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Groundwater Degassing and Separation of Argon from Air for 39Ar Dating with ATTA

Reichel, Thomas

German Title: Entgasung von Grundwasser und Argonseparation von Luft für 39Ar-Datierung mit ATTA

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Abstract

A setup for water degassing employing a commercial membrane contactor with high maximum water flow rate (183L/min) and a setup for argon separation from air were developed, with the aim of dating groundwaters of intermediate age with 39Ar, using atom trap trace analysis (ATTA). For the degassing setup, degassing efficiencies for different elements and isotopes were determined (around 88% for oxygen, 84% for helium, 87% for neon, 90% for argon, 87% for krypton, and 82% for xenon). The setup for argon separation is similar to the one constructed by Riedmann [2011] and consists mainly of nine gas chromatographic columns installed in parallel and filled with zeolite Li-LSX as selective adsorbent, and a quadrupole mass spectrometer to observe the composition of the gas leaving the columns. Samples of more than 63LSTP air can be separated in one run. The argon separation strongly depends on temperature, with temperatures between -130 and -135°C being the most favorable. Argon purities ranging from 98 to 99.6% and argon recoveries between 96.5 and 99.2% are achieved. Isotope fractionation during degassing and separation, which could change the39Ar/40Ar ratio and hence distort the 39Ar age, is negligible. First samples were taken in the field, separated, and dated with ATTA.

Translation of abstract (German)

Ein Aufbau zur Wasserentgasung mittels eines kommerziellen Membrankontakors mit einer hohen, maximalen Wasserflussrate (183L/min) und ein Aufbau zur Argonabtrennung aus Luft wurden mit dem Ziel entwickelt, Grundwasser mittleren Alters über 39Ar-Messungen mit ATTA (atom trap trace analyis) zu datieren. Für die Entgasungsanlage wurden Entgasungseffizienzen für verschiedene Elemente und Isotope bestimmt (etwa 88% für Sauerstoff, 84% für Helium, 87% für Neon, 90% für Argon, 87% für Krypton, and 82% für Xenon). Der Aufbau zur Abtrennung von Argon ähnelt dem von Riedmann [2011] entwickelten und besteht hauptsächlich aus neun gaschromatographischen, parallel geschalteten Säulen, die mit Zeolith Li-LSX als selektivem Adsorptionsmaterial gefüllt sind, und aus einem Quadrupolmassenspektrometer, welches die Zusammensetzung des aus den Säulen herausströmenden Gases misst. Proben von mehr als 63LSTP Luft können in einem Durchgang separiert werden. Temperaturen zwischen -130 und -135°C erwiesen sich für die stark temperaturabhängige Argonabtrennung als am günstigsten. Die erreichte Argonreinheit liegt zwischen 98 und 99.6% und die Ausbeute zwischen 96.5 und 99.2%. Isotopenfraktionierungen, welche das 39Ar/40Ar-Verhältnis und somit das 39Ar-Alter verzerren würden, sind sowohl bei der Entgasung als auch bei der Separation vernachlässigbar klein. Erste Proben wurden in Feldeinsätzen genommen, separariert, und mit ATTA datiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach-Hertig, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 24 July 2013
Date Deposited: 07 Aug 2013 07:56
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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