Advanced welding technologies used for arctic metal structures

Rapid depletion of easy-to-access fossil fuel, predominantly, oil and gas resources has now necessitated increase in need to develop new oil and gas sources in ever more remote and hostile environments. This is necessary in order to explore more oil and gas resources to meet rapidly rising long-term energy demand in the world, both at present and in the nearest future. Arctic is one of these harsh environments, where enormous oil and gas resources are available, containing about 20% of the world total oil and gas, but the environmental conditions are very harsh and hostile. However, virtually all the facilities required for the exploration and development of this new energy source are constructed with metals as well as their alloys and are predominantly joined together by welding processes and technologies. Meanwhile, due to entirely different environment from the usual moderate temperate region, conventional welding technologies, common metals and their alloys cannot be applied as this Arctic environment demand metals structures with very high toughness and strength properties under extremely low temperature. This is due to the fact that metals transit from ductility to brittleness as the temperature moves toward extreme negative values. Hence, this research work investigates and presents the advanced welding technologies applicable to Arctic metal structures which can give satisfactory weldments under active Arctic service conditions. .

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.

Determination of chlorophenols from water by solid phase microextraction - ion mobility spectrometry (SPME-IMS)

Chlorophenols have been classified as possible carcinogens for humans. Chlorophenols have been used as pesticides and wood preservatives. In Finland, during 1930 – 1980s, saw mills used KY-5 wood preservative that contained 2,4,6-TCP, 2,3,4,6-TeCP and PCP. Especially in Finland chlorophenols have entered the environment by leaking from contaminated grounds of old saw mills. Although chlorophenol concentrations found in environment do not cause acute concern, long term exposure can increase the risk of cancer. SPME is relatively cheap and simple sampling method, in which the sample extraction and concentration are performed in a single step. Solvents are not required in SPME. IMS is based on the detection of sample ion drift times. Based on the drift times, reduced mobilities are calculated, which are comparable despite the measurement conditions. SPME-IMS coupling has not been used earlier in the determination of chlorophenols from water samples. The scope of this work was to study, if SPME-IMS system is suitable for detecting chloro-phenols from water samples. The aim was to determine the most optimal extraction condi-tions, which were then applied to real water samples. Following detection limits were deter-mined: 2,4,6-TCP: 0.33 mg/l; 2,3,4,6-TeCP: 0.63 mg/l and PCP: 1.63 mg/l. Detection limits were high compared to the highest possible chlorophenol concentration that is allowed in Finnish drinking water, 10 μg/l. Detected concentrations from water sample differed from verified concentrations in the case of 2,3,4,6-TeCP by 4.6 % and in the case of 2,4,6-TCP by 48.4 %. Based on the results it can be said that SPME-IMS setup is suitable for preliminary analysis of mg/l chlorophenol concentrations from water samples.

Krigaren och transvestiten : gestaltningar av mörker och maskuliniteter i finländsk black metal

Avhandlingen undersöker gestaltningar av mörker och maskuliniteter i den finländska black metal-scenen. Normativa hegemoniska och normbrytande subversiva gestaltningar av maskuliniteter bland de mest aktiva anhängarna av den finländska black metal-scenen undersöks som uttryck för återkommande, kulturella mönster. Mönstren analyseras med hjälp av teorier om hegemonisk maskulinitet, heteronormativitet, genusperformativitet, subversivitet och protestmaskulinitet. Queerteori och (kritisk) mansforskning som har sina ursprung i feministisk forskning utgör avhandlingens teoretiska underlag. Begreppen stil och ideologi aktualiseras i en diskussion kring hur mörker, ett begrepp som är av centralt värde inom den finländska black metal-scenen, kan förstås och uttryckas av scenmedlemmarna. Mörkret, som ofta ideologimässigt består av antikristliga element, inom den finländska scenen i regel förknippade med satanism, uttrycks genom låttexter, det visuella och det musikaliska, vilka tillsammans utgör black metal-stilen.

DFMA Aspects in the Design of a Transfer Line for Off-line Ion Sources

In this thesis, the DFMA is presented and used for the purpose of having a design for a vertical transfer line that can be easily manufactured and assembled. The design of the transfer line, the major components and drawings are presented. The ease of assembly, the costs of manufacturing and differences between the use of steel structure and aluminum are compared. The ALARA principle is followed to minimize the risk of radiation exposure by the means of locating the test ion sources outside the radioactive area.

Nikkelille selektiivisen kelatoivan adsorbenttimateriaalin valmistus ja tutkiminen

Metallien laajamittaisen ja runsaan käytön vuoksi nykyään on keskityttävä aikaisempaa tarkemmin metallipäästöjen estämiseen ja puhdistamiseen. Metallien puhdistamiseen jätevesistä voidaan käyttää erilaisia yksikköoperaatiomenetelmiä, mutta selektiivisempään erotukseen päästään ioninvaihto- ja adsorbenttimateriaaleilla. Työn tarkoitusena on valmistaa ja tutkia nikkeliselektiivisiä adsorbenttimateriaaleja. Lisäksi tutkimuskohteena on nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostuminen eri pH-arvoilla. Selektiivisten adsorbenttimateriaalien valmistaminen onnistuu liittämällä kiinteään kantajaan ligandi. Tämän työn tapauksessa nikkelitemplaatin liittäminen kiinteään kantajaan funktionalisointivaiheessa muodostaa adsorbenttiin nikkelille spesifisen kohdan. Käytännössä spesifisyyden syntyminen ei ole itsestäänselvyys, vaan se riippuu paljon funktionalisointitavasta. Tässä työssä funktionalisointitapana olivat fysikaalinen adsorptio ja impregnointi. Nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostumista tutkittiin eri pH-arvojen lisäksi neljällä eri happokonsentraatiolla. Tuloksia verrattiin sellaisen liuoksen spektriin, missä oli pelkkää nikkeliä. Tuloksista havaittiin, että komplekseja muodostuu käytännössä samalla tavalla pH:n ollessa 1–6. Vasta 5 M HNO3 alkoi heikentää kompleksien muodostumista, ja 10 M HNO3 esti kompleksien muodostumisen täysin. Adsorbenttimateriaaleja valmistettiin useita erilaisia, joihin osaan liitettiin nikkelitemplaatti ja osa jätettiin ilman templaattia. Työssä keskityttiin tutkimaan erityisesti kolmea silikasta valmistettua materiaalia, joissa vain kahdessa oli nikkelitemplaatti. Nikkelitemplaattien olemassaololla ei havaittu olevan juurikaan merkitystä nikkelin erottamiseen vesiliuoksista. Materiaaleille tehdyt regenerointikokeet osoittivat, että materiaalien toiminta ja kapasiteetti eivät olleet toivotulla tasolla.

Arvometallien liuospuhdistus jatkuvatoimisella ioninvaihdolla

Työn tarkoituksena oli tutkia arvometalleja sisältävän liuoksen puhdistamista jat-kuvatoimisella ioninvaihdolla. Teoriaosassa käsitellään ioninvaihdon periaate, sekä jatkuvatoimisen ioninvaihdon laiteratkaisuja ristivirta- ja vastavirtasysteemeissä. Lopuksi esitellään Simuloidun liikkuvapedin (SMB) virtausnopeuksien laske-miseksi käytettävä kolmiomenetelmä. Kokeellisen osan tarkoituksena on demonstroida laboratorioon rakennetun jatku-vatoimisen ioninvaihtimen, Simuloidun liikkuvapedin, käyttö arvometallia sisäl-tävän liuoksen puhdistamiseksi kahdenarvoisista metalli-ioneista. Kokeissa käy-tettiin hopeaa sisältävää NaCl-liuosta, josta pyrittiin puhdistamaan Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionit ekstraktina. Laitteistolla suoritettiin kolme ajoa, joista kaksi edusti vastavirtasysteemiä ja yksi ristivirtasysteemiä. Ensimmäisessä vastavirta-ajossa sekä ekstrakti että raffinaattin erottuva hopealiuos tulivat puhtaina. Toisessa vastavirta-ajossa pyrittiin parantamaan tuottavuutta nostamalla syötön virtausnopeutta, jolloin raffinaatin puhtaus kärsi Pb2+ ja Mg2+-ionien kulkeutuessa liuosfaasin mukana raffinaattiin. Ristivirta-ajossa vain yksi kolmesta raffinaatista saavutti 100 % puhtauden. Kokeet osoittivat, että Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionien erottaminen hopeaionista on mahdollista käyttämällämme SMB-laitteistolla. Tuottavuuden parantaminen syötön virtausnopeutta nostamalla kuitenkin heikentää puhtautta. Cross-flow-systeemin erilleenkytkettyjen kolonnien ansioista painehäviö on pienempi, mikä mahdollistaa korkeammat virtausnopeudet, mikäli ei vaadita 100 % puhtautta.

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.

Om mörker, maskuliniteter, humor och lek inom black metal : lectio

Lectio praecursoria, Åbo Akademi 25.1 2013.

Metallien eluointi kelatoivasta ioninvaihtimesta

Kelatoivat ioninvaihtimet ovat yleensä makrohuokoisia hartseja, joiden avulla metalleja poistetaan ja otetaan mahdollisesti talteen teollisuuden puhdistettavista jätevirroista. Ne muodostavat metalli-ionien kanssa komplekseja runkomateriaaliin kovalenttisesti liitettyjen aktiivisten funktionaalisten ryhmiensä välityksellä. Ioninvaihtimen selektiivisyys eri metalli-ioneja kohtaan vaihtelee riippuen siihen liitetystä kelatoivasta ryhmästä. Työssä tutkitaan metallien tarttumista kelatoiviin ioninvaihtimiin, sekä niiden eluoitumista adsorbentistaan. Kelatoivat ioninvaihtimet sitovat metalli-ioneja tehokkaasti ligandiensa monihampaisuudesta johtuen. Metallien tarttuminen kelatoivaan ioninvaihtimeen ei kuitenkaan ole yksiselitteistä, vaan siihen vaikuttaa muun muassa pH yhdessä monen muun tekijän kanssa. Ioninvaihtimien selektiivisyyttä tarkastellaan työssä lähinnä kovien ja pehmeiden happojen ja emästen HSAB -teorian näkökulmasta. Regeneroinnilla ioninvaihdin saadaan jälleen alkuperäiseen muotoonsa, minkä jälkeen se voidaan käyttää uudelleen. Yleensä regenerointi suoritetaan kemiallisesti. Tässä työssä ioninvaihtimien regenerointia ja kohdemetallin eluointia tarkastellaan paitsi teoriassa, myös kokeellisessa osuudessa. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan kuparin (Cu2+) eluoitumista kelatoivasta Dowex M-4195 kationinvaihtohartsista. Kokeissa hartsi ladattiin kuparilla erillisessä panoksessa kuparin ollessa syöttöliuoksessa kuparisulfaattina. Eluointiliuoksina käytettiin 2 ja 5 molaarista rikkihappoa, sekä 2 molaarista ammoniumhydroksidia. Eluointi suoritettiin panostoimisena kolonniajona ja eluaatista otetut näytteet analysoitiin atomiadsorptiospektrofotometrillä. Analyysitulokset esitetään läpäisykäyrinä, joiden perusteella 2M ammoniumhydroksidi on kolmesta tutkitusta eluentista tehokkain eluoimaan kuparia Dowex M-4195 hartsista.

Modelling of potentiometric ion sensors

Potentiometric ion sensors are a very important subgroup of electrochemical sensors, very attractive for practical applications due to their small size, portability, low-energy consumption, relatively low cost and not changing the sample composition. They are investigated by the researchers from many fields of science. The continuous development of this field creates the necessity for a detailed description of sensor response and the electrochemical processes important in the practical applications of ion sensors. The aim of this thesis is to present the existing models available for the description of potentiometric ion sensors as well as their applicability and limitations. This includes the description of the diffusion potential occurring at the reference electrodes. The wide range of existing models, from most idealised phase boundary models to most general models, including migration, is discussed. This work concentrates on the advanced modelling of ion sensors, namely the Nernst-Planck-Poisson (NPP) model, which is the most general of the presented models, therefore the most widely applicable. It allows the modelling of the transport processes occurring in ion sensors and generating the potentiometric response. Details of the solution of the NPP model (including the numerical methods used) are shown. The comparisons between NPP and the more idealized models are presented. The applicability of the model to describe the formation of diffusion potential in reference electrode, the lower detection limit of both ion-exchanger and neutral carrier electrodes and the effect of the complexation in the membrane are discussed. The model was applied for the description of both types of electrodes, i.e. with the inner filling solution and solidcontact electrodes. The NPP model allows the electrochemical methods other than potentiometry to be described. Application of this model in Electrochemical Impedance Spectroscopy is discussed and a possible use in chrono-potentiometry is indicated. By combining the NPP model with evolutionary algorithms, namely Hierarchical Genetic Strategy (HGS), a novel method allowing the facilitation of the design of ion sensors was created. It is described in detail in this thesis and its possible applications in the field of ion sensors are indicated. Finally, some interesting effects occurring in the ion sensors (i.e. overshot response and influence of anionic sites) as well as the possible applications of NPP in biochemistry are described.

Non-linear analysis of laminated metal matrix composites by an integrated micro/macro-mechanical model

The present paper describes an integrated micro/macro mechanical study of the elastic-viscoplastic behavior of unidirectional metal matrix composites (MMC). The micromechanical analysis of the elastic moduli is based on the Composites Cylinder Assemblage model (CCA) with comparisons also draw with a Representative Unit Cell (RUC) technique. These "homogenization" techniques are later incorporated into the Vanishing Fiber Diameter (VFD) model and a new formulation is proposed. The concept of a smeared element procedure is employed in conjunction with two different versions of the Bodner and Partom elastic-viscoplastic constitutive model for the associated macroscopic analysis. The formulations developed are also compared against experimental and analytical results available in the literature.

Welding current effect on diffusible hydrogen content in flux cored arc weld metal

The application of flux cored arc welding (FCAW) has increased in manufacturing and fabrication. Even though FCAW is well known for its good capability in producing quality welds, few reports have been published on the cause of the relatively high diffusible hydrogen content in the weld metal and its relation with the ingredients used in the wire production and with the welding parameters (mainly welding current). This paper describes experiments where data obtained from weld metal diffusible hydrogen analysis, metal droplet collection, and high-speed recording of metal droplet transfer were used to evaluate the effect of welding current on diffusible hydrogen content in the weld metal. The results from gas chromatography analysis showed that weld metal hydrogen content indeed increased with welding current. A polynomial regressional analysis concluded that hydrogen increase with current was better described by a linear function with proportional constant of approximately 0.7 or 70%. Different from the GMA welding transfer behavior, statistical analysis showed only a small increase in metal droplet size with increasing current. The metal transfer mode remained in the globular range for currents between 100 and 150 A. The most surprising findings were with the high-speed cinematography recording. Observing the high speed movies, it was possible to see that at low current, "unmelted" flux sporadically touched the weld pool but at higher current, the flux remained touching the weld pool during the whole time of droplet formation and transfer. It is believed that since the flux has ingredients that contain hydrogen, hydrogen passes through the arc undisturbed, going to the weld bead intact and increasing the hydrogen content in the weld metal. Another important observation is regarding to droplet size. Droplet size increased with increasing current because forces from decomposed gases from the flux could sustain the droplets, retarding their transfer and allowing them to grow.

Effects of anthropogenic and natural hydrological changes on the behavior of the acidic metal discharge from acid sulfate soils in a river- and lake system in western Finland

Larsmo-Öjasjön i Österbotten skapades genom invallningar på 1960-talet pga. industrins behov av sötvatten. Sedan dess har vattenområdet drabbats av återkommande försurning och fiskdöd, och invallningen har ofta beskyllts för problemen. Avhandlingen undersöker syrabelastningen i området; bl.a. hur markanvändning, hydrologi och klimatförändringen påverkar belastningen. Konsekvenserna undersöks med fiskyngel som bioindikator, och olika miljömetoder testas och diskuteras. Ökad kunskap om försurningen hjälper oss att tillämpa effektiva miljömetoder och få förbättrad vattenkvalitet i framtiden. Den primära orsaken till den försämrade vattenkvaliteten under de senaste 40 åren är intensiv dikning av svavelrika sediment. Detta leder till oxidering av svavlet till svavelsyra och uppkomst av sura sulfatjordar. Syran löser upp mängder med toxiska metaller som spolas ut i vattendragen. Undersökningen visar att tiotusentals ton svavelsyra tillsammans med stora mängder metaller rinner till Larsmo-Öjasjön per år från sura sulfatjordar. Åarna bidrar med mest belastning, men den sammanlagda belastningen från de otaliga dikena och bäckarna är oväntat stor. Andra potentiella källor till försurningen, t.ex. muddringar och humussyror, beräknas vara obetydliga. Syra- och metallbelastningen varierar kraftigt med hydrologin, dvs. störst belastning sker under vår- och höstflöden. En eventuell klimatförändring kan ändra på avrinningsmönstret och orsaka mera belastning vintertid. Den årligt återkommande syra- och metallbelastningen kan ofta hindra lakens förökning, vilket kan ha större långtgående konsekvenser för fiskpopulationerna än de relativt sällsynta stora surchockerna med synlig fiskdöd. För att förebygga skador på vattendragen bör man undvika att dränera svavelrika sedimenten. På redan existerande sura sulfatjordar visade sig kontroll av grundvattennivån kunna möjliggöra en effektiverad markanvändning utan märkbart ökade miljökonsekvenser.