Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Sustainable development in Darjeeling Hills, India : ecological and socio-economic aspects for small-scale farmers with supportive observations from Kanagawa, Japan

Organic farming means a holistic application of agricultural land-use, hence, this study aimed to assess ecological and socio-economic aspects that show benefits of the strategy and achievements of organic farming in comparison to conventional farming in Darjeeling District, State of West Bengal, India and Kanagawa Prefecture/Kanto in Central Japan. The objective of this study has been empirically analysed on aspects of crop diversity, yield, income and sales prices in the two study regions, where 50 households each, i.e. in total 100 households were interviewed at farm-level. Therefore, the small sample size does not necessarily reflect the broad-scale of the use and benefit of organic farming in both regions. The problems faced in mountainous regions in terms of agriculture and livelihoods for small-scale farmers, which are most affected and dependant on their immediate environment, such as low yields, income and illegal felling leading to soil erosion and landslides, are analyzed. Furthermore, factors such as climate, soils, vegetation and relief equally play an important role for these farmers, in terms of land-use. To supplement and improve the income of farmers, local NGOs have introduced organic farming and high value organic cash crops such as ginger, tea, orange and cardamom and small income generating means (floriculture, apiary etc.). For non-certified and certified organic products the volume is given for India, while for Japan only certified organic production figures are given, as there are several definitions for organic in Japan. Hence, prior to the implementation of organic laws and standards, even reduced chemical input was sold as non-certified organic. Furthermore, the distribution and certification system of both countries are explained in detail, including interviews with distribution companies and cooperatives. Supportive observations from Kanagawa Prefecture and the Kanto region are helpful and practical suggestions for organic farmers in Darjeeling District. Most of these are simple and applicable soil management measures, natural insect repelling applications and describe the direct marketing system practiced in Japan. The former two include compost, intercropping, Effective Microorganisms (EM), clover, rice husk charcoal and wood vinegar. More supportive observations have been made at organic and biodynamic tea estates in Darjeeling District, which use citronella, neem, marigold, leguminous and soil binding plants for soil management and natural insect control. Due to the close ties between farmers and consumers in Japan, certification is often neither necessary nor wanted by the producers. They have built a confidence relationship with their customers; thus, such measures are simply not required. Another option is group certification, instead of the expensive individual certification. The former aims at lower costs for farmers who have formed a cooperative or a farmers' group. Consumer awareness for organic goods is another crucial aspect to help improve the situation of organic farmers. Awareness is slightly more advanced in Kanto than in Darjeeling District, as it is improved due to the close (sales) ties between farmers and consumers in Kanto. Interviews conducted with several such cooperatives and companies underline the positive system of TEIKEI. The introduction of organic farming in the study regions has shown positive effects for those involved, even though it still in its beginning stages in Darjeeling District. This study was only partly able to assess the benefits of organic agriculture at its present level for Darjeeling District, while more positively for the organic farmers of Kanto. The organic farming practice needs further improvement, encouragement and monitoring for the Darjeeling District farmers by locals, consumers, NGOs and politicians. The supportive observations from Kanagawa Prefecture and the Kanto region are a small step in this direction, showing how, simple soil improvements and thus, yield and income increases, as well as direct sales options can enhance the livelihood of organic farmers without destroying their environment and natural resources.

The role of indigenous people in national development processes: Participation and marginalisation of indigenous Bedouin in South Sinai tourism development

The Bedouin of South Sinai have been significantly affected by the politics of external powers for a long time. However, never had the interest of external powers in Sinai been so strong as since the Israeli-Egyptian wars in the second half of the 20th century when Bedouin interests started to collide with Egypt’s plans for a development of luxury tourism in South Sinai. rnrnThe tourism boom that has started in the 1980s has brought economic and infrastructure development to the Bedouin and tourism has become the most important source of income for the Bedouin. However, while the absolute increase of tourists to Sinai has trickled down to the Bedouin to some extent, the participation of Bedouin in the overall tourism development is under-proportionate. Moreover, the Bedouin have become increasingly dependent on monetary income and consequently from tourism as the only significant source of income while at the same time they have lost much of their land as well as their self-determination.rnrnIn this context, the Bedouin livelihoods have become very vulnerable due to repeated depressions in the tourism industry as well as marginalization. Major marginalization processes the Bedouin are facing are the loss of land, barriers to market entry, especially increasingly strict rules and regulations in the tourism industry, as well as discrimination by the authorities. Social differentiation and Bedouin preferences are identified as further factors in Bedouin marginalization.rnrnThe strategies Bedouin have developed in response to all these problems are coping strategies, which try to deal with the present problem at the individual level. Basically no strategies have been developed at the collective level that would aim to actively shape the Bedouin’s present and future. Collective action has been hampered by a variety of factors, such as the speed of the developments, the distribution of power or the decay of tribal structures.rnWhile some Bedouin might be able to continue their tourism activities, a large number of informal jobs will not be feasible anymore. The majority of the previously mostly self-employed Bedouin will probably be forced to work as day-laborers who will have lost much of their pride, dignity, sovereignty and freedom. Moreover, with a return to subsistence being impossible for the majority of the Bedouin, it is likely that an increasing number of marginalized Bedouin will turn to illegal income generating activities such as smuggling or drug cultivation. This in turn will lead to further repression and discrimination and could escalate in a serious violent conflict between the Bedouin and the government.rnrnDevelopment plans and projects should address the general lack of civil rights, local participation and protection of minorities in Egypt and promote Bedouin community development and the consideration of Bedouin interests in tourism development.rnrnWether the political upheavals and the resignation of president Mubarak at the beginning of 2011 will have a positive effect on the situation of the Bedouin remains to be seen.rn