Ionization of chlorophyll-c(2) in liquid methanol

The ionization of chlorophyll-c(2) in liquid methanol was investigated by a sequential quantum mechanical/Monte Carlo approach. Focus was placed on the determination of the first ionization energy of chlorophyll-c(2). The results show that the first vertical ionization energy (IE) is red-shifted by 0.47 +/- 0.24 eV relative to the gas-phase value. The red-shift of the chlorophyll-c(2) IE in the liquid phase can be explained by Mg center dot center dot center dot OH hydrogen bonding and long-ranged electrostatic interactions in solution. The ionization threshold for chlorophyll-c2 in liquid methanol is close to 6 eV. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Experimental investigation of gravitational gas separation in an inclined annular channel

The oil industry uses gas separators in production wells as the free gas present in the suction of the pump reduces the pumping efficiency and pump lifetime. Therefore, free gas is one of the most important variables in the design of pumping systems. However, in the literature there is little information on these separators. It is the case of the inverted-shroud gravitational gas separator. It has an annular geometry due to the installation of a cylindrical container in between the well casing and pioduction pipe (tubing). The purpose of the present study is to understand the phenomenology and behavior of inverted-shroud separator. Experimental tests were performed in a 10.5-m-length inclinable glass tube with air and water as working fluids. The water flow rate was in the range of 8.265-26.117 l/min and the average inlet air mass flow rate was 1.1041 kg/h, with inclination angles of 15 degrees, 30 degrees, 45 degrees, 60 degrees, 75 degrees, 80 degrees and 85 degrees. One of the findings is that the length between the inner annular level and production pipe inlet is one of the most important design parameters and based on that a new criterion for total gas separation is proposed. We also found that the phenomenology of the studied separator is not directly dependent on the gas flow rate, but on the average velocity of the free surface flow generated inside the separator. Maps of efficiency of gas separation were plotted and showed that liquid flow rate, inclination angle and pressure difference between casing and production pipe outlet are the main variables related to the gas separation phenomenon. The new data can be used for the development of design tools aiming to the optimized project of the pumping system for oil production in directional wells. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Gas-phase reactivity of 2-hydroxy-1,4-naphthoquinones: a computational and mass spectrometry study of lapachol congeners

In order to understand the influence of alkyl side chains on the gas-phase reactivity of 1,4-naphthoquinone derivatives, some 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone derivatives have been prepared and studied by electrospray ionization tandem mass spectrometry in combination with computational quantum chemistry calculations. Protonation and deprotonation sites were suggested on the basis of gas-phase basicity, proton affinity, gas-phase acidity (?Gacid), atomic charges and frontier orbital analyses. The nature of the intramolecular interaction as well as of the hydrogen bond in the systems was investigated by the atoms-in-molecules theory and the natural bond orbital analysis. The results were compared with data published for lapachol (2-hydroxy-3-(3-methyl-2-butenyl)-1,4-naphthoquinone). For the protonated molecules, water elimination was verified to occur at lower proportion when compared with side chain elimination, as evidenced in earlier studies on lapachol. The side chain at position C(3) was found to play important roles in the fragmentation mechanisms of these compounds. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Seasonal distribution of airborne trace elements and water-soluble ions in São Paulo Megacity, Brazil

This study deals with the seasonal distribution of Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb and Zn and water soluble ions (Cl-, PO4(3-), NO3-, SO4(2-), HCOO-, CH3COO-, oxalate, succinate, Na+, NH4+, K+, Mg2+ and Ca2+) found in PM10 samples (particulate matter less than 10 mm in diameter) São Paulo City, Brazil, (April 2003-May 2004). Higher atmospheric levels were found for SO4(2-), NO3-, Cl- and PO4(3-) while the main organic anions were oxalate and formate. Atmospheric levels for elements were: Fe > Al > Ca > K > Na > Mg > Zn > Cu > Pb. Some sources were predominant for some species: (i) fuel burning and/or biomass burning (NO3-, HCOO-, C2O4(2-), K+, Mg2+, Ca2+, Fe, Pb, Zn, Al, Ca, K and Mg), (ii) gas-to-particle conversion (SO4(2-) and NH4+) and (iii) sea salt spray (Cl-, Na+ and Na).

Movement of NH3 through the human urea transporter B: a new gas channel

Aquaporins and Rh proteins can function as gas (CO2 and NH3) channels. The present study explores the urea, H2O, CO2, and NH3 permeability of the human urea transporter B (UT-B) (SLC14A1), expressed in Xenopus oocytes. We monitored urea uptake using [14C]urea and measured osmotic water permeability (Pf) using video microscopy. To obtain a semiquantitative measure of gas permeability, we used microelectrodes to record the maximum transient change in surface pH (∆pHS) caused by exposing oocytes to 5% CO2/33 mM HCO3- (pHS increase) or 0.5 mM NH3/NH4+ (pHS decrease). UT-B expression increased oocyte permeability to urea by >20-fold, and Pf by 8-fold vs. H2O-injected control oocytes. UT-B expression had no effect on the CO2-induced ∆pHS but doubled the NH3-induced ∆pHS. Phloretin reduced UT-B-dependent urea uptake (Jurea * ) by 45%, Pf * by 50%, and (- ∆pHS * )NH3 by 70%. p-Chloromercuribenzene sulfonate reduced Jurea * by 25%, Pf * by 30%, and (∆pHS * )NH3 by 100%. Molecular dynamics (MD) simulations of membrane-embedded models of UT-B identified the monomeric UT-B pores as the main conduction pathway for both H2O and NH3 and characterized the energetics associated with permeation of these species through the channel. Mutating each of two conserved threonines lining the monomeric urea pores reduced H2O and NH3 permeability. Our data confirm that UT-B has significant H2O permeability and for the first time demonstrate significant NH3 permeability. Thus the UTs become the third family of gas channels. Inhibitor and mutagenesis studies and results of MD simulations suggest that NH3 and H2O pass through the three monomeric urea channels in UT-B.

Modeling the gas and aqueous phase chemistry of the marine boundary layer

Ein eindimensionales numerisches Modell der maritimenGrenzschicht (MBL) wurde erweitert, um chemische Reaktionenin der Gasphase, von Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zu beschreiben. Ein Schwerpunkt war dabei die Betrachtung derReaktionszyklen von Halogenen. Soweit Ergebnisse vonMesskampagnen zur Verfuegung standen, wurden diese zurValidierung des Modells benutzt. Die Ergebnisse von frueheren Boxmodellstudien konntenbestaetigt werden. Diese zeigten die saeurekatalysierteAktivierung von Brom aus Seesalzaerosolen, die Bedeutung vonHalogenradikalen fuer die Zerstoerung von O3, diepotentielle Rolle von BrO bei der Oxidation von DMS und dievon HOBr und HOCl in der Oxidation von S(IV). Es wurde gezeigt, dass die Beruecksichtigung derVertikalprofile von meteorologischen und chemischen Groessenvon grosser Bedeutung ist. Dies spiegelt sich darin wider,dass Maxima des Saeuregehaltes von Seesalzaerosolen und vonreaktiven Halogenen am Oberrand der MBL gefunden wurden.Darueber hinaus wurde die Bedeutung von Sulfataerosolen beidem aktiven Recyceln von weniger aktiven zu photolysierbarenBromspezies gezeigt. Wolken haben grosse Auswirkungen auf die Evolution und denTagesgang der Halogene. Dies ist nicht auf Wolkenschichtenbeschraenkt. Der Tagesgang der meisten Halogene ist aufgrundeiner erhoehten Aufnahme der chemischen Substanzen in die Fluessigphase veraendert. Diese Ergebnisse betonen dieWichtigkeit der genauen Dokumentation der meteorologischenBedingungen bei Messkampagnen (besonders Wolkenbedeckungsgrad und Fluessigwassergehalt), um dieErgebnisse richtig interpretieren und mit Modellresultatenvergleichen zu koennen. Dieses eindimensionale Modell wurde zusammen mit einemBoxmodell der MBL verwendet, um die Auswirkungen vonSchiffemissionen auf die MBL abzuschaetzen, wobei dieVerduennung der Abgasfahne parameterisiert wurde. DieAuswirkungen der Emissionen sind am staerksten, wenn sie insauberen Gebieten stattfinden, die Hoehe der MBL gering istund das Einmischen von Hintergrundluft schwach ist.Chemische Reaktionen auf Hintergrundaerosolen spielen nureine geringe Rolle. In Ozeangebieten mit schwachemSchiffsverkehr sind die Auswirkungen auf die Chemie der MBL beschraenkt. In staerker befahrenen Gebieten ueberlappensich die Abgasfahnen mehrerer Schiffe und sorgen fuerdeutliche Auswirkungen. Diese Abschaetzung wurde mitSimulationen verglichen, bei denen die Emissionen alskontinuierliche Quellen behandelt wurden, wie das inglobalen Chemiemodellen der Fall ist. Wenn die Entwicklungder Abgasfahne beruecksichtigt wird, sind die Auswirkungendeutlich geringer da die Lebenszeit der Abgase in der erstenPhase nach Emission deutlich reduziert ist.

Jasmonates and abscisic acid influence fruit ripening and plant water use: practical, physiological and morphological aspects

The aim of the present thesis was to better understand the physiological role of the phytohormones jasmonates (JAs) and abscisic acid (ABA) during fruit ripening in prospect of a possible field application of JAs and ABA to improve fruit yield and quality. In particular, the effects of exogenous application of these substances at different fruit developmental stages and under different experimental conditions were evaluated. Some aspects of the water relations upon ABA treatment were also analysed. Three fruit species, peach (Prunus persica L. Batsch), golden (Actinidia chinensis) and green kiwifruit (Actinidia deliciosa), and several of their cvs, were used for the trials. Different experimental models were adopted: fruits in planta, detached fruit, detached branches with fruit, girdled branches and micropropagated plants. The work was structured into four sets of experiments as follows: (i) Pre-harvest methyl jasmonate (MJ) application was performed at S3/S4 transition under field conditions in Redhaven peach; ethylene production, ripening index, fruit quality and shelf-life were assessed showing that MJ-treated fruit were firmer and thus less ripe than controls as confirmed by the Index of Absorbance Difference (IAD), but exhibited a shorter shelf-life due to an increase in ethylene production. Moreover, the time course of the expression of ethylene-, auxin- and other ripening-related genes was determined. Ripening-related ACO1 and ACS1 transcript accumulation was inhibited though transiently by MJ, and gene expression of the ethylene receptor ETR2 and of the ethylene-related transcription factor ERF2 was also altered. The time course of the expression of several auxin-related genes was strongly affected by MJ suggesting an increase in auxin biosynthesis, altered auxin conjugation and release as well as perception and transport; the need for a correct ethylene/auxin balance during ripening was confirmed. (ii) Pre- and post-harvest ABA applications were carried out under field conditions in Flaminia and O’Henry peach and Stark Red Gold nectarine fruit; ethylene production, ripening index, fruit quality and shelf-life were assessed. Results show that pre-harvest ABA applications increase fruit size and skin color intensity. Also post-harvest ABA treatments alter ripening-related parameters; in particular, while ethylene production is impaired in ABA-treated fruit soluble solids concentration (SSC) is enhanced. Following field ABA applications stem water potential was modified since ABA-treated peach trees retain more water. (iii) Pre- and post-harvest ABA and PDJ treatments were carried out in both kiwifruit species under field conditions at different fruit developmental stages and in post-harvest. Ripening index, fruit quality, plant transpiration, photosynthesis and stomatal conductance were assessed. Pre-harvest treatments enhance SSC in the two cvs and flesh color development in golden kiwifruit. Post-harvest applications of either ABA or ABA plus PDJ lead to increased SSC. In addition, ABA reduces gas exchanges in A. deliciosa. (iv) Spray, drench and dipping ABA treatments were performed in micropropagated peach plants and in peach and nectarine detached branches; plant water use and transpiration, biomass production and fruit dehydration were determined. In both plants and branches ABA significantly reduces water use and fruit dehydration. No negative effects on biomass production were detected. The present information, mainly arising from plant growth regulator application in a field environment, where plants have to cope with multiple biotic and abiotic stresses, may implement the perspectives for the use of these substances in the control of fruit ripening.

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Developments for transactinide chemistry experiments behind the gas-filled separator TASCA

Topic of this thesis is the development of experiments behind the gas-filled separator TASCA(TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) to study the chemical properties of the transactinide elements.rnIn the first part of the thesis, the electrodepositions of short-lived isotopes of ruthenium and osmium on gold electrodes were studied as model experiments for hassium. From literature it is known that the deposition potential of single atoms differs significantly from the potential predicted by the Nernst equation. This shift of the potential depends on the adsorption enthalpy of therndeposited element on the electrode material. If the adsorption on the electrode-material is favoured over the adsorption on a surface made of the same element as the deposited atom, the electrode potential is shifted to higher potentials. This phenomenon is called underpotential deposition.rnPossibilities to automatize an electro chemistry experiment behind the gas-filled separator were explored for later studies with transactinide elements.rnThe second part of this thesis is about the in-situ synthesis of transition-metal-carbonyl complexes with nuclear reaction products. Fission products of uranium-235 and californium-249 were produced at the TRIGA Mainz reactor and thermalized in a carbon-monoxide containing atmosphere. The formed volatile metal-carbonyl complexes could be transported in a gas-stream.rnFurthermore, short-lived isotopes of tungsten, rhenium, osmium, and iridium were synthesised at the linear accelerator UNILAC at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt. The recoiling fusion products were separated from the primary beam and the transfer products in the gas-filled separator TASCA. The fusion products were stopped in the focal plane of TASCA in a recoil transfer chamber. This chamber contained a carbon-monoxide – helium gas mixture. The formed metal-carbonyl complexes could be transported in a gas stream to various experimental setups. All synthesised carbonyl complexes were identified by nuclear decay spectroscopy. Some complexes were studied with isothermal chromatography or thermochromatography methods. The chromatograms were compared with Monte Carlo Simulations to determine the adsorption enthalpyrnon silicon dioxide and on gold. These simulations based on existing codes, that were modified for the different geometries of the chromatography channels. All observed adsorption enthalpies (on silcon oxide as well as on gold) are typical for physisorption. Additionally, the thermalstability of some of the carbonyl complexes was studied. This showed that at temperatures above 200 °C therncomplexes start to decompose.rnIt was demonstrated that carbonyl-complex chemistry is a suitable method to study rutherfordium, dubnium, seaborgium, bohrium, hassium, and meitnerium. Until now, only very simple, thermally stable compounds have been synthesized in the gas-phase chemistry of the transactindes. With the synthesis of transactinide-carbonyl complexes a new compound class would be discovered. Transactinide chemistry would reach the border between inorganic and metallorganic chemistry.rnFurthermore, the in-situ synthesised carbonyl complexes would allow nuclear spectroscopy studies under low background conditions making use of chemically prepared samples.

Processes influencing the nitrate concentration in an aquifer for drinking water production in Bremen-Nord - Northern Germany

Groundwater represents the most important raw material. Germany struggles to maintain the best water quality possible by providing advanced monitoring systems and legal measures to prevent further pollution. In areas involved in the intensive growing of plantations, one of the major contamination factors derives from nitrate. The aim of this master thesis is the characterisation of the Water Protection Area of Bremen (Germany). Denitrification is a natural process, representing the best means of natural reduction of the hazardous nitrate ion, which is dangerous both for human health and for the development of eutrophication. The study has been possible thanks to the collaboration with the University of Bremen, the Geological Service of Bremen (GDfB) and Peter Spiedt (Water Supply Company of Bremen). It will be defined whether nitrate amounts in the groundwater still overcome the threshold legally imposed, and state if the denitrification process takes place, thanks to new samples collected in 2015 and their integration with historical data. Gas samples have been gathered to test them with the “N2/Ar method”, which is able to estimate the denitrification rate quantitatively. Analyses stated the effective occurrence of the reaction, nevertheless showing that it only affects the chemical of the deep aquifers and not shallow ones. Temporal trends concentrations of nitrate have shown that no real improvement took place in the past years. It will be commented that despite the denitrification being responsible for an efficacious lowering in the nitrate ion, it needs reactive materials to take place. Since the latter are finite elements, it is not an endless process. It is thus believed that is clearly necessary to adopt a better attitude in order to maintain the best chemical qualities possible in such an important area, providing drinking water.

Design of an indirectly fired gas turbine integrated with an organic rankine cycle unit for combined heat and power production

In the last years, the European countries have paid increasing attention to renewable sources and greenhouse emissions. The Council of the European Union and the European Parliament have established ambitious targets for the next years. In this scenario, biomass plays a prominent role since its life cycle produces a zero net carbon dioxide emission. Additionally, biomass can ensure plant operation continuity thanks to its availability and storage ability. Several conventional systems running on biomass are available at the moment. Most of them are performant either in the large-scale or in the small power range. The absence of an efficient system on the small-middle scale inspired this thesis project. The object is an innovative plant based on a wet indirectly fired gas turbine (WIFGT) integrated with an organic Rankine cycle (ORC) unit for combined heat and power production. The WIFGT is a performant system in the small-middle power range; the ORC cycle is capable of giving value to low-temperature heat sources. Their integration is investigated in this thesis with the aim of carrying out a preliminary design of the components. The targeted plant output is around 200 kW in order not to need a wide cultivation area and to avoid biomass shipping. Existing in-house simulation tools are used: They are adapted to this purpose. Firstly the WIFGT + ORC model is built; Zero-dimensional models of heat exchangers, compressor, turbines, furnace, dryer and pump are used. Different fluids are selected but toluene and benzene turn out to be the most suitable. In the indirectly fired gas turbine a pressure ratio around 4 leads to the highest efficiency. From the thermodynamic analysis the system shows an electric efficiency of 38%, outdoing other conventional plants in the same power range. The combined plant is designed to recover thermal energy: Water is used as coolant in the condenser. It is heated from 60°C up to 90°C, ensuring the possibility of space heating. Mono-dimensional models are used to design the heat exchange equipment. Different types of heat exchangers are chosen depending on the working temperature. A finned-plate heat exchanger is selected for the WIFGT heat transfer equipment due to the high temperature, oxidizing and corrosive environment. A once-through boiler with finned tubes is chosen to vaporize the organic fluid in the ORC. A plate heat exchanger is chosen for the condenser and recuperator. A quasi-monodimensional model for single-stage axial turbine is implemented to design both the WIFGT and the ORC turbine. The system simulation after the components design shows an electric efficiency around 34% with a decrease by 10% compared to the zero-dimensional analysis. The work exhibits the system potentiality compared to the existing plants from both technical and economic point of view.

Thermodynamics of Forming Water Clusters at Various Temperatures and Pressures by Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO Model Chemistries; Implications for Atmospheric Chemistry

The Gaussian-2, Gaussian-3, complete basis set- (CBS-) QB3, and CBS-APNO methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2−6. The structures are similar to those determined from experiment and from previous high-level calculations. The thermodynamic calculations by the G2, G3, and CBS-APNO methods compare well against the estimated MP2(CBS) limit. The cyclic pentamer and hexamer structures release the most heat per hydrogen bond formed of any of the clusters. While the cage and prism forms of the hexamer are the lowest energy structures at very low temperatures, as temperature is increased the cyclic structure is favored. The free energies of cluster formation at different temperatures reveal interesting insights, the most striking being that the cyclic trimer, cyclic tetramer, and cyclic pentamer, like the dimer, should be detectable in the lower troposphere. We predict water dimer concentrations of 9 × 1014 molecules/cm3, water trimer concentrations of 2.6 × 1012 molecules/cm3, tetramer concentrations of approximately 5.8 × 1011 molecules/cm3, and pentamer concentrations of approximately 3.5 × 1010 molecules/cm3 in saturated air at 298 K. These results have important implications for understanding the gas-phase chemistry of the lower troposphere.

Hydration of OCS with One to Four Water Molecules in Atmospheric and Laboratory Conditions

Carbonyl sulfide is the most abundant sulfur gas in the atmosphere. We have used MP2 and CCSD(T) theory to study the structures and thermochemistries of carbonyl sulfide interacting with one to four water molecules. We have completed an extensive search for clusters of OCS(H2O)n, where n = 1−4. We located three dimers, two trimers, five tetramers, and four pentamers with the MP2/aug-cc-pVDZ method. In each of the complexes with two or more waters, OCS preferentially interacts with low-energy water clusters. Our results match current theoretical and experimental literature, showing correlation with available geometries and frequencies for the OCS(H2O) species. The CCSD(T)/aug-cc-pVTZ thermochemical values combined with the average amount of OCS and the saturated concentration of H2O in the troposphere, lead to the prediction of 106 OCS(H2O) clusters·cm−3 and 102 OCS(H2O)2 clusters·cm−3 at 298 K. We predict the structures of OCS(H2O)n, n = 1−4 that should predominate in a low-temperature molecular beam and identify specific infrared vibrations that can be used to identify these different clusters.

Geochemical and Strontium Isotope Characterization of Produced Waters from Marcellus Shale Natural Gas Extraction

Extraction of natural gas by hydraulic fracturing of the Middle Devonian Marcellus Shale, a major gas-bearing unit in the Appalachian Basin, results in significant quantities of produced water containing high total dissolved solids (TDS). We carried out a strontium (Sr) isotope investigation to determine the utility of Sr isotopes in identifying and quantifying the interaction of Marcellus Formation produced waters with other waters in the Appalachian Basin in the event of an accidental release, and to provide information about the source of the dissolved solids. Strontium isotopic ratios of Marcellus produced waters collected over a geographic range of ∼375 km from southwestern to northeastern Pennsylvania define a relatively narrow set of values (εSr SW = +13.8 to +41.6, where εSr SW is the deviation of the 87Sr/86Sr ratio from that of seawater in parts per 104); this isotopic range falls above that of Middle Devonian seawater, and is distinct from most western Pennsylvania acid mine drainage and Upper Devonian Venango Group oil and gas brines. The uniformity of the isotope ratios suggests a basin-wide source of dissolved solids with a component that is more radiogenic than seawater. Mixing models indicate that Sr isotope ratios can be used to sensitively differentiate between Marcellus Formation produced water and other potential sources of TDS into ground or surface waters.