Abstract Lime precipitation has been used for the treatment of mine water for decades; however, the impact of precipitation conditions is not adequately known. In this thesis, four aspects related to the removal of sulphate from mine water by lime precipitation are considered: the effect of magnesium on lime precipitation, the utilisation of by-products in lime precipitation, enhancement of lime precipitation, and utilisation of the precipitate. Sulphate removal in the presence of magnesium at the commonly used lime precipitation treatment pH of 9.6 was found unefficient as magnesium was keeping the sulphate soluble in the form of magnesium sulphate. At higher treatment pH of 11.5, magnesium that was naturally present in the mine water was shown to precipitate as magnesium hydroxide, which could serve as seed crystals for gypsum or co-precipitate sulphate thus enhancing sulphate removal. Quicklime manufacturing generates by-products that, currently, have few applications. The by-products examined in this study were successfully applied for mine water neutralization replacing commercial lime products. These by-products were found to remove sulphate equally well from the mine water. However, differences between by-products were observed in the consumption, and produced sludge quantities and qualities. An enhanced lime precipitation method is the precipitation as ettringite, which was used to reduce the sulphate content in mine water to less than the value set as the drinking water guideline in Finland. Furthermore, the formed precipitate was found to remove arsenate from the model solution. / Tiivistelmä Vaikka kalkkisaostusta on käytetty kaivosten vesienkäsittelyyn useiden vuosikymmenten ajan, tieto olosuhteiden vaikutuksesta käsittelyn tehokkuuteen sulfaatin poiston osalta on puutteellista. Tämä väitöskirja käsittelee sulfaatinpoistoa kaivosvesistä kalkkisaostuksen avulla neljällä eri osa-alueella: magnesiumin vaikutus kalkkisaostukseen, kalkinpolton sivutuotteiden hyödyntäminen kalkkisaostuksessa, kalkkisaostuksen tehostaminen ja muodostuvan saostuman hyödyntäminen. Magnesiumin todettiin kokeellisesti ja laskennallisesti haittaavan sulfaatin poistoa kaivosvedestä kalkkisaostuksessa yleisesti käytetyssä pH:ssa 9.6 pitämällä sulfaattia liukoisessa muodossa magnesiumsulfaattina. Korkeammassa pH:ssa 11.5 puolestaan kaivosveden luontaisesti sisältämän magnesiumin havaittiin kokeellisesti ja laskennallisesti saostuvan magnesiumhydroksidina, joka voi toimia siemenkiteinä kipsille tai kerasaostaa sulfaattia ja siten tehostaa sulfaatin poistoa. Kalkinpolton sivutuotteina muodostuu jakeita, joille ei tällä hetkellä ole juurikaan käyttökohteita. Tässä työssä käytettiin kalkinpolton sivutuotteita korvaamaan kaupallista kalkkia kaivosveden neutraloinnissa. Sivutuotteet poistivat sulfaattia yhtä tehokkaasti kuin kaupalliset kalkkituotteet. Sivutuotteiden välillä havaittiin eroja niiden kulutuksessa sekä muodostuvan lietteen määrässä ja laadussa. Saostuksella ettringiittinä, joka on tehostettu versio perinteisestä kalkkisaostuksesta, saavutettiin sulfaattipitoisuuden lasku alle Suomessa juomavedelle käytetyn suositusarvon. Lisäksi havaittiin muodostuneen ettringiittisaostuman olevan potentiaalinen materiaali arsenaatin poistoon vedestä.

Abstract The large amounts of industrial wastewaters, contaminated by hazardous and toxic compounds together with ever tightening legislation, have challenged traditional wastewater treatment methods. Therefore, the development of discharge limits under, cost-effective and ecological wastewater treatment has become an essential concern. Catalytic water phase technologies are interesting alternatives for traditional wastewater treatment. Among them catalytic wet air oxidation (CWAO) has been used successfully in the management of various industrial effluents. However, the development of an active and stable catalyst for the severe reaction conditions of CWAO has proved truly challenging. The aim of this thesis was to study the activity and stability of laboratory prepared cerium supported metal catalysts in the catalytic wet air and wet peroxide oxidation of aqueous organic pollutants. Ru supported on Ce-Zr mixed oxides and commercial activated carbon as reference were used in CWAO and catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) of surface plating industry wastewater. Ag/Ce-Zr and Pt/Ce-Ti catalysts were catalyzed CWAO of aqueous solution of bisphenol A (BPA). Both CWAO and CWPO improved the abatement of organic compounds from surface plating industry wastewater when comparing the non-catalytic experiments. Moreover, catalytic oxidation enhanced the biodegradability of organic matter in the wastewaters. According to the results, Pt/Ce-Ti catalysts performed with higher activity in CWAO of BPA than Ag/Ce-Zr catalysts and almost 100% removal of BPA was achieved. The leaching of active metal during oxidation experiments affected the activity of Ag/Ce-Zr catalysts. Moreover, CWAO of BPA was not a surface area specific reaction but the activity of catalysts was related to the chemisorbed oxygen content on the catalysts’ surface. The results of this thesis showed that cerium supported metal catalysts are active and stable catalysts in CWAO of BPA and also in the treatment of industrial wastewater. Therefore, these catalysts could be applied next to pilot scale applications. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet sisältävät usein haitallisia ja myrkyllisiä yhdisteitä, joiden käsittely perinteisillä jäteveden käsittelymenetelmillä on hyvin haastavaa. Lisäksi alati kiristyvä ympäristölainsäädäntö asettaa omat vaatimuksensa jäteveden käsittelylle. Katalyyttiset vedenkäsittelymenetelmät ovat viime vuosina herättäneet paljon kiinnostusta. Yksi lupaavimmista tekniikoista on katalyyttinen märkähapetus, jota on käytetty sekä lukuisten malliaineiden että teollisten jätevesien käsittelyssä. Märkähapetuksen vaativissa reaktio-olosuhteissa aktiivisena säilyvän katalyyttimateriaalin kehittäminen on kuitenkin osoittautunut varsin haasteelliseksi. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli kehittää aktiivisia ja kestäviä ceriumpohjaisia katalyyttimateriaaleja märkähapetusreaktioon. Tutkimuksessa valmistettiin Ru-, Pt- ja Ag-katalyyttejä, jotka impregnoitiin Ce-Zr- ja Ce-Ti-sekaoksideille. Ru/Ce-Zr-katalyyttejä sekä kaupallista aktiivihiiltä vertailumateriaalina käytettiin pintakäsittelyteollisuuden jäteveden märkähapetuksessa ja märkäperoksidihapetuksessa. Bisfenoli A:n (BPA) vesiliuoksen märkähapetusta katalysoitiin sekä Ag/Ce-Zr- että Pt/Ce-Ti-katalyyteillä. Katalyyttisellä märkähapetuksella ja märkäperoksidihapetuksella pintakäsittelyteollisuuden jäteveden orgaanisten yhdisteiden konsentraatio väheni enemmän verrattuna ilman katalyyttiä suoritettuihin hapetuksiin. Lisäksi käsitellyn vesinäytteen biohajoavuusaste nousi eli jäteveden sisältämät orgaaniset yhdisteet olivat hapettuneet helpommin biohajoavaan muotoon. Pt/Ce-Ti-katalyytit olivat Ag/Ce-Zr-katalyyttejä aktiivisempia BPA:n märkähapetusreaktiossa. Pt-katalyyttisessä reaktiossa saavutettiin lähes 100 % reduktio BPA:n pitoisuudessa. Ag-katalyyttien aktiivisuuteen vaikutti hopean osittainen liukeneminen hapetettavaan liuokseen märkähapetusreaktion aikana. Lisäksi havaittiin, että BPA:n märkähapetusreaktiossa katalyytin aktiivisuus oli riippuvainen katalyyttipintaan kemiallisesti sitoutuneen hapen määrästä eikä niinkään katalyytin pinta-alasta. Väitöskirjatutkimuksessa saatujen tulosten perusteella valmistetut ceriumpohjaiset metallikatalyytit olivat aktiivisia ja kestäviä. Katalysoiduissa hapetusreaktiossa sekä BPA:n että pintakäsittelyteollisuuden jäteveden orgaaninen kuormitus pieneni. Siksi valmistettuja katalyyttimateriaaleja voitaisiin tutkia seuraavaksi pilotti-mittakaavan sovellutuksissa.

Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion. / Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden lämpötila- ja faasimuutoskäyttäytymistä sekä estimoidaan mallin reunaehtoja. Näin luotu inversio-ongelma on kuitenkin matemaattisesti tarkasteltuna ns. huonosti asetettu ongelma, ja sen ratkaisemiseksi käytetään iteratiiviseen säännöllistämiseen perustuvaa menetelmää. Väitöstyön inversioanalyysiä havainnollistetaan pilot-mittakaavan kokeiden avulla, joissa hilsepesuria käyttäen koekappaleen jäähtymisnopeus saadaan erittäin korkeaksi. Tulokset nostavat esille inversio-analyysiin liittyviä ongelmia ja rajoitteita nopeaan jäähtymiseen sekä lämpötilamittauksiin liittyen.

Abstract The releases of chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) are controlled by strict regulations setting high demands for the abatement systems. Low temperature catalytic oxidation is a viable technology to economically destroy these often refractory emissions. Catalysts applied in the oxidation of CVOCs should be highly active and selective but also maintain a high resistance towards deactivation. In this study, a total of 33 different γ-Al2O3 containing metallic monoliths were studied in dichloromethane (DCM) and 25 of them in perchloroethylene (PCE) oxidation. The active compounds used were Pt, Pd, Rh or V2O5 alone or as mixtures. The catalysts were divided into three different testing sets: industrial, CVOC and research catalysts. ICP-OES, physisorption, chemisorption, XRD, UV-vis DRS, isotopic oxygen exchange, IC, NH3-TPD, H2-TPR and FESEM-EDS were used to characterise the catalysts. Screening of the industrial catalysts revealed that the addition of V2O5 improved the performance of the catalyst. DCM abatement was easily affected by the addition of VOC or water, but the effect on the PCE oxidation was only minor. Based on these screening tests, a set of CVOC catalysts were developed and installed into an industrial incinerator. The comparison between the laboratory and industrial scale studies showed that DCM oxidation in an industrial incinerator could be predicted relatively well. Instead, PCE was always seen to be oxidised far better in an industrial unit indicating that the transient oxidation conditions are beneficial for the PCE oxidation. Before starting the experiments with research catalysts, the water feed was optimised to 1.5 wt.%. Besides enhancing the HCl yields, water improved the DCM and PCE conversions. In the absence of oxygen, i.e. during destructive adsorption, the presence of water was seen to have an even more pronounced effect on the HCl formation and on the catalysts’ stability. In the DCM oxidation, the addition of the active compound on the catalyst support improved the selectivity, while the enhancing effect on the DCM conversion was only small. The high acidity together with the increased reducibility was seen to lead to an active catalyst. Among the research catalysts Pt/Al2O3 was the most active in the DCM oxidation. With PCE the addition of the active compound proved to be very beneficial also for the PCE conversion. Now Pt and Pd supported on Al2O3-CeO2 were the most active. The enhanced reducibility was seen to be the key feature of the catalyst in PCE oxidation. / Tiivistelmä Klooratuille orgaanisille hiilivedyille (CVOC) on asetettu tiukat päästörajoitukset niiden haitallisten vaikutusten takia. Tästä johtuen myös puhdistusmenetelmien tulee olla tehokkaita. Katalyyttinen puhdistus on teknologia, jolla nämä usein vaikeasti käsiteltävät yhdisteet voidaan taloudellisesti tuhota. Käytettävien katalyyttien tulee olla aktiivisia ja selektiivisiä sekä hyvin kestäviä. Tässä työssä tutkittiin yhteensä 33 erilaista γ-Al2O3-pohjaista hapetuskatalyyttiä metyleenikloridin (DCM) käsittelyssä, niistä 25 testattiin myös perkloorietyleenin (PCE) hapetuksessa. Aktiivisina metalleina katalyyteissä käytettiin platinaa, palladiumia, rhodiumia ja vanadiinia yksin tai seoksina. Katalyytit jaettiin kolmeen ryhmään: teolliset-, CVOC- ja tutkimuskatalyytit. Aktiivisuuskokeiden lisäksi katalyyttejä karakterisoitiin ICP-OES-, fysiorptio-, kemisorptio-, XRD-, UV-vis DRS-, isotooppivaihto-, IC-, NH3-TPD-, H2-TPR- ja FESEM-EDS-pintatutkimusmenetelmillä. Koetulokset osoittivat, että vanadiini paransi teollisuuskatalyyttien aktiivisuutta ja selektiivisyyttä. VOC-yhdisteen tai veden lisäys paransi DCM:n hapettumista, mutta PCE:n hapettumiseen niillä ei ollut vaikutusta. Testien perusteella kehitettiin CVOC-katalyytit, jotka asennettiin teolliseen polttolaitokseen. Laboratoriossa ja teollisuudessa tehdyissä testeissä havaittiin, että DCM:n hapettuminen oli laboratoriokokeiden perusteella ennustettavissa. Sen sijaan PCE hapettui teollisuudessa aina paljon paremmin kuin laboratorio-olosuhteissa. Tämä osoittaa, että muuttuvat hapettumisolosuhteet vaikuttivat positiivisesti PCE:n hapettumiseen. Veden määrä syöttövirrassa optimoitiin 1,5 %:iin ennen tutkimuskatalyyttien testausta. Selektiivisyyden lisäksi vesi paransi DCM:n ja PCE:n konversiota. Hapettomissa olosuhteissa, ts. tuhoavien adsorptiokokeiden aikana, vesi paransi reaktion selektiivisyyttä HCl:ksi ja CO2:ksi vielä entisestään. Tämän lisäksi vesi lisäsi katalyytin stabiilisuutta. DCM:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyttä, mutta sen sijaan vaikutus DCM:n konversioon oli hyvin pieni. Tulokset osoittivat, että aktiivisella DCM:n hapetuskatalyytillä tulee olla korkea happamuus ja hyvä pelkistyvyys. Pt/Al2O3 oli testatuista tutkimuskatalyyteistä aktiivisin. PCE:n hapetuksessa aktiivisen metallin lisäys paransi selektiivisyyden lisäksi huomattavasti myös konversiota. Katalyytin lisääntyneen pelkistymiskyvyn todettiin olevan keskeisin ominaisuus PCE:n hapettumisessa. Pt/Al2O3-CeO2 ja Pd/Al2O3-CeO2 olivat tutkimuskatalyyteistä aktiivisimpia.

Abstract Electrocoagulation (EC) is an emerging technology that combines the functions and advantages of conventional coagulation, flotation, and electrochemistry in water and wastewater treatment. The aims of this work included doing an updated literary review of recent feasible applications of EC, which were found to be plentiful. Since the economic and practical operational key figures related to EC haven’t been extensively mapped out before, this was a prime objective of this part of the work. The aim of the next part of this work was to find new feasible applications for EC in the treatment of water and wastewater. The studied wastewaters included bio- and synthetic oil-in-water emulsions, various industrial nutrient-containing wastewaters, and peat bog drainage water containing humic substances (an interesting and topical problem, especially in Finland). These studies proved the feasibility of EC. In addition, larger-scale experiments were also conducted successfully, thus proving the scalability of the EC process. Extensive economic analyses of the studied EC applications were also done. The operational costs and energy consumption of EC were found to be very low—typically about 0.1–1.0 €/m3 and 0.4–4.0 kWh/m3. It has been forecasted that in the future there will be a shortage of virgin phosphorus. Therefore, another essential purpose of this work was to conduct a preliminary study on the feasibility of using EC for nutrient (especially phosphorus, but also nitrogen) removal and recovery from different types of real wastewater. Specifically, it may be possible to use EC sludges containing notable amounts of phosphorus and nitrogen as additives in granulated bio ash-based fertilizer products for various applications. This is a novel idea and a “hot topic” in the waste utilization sector and in circular and bioeconomy. / Tiivistelmä Elektrokoagulaatio (electrocoagulation, EC) on nosteessa oleva teknologia, joka yhdistää perinteisen koagulaation, flotaation ja sähkökemian hyödyt ja mahdollisuudet vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tämän työn ensimmäisenä tavoitteena oli laatia kirjallisuuskatsaus EC:n viimeaikaisista käyttökelpoisista sovelluksista, joita löytyi runsaasti. Koska EC:n toiminnallisia ja taloudellisia avainlukuja ei ole kartoitettu kattavasti aiemmin, tämän tekeminen oli tämän osion tärkein tavoite. Väitöstyön seuraavana tavoitteena oli löytää uusia sovellutuksia EC:lle vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tutkittuja vesiä olivat bio- ja synteettisistä öljyistä valmistetut öljy-vesiemulsiot, erilaiset teolliset ravinnepitoiset jätevedet ja humusainepitoiset turvesoiden valumavedet (kiinnostava ja ajankohtainen ongelma, erityisesti Suomessa). EC todettiin käyttökelpoiseksi teknologiaksi näissä kokeissa. Suuremman skaalan kokeilla todistettiin lisäksi EC-prosessin skaalautuvuus. Lisäksi, em. EC-sovellutuksista suoritettiin kattavat taloudelliset analyysit. EC:n käyttökustannukset ja energiankulutus todettiin erittäin pieniksi, tyypillisesti ne olivat välillä 0.1–1.0 €/m3 ja 0.4–4.0 kWh/m3. On ennustettu, että tulevaisuudessa on pulaa neitseellisestä fosforista. Tästä johtuen eräs tämän työn keskeisistä tarkoituksista oli suorittaa alustavia kokeita liittyen EC:n käyttökelpoisuuteen ravinteiden (erityisesti fosfori, mutta myös typpi) poistossa ja talteenotossa aidoista jätevesistä. Erityisesti jatkossa voisi olla järkevää hyödyntää runsaasti fosforia ja typpeä sisältäviä EC-sakkoja lisäaineina rakeistetuissa biotuhkapohjaisissa lannoitteissa eri sovellutuksissa. Tämä idea on uusi ja on jo herättänyt suurta kiinnostusta mm. kierto- ja biotaloussektoreilla.

Abstract To be able to acquire, produce, and comprehend language, precise central auditory processing (CAP), neural processes utilized for managing auditory input, is essential. However, the auditory environments are not always optimal for CAP because noise levels in children’s daily environments can be surprisingly high. In young children, CAP and its developmental trajectory as well as the influence of noise on it have scarcely been investigated. Event-related potentials (ERPs) offer promising means to study different stages of CAP in small children. Sound processing, preattentive auditory discrimination, and attention shifting processes can be addressed with obligatory responses, mismatch negativity (MMN), and novelty P3 of ERPs, respectively. In this thesis the developmental trajectory of CAP from 2 to 4 years of age as well as noise-induced changes on it, were investigated. In addition, the feasibility of the multi-feature paradigm with syllable stimuli and novel sounds in children was evaluated. To this end, obligatory responses (P1, N2, and N4) and MMNs for consonant, frequency, intensity, vowel, and vowel duration changes, as well as novelty P3 responses, were recorded in a silent condition and with babble noise using the multi-feature paradigm. The participants were voluntary, typically developing children. Significant P1, N2, N4, and MMN responses were elicited at both ages. Also a significant novelty P3, studied at the age of 2 years, was found. From 2 to 4 years, the P1 and N2 latencies shortened. The amplitudes of N2, N4, and MMNs increased and the increment was the largest at frontal electrode locations. During noise, P1 decreased, N2 increased, and the latency of N4 diminished as well as MMNs degraded. The noise-induced changes were largely similar at both ages. In conclusion, the multi-feature paradigm with five syllable deviant types and novel sounds was found to be an appropriate measure of CAP in toddlers. The changes in ERP morphology from 2 to 4 years of age suggest maturational changes in CAP. Noise degraded sound encoding, representation forming, and auditory discrimination. The children were similarly vulnerable to hampering effects of noise at both ages. Thus, noise might potentially harmfully influence language processing and thereby its acquisition in childhood. / Tiivistelmä Kielen omaksumiselle, tuottamiselle sekä ymmärtämiselle on tärkeää tarkka keskushermostollinen kuulotiedon käsittely eli ne hermostolliset prosessit, joita käytetään kuullun aineksen käsittelyyn. Kuunteluympäristöt eivät kuitenkaan aina ole optimaalisia kuulotiedon käsittelylle, sillä melutasot lasten elinympäristöissä voivat olla hyvinkin korkeita. Pienten lasten kuulotiedon käsittelyä, sen kehittymistä ja melun vaikutusta siihen on tutkittu vähän. Kuuloherätevasteet ovat toimiva tapa tarkastella pienten lasten kuulotiedon käsittelyä eri näkökulmista. Äänen käsittelyä, esitietoista kuuloerottelua ja tarkkaavuuden siirtymistä voidaan tarkastella obligatoristen vasteiden, poikkeavuusnegatiivisuuden ja novelty P3 -vasteiden avulla. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kuulotiedon käsittelyn kehittymistä kahden vuoden iästä neljän vuoden ikään sekä melun vaikutusta siihen. Lisäksi arvioidaan tavuärsykkeitä ja poikkeavia ääniä sisältävän monipiirreparadigman soveltuvuutta lapsitutkimuksiin. Tutkimuksissa rekisteröitiin monipiirreparadigman avulla obligatorisia vasteita (P1, N2 ja N4); konsonantin, taajuuden, intensiteetin, vokaalin ja vokaalin keston muutokselle syntyneitä MMN-vasteita sekä novelty P3 -vasteita hiljaisuudessa ja taustamelussa. Tutkimuksen osallistujat olivat vapaaehtoisia tyypillisesti kehittyviä lapsia. Molemmilla tutkimuskerroilla P1, N2, N4 ja MMN poikkesivat merkitsevästi nollatasosta samoin kuin kaksivuotiailta tutkittu novelty P3. Kahden vuoden iästä neljään vuoteen P1- ja N2-vasteiden latenssi lyheni sekä N2, N4 ja MMN vahvistuivat, muutoksen ollessa suurinta frontaalisilla elektrodeilla. Melun aikana P1 heikkeni, N2 vahvistui ja N4-vasteen latenssi lyhentyi. Lisäksi MMN-vaste heikkeni. Melun aiheuttamat muutokset olivat samankaltaisia sekä kahden että neljän vuoden iässä. Johtopäätöksenä voidaan todeta viittä eri tavuärsyketyyppiä ja yllättäviä ääniä sisältävän monipiirreparadigman olevan toimiva menetelmä taaperoiden kuulotiedon käsittelyn tutkimiseen. Kahden ja neljän ikävuoden välillä tapahtuvat muutokset vasteissa kuvastavat kehityksellisiä muutoksia kuulotiedon käsittelyssä. Melu heikentää äänitiedon peruskäsittelyä, edustumien muodostumista ja esitietoista kuuloerottelua. Lapset olivat lähes yhtä alttiita melun vaikutuksille sekä kahden että neljän vuoden iässä. Melu voi siis haitata kielen prosessointia ja sen omaksumista.

Abstract The rapid evolution of wireless networks to meet the requirements of explosive data traffic demand is escalating energy consumption beyond sustainable limits. Consequently, energy efficiency (EE) has emerged as a key performance indicator for future wireless networks to address the increasing concern over greenhouse gas emissions and sustainable economic growth. This thesis studies energy-efficient transmission strategies for multiantenna wireless systems. The aim is to develop linear beamforming techniques maximizing the bit-per-Joule EE metric, focusing on three appealing scenarios: a coordinated multicell system; a fronthaul-constrained cloud radio access network (C-RAN); and a multi-pair wireless-powered relaying system. The primary emphasis is on suboptimal but efficient optimization approaches which are attractive for practical implementation. The problem of achieving EE fairness in a multicell multiple-input single-output downlink system is studied first. Specifically, coordinated beamforming is designed to maximize the minimum EE among all base stations. Novel efficient iterative optimization methods solving the design problem in both centralized and decentralized fashions are proposed. In a downlink C-RAN with finite-capacity fronthaul links, the network-wide EE performance is explored via a joint design of beamforming and remote radio head-user association. A relatively realistic power consumption model including rate-dependent circuit power and nonlinear power amplifiers' (PA) efficiency is also considered. To gain an insight into the optimal performance of the design problem, an algorithm achieving globally optimal solutions is devised. Towards practical implementation, two efficient iterative suboptimal methods are proposed aiming at yielding near-optimal performance. Finally, a multi-pair amplify-forward relaying network is considered, in which energy-constrained relays adopting time-switching protocol harvest energy from the radio frequency signals transmitted by users. To maintain EE fairness among all user pairs, joint optimization of system parameters, such as users' transmit power, relay beamforming, and energy harvesting (EH) time, is studied. Impacts of rate-dependent circuit power, nonlinear PAs' efficiency and nonlinear EH circuits on the achievable performance are also addressed. / Tiivistelmä Langattomat verkot ovat kehittyneet nopeasti räjähdysmäisesti kasvavan dataliikenteen mahdollistamiseksi, minkä seurauksena energiankulutus on kasvanut kestävän kehityksen rajat ylittävällä tavalla. Siksi energiatehokkuudesta (EE, energy efficiency) on tullut uusien langattomien verkkojen keskeinen suunnittelukriteeri vastauksena kasvavaan huoleen kasvihuonepäästöistä ja kestävästä talouskasvusta. Väitöskirjassa tutkitaan moniantennisten langattomien järjestelmien energiatehokkaita tiedonsiirtostrategioita. Tavoitteena on kehittää lineaarisia keilanmuodostustekniikoita, jotka maksimoivat energiatehokkuuden mitattuna bitteinä joulea kohden, keskittymällä kolmeen kiinnostavaan vaihtoehtoon, joita ovat koordinoitu monisolujärjestelmän lähetys laskevalla siirtotiellä, pilvipohjainen radioliityntäverkko (C-RAN, cloud radio access network), jossa laskentayksikön ja varsinaisen radiolähettimen välinen yhteys (fronthaul) on rahoitettu, ja usean parin relejärjestelmiin, joissa releet toimivat paristoilla. Työn pääpaino on alioptimaalisissa, mutta käytännöllisesti tehokkaissa optimointimenetelmissä. Pääpaino on alioptimaalisissa mutta tehokkaissa optimointitavoissa, jotka ovat kiinnostavia käytännön toteutuksen näkökulmasta. Ensiksi tarkastellaan tasapuolisen energiatehokkuuden saavuttamista monisoluisessa laskevan siirtotien moni-tulo yksi-lähtö (MISO, multiple-input single-output) -järjestelmässä. Koordinoitu keilanmuodostus on suunniteltu erityisesti maksimoimaan energiatehokkuuden minimitaso kaikilla tukiasemilla. Tarkemmin sanottuna pyritään maksimoimaan huonoin energiatehokkuus solmujen välillä, kun käytetään yhteistoiminnallista keilanmuodostusta. Muodostetun ongelman ratkaisemiseksi ehdotetaan edistyksellisiä iteratiivisia menetelmiä käyttämällä sekä keskitettyjä että hajautettuja ratkaisuja. Laskevan siirtosuunnan fronthaul-rajoitetussa C-RAN-järjestelmässä selvitetään verkonlaajuista energiatehokkuutta keilanmuodostuksen ja palvelevan tukiaseman yhteisoptimoinnilla. Tässä käytetään verrattain realistista tehonkulutusmallia, joka sisältää datanopeudesta riippuvan prosessointitehon ja epälineaarisen tehovahvistimen (PA, power amplifier) hyötysuhteen. Jotta saadaan käsitys ongelman optimaalisesta suorituskyvystä, siihen kehitetään globaalisti optimaalinen menetelmä. Lisäksi ehdotetaan kaksi käytännöllisempää iteratiivista menetelmää, jotka saavuttavat lähes optimaalisen suorituskyvyn. Lopuksi keskitytään monen parin vahvista-ja-välitä eteenpäin (AF. amplify and forward) verkkoon, jossa aikajakokytkentää käyttävät energiarajoitetut toistimet keräävät energiaa käyttäjien lähettämistä radiosignaaleista. Jotta saavutetaan EE:n oikeudenmukaisuus kaikkien parien välillä, parametrit, kuten käyttäjien lähetysteho, toistimen keilanmuodostus, ja energiankeräysaika suunnitellaan yhdessä. Tässä tutkitaan nopeusriippuvaisen piirin tehon, epälineaarisen tehovahvistimen hyötysuhteen ja epälineaaristen energiankeräyspiirien tehon vaikutusta suorituskykyyn.