vähentämään kontaminanttien määrää vedessä. Fotokatalyysin tehokkuus kasvoi humusaine- ja ligniinikonsentraatioiden kasvaessa. Korkeimmat hapetustehokkuudet kumallakin kontaminantilla saavutettiin neutraaleissa jalievästi emäksisissä olosuhteissa huolimatta siitä, että paras adsorboituminen tapahtui happamissa olosuhteissa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että humusaineiden ja ligniinin hapetus tapahtuu pääosin radikaalimekanismilla. Vetyperoksidin lisääminen humusaineliuokseen lisäsi hapettumisnopeutta, vaikka näennäinen hapetustehokkuus ei muuttunut. Tämän perusteella vetyperoksidi hapetti myös humusaineita referenssinäytteessä. Ligniinin fotokatalyyttinen hapettuminen parani vetyperoksidilisäyksellä happamissa olosuhteissa johtuen lisääntyneestä OH-radikaalien muodostumisesta. Ligniini ei hapettunut vetyperoksidilla, jos fotokatalyyttiä ei¿ollut läsnä. Rauta-ionit eivät lisänneet humushappojen fotokatalyyttistähapettumista, mutta Fe2+-ionien lisäys aina konsentraatioon 0.05 mM johti ligniinin hapettumistehokkuuden voimakkaaseen kasvuun. Rauta-ionikonsentraation kasvattaminen edelleen johti ligniinin hapetustehokkuuden alenemiseen.

Epäpuhtauksien vaikutus monokaliumfosfaattikiteen kasvuun

Työssä on tutkittu epäpuhtauksien vaikutusta kastelulannoitesuolojen monokaliumfosfaatin, kaliumnitraatin ja ureafosfaatin kiteytyksessä. Kirjallisuusosassa on käsitelty kastelulannoiteprosessit ja epäpuhtauksien vaikutus kastelulannoitteiden valmistuksessa. Kiteytys ja kiteenkasvu on esitetty perusyhtälöin, joissa on otettu epäpuhtauksien vaikutus huomioon. Tarkemmin on perehdytty monokaliumfosfaatin kiteytykseen ja kolmenarvoisten kationeiden, Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutukseen kiteiden kasvuun. Kolmenarvoiset metalli-ionit adsorboituvat kiteen pintaan haitaten kiteenkasvua, mikä vaikuttaa erityisesti kiteen prismapinnan kasvuun. Lisäksi on esitelty muita kiteenkasvuun vaikuttavia olosuhteita. Lopuksi on käsitelty kompleksinmuodostajia metalli-ionien haitallisten vaikutusten ehkäisijöinä. Kokeellisessa osassa suoritettiin liukoisuuskokeita monokaliumfosfaatin liukoisuuden selvittämiseksi eri pH-olosuhteissa. Suoritetuissa yksikidekokeissa tutkittiin pH:n ja kolmenarvoisten kationeiden; Al3+, Fe3+ ja Cr3+, vaikutus monokaliumfosfaattikiteen pituus- ja leveyskasvuun ja kidemuotoon eri ylikylläisyyksillä. Lisäksi tutkittiin voidaanko lämpötilaa ja pH muuttamalla tai pyrofosfaattia lisäämällä poistaa raudan kasvua inhiboima vaikutus. Kiteytyslämpötilaa nostamalla voidaan poistaa raudan haitallinen vaikutus kiteen kasvuun.

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Sinkkirikasteen suoraliuotusreaktorin kehittäminen

Hydrometallurgiseen sinkinvalmistusprosessiin kuuluu yleensä pasutus, liuotus, puhdistus ja elektrolyysi. Sinkkirikasteen suoraliuotusmenetelmässä sinkkisulfidi liuotetaan suoraan ilman pasutusta. Suoraliuotusprosessissa prosessiliuokseen lietettyä sinkkisulfidia syötetään liuotusreaktoriin, jossa on liuottimena rikkihappoa. Sinkkisulfidi reagoi ferrisulfaatin kanssa muodostaen sinkkisulfaattia ja ferrosulfaattia, ja samalla rikki hapettuu alkuainerikiksi. Ferro-ionit hapetetaan takaisin ferri-muotoon syöttämällä reaktoriin happea. Tämän työn tarkoituksena oli löytää uudentyyppinen, edullisempi reaktori sinkkirikasteen suoraliuotukseen. Suunnittelussa pyrittiin kehittämään mahdollisimman monipuolinen koereaktori, jota voidaan hyväksikäyttää useiden suoraliuotuksen ilmiöiden, esimerkiksi hapen liukenemisen, tutkimiseen. Reaktori mitoitettiin pilot-laitteiston kokoiseksi. Valmiilla koelaitteistolla tehtiin lyhyt sarja kokeita ja jo niiden perusteella pystyi havaitsemaan reaktorin toimivan hyvin. Kokeiden päätarkoituksena oli testata laitteiston toimivuutta ja soveltuvuutta sinkkirikasteen liuotukseen. Työhön kuului myös kehitetyllä reaktorilla myöhemmin suoritettavan koetoiminnan suunnittelu.

Arvometallien liuospuhdistus jatkuvatoimisella ioninvaihdolla

Työn tarkoituksena oli tutkia arvometalleja sisältävän liuoksen puhdistamista jat-kuvatoimisella ioninvaihdolla. Teoriaosassa käsitellään ioninvaihdon periaate, sekä jatkuvatoimisen ioninvaihdon laiteratkaisuja ristivirta- ja vastavirtasysteemeissä. Lopuksi esitellään Simuloidun liikkuvapedin (SMB) virtausnopeuksien laske-miseksi käytettävä kolmiomenetelmä. Kokeellisen osan tarkoituksena on demonstroida laboratorioon rakennetun jatku-vatoimisen ioninvaihtimen, Simuloidun liikkuvapedin, käyttö arvometallia sisäl-tävän liuoksen puhdistamiseksi kahdenarvoisista metalli-ioneista. Kokeissa käy-tettiin hopeaa sisältävää NaCl-liuosta, josta pyrittiin puhdistamaan Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionit ekstraktina. Laitteistolla suoritettiin kolme ajoa, joista kaksi edusti vastavirtasysteemiä ja yksi ristivirtasysteemiä. Ensimmäisessä vastavirta-ajossa sekä ekstrakti että raffinaattin erottuva hopealiuos tulivat puhtaina. Toisessa vastavirta-ajossa pyrittiin parantamaan tuottavuutta nostamalla syötön virtausnopeutta, jolloin raffinaatin puhtaus kärsi Pb2+ ja Mg2+-ionien kulkeutuessa liuosfaasin mukana raffinaattiin. Ristivirta-ajossa vain yksi kolmesta raffinaatista saavutti 100 % puhtauden. Kokeet osoittivat, että Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionien erottaminen hopeaionista on mahdollista käyttämällämme SMB-laitteistolla. Tuottavuuden parantaminen syötön virtausnopeutta nostamalla kuitenkin heikentää puhtautta. Cross-flow-systeemin erilleenkytkettyjen kolonnien ansioista painehäviö on pienempi, mikä mahdollistaa korkeammat virtausnopeudet, mikäli ei vaadita 100 % puhtautta.

Electrochemical Treatment of Wastewaters

Electrocoagulation is a process in which wastewater is treated under electrical current. Coagulant is formed during the process through the metal anode dissolution to respective ions which react with hydroxyl ions released in cathode. These metal hydroxides form complexes with pollutant ions. Pollutants are removed among metal hydroxide precipitates. This study was concentrated on describing chemistry and device structures in which electrochemical treatment operations are based on. Studied pollutants were nitrogen compounds, sulphate, trivalent and pentavalent arsenic, heavy metals, phosphate, fluoride, chloride, and bromide. In experimental part, removal of ammonium, nitrate, and sulphate during electrochemical treatment was studied separately. Main objective of this study was to find suitable metal plate material for ammonium, nitrate, and sulphate removal, respectively. Also other parameters such as pH of solution, concentration of pollutant and sodium chloride, and current density were optimized. According to this study the most suitable material for ammonium and sulphate removal by electrochemical treatment was stainless steel. Respectively, iron was the optimum material for nitrate removal. Rise in the pH of solution at the final stage of electrochemical treatment of ammonium, nitrate, and sulphate was detected. Conductivities of solutions decreased during ammonium removal in electrochemical processes. When nitrate and sulphate were removed electrochemically conductivities of solutions increased. Concentrations of residual metals in electrochemically treated solutions were not significant. Based on this study electrochemical treatment processes are recommended to be used in treatment of industrial wastewaters. Treatment conditions should be optimized for each wastewater matrix.

Vedenkäsittelyjärjestelmän suunnittelu ja toteutus

Luonnonvedet sisältävät monenlaisia epäpuhtauksia, jotka aiheuttavat ongelmia käytettäessä vettä voimalaitoksissa. Kattilakiveä aiheuttava veden kovuus on yksi tärkeimmistä epäpuhtauksista, joten sen poistaminen on ensisijaista. Partikkelikooltaan suurimmat epäpuhtaudet saadaan poistettua mekaanisesti, mutta pienimpien poistamiseen tarvitaan kemiallisia menetelmiä. Kemiallisista menetelmistä tärkein on ioninvaihto. Ioninvaihdossa vaihdetaan vedessä olevien suolojen positiiviset metalli-ionit vetyioneihin ja negatiiviset epämetalli-ionit hydroksyyli-ioneihin. Näiden reagoidessa syntyy puhtaita vesimolekyylejä. Tässä työssä esitellään Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikköön vuonna 2011 rakennetun vedenkäsittelylaitteiston suunnittelua ja toteutusta. Vähäisestä kattilaveden tarpeesta johtuen raakavetenä käytetään vesijohtovettä. Vedenpehmennyksen hoitaa Eurowater SM-laitteisto ja täyssuolanpoistoon valittiin Eurowater Silex IIB-laite. Suurin haaste muodostui magneettisille virtausmittareille liian puhtaasta vedestä, koska niiden toiminta vaatii tietyn sähkönjohtavuuden. Tämän korjaamiseksi laitteistoon rakennettiin järjestelmä, joka syöttää suolapitoista pehmennettyä vettä koelaitteelle menevään prosessiveteen.

Käänteisosmoosin esikäsittelymenetelmät

Käänteisosmoosisuodatusta käytetään erityisesti teollisuuden jätevesien loppupuhdistuksessa. Suodatuksen ongelmana on kalvojen likaantuminen ja tukkiutuminen. Tässä työssä on aiempia tutkimuksia hyväksikäyttäen tutkittu käänteisosmoosiin tulevan veden esikäsittelemistä niin, että kalvojen likaantumiselta vältyttäisiin. Menetelmien vertailussa on käytetty erilaisia veden laadusta kertovia parametreja. Ongelmallisimmiksi aineksiksi huomattiin orgaaninen aines ja jotkin veteen liuenneet ionit. Kiintoaineen erottaminen ei ole ollut suuri ongelma, sillä sen saa poistettua tavallisesti käytetyillä rakeissuodatuksella, laskeutuksella, flotaatiolla ja kalvosuodatuksella. Orgaanista ainesta on saatu erotettua erityisesti hapettamalla, aktiivilieteprosessilla ja biologisella aktiivihiilisuodattimella. Mikro- ja ultrasuodatusta käytetään usein juuri ennen käänteisosmoosia poistamaan erityisesti kolloidista materiaalia ja joitain liuenneita ioneja. Flokkien muodostaminen koagulaatiossa ja flokkulaatiossa parantaa lähes kaikkien menetelmien toimivuutta selvästi. Veden puhdistuksessa käytetyt kemikaalit voivat myös liika-annosteltuina liata kalvoja. Vesien pitoisuuksissa eri ainesten osalta on huomattavia eroja, joten puhdistettava vesi on hyvä analysoida etukäteen parhaiden käsittelymenetelmien valitsemiseksi.

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.

Upkonvertoivien nanopartikkelien luminesenssin herkistäminen orgaanisten kromoforien avulla

Upkonvertoivat nanopartikkelit (engl. upconverting nanoparticles, UCNP) ovat lantanidi-ioneja sisältäviä epäorgaanisia leimoja, jotka kykenevät muuntamaan matalaenergisen 980 nm viritysvalon korkeaenergiseksi näkyväksi valoksi. Tämän ominaisuuden avulla mittausalue voidaan erottaa taustahäiriötä aiheuttavasta autofluoresenssista. Lantanidi-ionit kuitenkin absorboivat viritysvaloa heikosti. Partikkelien luminesenssia voidaan parantaa absorboivien ionien määrää lisäämällä, mutta se kasvattaa partikkelin kokoa. Viritysvalon absorptiota voidaan mahdollisesti parantaa kiinnittämällä partikkelien pintaan 808 nm aallonpituudella virittyviä upkonversion luminesenssin herkistimenä toimivia orgaanisia kromoforeja. Kromoforit toimivat valoa tehokkaasti keräävinä antennirakenteina ja virittävät UCNP:n energiansiirron kautta mahdollistaen UCNP:n luminesenssin tehostumisen. Diplomityössä tutkittiin erilaisia tapoja pinnoittaa nanopartikkeli siten, että kromofori voitiin kiinnittää siihen pysyvästi. Tavoitteina olivat myös pinnoitetun partikkelin vesiliukoisuus sekä samanaikaisesti sen suojaaminen veden aiheuttamalta luminesenssin sammuttavalta vaikutukselta. UCNP:n emissio mitattiin spektrofluorometrillä käyttäen 808 nm ja 968 nm lähi-infrapunalasereita virityslähteinä. Työssä kehitettiin kaksi pinnoitusmenetelmää, jotka mahdollistivat partikkelin virittämisen kromoforin kautta 808 nm aallonpituudella. UCNP pinnoitettiin polyakryylihapolla (PAA) tai poly(maleiinianhydridi-alt-1-oktadekaani):lla (PMAO), johon kromofori kiinnitettiin adsorptiolla. Molemmilla menetelmillä valmistettujen partikkelien emissiospektri oli selkeästi mitattavissa. Partikkelien luminesenssi 808 nm viritysaallonpituudella ei kuitenkaan tehostunut verrattuna viritykseen 968 nm laserilla. PMAO-pinnoituksella 808 nm laserilla viritettäessä mitattu signaali oli 2,7 kertaa heikompi ja PAA-pinnoitetun UCNP:n emissio noin 22 kertaa heikompi. Molemmilla menetelmillä valmistetut partikkelit olivat kolloidaalisia vesiliuoksessa, mutta kromoforien avulla herkistetty upkonversio toimi vain käyttämällä liuottimena raskasta vettä.