Sampling in chemical analysis

The uncertainty of any analytical determination depends on analysis and sampling. Uncertainty arising from sampling is usually not controlled and methods for its evaluation are still little known. Pierre Gy’s sampling theory is currently the most complete theory about samplingwhich also takes the design of the sampling equipment into account. Guides dealing with the practical issues of sampling also exist, published by international organizations such as EURACHEM, IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) and ISO (International Organization for Standardization). In this work Gy’s sampling theory was applied to several cases, including the analysis of chromite concentration estimated on SEM (Scanning Electron Microscope) images and estimation of the total uncertainty of a drug dissolution procedure. The results clearly show that Gy’s sampling theory can be utilized in both of the above-mentioned cases and that the uncertainties achieved are reliable. Variographic experiments introduced in Gy’s sampling theory are beneficially applied in analyzing the uncertainty of auto-correlated data sets such as industrial process data and environmental discharges. The periodic behaviour of these kinds of processes can be observed by variographic analysis as well as with fast Fourier transformation and auto-correlation functions. With variographic analysis, the uncertainties are estimated as a function of the sampling interval. This is advantageous when environmental data or process data are analyzed as it can be easily estimated how the sampling interval is affecting the overall uncertainty. If the sampling frequency is too high, unnecessary resources will be used. On the other hand, if a frequency is too low, the uncertainty of the determination may be unacceptably high. Variographic methods can also be utilized to estimate the uncertainty of spectral data produced by modern instruments. Since spectral data are multivariate, methods such as Principal Component Analysis (PCA) are needed when the data are analyzed. Optimization of a sampling plan increases the reliability of the analytical process which might at the end have beneficial effects on the economics of chemical analysis,

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

Polttoainekoostumuksen vaikutus lentotuhkan laatuun ja hyötykäyttömahdollisuuksiin UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan tehtailla

Tavoitteena tässä diplomityössä oli selvittää UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan tehtaiden lentotuhkan hyötykäyttömahdollisuuksia. Tarkastelussa olivat mukana metsälannoite-, maarakennus- sekä sementtiteollisuuskäytöt. Ensin työssä tarkasteltiin näitä vaihtoehtoja kirjallisuuden perusteella. Tämän jälkeen pohdittiin Kaukaan lentotuhkasta tehtyjen analyysien perusteella, mihin käyttökohteisiin lentotuhka soveltuu tällä hetkellä, sekä tulevaisuudessa uuden biopolttoainekattilan myötä. Lentotuhkan hyötykäyttöä lannoitteena ja maarakentamisessa säätelee lainsäädäntö. Lannoitteille on asetuksessa säädetty tietyille haitta-aineille enimmäispitoisuudet, jotka tuhkan tulee alittaa, jotta sitä voitaisiin hyödyntää. Maarakennuskäytölle on asetuksessa määritelty raja-arvot, jotka alitettaessa voidaan tuhkaa hyödyntää rakenteissa ilmoitusmenettelyllä. Tämä menettely helpottaa rakennusprojekteja huomattavan paljon, sillä tällöin ympäristölupaa ei tarvitse hakea jokaiselle projektille erikseen. Maarakennuskäyttö on mahdollista, vaikkei raja-arvoja alitettaisikaan, mutta tällöin ympäristöluvan hakeminen hankaloittaa projektien etenemistä ja aiheuttaa kustannuksia. Tuhkan on lisäksi oltava ominaisuuksiltaan riittävän hyvää, jotta hyötykäyttö olisi mahdollista. Kaukaan tuhkasta tehtyjen analyysien perusteella huomattiin, että se sopii hyvin metsälannoitteeksi ja todennäköisesti myös sementtiteollisuuskäyttöön. Maarakennuskäytön osalta tulokset osoittivat tuhkan olevan juuri rajoilla ilmoitusmenettelyn hyödyntämisen suhteen. Maarakennuskäytöstä tarvitaankin vielä lisäselvityksiä jatkossa. Uudessa polttolaitoksessa poltetaan myös turvetta puuperäisen lisäksi. Kirjallisuuden perusteella voitiin tehdä arvio, mihin suuntaan turve tulee tuhkaa todennäköisesti muuttamaan. Todettiin, että turpeen poltto parantaa todennäköisesti tuhkan laatua sementtiteollisuudessa käytön kannalta. Tuhkan lannoitekäyttöön turpeen poltolla todettiin taas olevan negatiivisia vaikutuksia. Maarakennuskäytön kannalta turpeella saattaa myös olla negatiivisia vaikutuksia. Tuhkaa kannattaisikin käyttää sementtiteollisuudessa silloin kun turvetta on polttoaineessa paljon ja muuhun käyttöön silloin kun turvetta on vähän.

Assessment of endocrine disrupting activities in the aquatic environment

Hormonstörande ämnen är syntetiska eller naturliga ämnen som stör organismers hormonsystem och bidrar till könsförvirring och sterilitet. Sådana ämnen kommer i ökande takt ut i vattenmiljön genom rester av läkemedel, bekämpningsmedel och industriprodukter. Eftersom det finns många likheter mellan hormonsystemen hos människan och övriga ryggradsdjur kan till exempel fiskar användas som modellsystem för att underöka detta problem. I tidigare undersökningar har man funnit hormonella störningar, bl.a. feminisering och maskulinisering hos fiskar som utsatts för avfallsvatten från kommunala reningsverk eller avfallsvatten från pappersindustrin. Målet med denna avhandling var att undersöka om renat avfallsvatten från kommunala reningsverk längs Finlands kust innehåller hormonstörande ämnen i sådana mängder att de kan försorsaka hormonstörande effekter på fisk. Målet i denna avhandling var också att utveckla cellulära testsystem baserade på fiskceller, eftersom behovet av tillförlitliga och kostnadseffektiva cellbaserade tester för att underlätta riskbedömningen av hormonstörande ämnen är mycket stort för tillfället. Som testsystem har storspiggen använts, som besitter flera användbara biomarkörer för att mäta hormonstörande ämnens påverkan. Resultaten tyder på att problemen med hormonstörande påverkan på fisk inte är lika utbredda i Finland som i många andra europeiska länder. Detta beror troligtvis på att finska reningsverk har effektiva reningstekniker som reducerar mängden hormonstörande ämnen, eller på att utspädningen av avloppen i recipienterna är större än i många andra länder. Dock kan problemen inte helt uteslutas eftersom vissa feminiserande (estrogena) effekter kunde observeras hos fisken i de undersökta recipienterna utanför kommunala reningsverk. I kontrollerade laboratorieförsök där storpsiggar exponerades för kommunalt avloppsvatten uppmättes även här effekter som tyder på förekomst av estrogener i avloppsvattnet. De cell-baserade testsystemen klarade av att förutspå hormonella effekter hos hel fisk och kan därför vara mycket användbara i fortsatta studier av hormonstörande ämnens verkningsmekanismer i preliminära toxicitetsbedömningar.

Surface characterization of chemically modified fiber, wood and paper

Inorganic-organic sol-gel hybrid coatings can be used for improving and modifying properties of wood-based materials. By selecting a proper precursor, wood can be made water repellent, decay-, moisture- or UV-resistant. However, to control the barrier properties of sol-gel coatings on wood substrates against moisture uptake and weathering, an understanding of the surface morphology and chemistry of the deposited sol-gel coatings on wood substrates is needed. Mechanical pulp is used in production of wood-containing printing papers. The physical and chemical fiber surface characteristics, as created in the chosen mechanical pulp manufacturing process, play a key role in controlling the properties of the end-use product. A detailed understanding of how process parameters influence fiber surfaces can help improving cost-effectiveness of pulp and paper production. The current work focuses on physico-chemical characterization of modified wood-based materials with surface sensitive analytical tools. The overall objectives were, through advanced microscopy and chemical analysis techniques, (i) to collect versatile information about the surface structures of Norway spruce thermomechanical pulp fiber walls and understand how they are influenced by the selected chemical treatments, and (ii) to clarify the effect of various sol-gel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates. A special emphasis was on understanding the effect of sol-gel coatings on the water repellency of modified wood and paper surfaces. In the first part of the work, effects of chemical treatment on micro- and nano-scale surface structure of 1st stage TMP latewood fibers from Norway spruce were investigated. The chemicals applied were buffered sodium oxalate and hydrochloric acid. The outer and the inner fiber wall layers of the untreated and chemically treated fibers were separately analyzed by light microscopy, atomic force microscopy and field-emission scanning electron microscopy. The selected characterization methods enabled the demonstration of the effect of different treatments on the fiber surface structure, both visually and quantitatively. The outer fiber wall areas appeared as intact bands surrounding the fiber and they were clearly rougher than areas of exposed inner fiber wall. The roughness of the outer fiber wall areas increased most in the sodium oxalate treatment. The results indicated formation of more surface pores on the exposed inner fiber wall areas than on the corresponding outer fiber wall areas as a result of the chemical treatments. The hydrochloric acid treatment seemed to increase the surface porosity of the inner wall areas. In the second part of the work, three silane-based sol-gel hybrid coatings were selected in order to improve moisture resistance of wood and paper substrates. The coatings differed from each other in terms of having different alkyl (CH3–, CH3-(CH2)7–) and fluorocarbon (CF3–) chains attached to the trialkoxysilane sol-gel precursor. The sol-gel coatings were deposited by a wet coating method, i.e. spraying or spreading by brush. The effect of solgel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates was studied by using advanced surface analyzing tools: atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion spectroscopy. The results show that the applied sol-gel coatings, deposited as thin films or particulate coatings, have different effects on surface characteristics of wood and wood-based materials. The coating which has a long hydrocarbon chain (CH3-(CH2)7–) attached to the silane backbone (octyltriethoxysilane) produced the highest hydrophobicity for wood and wood-based materials.

Solid-state reference and ion-selective electrodes : towards portable potentiometric sensing

Potentiometric sensors are very attractive tools for chemical analysis because of their simplicity, low power consumption and low cost. They are extensively used in clinical diagnostics and in environmental monitoring. Modern applications of both fields require improvements in the conventional construction and in the performance of the potentiometric sensors, as the trends are towards portable, on-site diagnostics and autonomous sensing in remote locations. The aim of this PhD work was to improve some of the sensor properties that currently hamper the implementation of the potentiometric sensors in modern applications. The first part of the work was concentrated on the development of a solid-state reference electrode (RE) compatible with already existing solid-contact ion-selective electrodes (ISE), both of which are needed for all-solid-state potentiometric sensing systems. A poly(vinyl chloride) membrane doped with a moderately lipophilic salt, tetrabutylammonium-tetrabutylborate (TBA-TBB), was found to show a satisfactory stability of potential in sample solutions with different concentrations. Its response time was nevertheless slow, as it required several minutes to reach the equilibrium. The TBA-TBB membrane RE worked well together with solid-state ISEs in several different situations and on different substrates enabling a miniature design. Solid contacts (SC) that mediate the ion-to-electron transduction are crucial components of well-functioning potentiometric sensors. This transduction process converting the ionic conduction of an ion-selective membrane to the electronic conduction in the circuit was studied with the help of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The solid contacts studied were (i) the conducting polymer (CP) poly(3,4-ethylienedioxythiophene) (PEDOT) and (ii) a carbon cloth having a high surface area. The PEDOT films were doped with a large immobile anion poly(styrene sulfonate) (PSS-) or with a small mobile anion Cl-. As could be expected, the studied PEDOT solid-contact mediated the ion-toelectron transduction more efficiently than the bare glassy carbon substrate, onto which they were electropolymerized, while the impedance of the PEDOT films depended on the mobility of the doping ion and on the ions in the electrolyte. The carbon cloth was found to be an even more effective ion-to-electron transducer than the PEDOT films and it also proved to work as a combined electrical conductor and solid contact when covered with an ion-selective membrane or with a TBA-TBB-based reference membrane. The last part of the work was focused on improving the reproducibility and the potential stability of the SC-ISEs, a problem that culminates to the stability of the standard potential E°. It was proven that the E° of a SC-ISE with a conducting polymer as a solid contact could be adjusted by reducing or oxidizing the CP solid contact by applying current pulses or a potential to it, as the redox state of the CP solid-contact influences the overall potential of the ISE. The slope and thus the analytical performance of the SC-ISEs were retained despite the adjustment of the E°. The shortcircuiting of the SC-ISE with a conventional large-capacitance RE was found to be a feasible instrument-free method to control the E°. With this method, the driving force for the oxidation/reduction of the CP was the potential difference between the RE and the SC-ISE, and the position of the adjusted potential could be controlled by choosing a suitable concentration for the short-circuiting electrolyte. The piece-to-piece reproducibility of the adjusted potential was promising, and the day-today reproducibility for a specific sensor was excellent. The instrumentfree approach to control the E° is very attractive considering practical applications.