This thesis was set to study the utilization of the MathWorks’ Simulink® program in model based application software development and its compatibility with the Vacon 100 inverter. The target was to identify all the problems related to everyday usage of this method and create a white paper of how to execute a model based design to create a Vacon 100 compatible system software. Before this thesis was started, there was very little knowledge of the compatibility of this method. However during the practical experiments, it became quite quickly clear that this method is very compatible with the Vacon 100. Majority of the problems expected before this thesis was started proved to be wrong. The only permanent problem that came up during this thesis was that Vacon 100 supports only the 32-bit floating-point precision while Simulink uses the 64-bit floating-point precision by default. Even though this data type incompatibility prevents usage of some of the Simulink’s blocks, it is by no means a limiting factor that restricts usage of this method. During the practical research no problems were found that completely prevent the usage of this method with the Vacon 100 inverter. The Simulink PLC Coder was in the spotlight during the practical research work. Even though the code generator worked better than was expected, the biggest problems limiting the usage of model based design relates to the PLC Coder. All in all based on this study, it is easy to say that model based design is a very usable tool for everyday design work. The method does not necessarily show its advantages in a small scale design work and the implementation phase can take some time before the company has collected the support model library needed. However in the future, the software requirements will increase, which grows the importance of model based design. A well-executed model based design can have a significant improving effect on financial, time and quality aspects. / Tämän lopputyön tarkoituksena oli tutkia MathWorks:n Simulink®-ohjelmiston käyttöä mallipohjaisessa ohjelmistotuotannossa ja sen soveltuvuutta Vacon 100 -taajusmuuntajan ohjelmointiin. Tavoitteena oli identifioida kaikki ongelmakohdat, jotka vaikuttavat menetelmän jokapäiväisessä hyödyntämisessä, sekä luoda raportti, miten menetelmän avulla voidaan tehdä Vacon 100 yhteensopiva ohjelmisto. Ennen työn aloittamista menetelmän soveltuvuudesta ei ollut tarkkaa tietoa. Työn aikana suoritetut käytännönläheiset ohjelmistotuotantoesimerkit kuitenkin osoittivat nopeasti menetelmän toimivuuden. Ongelmakohdat, joita ajateltiin ennen työn aloittamista, osoittautuivat pääosin vääriksi. Ainoa pysyvä ongelmakohta, joka työn aikana tuli esille, on Vacon 100:n tuki vain 32-bit reaaliluvuille, kun taas Simulink käyttää oletuksena 64-bit reaalilukua. Vaikka datatyypistä aiheutuva ongelma estääkin muutaman Simulink-lohkon käytön, se ei kuitenkaan ole menetelmän käyttöä rajoittava ongelma. Työssä ei tullut vastaan yhtään ongelmaa, joka olisi estänyt mallipohjaisen suunnittelun käytön Vacon 100 -laitteen kanssa. Simulink:n koodigenerointityökalu eli Simulink PLC Coderon tärkeässä osassa työn tutkimuksen kannalta. Kaiken kaikkiaan koodigeneraattori toimi yli odotusten, mutta suurimmat ongelmat, jotka rajoittavat mallipohjaisen suunnittelun käyttöä, liittyvät kuitenkin PLC Coder:n toimintaan. Yhteenvetona työn perusteella voidaan todeta, että mallipohjainen ohjelmistotuotanto on nykyaikana erittäin käyttökelpoinen menetelmä. Tosin menetelmän tuomat hyödyt eivät välttämättä tule esille pienessä mittakaavassa ja ennen kuin yritykselle on muodostunut omaan tuotteeseen liittyvien mallien ja lohkojen tietokanta. Tulevaisuudessa kuitenkin suunnittelutyön vaatimusten kasvaessa, mallipohjaisen ohjelmistotuotannon merkitys tulee kasvamaan. Hyvin toteutettuna menetelmä parantaa huomattavasti suunnittelutyön tulosta niin taloudellisesti, ajallisesti kuin laadullisestikin.

Työ on tehty SSAB Raahen tehtaalla masuunien injektioon käytettävien kivihiilten kartoittamiseksi. Työn kokeellisessa osassa verrataan raudanvalmistuksessa käytettäviä matalasti haihtuvien, bitumisten jauhettujen kivihiilten valmistettavuuteen ja injektioon vaikuttavia ominaisuuksia. Työn teoriaosassa käsitellään jauhettujen kivihiilten ominaisuuksien vaikutusta injektioon, ja injektiota edeltäviin prosesseihin: hihnakuljettamiseen, jauhamiseen, siiloissa varastoimiseen, pneumaattiseen kuljetukseen ja luokitukseen. Teoriaosassa käsitellään lisäksi prosessilaitteiden toimintaa ja kivihiilen käsittelyssä esiintyviä ongelmia. Kivihiilen jauhautumiseen vaikuttavat mineraalit voidaan jakaa neljään ryhmään. Kvartsi, ei-savimaiset silikaatit ja muut oksidit ovat kivihiilen kovia mineraaleja ja laskevat HGI arvoa. Savi ja sulfaatit ovat pehmeimpiä mineraaleja, jotka nostavat HGI arvoa. Matalasti haihtuvat kivihiilet ovat yleensä pehmeitä kivihiiliä, joiden HGI arvo on n. 80. Hyvän jauhautuvuuden lisäksi matalasti haihtuvilla kivihiilillä saavutetaan parempi koksin korvaussuhde injektiomäärän ollessa n. 170 kg/tHM johtuen kivihiilten korkeasta energiapitoisuudesta. Raakakivihiilen varastoinnissa siilossa kosteuspitoisuuden, ylittäessä 18 %:a, kivihiilen virtaavuus heikkenee. Jauhetun ja kuivatun kivihiilen virtaavuus siilossa on korkeimmillaan keskimääräisen partikkelikoon ollessa 80 um. Partikkeleiden kokojakauman hajonnan ollessa pientä kivihiilet virtaavat vapaasti, tukkeumien syntyminen siilossa on vähäistä hajonnan ollessa pienempi kuin 1 %. Kivihiilten jauhamiskokeissa testattiin viiden kivihiilen jauhautumista: Foxleigh Premium, KS-LOT5, Capricorn, SSOMSSH-Lot 4 ja Glencore Bachatsky. Kivihiilinäytteet jauhettiin pyörittämällä metallisylinteriä. Jauhetut näytteet seulottiin ja jauhamistulokset muodostettiin seulonnan tuloksista. Hiilijauheiden virtausmittauskokeiden virtausenergioiden mittausten perusteella pienellä hajonnalla on positiivinen vaikutus virtaavuuteen. Virtausenergian suurempiin AR-arvoihin jauhepedissä vaikuttavat pienempi koheesio ja partikkeleiden mekaaninen vastus, tai ainoastaan toinen pedin ominaisuuksista. Jauheiden leikkausjännityskokeessa pienellä koheesiolla, rajoittamattomalla myötörajalla ja pienellä sisäisellä kitkalla on myönteinen vaikutus virtaavuuteen. Kivihiilten koheesioon vaikuttavat näytteiden partikkelikoko ja -muoto. Haihtuvuuskokeissa testataan viiden kivihiilen haihtumiskäyttäytymistä: Foxleigh Premium, Capricorn, KS-LOT 5, SSAB ja SSOMSSH Lot 5. Haihtuvuuskokeiden perusteella kivihiilen haihtuvat jakeet voivat sisältää hiilivetyjä, jotka haihtuvat kivihiilistä 26–567,8 °C. Suurin osa hiiliyhdisteistä haihtuu alle 180 °C lämpötilassa. Kokeiden perusteella haihtuvilla jakeilla on 39 erilaista atomilukua. KS-LOT viiden haihtuvien aineiden määrä on testatuista kivihiilistä selvästi matalin. Jauhamis- ja haihtuvuuskokeen perusteella parhaiten injektioon soveltuva on Foxleigh Premium. Kivihiilten haihtumistehokkuus on vetypitoisuuksien suuruusjärjestyksen mukainen lukuun ottamatta SSAB:n ja KS-LOT viiden tuloksia. Suurella vetypitoisuudella kivihiilen palaminen on tehokasta. Kokeiden tulosten perusteella Foxleigh Premiumin ja SSAB:n hiilipitoisuudet ovat toiseksi ja kolmanneksi korkeimmat. KS-LOT viiden ja Foxleigh Premiumin hiilipitoisuudet ovat selvästi muiden kivihiilten hiilipitoisuuksia korkeammat.

This thesis studies how the changes to the flotation process caused by adjusting pH and the dosage of the flotation reagents affect the electrical conductivity of the froth flotation froth in different parts of the froth. The measurements in the experimental part were done in Oulu Mining School’s continuous minipilot beneficiation plant at the University of Oulu in March and May of 2015. The conductivity of the froth was measured with Outotec’s ERT (Electrical Resistance Tomography) based test probe. The probe was placed inside the 4-litre flotation cell that acted as a rougher in copper refining circuit. Froth’s bubble size, colour, stability and speed were measured with Outotec’s FrothSenseTM -camera. Elemental composition of the process streams was measured with a method based on x-ray fluorescence. The effect of three chemical reagents used in froth flotation, and also the effect of pH, was studied: dosage of Dowfroth (Test 1), xanthate (Test 2), zinc sulphate (Test 3) and pH (Test 4). Each test consists of three step tests, where the value of variable in question was changed while other values were kept at their base levels. Each test was performed twice. Assumption was that the adjusting of mentioned variables affects the other process variables, such as bubble size, froth thickness, elemental compositions etc., which in turn affects the electrical conductivity of the froth. Froth was divided vertically into layers so that the possible differences in different parts of the froth could be observed. Theoretical part of this thesis presents an overview of beneficiation process chain, starting from grinding and ending in dewatering processes. The chemical reagents used in flotation and some basic methods for measuring different parameters are also introduced. The results from the experimental part showed that the changing dosage of chemical regents and pH causes changes in process which also affected the electrical conductivity of the froth. Especially bubble size and froth thickness had clearly an effect on the conductivity. Furthermore, the conductivity values and changes to them were different in different layers of the froth, when the froth was thick. In a thin froth, the differences in the conductivity values and changes in them between the froth layers were much smaller. / Tässä diplomityössä tutkittiin miten pH:n ja vaahdotusrikastuksessa käytettävien kemikaalien annostuksien säätämisen prosessiin aiheuttamat muutokset vaikuttavat vaahtopatjan eri osien sähkönjohtavuuteen vaahdotusrikastus prosessissa. Kokeellisessa osiossa mittaukset tehtiin Oulu Mining School:in jatkuvatoimisella minipilot -rikastamolla Oulun Yliopistolla maalis- ja toukokuussa 2015. Vaahdon sähkönjohtavuutta mitattiin Outotecin ERT:n (Electrical Resistance Tomography) perustuvalla testisauvalla. Sauva oli asennettu tilavuudeltaan nelilitraiseen vaahdotuskennoon, joka toimi kuparin rikastuspiirissä esivaahdotuskennona. Vaahdon kuplakokoa, väriä, stabiilisuutta ja nopeutta mitattiin Outotecin FrothSenseTM -kameralla. Prosessivirtojen kemialliset koostumukset mitattiin röntgenfluoresenssiin perustuvalla menetelmällä. Työssä selvitettiin kolmen eri vaahdotuksessa käytettävän kemikaalin ja pH:n vaikutusta vaahtopatjan sähkönjohtavuuteen: Dowfrothin (Testi 1), ksantaatin (Testi 2) ja sinkkisulfaatin (Testi 3) annostuksien sekä pH:n (Testi 4) vaikutus. Jokainen testi koostui kolmesta askelkokeesta, jossa mainitun muuttujan arvoa muutettiin muiden muuttujien arvojen pysyessä vakioina. Jokainen testi toistettiin kahdesti. Ennakko-oletus oli, että muutokset pH:hon ja reagenssien annostuksiin aiheuttavat muutoksia prosessinparametreihin kuten kuplakokoon, vaahdon paksuuteen, kemiallisiin koostumuksiin jne., jotka puolestaan vaikuttavat vaahdon sähkönjohtavuuteen. Vaahto jaettiin korkeussuunnassa kerroksiin, jotta mahdollisia eroja sähkönjohtavuuksien arvoissa ja niiden muutoksissa eri vaahdon osien välillä pystyttiin tarkastelemaan. Työn teoriaosuudessa esitellään mineraalien rikastuksen prosessiketju, alkaen jauhatuksesta ja päättyen vedenpoistoprosesseihin. Työssä käydään läpi myös vaahdotusrikastuksessa käytettäviä kemikaaleja sekä eri parametrien mittauksessa käytettäviä mittausmenetelmiä. Kokeellisesta osiosta saadut tulokset osoittavat, että pH:lla sekä vaahdotuksessa käytettävien kemikaalien annostuksien muutoksilla on vaikutusta vaahtopatjan sähkönjohtavuuteen. Erityisesti kuplakoolla ja vaahdon paksuudella oli selkeästi vaikutusta vaahdon sähkönjohtavuuteen. Lisäksi huomattiin, että paksussa vaahdossa sähkönjohtavuuden arvot ja niiden muutokset olivat erilaisia vaahdon eri kerroksissa. Ohuessa vaahdossa erot sähkönjohtavuuksien arvoissa ja muutoksissa vaahtokerrosten välillä olivat huomattavasti pienempiä.

Biopohjaisia materiaaleja voidaan käyttää useissa uusissa sovelluksissa fossiilisten raaka-aineiden korvaajina. Esimerkiksi vety, jota käytetään laajalti kemianteollisuudessa eri tarkoituksissa kuten ammoniakin valmistuksessa, voidaan tuottaa biopohjaisista materiaaleista. Nykyisellään teollisesti valmistettua vetyä tuotetaan lähes pelkästään uusiutumattomista luonnonvaroista. Tämän työn tarkoituksena on tutkia puupohjaisen raaka-aineen soveltuvuutta vedyn tuotantoon. Huolimatta eri puulajien merkittävästä hemiselluloosapitoisuudesta, hemiselluloosalle on kehitetty vain vähän käyttökohteita perinteisen paperiteollisuuden raaka-aineen lisäksi. Nykyisellään esimerkiksi paperiteollisuudessa paperin raaka-aineeksi kelpaamaton aines käytetään useimmiten energian tuotantoon. Hemiselluloosaa voidaan hyödyntää tuottamaan lisäarvoa esimerkiksi metsäteollisuuden puukuiduille, koska nykyisin jätteeksikin luokiteltua materiaalia voitaisiin jatkojalostaa energiantuotantoon ja tuottaa hemiselluloosasta suuremman arvon omaavia kemikaaleja. Työn tavoitteena on laajentaa ymmärrystä paperin raaka-aineeksi kelpaamattoman materiaalin, etenkin hemiselluloosan, hyödyntämisestä vedyn tuotannon raaka-aineena. Työssä tutkitaan erityisesti hemiselluloosan polysakkaridien käsittelyyn tarvittavia prosessivaiheita vedyn tuotannon mahdollistamiseksi. Lisäksi työssä perehdytään puumateriaalin rakenteeseen solutasolla ja puulajien erilaisiin rakenneosien pitoisuuksiin. On erittäin tärkeää ymmärtää puun rakenneosien, erityisesti myös hemiselluloosan supramolekylaarinen rakenne, sen kannattavan ja tehokkaan hyödyntämisen kannalta. Hemiselluloosa sisältää tarkastellun kirjallisuuden perusteella puulajista riippumatta merkittävimpinä komponentteina ksylaania ja glukomannaania. Työssä onkin etsitty kirjallisuuden pohjalta polysakkaridien pilkkomiseen yksinkertaisiksi sokereiksi soveltuvia menetelmiä. Erityisesti muurahaishappoavusteisen kuumavesiuutossa tapahtuvien reaktioiden mekanismeja on eritelty työssä yksityiskohtaisesti. Myös olosuhteiden vaikutus uutossa tapahtuviin reaktioihin on huomioitu. Esimerkiksi 7,24 m-% muurahaishappoa sisältävässä kuumavesiuutossa lämpötilan ollessa noin 130–140 °C saavutetaan kirjallisuuden pohjalta suurin saanto ksyloosille. Partikkelikoolla on myös merkittävä vaikutus uuton saantoon, pienellä puun raekoolla saavutetaan suurempi aineensiirtopinta-ala ja puun kuitujen säikeistyminen kasvaa, jolloin uutossa saavutetaan suurempi monosakkaridien saanto. Toisaalta myös puuaineksen jauhaminen kuluttaa huomattavasti energiaa. Optimaalisesti suoritetussa uutossa sokerien pitoisuus pyritään maksimoimaan uuttoliuoksessa, jolloin uuton jälkeen tapahtuvassa vesifaasireformoinnissa saadaan vedylle korkea saanto. Ennen vesifaasireformointia uuttoliuos täytyy hydrata. Hydraus toteutetaan yleensä Raney-nikkeli-katalyyttiä käyttäen. Vesifaasireformoinnissa yksinkertaiset sakkaridit reagoivat muodostaen hiilidioksidia ja vetyä. Kyseisessä prosessivaiheessa tapahtuva vesikaasu- siirtoreaktio kasvattaa edelleen vedyn saantoa. Useiden jalometallikatalyyttien soveltuvuutta reaktioon on tutkittu. Lisäksi mahdollisten kantaja-aineiden vaikutuksia katalyytin aktiivisuuteen on tärkeä tuntea, jotta tuotteen saanto saadaan maksimoitua. Huomionarvoista on myös katalyyttien mahdollinen aktiivisuuden aleneminen liuoksessa mahdollisesti olevien epäpuhtauksien vuoksi. Vesifaasireformoinnissa raaka-aineen koostumuksella on merkittävä vaikutus vedyn saantoon, koska uutossa muodostuvien sivuaineiden vaikutuksia katalyyttien aktiivisuuteen ei tunneta. Lisäksi vesifaasireformoinnissa lyhyempiä hiiliketjuja sisältävien sokerien, kuten esimerkiksi ksylitoli, vedyn saanto on korkeampi verrattuna pidempi hiiliketjuisiin sokereihin.

Sähköautot ovat yleistymässä myös Suomessa ja ne katsotaan yhtenä ratkaisuna liikenteen kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Sähköautojen talvikäyttö on kuitenkin otettava huomioon. EU:n vaihtoehtoisten polttoaineiden lainsäädäntö ehdottaa latauspisteiden väliseksi etäisyydeksi 150 km. Tässä kandidaatintyössä kartoitettiin kylmän vaikutuksia sähköauton ajosäteeseen sekä akuston lataukseen. Tämän lisäksi selvitettiin miten talviolosuhteet olisi hyvä ottaa huomioon sähköautojen latauspisteiden maksimietäisyyden suunnittelussa. Tavoitteena oli selvittää, onko 150 km latauspisteiden välinen etäisyys järkevä Suomessa. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena, johon sisältyi tieteellisiä julkaisuja sekä muita verkkolähteitä, kuten blogeja ja alan sivustoja. Työssä tehtiin katsaus nykyiseen sähköautokantaan, akustolta vaadittaviin ominaisuuksiin ja olemassa oleviin teknologioihin. Tämän jälkeen selvitettiin akuston ikääntymisprosesseja ja matalan käyttölämpötilan vaikutusta akun suorituskykyyn. Lopuksi tarkasteltiin sähköautojen käyttöä talviolosuhteissa ja tämän vaikutusta virrankulutukseen sekä ajosäteeseen testien ja alan julkaisujen pohjalta. Litiumioniakut ovat tällä hetkellä yleisin sähköautoissa käytetty akkuteknologia, mutta sillä on myös heikkoutensa. Tulevaisuudessa markkinoilla voidaan nähdä myös muita kilpailevia tekniikoita, kuten akustojen hybridiratkaisuja. Akuston elinikään vaikuttavat esimerkiksi kuinka tyhjäksi se puretaan ennen latausta ja missä lämpötilassa se ladataan. Kylmyydellä on selvä vaikutus ajosäteen lyhenemiseen, mutta vaikutuksen laajuus on vaikea määrittää. Talvikäytössä ilmastointilaitteella on suuri merkitys virrankulutukseen ja täten ajosäteen suuruuteen. Muita virrankulutukseen vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa auton esilämmitys, ajo-olosuhteet sekä kuljettajan ajotapa. Voitiin päätellä, että nykytekniikalla latauspisteiden välinen maksimietäisyys on arviolta 110–120 kilometriä. / Electric cars are getting more common in Finland, and are considered one solution to reducing the greenhouse gas emissions associated with transportation. However, the conditions of winter use of electric cars need to be considered. The EU legislation on alternative transport suggests a 150 km range between charging points. In this bachelor’s thesis, the impact of cold weather on electric car range and battery charge was surveyed. In addition, it was investigated how winter conditions should be considered when planning the maximum distance between recharging points. The objective was to determine whether 150 km between charging points is reasonable in Finland. The research method used in this thesis was literature review, which included scientific publications as well as other internet sources such as blogs and electric car related sites. In the work, the status of electric car fleet in Finland, car battery requirements and technologies were reviewed. Further, the aging processes and the impact of cold temperature on car batteries were also investigated. Lastly, based on test reports and publications, the impact of winter use on the range of electric cars and the state of battery charge were surveyed. At the moment, lithium-ion batteries are the most common technology for electric car use; but they have some critical weaknesses. In the future, other technologies such as hybrid battery solutions may emerge. Factors affecting battery life cycle are for example the depth of discharge before charging and the charging temperature. Cold temperatures have a clear impact on range shortening but the extent of impact is difficult to quantify. The use of a cabin heater has a significant impact on power consumption and thus the battery range. Other factors affecting power consumption are cabin preheating, driving conditions and the way of driving. It was concluded that, with the current battery technology, the maximum distance between charging points in Finland should be 110–120 kilometers.

Ordinary Portland Cement (OPC), one of the most used construction materials, is a significant contributor to greenhouse gas emissions, such as carbon dioxide. The manufacturing process of OPC requires large amounts of energy and it consumes Earth’s natural resources at a high rate. New methods to replace OPC have been developed for a few decades now, and one of the promising method is a class of materials known as alkali-activated materials (AAM). AAM’s require less raw resources to manufacture, due to utilizing various industrial by-products, such as blast furnace slag and fly ash. One-part alkali-activated binders require only dry materials that can be mixed and water is being added to the binder as the last step. This makes them easy to handle and transport. In this thesis, experiments regarding the mechanical properties and drying shrinkage were conducted on a set of different samples, including different fly ash-slag mix compositions and fibre combinations. Crushed ceramic waste was used as an aggregate, because it is currently a form of waste with very little use. It was found that using 40% slag and 50% fly ash was a desirable mix composition, and so it acted as the reference for fibre-reinforced mix compositions. Polypropylene (PP), basalt (Ba) and polyvinyl alcohol fibres (PVA) were tested in different combinations, with the total amount of fibres in each specimen at 1.5% (total volume). Results showed that generally the addition of fibres increased the total flexural strength. Freeze-thaw test results showed that flexural strength loss was lower with fibre-reinforced samples, and compressive strength generally isn’t negatively affected. Hybrid fibre mixtures showed the most promising results in terms of reducing drying shrinkage rate. / Portlandsementti, eräs yleisimmistä rakennusmateriaaleista, on merkittävä kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja. Portlandsementin valmistusprosessi käyttää paljon energiaa, ja se kuluttaa maapallon luonnonvaroja hälyttävällä tahdilla. Uusia materiaaleja, joilla Portlandsementti voitaisiin korvata, ollaan tutkittu ja kehitelty jo vuosikymmeniä, ja eräs lupaavista ehdokkaista on alkali-aktivoidut materiaalit. Näiden valmistaminen ei vaadi paljoa luonnonvaroja, sillä useita teollisuuden sivutuotteita voidaan hyödyntää lähes suoraan raaka-aineina, kuten masuunikuonaa ja lentotuhkaa. Lisäksi alkali-aktivaatioreaktio on huomattavasti Portlandsementin valmistuksessa tarvittavia kemiallisia reaktioita ympäristöystävällisempi. Yksi-osaiset alkali-aktivoidut sideaineet ovat kiinteässä muodossa veden lisäämiseen asti, joten niitä on helppoa ja turvallista käsitellä ja kuljettaa. Tässä työssä suoritettiin kokeita, joiden avulla mitattiin erään alkali-aktivoiduista sideaineista valmistetun betonin mekaanisia ominaisuuksia, sekä kuivumisen aiheuttamaa kutistumista. Kokeissa tutkittiin optimaalista lentotuhkan ja masuunikuonan välistä suhdetta, sekä kolmen erilaisen kuidun vaikutusta lisäaineena. Rakenneaineena käytettiin keraamista jätettä, eli posliinia, joka murskattiin haluttuun raekokoon leukamyllyllä. Jätteenä posliini on huono kierrätettävä, joten sille mahdollisten käyttötarkoituksien löytäminen on tärkeää. Tulosten perusteella betonin pohjaksi valittiin lentotuhka-masuunikuonasuhteeltaan 40/50 koostuva variantti. Polypropyleeni- (PP), basaltti- (Ba) ja polyvinyylialkoholikuituja (PVA) testattiin eri suhteissa niin, että niiden kokonaisosuus aineen tilavuudesta oli 1,5 %. Tulosten mukaan yleisesti kuitujen lisääminen lisäsi näytteiden taivutuslujuutta. Jäätymis-sulamissyklit heikensivät kuidullisia näytteitä enemmän kuin kuiduttomia taivutuslujuustestissä, mutta puristuslujuudessa vaikutusta ei juurikaan havaittu. Kuivumisen aiheuttama kutistuminen vaihteli eri kuituyhdistelmien välillä, mutta yleisesti ottaen kuituyhdistelmät yksittäisten kuitujen sijaan aiheuttivat vähiten kutistumista.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia suoraa metanolisynteesiä hiilidioksidista ja vedystä miedoissa olosuhteissa. Työssä arvioitiin myös metanolisynteesin kannattavuutta sekä ongelmakohtia teollisessa mittakaavassa. Hiilidioksidin hyödyntäminen lähtöaineena eri kemikaalien ja polttoaineiden valmistuksessa on yksi keino hillitä ilmastonmuutosta. Katalyyttinen metanolisynteesi on laajasti tutkittu aihealue. Kuitenkin tiedetään, että termodynamiikka ja kinetiikka asettavat omat rajoituksensa eksotermiselle hiilidioksidipohjaiselle metanolisynteesille. Tärkeimmät reaktionopeuteen vaikuttavat muuttujat ovat lämpötila ja paine. Paineen kasvattaminen suosii metanolisynteesiä. Lämpötilan taas tulee olla riittävä hiilidioksidin aktivoimiseksi, mutta mahdollisimman alhainen käänteisen vesikaasun siirtoreaktion välttämiseksi. Tyypillisesti metanolisynteesin reaktiolämpötila on välillä 220–280 °C, jolloin metanolin teoreettinen saanto ilmanpaineessa on alle yhden prosentin. Hiilidioksidin reaktioreittiä metanoliksi ei ole vielä toistaiseksi pystytty varmistamaan. Katalyytti nopeuttaa reaktiota alentamalla aktivaatioenergiaa. Kirjallisuusselvityksessä kuparipohjaiset katalyytit osoittautuivat metanolisynteesissä eniten tutkituiksi katalyyteiksi. Muita tutkittuja metalleja ovat muun muassa palladium, mangaani, platina sekä nikkeli. Selvityksen perusteella tähän työhön valittiin seitsemän lupaavaa katalyyttiä tarkempaan tarkasteluun. Näistä mietoihin reaktio-olosuhteisiin lupaavimmilta vaikuttivat MnOX/m-Co₃O₄ sekä Cu-ZnO/ZrO₂ katalyytit, jotka valmistettiin tutkittavaksi ja testattavaksi. MnOX/m-Co₃O₄ valmistettiin kapillaarisella inkluusiolla ja Cu-ZnO/ZrO₂ valmistettiin yhteissaostuksella. Katalyyttien valmistuksessa saavutettiin halutun kaltaiset rakenteet. Vertailukohdaksi otettiin kaupallinen kuparipohjainen katalyytti (Cu/ZnO/Al₂O₃). Tutkittavien katalyyttien aktiivisuus metanolisynteesiin selvitettiin laboratoriomittakaavassa jatkavatoimisella kiintopetireaktorilla. Sen avulla tutkittiin lämpötilan (100–350 °C) ja vaihtuman (10 000–75 000 h⁻¹) vaikutusta reaktioon ilmanpaineessa. Lisäksi tutkittiin magneettikentän vaikutusta Cu-ZnO/ZrO₂ katalyytin aktiivisuuteen. Kaikkien tutkittavien katalyyttien todettiin toimivan ilmanpaineessa metanolisynteesissä, ainakin jossakin määrin. Kokeissa havaittiin hiilidioksidin konversion selkeä riippuvuus lämpötilasta, sillä konversio kasvoi miltei lineaarisesti lämpötilan noustessa. Alle 175 °C:ssa konversio pysyi nollassa kaikilla katalyyteillä. Kuparia sisältävät katalyytit tarvitsivat yli 200 °C:n lämpötilan, jotta hiilidioksidin havaittiin reagoivan. MnOX/m-Co₃O₄ katalyytillä saavutettiin suurin hiilidioksidin konversio, mutta vähäisin metanolin saanto. Tutkimuksissa ilmeni lämpötilariippuvuus myös metanolin ja sivutuotteen, hiilimonoksidin, selektiivisyyksille. Itsetehdyillä katalyyteillä havaittiin myös muita sivutuotteita (metaani, eteeni ja etanoli). Tutkitulla lämpötila-alueella kuparikatalyyteillä metanolin selektiivisyys laski ja hiilimonoksidin selektiivisyys kasvoi lämpötilan kasvaessa. MnOX/m-Co₃O₄ katalyytillä sen sijaan metaanin selektiivisyys kasvoi lämpötilan mukana. Virtausnopeuden nosto laski hiilidioksidin konversiota, mutta paransi metanolin massa-aikasaantoa vaihtumaan 60 000 h⁻¹ asti. Cu-ZnO/ZrO₂ katalyytillä saavutettiin parhaimmillaan noin 29 mg/gkath massa-aikasaanto vaihtumalla 60 000 h⁻¹ ja 265 °C:ssa. Tällöin hiilidioksidin konversio oli 4,2 % ja metanolin selektiivisyys 6,2 %. Muilla tutkituilla katalyyteillä massa-aikasaanto oli selkeästi heikompi. Magneettikentällä ei havaittu olevan vaikutusta Cu-ZnO/ZrO₂ katalyytin suorituskykyyn. Metanolisynteesi hiilidioksidista ja vedystä ilmanpaineessa todistettiin olevan teknisesti mahdollista, muttei taloudellisesti kannattavaa. Pelkästään raaka-ainekustannukset ovat yli 1000-kertaiset metanolin markkinahintaan verrattuna. Tähän tulokseen päästiin tässä työssä tehtyjen kokeiden perusteella parhaassa tapauksessa ilman lauhtumattomien kaasujen kierrätystä, kun käytettään talteenotettua hiilidioksidia ja elektrolyysivetyä. Jatkokehitystä tarvitaan vielä ennen kuin tekniikka on taloudellisesti kaupallistettavissa. / The aim of the thesis was to study direct methanol synthesis from CO₂ and H₂ in mild conditions. In addition, the profitability and the problems in the industrial scale were investigated. Use of CO₂ as a starting material in the manufacturing of various chemicals and fuels is one way to mitigate the climate change. Catalytic synthesis of methanol is widely studied field. It is known that both thermodynamics and kinetics limit the exothermic reaction to methanol. Temperature and pressure are the most important parameters effecting the rate of reaction. Pressure increase favors methanol synthesis and temperature needs to be high enough to activate carbon dioxide, but as low as possible in order to avoid the reverse water-gas shift reaction. Methanol yield is less than one percent in the atmospheric pressure in the typical reaction temperature range (220–280 °C). The reaction route from CO₂ to methanol has not yet been confirmed. Catalysts speed up reactions by lowering the activation energy. Based on the literature, the most studied catalysts for methanol synthesis are copper based. Other studied metals are for example palladium, manganese, platinium, and nickel. The seven most promising catalysts were selected for closer inspection. When mild conditions were considered, the most promising ones of these seven were MnOX/m-Co₃O₄ and Cu-ZnO/ZrO₂ catalysts, which were synthesized and tested. MnOX/m-Co₃O₄ was prepared with capillary inclusion and Cu-ZnO/ZrO₂ with co-precipitation. Catalyst preparation came of very well. Commercial catalyst (Cu/ZnO/Al₂O₃) was chosen for comparison. Catalysts activity in methanol synthesis was studied on laboratory scale in continuous flow fixed-bed reactor. The effect of the temperature (100–350 °C) and the space velocity (10 000–75 000 h⁻¹) was studied in ambient pressure. In addition, the effect of magnetic field tested on Cu-ZnO/ZrO₂ catalyst. With all catalysts studied in ambient pressure methanol formation was seen, at least to some extent. Clear dependence on the temperature was observed for CO₂ conversion as the conversion increased nearly linearly with temperature. Bellow 175 °C the conversion stayed at zero for all catalysts. Copper based catalysts needed over 200 °C before the CO₂ conversion started. MnOX/m-Co₃O₄ had the highest CO₂ conversion but the smallest methanol yield. Temperature dependence was noticed for the selectivities of methanol and the side product CO. For synthesized catalysts also other side products (CH₄, C₂H₄, and C₂H₅OH) were detected. For copper based catalysts methanol selectivity decreased and CO selectivity increased with the temperature. For MnOX/m-Co₃O₄ catalyst CH₄ selectivity increased with the temperature. Increase in the space velocity reduced CO₂ conversion but increased methanol weight-time yield up to 60 000 h⁻¹. The Cu-ZnO/ZrO₂ catalyst had at the best weight-time yield of around 29 mg/gcath with space velocity of 60 000 h⁻¹ at 265 °C. In this case CO₂ conversion was 4.2% and methanol selectivity 6.2%. For other catalysts, the weight-time yield was clearly lower. The magnetic field had no observable effect on the Cu-ZnO/ZrO₂ catalysts performance. Methanol synthesis from CO₂ and H₂ was proven to be technically possible in the atmospheric pressure but not economically viable. Based on the experiments, already the raw material costs are over 1000 times higher than the methanol market price in the best case scenario without recycling the non-reacted gases. This is when using recovered CO₂ and electrolytic H₂. Further development is needed to make this technology economically viable.

Tässä työssä tutustutaan kirjallisuuskatsauksen avulla Suomessa käytettäviin pohjatutkimusmenetelmiin. Tietoa on kerätty sekä niiden suorittamisesta että potentiaalista erilaisissa käyttötarkoituksissa. Menetelmistä syvällisimmin on perehdytty CPTU-kairaukseen sekä 3D-suunnittelun ja -järjestelmien käyttöön geoteknisessä suunnittelussa ja osana pohjatutkimuksia. Työ osoitti, että Suomessa infra- ja rakennusalalla ollaan siirtymässä vanhasta 2D-suunnittelusta kohti älykkäitä tietojärjestelmiä ja 3D-suunnittelua. Myös pohjatutkimusmenetelmät ovat kehittyneet ajan saatossa ja nykyään käytetään lähes yksinomaan erilaisia monitoimikairoja. Lisäksi uudentyyppisillä sähköisillä puristinkairoilla voidaan saada luotettavampaa ja lähes jatkuvaa mittaustietoa, minkä avulla voidaan saada parempia arvioita maalajikerrosten määritykseen ja luokitteluun, sekä tietoa esimerkiksi kohteen huokosvedenpaineista.

Laadukkaan nanoselluloosan valmistus vaatii selluloosakuitujen delignifioinnin, joka on perinteisesti toteutettu emäksisissä olosuhteissa. Nanosellun fibrilloinnissa esikäsittely mekaanista hajotusta varten on tehty emäksen tai hapon aiheuttamalla hydrolyysillä tai selluloosaa hajottavilla entsyymeillä, minkä seurauksena kuituseinämän rakenne löystyy. Maatalouden jätejakeiden eli vehnänkorren kaltaisten nonwood-massojen hankala käytettävyys perinteisessä sellunkeittoprosessissa luo tarpeen uudenlaiselle delignifiointiprosessille. Suhteellisen uudet DES-liuokset eli syväeutektiset liuottimet ovat mahdollisesti ratkaisu puhtaamman ligniinijakeen saantiin nonwood-massoista ja ligniinin poistoon viljelykasvien jätejakeista ympäristöystävällisesti ja halvasti. Työssä käytetty vehnänkorsi on hyvin yleistä nonwood-kuitua, jonka pitäisi olla tulevaisuudessa käytetyin nanoselluloosan raaka-aine. Nonwood-biomassaa saadaan maatalousjätteenä, joten se on halpaa ja runsasta eikä vie tuotantoa pois hyöty- ja ruokakasveilta. Työssä tutkittiin eri luonnonhapoista muodostettujen DES-liuosten tehokkuutta ja soveltuvuutta vehnänkorren delignifiointiin ja nanoselluloosan valmistukseen. Vehnänkortta sekoitettiin DES-liuoksessa ja lämmitettiin öljyhauteessa eri lämpötiloissa sekä ajoissa, jonka jälkeen kiinteä massa erotettiin liuottimesta sentrifugoimalla ja suodattamalla. Lopuksi ligniinikin pyrittiin erottamaan DES-liuoksesta. Tuloksia analysoitiin gravimetrisesti punnitsemalla vehnänkorren massa ennen käsittelyä ja sen jälkeen. Myös erotetun ligniinin massa punnittiin. Tulosten perusteella sekä aika että lämpötila vaikuttivat vahvasti jäännösmassan määrään ja eri hapoista valmistetut DES-liuokset tehosivat vaihtelevin määrin. Lyhyessä ajassa lämpötilalla oli eniten merkitystä. Mitä suurempi lämpötila ja mitä pitempi keittoaika, sitä parempi delignifiointi saatiin aikaiseksi. Gravimetrinen analyysi ei ole riittävän hyvä metodi luotettavien tulosten saamiseksi, joten jatkotutkimuksissa pitäisi mitata liuotettujen massojen selluloosapitoisuus. Lisäksi jatkossa tulisi testata laajempi valikoima eri DES-liuoksia.

Tässä kandintyössä on alkuun esitetty ilmaston muutoksen hillitsemiseksi tehtyjä päätöksiä jotka ovat johtaneet energiajärjestelmän murrokseen. On myös esitetty energian tuotannon ja kulutuksen nykytila ja hajautetun energian tuotannon, taajuuden hallinnan sekä kysynnän jouston perusperiaatteet. Lopuksi työhön on kerätty Suomen energia järjestelmään ja sen säädöksiin tulevia tai suunniteltuja taajuuden hallintaa ja kysynnänjousto mahdollisuuksia parantavia sekä uusiutuvan energian käyttöä lisääviä uudistuksia. Näitä ovat: suunnittelu asteella oleva älyverkko, jo toteutus asteella oleva datahub, sähköyhteisöjen toiminnan mahdollistaminen, muutokset sähköverotukseen sekä tariffeihin ja pilotti asteella oleva aggregoinnin laajempi salliminen. / At first, the acts taken to curb the climate change, that have led in to the change in the energy system are presented. Then the current state of Finnish energy consumption and production is presented as well as basic information of distributed generation, frequency management and demand-side management. Lastly, there is information of the upcoming reformations that are going to improve frequency management, participation possibilities to demand side management and increase the use of renewable energy sources.