Determination of Volatile Sulfur Compounds in Air and other Gas Matrices : Development and Applications of Solid-Phase Microextraction

• Volatile sulphur compounds (VSCs) are frequently emitted during bioindustrial activities, such as production of biogas, sewage treatment, landfilling, pulpmilling, and the slaughtering of animals and meat processing. VSCs are reactive and malodorous, and they can also be detrimental to human health, therefore it is of great interest to be able to analyze these compounds.However, the standard techniques that are now available for determination of VSCs entail detection limits that in some cases exceed the odor thresholds, and, what is more, they require the use of solvents and toxic reagents. In addition, a single standard method does not exist that can be used to analyze all the VSCs that are most often associated with bioindustrial processes.In the present studies, a technique based on solid-phase microextraction (SPME) was developed for analysis of the VSCs that are commonly found in the bioindustry. The method could even be applied to very complex gas matrices representing point-source emissions of these compounds in amounts below their odor thresholds. Furthermore, the procedure constitutes an improvement compared to the other techniques employed to determine VSCs, because SPME is less time-consuming, it does not require the use of solvents or other chemicals, and it can extract all the compounds simultaneously. The potential of applying SPME for time-weighted average sampling of VSCs was also investigated. These experiments showed that the connnercially available fiber coating with the highest affmity for VSCs (i.e., Carboxen-polydimethylsiloxane)could achieve accurate determination of dimethyldisulfide, whereas use of thatcoating to collect the other compounds was highly influenced by externalparameters that are subject to variation. This work also included investigationsof several important aspects of SPME analysis of VSCs, such as the choice offiber coating, artifact formation, and the impact of various parameters on theextraction.The current results demonstrate that the SPME methodology that was developed can be used to determine VSCs in different matrices and contexts within the bioindustry. More precisely, the technique was successfully employed for the following purposes: to determine background levels ofVSCs to which workers were exposed; to monitor VSC emissions during the biogas process; to supervise the quality of produced biogas; to investigate the efficiency of processes used for abatement of VSCs; and to ascertain the cause of odor problems.

• Den här avhandlingen behandlar bestämningen av en grupp föreningar som går under det gemensamma namnet flyktiga svavelföreningar. Dessa föreningar fmns naturligt i vår atmosfår, men kan även bildas genom mänsklig påverkan, till exempel under förbränning av fossila bränslen. Inom bioindustrin är dessa föreningar vanligt förekommande, därför att de kan bildas då bakterier bryter ner organiskt material under syrefria förhållanden. Bioindustrin är en gemensam benänrning för till exempel soptippar, biogasanläggningar, vattenreningsverk, pappersbruk ellerslakterier.De flyktiga svavelföreningarna är av intresse i dessa sammanhang på gnmd av att de är illaluktande och giftiga, vilket i hög grad påverkar arbetsmiljön för personer som arbetar vid sådana industrier och för människor boende i närheten. Eftersom föreningarna är mycket reaktiva, ger de även upphov till korrosion i ledningar, tankar och motorer. Den metodik som idag finns tillgänglig för bestänrning av dessa föreningar är bristfållig, eftersom den är krånglig att använda, okänsligare än våra egna näsor och kräver användande av lösningsmedel och andra giftiga kemikalier. Dessutom kan man inte analysera alla vanligt förekommande flyktiga svavelföreningar med en och samma teknik.Vad jag anser vara mitt främsta bidrag med denna avhandling, är att jagutvecklat en teknik, där man kan analysera de vanligast förekommandeflyktiga svavelföreningarna inom bioindustrin med en och samrna metod.Det går dessutom att använda tekniken i prover med mycket komplicerade matriser, vilket innebär att förekomsten av andra flyktiga kemiska föreningar, som i värsta fall kan störa analysen, frnns närvarande i höga koncentrationer. Känsligheten i metoden är fortfarande hög och koncentrationer lägre än vad våra näsor kan känna av kan bestänunas. Jag har använt mig av en teknik, som fi·ån början utvecklades av Dr. Janusz Pawliszyn på 90-talet, som kallas fastfasmikroextraktion och denna teknik hal" fördelen av att vara enkel att använda och dessutom fri från lösningsmedel och andra giftiga reagens.I ett samarbete med ett franskt laboratorimn har jag även undersökt om det var möjligt att använda telmiken för exponeringsmätningar, vilket innebär att man genom ett enda prov kan ta reda på den totala exponeringen en person som arbetar vid en bioindustri utsätts för under en dag. Tyvärr var detta bara möjligt för en av de undersökta föreningarna, medan de andra visade sig vara alltfor påverkade av parametrar som kan forändras undermätningens gång såsom temperatur och luftfuktighet.I övrigt innehåller avhandlingen gnmdliga undersökningar av analytiska aspekter på den teknik jag använt såsom val av adsorbent (det material som foreningama ska "fastna" på for att sedan kunna överfOras till ett analytiskt instrument), påverkan av experimentella parametrar och även undersökningar av reaktioner som kan ske under analysens gång som kan överfora de msprungliga foteningarna till andra molekyler. Till sist har jag visat att den teknik jag utvecklat verkligen fungerar genom att tillämpa den på en mängd olika prover. Huvuddelen av de prover som analyserats har hämtats vid en biogasanläggning i Linköping (Linköping Biogas AB). Vid denna anläggning produceras i genomsnitt ungefår sju miljoner kubikmeterbiogas per år, som används som bränsle i stadens bussar, taxibilar samt även en del andra kommunala fordon. Prover har även hämtats vid andra bioindustrier, till exempel från två olika reningsverk. Tekniken har använts bland annat för att analysera bakgrundshalter vid biogasanläggningen i Linköping for att se vilka koncentrationer av svavelforeningar personer som arbetar där utsätts for. Svavelhalter har mätts under biogasprocessen for att optimera tillsatsen av järnklorid, ett ämne som används for att minska svavelhalterna. Kvaliteten av producerad biogas med avseende på innehåll av svavelforeningar har undersökts. Effektiviteten av processer som används for att ta bort svavelforeningar har bestämts och luktproblemhar kunnat lösas genom att ta reda på vad som faktiskt orsakatluktproblemet med hjälp av den mätmetodik som utvecklats i detta arbete.

Ämnesord

SAMHÄLLSVETENSKAP  -- Annan samhällsvetenskap -- Tvärvetenskapliga studier inom samhällsvetenskap (hsv//swe)

SOCIAL SCIENCES  -- Other Social Sciences -- Social Sciences Interdisciplinary (hsv//eng)

Nyckelord

INTERDISCIPLINARY RESEARCH AREAS

TVÄRVETENSKAPLIGA FORSKNINGSOMRÅDEN

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)