Kandidaatintyön tarkoituksena oli käydä läpi eri REE-malmien rikastuksissa käytettävät menetelmät. Työssä kerrotaan perusmenetelmien teoriat ja yleisimmät tekniikat REE-mineraalien rikastuksessa. Menetelmien kuvauksissa on käytetty lähteenä mineraalitekniikan perusteoksia. Rikastusmenetelmiä käytetään useissa eri tekniikoissa, jotka ovat kehittyneet ajan saatossa. Työssä on pyritty keskittymään erityisesti REE-rikastuksessa käytettäviin sovelluksiin. REEn kriittisyys on noussut viime vuosina pinnalle, sillä Kiina ilmoitti viennin rajoituksista. Kiina on ylivoimaisesti suurin REEn tuottaja, mutta rajoitusten vuoksi muiden maiden tulisi pystyä kasvattamaan tuotantoa. Tuottajamaiden täytyisi kehittyä hyödyntämään esiintymät paremmin, kehittämällä tuottavampia rikastusmenetelmiä tai kierrättämällä metallit uusiokäyttöön. Harvinaisten maametallien erottaminen on usein hankalaa ja niiden rikastaminen kannattavasti on haastavaa. Rikastuksen vaikeuteen vaikuttaa malmien monimutkainen koostumus sekä radioaktiivisten aineiden esiintyminen samoissa malmeissa.

Peräkkäinen perjodaatti-kloriittihapetus on osoittautunut toimivaksi esikäsittelymenetelmäksi valmistettaessa selluloosananofibrillejä. Menetelmässä valkaistu selluloosamassa hapetetaan ensin natriumperjodaatilla dialdehydiselluloosaksi ja sen jälkeen natriumkloriitilla dikarboksyyliselluloosaksi. Kloriittihapetusvaihe vaatii menetelmän mukaisesti pitkän 48 tunnin reaktioajan ja huomattavan ylimäärän kloriittia suhteessa selluloosan aldehydimäärään. Tässä työssä tutkitaan, miten natriumkloriitin määrän vähentäminen ja reaktioajan lyhentäminen vaikuttavat karboksyyliryhmien määrään dikarboksyyliselluloosassa. Teoriaosiossa käsitellään selluloosan rakennetta, ominaisuuksia ja siitä muodostuvia suurempia rakenteita, fibrillejä. Lisäksi perehdytään selluloosan kemiallisiin reaktioihin. Työn kokeellisessa osiossa tutkitaan kloriittihapetusta kahdella koesarjalla, joista ensimmäisessä tarkastellaan natriumkloriitin ylimäärän vaikutusta karboksyyliryhmien ja jäännösaldehydin määrään 60 minuutin reaktioajalla. Toisessa koesarjassa varmistetaan ensin propionaldehydin toimivuus reaktion pysäyttäjänä ja tuotetaan näytesarja, jossa käytetään 2,5-kertaista natriumkloriitin ylimäärää ja lyhennetään reaktioaikaa 60 minuutista 15 sekuntiin. Tuloksista nähdään näytteiden karboksyyliryhmien määrän pienenevän selkeästi, kun kloriitin ylimäärää reaktiossa vähennetään. Samalla jäännösaldehydin määrä lisääntyy teorian mukaisesti, molempien summan pysyessä lähes vakiona. Kloriittihapetus osoittautuu huomattavasti oletettua nopeammaksi reaktioksi, sillä jo neljässä minuutissa karboksyyliryhmien määrä saavuttaa yli 70 % tason verrattuna dialdehydiselluloosan kokonaisaldehydimäärään. Huomionarvoinen piirre reaktiossa on karboksyyliryhmäpitoisuuden vakiintuminen lähes samalla tasolle ainakin 60 minuuttiin asti. Dikarboksyyliselluloosan karboksyyliryhmien määrään on mahdollisesti helpointa vaikuttaa natriumkloriitin ylimäärän avulla, käyttäen samalla kohtuullisen pitkiä reaktioaikoja.

Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan kuonan viskositeetin ja rajapintaominaisuuksien määrittämiseen käytettäviä menetelmiä ja niihin tarvittavia laitteistokokonaisuuksia. Tavoitteena on esitellä tänä päivänä yleisesti käytössä olevia menetelmiä ja selvittää tutkimuslaitteistojen eri osien toimintaperiaatteet ja käyttö. Työssä käydään läpi jokaisen laitteen ja menetelmän eri työvaiheet siten, että lukija ymmärtää millä tavoin laitteisto toimii käytännössä. Työssä kerrotaan myös minkälaisia yleisiä ongelmia eri menetelmien käytössä on ja millä tavoin ne pyritään minimoimaan tutkimuksissa. Lukija johdatellaan aiheeseen käymällä läpi silikaattikuonien rakenne ja niiden muodostumisperiaate yleisellä tasolla. Tarkoituksena on myös selventää miksi kuonan viskositeetin ja rajapintaominaisuuksien tutkimus on tärkeää erityisesti tuotteen laadun ja prosessin tehokkuuden kannalta. Yhteenveto kappaleessa selvitetään myös lyhyesti koejärjestelyjen mahdollisia eroavaisuuksia ja miten ne vaikuttavat käytettävän tutkimusmenetelmän valintaan Aineisto on koottu hyödyntämällä kuonan tutkimukseen liittyviä artikkeleita ja alaan liittyviä tutkimusraportteja. Työhön on koottu artikkeleiden avulla tiivis esittely tutkimusmenetelmistä siten, että lukija saa helposti käsityksen menetelmien käytöstä ja ominaisuuksista.

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuusselvitys, joka käsittelee terässulaan liuenneen magnesiumin lähteitä sekä magnesiumin vaikutusta teräksessä oleviin epämetallisiin sulkeumiin. Epämetalliset sulkeumat voivat jakaa joko niiden kemiallisen koostumuksen tai mineralogian mukaan. Sulkeumat vaikuttavat terästen ominaisuuksiin, mutta eivät ole aina haitallisia, vaan tietyt sulkeumat voivat myös tehostaa teräksen muokattavuutta. Tässä kirjallisuusselvityksessä tutkittuja terässulaan liuenneen magnesiumin lähteitä ovat kuona, vuorausmateriaalit sekä jotkut sähköteräsprosessissa teräkseen lisättävät seosaineet. Senkkakuonan korkea MgO-pitoisuus voi olla suurin yksittäinen MgO-lähde, kun alumiinisulkeumat reagoivat spinellisulkeumiksi. On havaittu, että sulkeumien MgO-pitoisuus on korkea tilanteissa, joissa kuonan hapetuspotentiaali (eli käytännössä FeO-pitoisuus) on matala ja joissa sekoitus on voimakasta. Sulkeumien poistuminen voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen. Aluksi sulkeumat nousevat ja kiinnittyvät teräs-kuona- rajapinnalle, josta ne sitten liukenevat kuonafaasiin. Sulkeumien muokkaukseen yleisimmin käytetty menetelmä on kalsiumkäsittely. Kalsiumkäsittelyllä oksidi- ja sulfidisulkeumat saadaan muokattua teräksen ominaisuuksien kannalta vähemmän haitalliseen muotoon; esimerkiksi magnesiumia sisältävät spinellisulkeumat pyritään muokkaamaan suliksi kalsiumaluminaateiksi.

Työn tarkoituksena oli tarkastella uusiutuvista resursseista valmistettavien lentopolttoaineiden nykytilannetta ja tulevaisuutta. Lisäksi tarkastelun kohteena olivat tavanomaiset, biopohjaiset liikennepolttoaineet sekä niiden valmistaminen. Myös tavanomaisten liikennepolttoaineiden soveltuvuutta ilmailuun tarkasteltiin ominaisuuksien sekä ympäristövaikutusten näkökulmasta. Tarkastelussa otettiin huomioon monia aspekteja, kuten raaka-ainevarannot, valmistettavuus ja soveltuvuus käyttöön nykyisellä teknologialla. Polttoaineiden käyttö on noussut tarkastelun aiheeksi maailmanlaajuisesti fossiilisten luonnonvarojen vähentymisen ja maa- sekä ilmailuliikenteen kasvamisen myötä. Nyky-yhteiskunnassa ilmailu on kasvavissa määrin suosituin liikkumismenetelmä, etenkin mantereiden välillä liikuttaessa. Näin ollen myös lentopolttoaineiden kulutus kasvaa jatkuvasti. Luonnonvarojen riittämättömyys on ajanut yhteiskunnan tilanteeseen, missä on välttämätöntä kehittää uusia polttoaine vaihtoehtoja. Biopohjaiset polttoaineet ovat verrattain uusi, kasvava tieteenala. Uusia ratkaisuja ja ideoita syntyy siis jatkuvasti.

Kunnallisen aktiivilietteen laskeuttamisessa voidaan käyttää koagulantti- tai flokkulanttikäsittelyä tai näiden yhdistelmäkäsittelyä. Yleisesti käytössä olevat koagulantit ovat metallisuoloja ja flokkulantit öljypohjaisia synteettisesti valmistettuja polymeerejä. Metallisuolojen yksittäiskäytön ongelmana on syntyvän lietteen määrä ja puhdistettuun veteen jäävät metalli-ionijäämät. Polymeerien käytön ongelmana on niiden öljypohjaisuus ja valmistustapa. Niiden raaka-aine on uusiutumaton, ne ovat heikosti biohajoavia ja ne voivat sisältää terveydelle vaarallisia monomeerejä ja lisäaineita. Yhdistelmäkäsittelyllä voidaan käytännössä poistaa metallisuolojen aiheuttamat ongelmat, mutta se tuo mukanaan synteettisten polymeerien käyttöön liittyvät ongelmat. Työn tavoitteena oli tutkia, voitaisiinko kationisilla nanoselluloosilla korvata nykyiset yleisesti käytössä olevat vedenpuhdistuskemikaalit kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa. Nanoselluloosat ovat uusiutuvia ja täysin biohajoavia, mikä poistaisi nykyisten synteettisten polymeerien ongelmat. Tutkimuksessa tarkasteltiin lietteen laskeutumis- ja tiivistymisominaisuuksia. Biolietteelle tehtiin koagulantti/flokkulanttikäsitely, jonka jälkeen mitattiin sen lieteindeksi ja tehtiin lumifuge-analyysit. Lumifuge-analyyseillä tutkittiin kirkasteen valonläpäisevyyttä ja lietteen paisuntaa. Laskeutuneen lietteen päältä pipetoidulle kirkasteelle tehtiin sameus- ja COD-mittaukset. Valonläpäisy- ja sameusmittauksien perusteella ferrisulfaatilla ja nanoselluloosilla saatiin muodostettua yhtä tiiviit lietekakut jo pienimmillä pitoisuuksilla. Ferrisulfaatti ei kuitenkaan onnistunut poistamaan näillä tai suuremmillakaan pitoisuuksilla yhtä tehokkaasti orgaanista materiaalia. Näiden tulosten perusteella jatkotutkimusten tekeminen olisi kannattavaa, koska nanoselluloosat voisivat näiden tulosten perusteella olla käyttökelpoisia kunnallisen jäteveden puhdistuksessa.

Tässä työssä tutkitaan raepuhallusprosessin optimointia. Työn teoriaosuudessa käydään läpi prosessin tehokkuuteen vaikuttavat asiat hyvin laajasti. Lisäksi työssä tutkitaan käytännön tasolla prosessin merkittävimpien muuttujien vaikutusta tehokkuuteen. Työn tuloksien pohjalta luotiin työkalu Excel:llä, jolla voidaan ennustaa prosessin tehokkuutta. Tämän lisäksi työkalua voidaan käyttää hyväksi olemassa olevan prosessin tehokkuuden määrittämiseen. Työkalu on luotu Blastman Robotics Ltd:n robotin käyttöä varten, mutta sen tulokset ovat yhtälailla pitäviä perinteisessä manuaaliraepuhalluksessa. Työn tilaajana toimi Blastman Robotics Ltd. Yritys valmistaa raepuhallusrobotteja raskaan teollisuuden tarpeisiin. Työssä tutkitaan raepuhallusprosessia yksinomaan ilmakäyttöisen prosessin näkökulmasta. Prosessin tarkoituksena on puhdistaa metallikappaleita epäpuhtauksista, kuten valssihilseestä ja ruosteesta, pinnoitusta varten. Lisäksi prosessilla pyritään antamaan kappaleen pinnalle vaadittava karheustaso, jotta pinnoite kiinnittyy paremmin. Käytännössä raepuhallusprosesseja on ääretön määrä, joten yhtä selkeää optimia on mahdoton löytää. Työn tutkimuksessa keskitytään kuitenkin prosessiin vaikuttaviin universaaleihin muuttujiin, kuten ilman paineeseen, puhallus etäisyyteen ja suuttimen kokoon. Määrittämällä näiden universaalien muuttujien vaikutusta prosessiin pystyttiin luomaan Excel:ssä malli, joka kykenee ennustamaan prosessin tehokkuutta suhteellisen tarkasti. Käytännössä optimin saavuttaminen tarkoittaa, että työ tehdään mahdollisimman kustannustehokkaasti. Tässä työssä on mitattu muun muassa prosessimuuttujien vaikutus prosessin kestoon, massavirtaukseen ja paineilma kulutukseen. Näiden tietojen kautta voidaan hakea prosessille mahdollisimman kustannustehokas ratkaisu. Käytännön sovellukset sisältävät luonnollisesti eri rajoitteita prosessille. Näitä rajoitteita ovat esimerkiksi aika ja paineilman saatavuus. Nämä rajoitteet voidaan ottaa huomioon työkalussa, joten ennusteen luotettavuuteen vaikuttaa tieto prosessin rajoituksista. Työkalun testaus on osoittanut sen toimivuuden. Työn testaukset suoritettiin Kajaanissa Katera Steel Oy:n tiloissa. Testeissä käytettiin Blastman Robotics:n B20S-robottia. Testauksissa määritettiin prosessin tehokkuutta eri puhallusparametreilla. Lisäksi testauksissa mitattiin parametrien vaikutus prosessin massavirtaukseen ja ilman kulutukseen. Massavirtaus määritettiin asettamalla puntari hiekkakellon alle ja kirjaamalla kellon painon muutos viiden sekunnin välein taulukkoon viiden minuutin ajan. Ilman kulutus määritettiin CS Instrumentsin VA 400 -tilavuusvirtausmittarin avulla. Työssä saadut tulokset mukailivat hyvin työssä läpikäytyä teoriaa. Työn tuloksien ja testauksien avulla rakennettua Excel-työkalua voidaan käyttää nykyään luotettavasti prosessien tehokkuuden tutkimiseen. Tämä mahdollistaa tietyn raepuhallusprosessin optimin tutkimisen, kun prosessin rajoitukset ovat tiedossa. Työkalu ei kuitenkaan tarjoa täydellistä ennustetta ja siinä on kehitettävää.

Selluloosa on maapallon yleisin polymeeri, sillä se on kasvien pääkomponentti. Selluloosaa on siis saatavilla kaikkialla ja näin ollen raaka-aineena sen saatavuus olisi alueellisesti lähes riippumatonta. Ihminen on aina osannut hyödyntää selluloosaa ja nyt sille halutaan löytää uusia sovelluskohteita. Joka vuosi sitä muodostuu kasveissa suuria määriä, jonka vuoksi se olisi erittäin sopiva tulevaisuuden raaka-aine uusiutuvien ja ympäristöystävällisten tuotteiden valmistukseen. Luonnonkuituna selluloosa on myös kevyt materiaali, jonka avulla esimerkiksi autoteollisuus pystyisi valmistamaan kevyempiä autoja ja näin pienentämään päästöjä. Sopivien valmistusmenetelmien löytäminen voisi tehdä selluloosasta entistä monipuolisemman raaka-aineen, joka voisi korvata uusiutumattomista lähteistä peräisin olevia materiaaleja. Työn tavoitteena oli valmistaa antimikrobista selluloosakomposiittia liuottamalla selluloosa tetraetyyliammoniumhydroksidi-liuottimella, johon oli sekoitettu kurkumiinia. Kurkumiinin oli tarkoitus antaa selluloosalle antimikrobisia ominaisuuksia, kuitenkaan näitä ominaisuuksia ei saatu valmiiseen komposiittiin. Selluloosakomposiitille saatiin kuitenkin hyviä ominaisuuksia, kun sitä liuotettiin tällä uudella liuottimella, joka ei asettanut liuotusprosessille niin suuria vaatimuksia kuin perinteiset liuottimet. Tällä uudella liuottimella oli mahdollista liuottaa selluloosaa laboratorio-olosuhteissa normaalissa ilmanpaineessa ja huoneenlämpötilassa. Perinteisesti selluloosan liuottamiseen käytetyt liuottimet ovat vaatineet lämpötilan ja paineen säätämistä. Liuotuskokeiden jälkeen mitattiin liuotettujen selluloosa-arkkien vetolujuudet, jonka jälkeen saatuja tuloksia voitiin verrata perinteisillä liuottimilla saatuihin tuloksiin. Liuotuskokeita tehtiin neljälle eri mittaiselle liuotusajalle. Kokeissa havaittiin, ettei käytettyjen liuotusaikojen pituudella ollut merkitystä selluloosakomposiitin lujuusominaisuuksiin. Työssä käytetty selluloosakomposiitin valmistusmenetelmä oli huomattavasti yksinkertaisempi kuin mitä aiemmin on tehty. Kokeista saadut tulokset olivat erittäin lupaavia ja tämän vuoksi käytettyä menetelmää kannattaisi vielä tutkia. Koska liuotusajan pituudella ei näyttänyt olevan vaikutusta lujuusominaisuuksiin, voitaisiin tulevissa kokeissa selluloosan liuotusaikaa lyhentää. Mahdollisimman lyhyt liuotusaika lisäisi menetelmän soveltuvuutta myös teollisen mittakaavan valmistusmenetelmäksi, jos pelkkä selluloosan kastelu liuottimessa voisi riittää.

Kandidaatintyössä käsitellään puun pienpolttoa ja siihen käytettäviä teknologioita. Työssä esitellään puun käyttöä polttoaineena, millaisia erilaisia puupolttoaineita on, puun palamista, sen vaiheita ja siitä aiheutuvia päästöjä. Työssä arvioidaan myös pienpolttoon käytettävien laitteiden etuja ja haittoja sekä niistä aiheutuvia päästöjä. Puun pienpoltto kuvataan kirjallisuuteen pohjautuen ja esitellään kirjallisuudesta löytyviä pienpolton mahdollisuuksia nykyhetkessä ja tulevaisuudessa. Työssä kartoitetaan pienpolton nykytilannetta Suomessa, ja esitellään nykyaikaisia teknologioita, joita olisi mahdollista ottaa käyttöön myös Suomessa. Myös nykyaikaisten teknologioiden ja älykkäämpien säätöjärjestelmien käyttöönoton tuomia etuja puun pienpoltossa pohditaan.

Käänteisosmoosi on eniten kasvussa oleva suolanpoistomenetelmä. Se on energiatehokkaampi kuin termiset erotusmenetelmät, minkä vuoksi siitä on tullut kehityksen myötä niiden kanssa kilpailukykyinen. Tänä päivänä lähes 50 % vesienkäsittelylaitoksista maailmassa käyttää käänteisosmoosia suolanpoistossa. Sillä saadaan tuotettua erittäin puhdasta, lähes ionivapaata vettä niin suolaisesta merivedestä, kuin myös haastavista teollisuuden jätevesistä. Työssä selvitetään, mitä käänteisosmoosikalvojen likaantuminen tarkoittaa, kuinka se voidaan todeta ja millä mekanismeilla se tapahtuu. Aihetta käsitellään käänteisosmoosin teoriasta ja syöteveden laadun vaikutuksista lähtien. Lisäksi käydään läpi esikäsittelymenetelmiä sekä muita keinoja, joilla likaantumista voidaan ehkäistä. Lopuksi paneudutaan CIP-pesuun liittyviin periaatteisiin siitä näkökulmasta, kuinka pesulla saavutetaan paras tulos. Tiedot perustuvat kirjallisuus- ja internetlähteisiin sekä tekijän omaan kokemukseen käänteisosmoosista, ja siihen liittyvistä haasteista. Syöteveden sisältämät epäpuhtaudet aiheuttavat kalvojen likaantumista, jolla tarkoitetaan suodatinkalvojen huokosten, tai kalvopinnan tukkeutumista suodatettavista epäpuhtauksista. Se on tärkeimpiä käänteisosmoosiin liittyviä haasteita ja kehityskohteita. Syötevettä tulee esikäsitellä erilaisin menetelmin ennen sen syöttämistä käänteisosmoosikalvoille. Menetelmät voidaan jakaa mekaaniseen ja kemialliseen esikäsittelyyn. Mekaanisia menetelmiä ovat esimerkiksi membraanisuodatukset, ja kemiallisia esimerkiksi pH:n säätö ja desinfiointi. Kalvojen likaantumista voidaan estää myös käyttämällä kiteytymistä estäviä antiskalantteja sekä esimerkiksi suodatinkalvon pinnan ominaisuuksia muokkaamalla. Likaantumisen toteamiseen ja analysointiin on olemassa erilaisia keinoja, kuten erilaiset mikroskopiamenetelmät. Käänteisosmoosissa epäpuhtaudet voidaan jakaa neljään kategoriaan, joita ovat 1) kemiallinen likaantuminen, 2) kiintoaineet ja kolloidinen likaantuminen, 3) biologinen likaantuminen ja 4) orgaaninen likaantuminen. Likaantuminen aiheuttaa suodatuksen suorituskyvyn laskemista. Kalvojen likaantuminen on mahdotonta estää täysin, minkä vuoksi RO-kalvoja puhdistetaan CIP-kemikaalipesulla. Näin heikentynyt permeaattivirtaus saadaan palautettua ja kohonnutta painehäviötä laskettua. CIP-pesun tulosten optimoimiseksi tulee suunnitella oikeanlainen pesumenetelmä likaantumistyypin mukaan. Puhdistaminen perustuu kemiallisiin reaktioihin epäpuhtauksien ja pesukemikaalin välillä. Hapoilla saadaan poistettua saostuneet suolat, kun taas emäs tehoaa kolloidiseen, biologiseen ja orgaaniseen likaantumiseen. Liuoksen valinnan lisäksi pesun parametrit, kuten esimerkiksi liuoksen konsentraatio ja virtausnopeus tulee optimoida. / Reverse osmosis (RO) is the most growing technology for desalination of water. It is more energy efficient compared to thermal methods. Today almost 50 % of desalination plants uses RO as the method for water treatment. The product water or permeate of RO is very pure, almost ion-free water. Feed waters can as well be salty seawater or challenging industrial wastewater. This paper will discuss what the fouling of RO membranes means, how it can be identified and monitored, and what are the mechanisms behind it. The subject will be discussed starting from the theory of reverse osmosis and the impact of the feed water quality. In addition, the pretreatment methods and some other ways to prevent fouling are discussed. To conclude the principles of CIP-cleaning are discussed. This is done from the point of view of how the best results of cleaning are achievable. The information is based on literature and internet sources as well as the authors own experiences about reverse osmosis and challenges related to it. The impurities in the feed water cause membrane fouling, which is defined as blocking of the pores or the membrane surface. Fouling is one of the most important challenges and targets of development related to reverse osmosis. To avoid fouling feed waters must be pretreated before they are fed into reverse osmosis. Pretreatment methods can be divided into mechanical and chemical methods. Most developed mechanical pretreatment methods are membrane filtrations, such as ultrafiltration (UF). Chemical pretreatment can include for example pH adjustment and disinfection. Fouling of the membranes is also possible to prevent by using antiscalants that inhibit the formation of scales and for example by modifying the properties of the membrane surface. There are different ways to identify and analyze ongoing fouling, such as different microscopy methods. Fouling in RO can be divided into four categories. Those are 1) inorganic scaling, 2) particulate and colloidal fouling, 3) biofouling and 4) organic fouling. All types of fouling cause a decrease in the performance of RO membranes. Fouling of the membranes can’t be avoided completely, so the membranes have to be regenerated by CIP-cleaning using chemicals. The cleaning procedure must be designed by the type of fouling occurred to optimize the restoration of decreased performance of the membranes. Cleaning is based on chemical reactions between the fouling layer and the cleaning chemicals. Acids can remove the inorganic salts while caustics can remove colloidal, biological and organic fouling. Selection of the right solution is of most importance but in addition the cleaning parameters such as concentration of the solution and flow velocity must be optimized.