The purification and gas chromatographic analysis of helium /

"Issued June 30, 1961."

Gas hydrates of nonpressurized (GC) and pressurized (DAPC) sediment cores from the Hakon Mosby Mud Volcano, SW Barents Sea

The occurrence of gas hydrates at submarine mud volcanoes (MVs) located within the gas hydrate stability zone (GHSZ) is controlled by upward fluid and heat flux associated with MV activity. Determining the spatial distribution of gas hydrates at MVs is crucial to evaluate their sensitivity to known episodic changes in volcanic activity. We determined the hydrocarbon inventory and spatial distribution of hydrates at an individual MV structure. The Håkon Mosby Mud Volcano (HMMV), located at 1,250 m water depth on the Barents Sea slope, was investigated by combined pressure core sampling, heat flow measurements, and pore water chemical analysis. Quantitative pressure core degassing revealed gas-sediment ratios between 3.1 and 25.7, corresponding to hydrate concentrations of up to 21.3% of the pore volume. Hydrocarbon compositions and physicochemical conditions imply that gas hydrates incipiently crystallize as structure I hydrate, with a dissociation temperature of around 13.8°C at this water depth. Based on numerous in situ measurements of the geothermal gradient in the seabed, pore water sulfate profiles and microbathymetric data, we show that the thickness of the GHSZ increases from less than 1 m at the warm center to around 47 m in the outer parts of the HMMV. We estimate the total mass of hydrate-bound methane stored at the HMMV to be about 102.5 kt, of which 2.8 kt are located within the morphological Unit I around the center and thus are likely to be dissociated in the course of a large eruption.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Parameters Affecting the Extraction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with Pressurised Hot Water

Pressurised hot water extraction (PHWE) exploits the unique temperature-dependent solvent properties of water minimising the use of harmful organic solvents. Water is environmentally friendly, cheap and easily available extraction medium. The effects of temperature, pressure and extraction time in PHWE have often been studied, but here the emphasis was on other parameters important for the extraction, most notably the dimensions of the extraction vessel and the stability and solubility of the analytes to be extracted. Non-linear data analysis and self-organising maps were employed in the data analysis to obtain correlations between the parameters studied, recoveries and relative errors. First, pressurised hot water extraction (PHWE) was combined on-line with liquid chromatography-gas chromatography (LC-GC), and the system was applied to the extraction and analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sediment. The method is of superior sensitivity compared with the traditional methods, and only a small 10 mg sample was required for analysis. The commercial extraction vessels were replaced by laboratory-made stainless steel vessels because of some problems that arose. The performance of the laboratory-made vessels was comparable to that of the commercial ones. In an investigation of the effect of thermal desorption in PHWE, it was found that at lower temperatures (200ºC and 250ºC) the effect of thermal desorption is smaller than the effect of the solvating property of hot water. At 300ºC, however, thermal desorption is the main mechanism. The effect of the geometry of the extraction vessel on recoveries was studied with five specially constructed extraction vessels. In addition to the extraction vessel geometry, the sediment packing style and the direction of water flow through the vessel were investigated. The geometry of the vessel was found to have only minor effect on the recoveries, and the same was true of the sediment packing style and the direction of water flow through the vessel. These are good results because these parameters do not have to be carefully optimised before the start of extractions. Liquid-liquid extraction (LLE) and solid-phase extraction (SPE) were compared as trapping techniques for PHWE. LLE was more robust than SPE and it provided better recoveries and repeatabilities than did SPE. Problems related to blocking of the Tenax trap and unrepeatable trapping of the analytes were encountered in SPE. Thus, although LLE is more labour intensive, it can be recommended over SPE. The stabilities of the PAHs in aqueous solutions were measured using a batch-type reaction vessel. Degradation was observed at 300ºC even with the shortest heating time. Ketones and quinones and other oxidation products were observed. Although the conditions of the stability studies differed considerably from the extraction conditions in PHWE, the results indicate that the risk of analyte degradation must be taken into account in PHWE. The aqueous solubilities of acenaphthene, anthracene and pyrene were measured, first below and then above the melting point of the analytes. Measurements below the melting point were made to check that the equipment was working, and the results were compared with those obtained earlier. Good agreement was found between the measured and literature values. A new saturation cell was constructed for the solubility measurements above the melting point of the analytes because the flow-through saturation cell could not be used above the melting point. An exponential relationship was found between the solubilities measured for pyrene and anthracene and temperature.