Arsenic and heavy metal concentrations in agricultural soils in South Savo province

Selostus: Etelä-Savon viljelysmaan arseeni- ja raskasmetallipitoisuudet

Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract

Sorption of metal ions to wood, pulp and bark materials

Ett huvudmål med denna avhandling var att erhålla ny information om växelverkan mellan metalljoner i vattenfas och träbaserade material såsom olika pappersmassor, ved och bark. Material av gran, tall och björk har studerats. En ny känslig kolonnkromatografisk metod utvecklades för bestämning av affinitetsordningar för 17 olika metalljoner. Av dessa bands trevärt järn och de mycket toxiska tungmetallerna bly, koppar och kadmium starkast till de studerade materialen. Växelverkan i dessa tvåfas system sker som jonbyte, huvudsakligen via komplexbildning av metalljoner till funktionella grupper i den fasta fasen. Vattenfasens pH är den viktigaste parametern som bestämmer totala halten av metalljoner som binds till materialen. Resultatet i denna avhandling kan delvis betraktas som grundforskning. En ny kunskap om metalljoners förekomst och kemiska reaktioner i dessa system är även av stor ekonomisk och ekologisk, betydelse, när man strävar till allt mera slutna system i moderna massafabriker. Avhandlingen visar också att trädbark har stor potential för biosorption av tungmetaller t.ex. från avfallsvatten. Trädbark har nästan lika stor bindningskapacitet som dyra syntetiska jonbytare.

The role of metal ions in selective and sustainable processes

Sustainability and recycling are core values in today’s industrial operations. New materials, products and processes need to be designed in such a way as to consume fewer of the diminishing resources we have available and to put as little strain on the environment as possible. An integral part of this is cleaning and recycling. New processes are to be designed to improve the efficiency in this aspect. Wastewater, including municipal wastewaters, is treated in several steps including chemical and mechanical cleaning of waters. Well-cleaned water can be recycled and reused. Clean water for everyone is one of the greatest challenges we are facing today. Ferric sulphate, made by oxidation from ferrous sulphate, is used in water purification. The oxidation of ferrous sulphate, FeSO4, to ferric sulphate in acidic aqueous solutions of H2SO4 over finely dispersed active carbon particles was studied in a vigorously stirred batch reactor. Molecular oxygen was used as the oxidation agent and several catalysts were screened: active carbon, active carbon impregnated with Pt, Rh, Pd and Ru. Both active carbon and noble metal-active carbon catalysts enhanced the oxidation rate considerably. The order of the noble metals according to the effect was: Pt >> Rh > Pd, Ru. By the use of catalysts, the production capacities of existing oxidation units can be considerably increased. Good coagulants have a high charge on a long polymer chain effectively capturing dirty particles of the opposite charge. Analysis of the reaction product indicated that it is possible to obtain polymeric iron-based products with good coagulation properties. Systematic kinetic experiments were carried out at the temperature and pressure ranges of 60B100°C and 4B10 bar, respectively. The results revealed that both non-catalytic and catalytic oxidation of Fe2+ to Fe3+ take place simultaneously. The experimental data were fitted to rate equations, which were based on a plausible reaction mechanism: adsorption of dissolved oxygen on active carbon, electron transfer from Fe2+ ions to adsorbed oxygen and formation of surface hydroxyls. A comparison of the Fe2+ concentrations predicted by the kinetic model with the experimentally observed concentrations indicated that the mechanistic rate equations were able to describe the intrinsic oxidation kinetics of Fe2+ over active carbon and active carbon-noble metal catalysts. Engineering aspects were closely considered and effort was directed to utilizing existing equipment in the production of the new coagulant. Ferrous sulphate can be catalytically oxidized to produce a novel long-chained polymeric iron-based flocculent in an easy and affordable way in existing facilities. The results can be used for modelling the reactors and for scale-up. Ferric iron (Fe3+) was successfully applied for the dissolution of sphalerite. Sphalerite contains indium, gallium and germanium, among others, and the application can promote their recovery. The understanding of the reduction process of ferric to ferrous iron can be used to develop further the understanding of the dissolution mechanisms and oxidation of ferrous sulphate. Indium, gallium and germanium face an ever-increasing demand in the electronics industry, among others. The supply is, however, very limited. The fact that most part of the material is obtained through secondary production means that real production quota depends on the primary material production. This also sets the pricing. The primary production material is in most cases zinc and aluminium. Recycling of scrap material and the utilization of industrial waste, containing indium, gallium and geranium, is a necessity without real options. As a part of this study plausible methods for the recovery of indium, gallium and germanium have been studied. The results were encouraging and provided information about the precipitation of these valuables from highly acidic solutions. Indium and gallium were separated from acidic sulphuric acid solutions by precipitation with basic sulphates such as alunite or they were precipitated as basic sulphates of their own as galliunite and indiunite. Germanium may precipitate as a basic sulphate of a mixed composition. The precipitation is rapid and the selectivity is good. When the solutions contain both indium and gallium then the results show that gallium should be separated before indium to achieve a better selectivity. Germanium was separated from highly acidic sulphuric acid solutions containing other metals as well by precipitating with tannic acid. This is a highly selective method. According to the study other commonly found metals in the solution do not affect germanium precipitation. The reduction of ferric iron to ferrous, the precipitation of indium, gallium and germanium, and the dissolution of the raw materials are strongly depending on temperature and pH. The temperature and pH effect were studied and which contributed to the understanding and design of the different process steps. Increased temperature and reduced pH improve the reduction rate. Finally, the gained understanding in the studied areas can be employed to develop better industrial processes not only on a large scale but also increasingly on a smaller scale. The small amounts of indium, gallium and germanium may favour smaller and more locally bound recovery.

Pohjakuonan käsittelyn ja hyötykäytön toimintamallin muodostaminen Kotkan Energia Oy:n jätteenpolttolaitokselle

Tavoitteena tässä diplomityössä oli selvittää Kotkan Energia Oy:n jätteenpolttolaitoksen toiminnassa syntyvän pohjakuonan hyötykäyttömahdollisuuksia ja kustannuksiltaan järkevin tapa käsitellä pohjakuona. Tarkasteltavia vaihtoehtoja hyötykäytön osalta olivat erilaiset maarakennustyöt sekä kaatopaikkojen peittäminen. Hyötykäyttövaihtoehdoille vaihtoehtoisena ratkaisuna tutkittiin kaatopaikkasijoituksen kannattavuutta. Pohjakuonan käyttöä maarakentamisessa, jätetäyttöjen peitemaina sekä pohjakuonan loppusijoitusta kaatopaikoille säätelee lainsäädäntö. Valtioneuvoston asetuksessa kaatopaikoista on määritelty loppusijoitettaville jakeille liukoisuus raja-arvot, joiden mukaisesti jätteet sijoitetaan joko pysyvän jätteen, tavanomaisen jätteen tai ongelmajätteen kaatopaikoille. Jätetäyttöjen peitemateriaalina käytettävän jakeen on myös täytettävä kyseisen kaatopaikkaluokan liukoisuusraja-arvot. Maarakennusasetus antaa puolestaan liukoisuus- ja pitoisuusraja-arvot maarakennuksessa hyödynnettäville jakeille. Pohjakuonan hyötykäyttö vaatii kuitenkin aina ympäristöluvan. Hyötyvoimalan pohjakuonasta tehtyjen analyysien perusteella voidaan todeta, että käsiteltyä pohjakuonaa olisi mahdollista käyttää esimerkiksi kenttien ja kaatopaikkojen pohjarakenteissa sekä kaatopaikoilla jätetäyttöjen peitemaina. Pohjakuonan hyödyntäminen kaukolämpötöiden maarakennuksessa vaatii vielä lisätutkimuksia putkien korroosioriskin osalta. Diplomityön tuloksena kehitettiin toimintamalli, jonka avulla Kotkan Energia Oy:n on mahdollista säästää kuonan käsittelyn ja hyötykäytön kustannuksissa. Kustannuksiltaan parhaaksi vaihtoehdoksi osoittautui kuonan käsittely omalla biopolttoaineiden välivarastolla sekä käsitellyn pohjakuonan hyödyntäminen välivaraston pohjarakenteissa. 

EDTA- and DTPA-functionalized silica gel and chitosan adsorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions

Adsorbents functionalized with chelating agents are effective in removal of heavy metals from aqueous solutions. Important properties of such adsorbents are high binding affinity as well as regenerability. In this study, aminopolycarboxylic acid, EDTA and DTPA, were immobilized on the surface of silica gel, chitosan, and their hybrid materials to achieve chelating adsorbents for heavy metals such as Co(II), Ni(II), Cd(II), and Pb(II). New knowledge about the adsorption properties of EDTA- and DTPA-functionalizedadsorbents was obtained. Experimental work showed the effectiveness, regenerability, and stability of the studied adsorbents. Both advantages and disadvantages of the adsorbents were evaluated. For example, the EDTA-functionalized chitosan-silica hybrid materials combined the benefits of the silica gel and chitosan while at the same time diminishing their observed drawbacks. Modeling of adsorption kinetics and isotherms is an important step in design process. Therefore, several kinetic and isotherm models were introduced and applied in this work. Important aspects such as effect of error function, data range, initial guess values, and linearization were discussed and investigated. The selection of the most suitable model was conducted by comparing the experimental and simulated data as well as evaluating the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent. In addition, modeling of two-component data was conducted using various extended isotherms. Modeling results for both one- and twocomponent systems supported each other. Finally, application testing of EDTA- and DTPA-functionalized adsorbents was conducted. The most important result was the applicability of DTPA-functionalized silica gel and chitosan in the capturing of Co(II) from its aqueous EDTA-chelate. Moreover, these adsorbents were efficient in various solution matrices. In addition, separation of Ni(II) from Co(II) and Ni(II) and Pb(II) from Co(II) and Cd(II) was observed in two- and multimetal systems. Lastly, prior to their analysis, EDTA- and DTPA-functionalized silica gels were successfully used to preconcentrate metal ions from both pure and salty waters

From War Pigs to Unsung Heroes: The Criticism and Justification of War in Metal Lyrics

Tässä tutkimuksessa käsitellään heavy metal -kappaleiden sanoitusten sisältöä. Tutkimusmateriaaliin on valittu yksi teema, sota, jonka avulla avataan sanoitusten sisältöä ja merkitystä. Metallimusiikki alakulttuurina on tyylillisesti ja temaattisesti spesifi, ja sillä on omat musiikilliset tavoitteensa. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan erityisesti sitä miten sotaa kritisoidaan tai perustellaan heavy rock -sanoituksissa. Tutkimusmateriaalini koostuu 29 englanninkielisen kappaleen sanoituksesta vuosilta 1970–2012. Edustettuina on useita ajanjaksoja sekä maita. Yhdistävänä tekijänä on englannin kielen lisäksi se, että kaikki sanoitukset käsittelevät modernia länsimaista sodankäyntiä. Tekstit valittiin sen perusteella, että niissä ilmeni positiivinen tai negatiivinen näkökulma sotaan. Tutkimus nojaa Theo van Leeuwenin legitimaatioteoriaan, joka puolestaan pohjautuu diskurssianalyysiin. Legitimaatioteoria käsittää neljä strategiaa, jotka voivat joko kritisoida tai perustella sosiaalisia käytänteitä. Ne ovat auktoriteetteihin vetoaminen, moraalinen arviointi, järkeistäminen ja mytopoeesi. Yksi tavoitteistani tutkimuksessani on selvittää legitimaatioteorian toimivuutta omassa materiaalissani. Käytän metodina lähilukua, joka mahdollistaa niiden sanojen ja ilmaisujen identifioimisen, jotka ovat näkökulmaltaan joko positiivisesti tai negatiivisesti sotaan suhtautuvia. Analyysini kannalta tärkeitä ovat sekä kieli- että kulttuurikonteksti, sillä ne määrittelevät sanojen merkityksen. Analyysin perusteella kävi ilmi, että esimerkit jakautuivat eri strategioiden välille hyvin epätasaisesti. Auktoriteetteihin vetoamisen strategiasta löytyi vain yksi esimerkki, kun taas moraalisen arvioinnin esimerkkejä oli neljätoista. Lisäksi kaikkia legitimaatioteorian alaryhmiä ei löytynyt materiaalista ollenkaan. Osalla alaryhmistä oli useita esiintymiä, mutta osalla vain yksi. Esimerkkien epätasaista jakautumista selittää mm. se, että tutkimuksen materiaalin kannalta kaikki alakategoriat eivät ole relevantteja. Jotta tutkimustuloksista saataisiin edustavampi, laajempi otanta olisi tarpeen. Legitimaatioteorian soveltuvuutta sanoituksien yhteydessä tulisi tutkia laajemmin.

Artificial Ribonucleases: Oligonucleotides Conjugated with Metal Ion Chelates of Azacrowns

Ribonucleic acid (RNA) has many biological roles in cells: it takes part in coding, decoding, regulating and expressing of the genes as well as has the capacity to work as a catalyst in numerous biological reactions. These qualities make RNA an interesting object of various studies. Development of useful tools with which to investigate RNA is a prerequisite for more advanced research in the field. One of such tools may be the artificial ribonucleases, which are oligonucleotide conjugates that sequence-selectively cleave complementary RNA targets. This thesis is aimed at developing new efficient metal-ion-based artificial ribonucleases. On one hand, to solve the challenges related to solid-supported synthesis of metal-ion-binding conjugates of oligonucleotides, and on the other hand, to quantify their ability to cleave various oligoribonucleotide targets in a pre-designed sequence selective manner. In this study several artificial ribonucleases based on cleaving capability of metal ion chelated azacrown moiety were designed and synthesized successfully. The most efficient ribonucleases were the ones with two azacrowns close to the 3´- end of the oligonucleotide strand. Different transition metal ions were introduced into the azacrown moiety and among them, the Zn2+ ion was found to be better than Cu2+ and Ni2+ ions.

Metal-Ion-Binding Oligonucleotides: High-Affinity Probes for Nucleic Acid Sequences

Small non-coding RNAs have numerous biological functions in cell and are divided into different classes such as: microRNA, snoRNA, snRNA and siRNA. MicroRNA (miRNA) is the most studied non-coding RNA to date and is found in plants, animals and some viruses. miRNA with short sequences is involved in suppressing translation of target genes by binding to their mRNA post-transcriptionally and silencing it. Their function besides silencing of the viral gene, can be oncogenic and therefore the cause of cancer. Hence, their roles are highlighted in human diseases, which increases the interest in using them as biomarkers and drug targets. One of the major problems to overcome is recognition of miRNA. Owing to a stable hairpin structure, chain invasion by conventional Watson-Crick base-pairing is difficult. One way to enhance the hybridization is exploitation of metal-ion mediated base-pairing, i. e. oligonucleotide probes that tightly bind a metal ions and are able to form a coordinative bonds between modified and natural nucleobases. This kind of metallo basepairs containing short modified oligonucleotides can also be useful for recognition of other RNA sequences containing hairpin-like structural motives, such as the TAR sequence of HIV. In addition, metal-ion-binding oligonucleotides will undoubtedly find applications in DNA-based nanotechnology. In this study, the 3,5-dimethylpyrazol-1-yl substituted purine derivatives were successfully incorporated within oligonucleotides, into either a terminal or non-terminal position. Among all of the modified oligonucleotides studied, a 2-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)-6-oxopurine base containing oligonucleotide was observed to bind most efficiently to their unmodified complementary sequences in the presence of both Cu2+ or Zn2+. The oligonucleotide incorporating 2,6-bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)purine base also markedly increased the stability of duplexes in the presence of Cu2+ without losing the selectivity.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.

Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.