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Barrier properties and analysis of defects of plasma polymerized hexamethyldisilazane-based films
(2019) Troia, Mariagrazia; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
A great variety of commercially available goods, e. g. food products, require a degree of protection against gases and vapors. Electronic devices whose active layers are based on organic materials in particular demand extremely low oxygen transmission rates in order to attain adequate lifetimes. In order to do so, an encapsulation of the device by means of a barrier becomes necessary. In case of flexible devices, such as organic light emitting devices (OLEDs), conventional encapsulation methods relying on stiff glass lids cannot be employed. Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) methods on the other hand have been proven to be successful in obtaining thin films (in the range of tens or hundreds of nanometers) which combine good barrier performances with flexibility and other favorable mechanical properties. In the current work, thin silica-like (SiOx) films have been deposited on polyethylene terephthalate (PET) through a low-pressure microwave plasma and a gaseous feed consisting of hexa-methyldisilazane (HMDSN) and oxygen, with the aim of providing flexible oxygen barrier layers with additional properties as transparency, colorlessness, good adhesion to the substrate and resilience. Operational parameters such as the gas feed composition, microwave power and deposition time have been investigated and optimized, thus obtaining inorganic barriers with an optimal thickness in the 50 to 100 nm range and with a barrier improvement, when compared to the uncoated substrates, up to a factor of 100. The defects in the barriers have been investigated by means of a concurrently developed non-destructive method for their localization and identification, based on the precipitation of calcium carbonate crystallites on top of them, which allows the defect to be later retrieved and investigated by means of microscopy methods. Further analyses of the transmission rates have been carried out at different temperatures in order to investigate the permeation mechanisms through the bulk and the defects. The films, when compared to barriers deposited via the common precursor hexamethyldisiloxane (HMDSO), obtained in the same experimental setup, showed consistently better properties in a wider range of conditions, proving HMDSN to be a better precursor for thin films with barrier applications. Multilayer systems, based on the combination of SiOx films and an intermediate organic layer optimized in parallel to the barriers, have been developed, tested and used successfully for the encapsulation of flexible Organic Light Emitting Device (OLED) prototypes printed on polymers.
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Charakterisierung der anaeroben Versäuerung von synthetischem Abwasser unter psychrophilen Bedingungen
(2017) Heinrich, Marina; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
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Development of a process for the enhanced phosphorus recovery from the organic matrix of agricultural residues
(2014) Campos Cuellar, Astrid Alejandra; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Phosphorus (P) can be recovered in a sustainable way from agricultural residues (e.g. animal manure, digestate). However, current state of the art technologies can only recover the soluble inorganic P in the liquid fraction after mechanical separation, which can be as low as only 20% of the total P content. In this thesis, enzymatic and chemical processes for the increase of this soluble P content in the liquid fraction were investigated. In addition, a concept for the integrated nutrient recovery from pig manure was proposed.
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Diagnostik und Modellierung eines Mikrowellen-Plasmabrenners bei Atmosphärendruck
(2017) Gaiser, Sandra; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Mikrowellen-Plasmaprozesse bei Atmosphärendruck bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören das Plasmaspritzen zur Beschichtung, die Behandlung von Oberflächen für die Reinigung oder Aktivierung sowie der Abbau schädlicher Abgase. Für die Entwicklung und Optimierung dieser Verfahren sind sowohl experimentelle Untersuchungen als auch eine theoretische Betrachtung von Bedeutung. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb neben der Diagnostik vor allem mit der Modellierung und numerischen Simulation eines bei Atmosphärendruck betriebenen Mikrowellen-Plasmabrenners. Dazu wird die Simulationssoftware Comsol Multiphysics verwendet. Das Ziel ist es, mittels einzelner Modelle die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge zu beschreiben und das Brennersystem zu optimieren. Die Simulationen werden schließlich schrittweise miteinander verknüpft, um so ein möglichst selbstkonsistentes Modell der Plasmaquelle zu erhalten. Die Simulationsergebnisse werden zudem mit experimentellen Daten verglichen. Zunächst werden die Verteilung des Mikrowellenfeldes im Plasmabrenner sowie die Resonanzfrequenzen der Resonatoranordnung berechnet, was die Grundlage für eine zuverlässige Zündung und den Betrieb des Plasmas bildet. Anschließend wird ein Modell der kalten Gasströmung erstellt. In dieses wird schließlich eine Wärmequelle implementiert, um den Einfluss des heißen Plasmas auf die Strömung zu untersuchen. Die Gasströmung soll dahingehend optimiert werden, dass sie das Plasma einschließt, um so eine Beschädigung des Gas führenden Quarzrohres zu vermeiden. In einer weiteren Simulation wird das Plasma mit Hilfe des Drude-Modells beschrieben. Hierbei werden dem Plasma eine Permittivität und eine Leitfähigkeit zugewiesen. Eine Erweiterung erfolgt durch das Fluid-Modell, das Bilanzgleichungen für die Elektronendichte sowie Reaktionsmechanismen für ein Argon-Plasma enthält. Die Simulationsergebnisse werden durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen verifiziert. Dazu wird zum einen die räumliche Lage des Plasmas mit Hilfe von Kameraaufnahmen qualitativ untersucht. Zum anderen stehen Messwerte aus der optischen Emissionsspektroskopie zur Verfügung.
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Electron cyclotron emission investigations at the stellarator TJ-K
(2020) Sichardt, Gabriel; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Microwave diagnostics are widely used in fusion-oriented plasma research. Especially, electron cyclotron emission (ECE) measurements are routinely employed for reliable investigations of radial temperature profiles. Furthermore, an ECE diagnostic can be used to measure electron densities or detect superthermal electrons. Due to its non-invasive character, it is well suited for application to extreme conditions like in fusion plasmas since neither the plasma is perturbed nor the diagnostic harmed. Despite decades of development, ECE diagnostics are still subject of current research and development. Especially the correct interpretation of measurements at plasmas with low densities and temperatures, which are in contrast to fusion plasmas optically thin, is challenging. The stellarator experiment TJ-K in Stuttgart is operated with such thin plasmas allowing for the use of Langmuir probes for temperature measurements and thus as a benchmark for a new ECE diagnostic system. This work is about the development, optimization, construction and application of an ECE diagnostic for TJ-K. Modeling, simulation and experiment are combined to understand the processes at the specific experiment and to adapt the setup to these conditions. The first part of this thesis describes the development and test of the diagnostic. To this end, the transport and propagation of electron cyclotron radiation is simulated in the three-dimensionally modeled plasma of TJ-K. From the results, an optimization approach is derived: with a suitably positioned and optimally curved mirror for defined reflections, a tunable resonator system is built that improves the localization of the measurements significantly. After identification of the measurement signals as ECE opposed to thermal bremsstrahlung, the measurement system is calibrated with the hot-cold method. Although only about 0.2 % of the black body intensity is emitted from the optically thin plasma the temperatures obtained from the ECE diagnostic could be verified by Langmuir probe measurements. In the second part, numerical investigations of electron trajectories in the 3D magnetic field of TJ-K are employed to study their dependence on the kinetic particle energy. The trajectories form drift orbits which depend on the speed and orientation of the electron compared to the magnetic field. To what extent electrons on larger drift orbits collide with the vessel wall and thus contribute to toroidal net currents is investigated using simulations with different velocity distributions. It becomes apparent that especially electron populations additional to the thermal distribution at higher energies like for instance 1 keV, superthermal electrons, can result in large toroidal net currents. Already thermal electrons with typical energies of 10 eV provide numerically toroidal net currents that are comparable to the experimentally observed currents. The installed ECE diagnostic allows for temporally resolved measurements of local radiation temperatures for correlation with toroidal net currents.
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Entwicklung eines global übertragbaren raumbezogenen Planungsinstruments für das integrierte urbane Wassermanagement
(2014) Haller, Birgit E.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen in der Wasserwirtschaft wurde in dieser Dissertation ein standortangepasstes Planungsinstrument für eine nachhaltige Wasserver- und Abwasserentsorgung entwickelt. Das GIS-gestützte Bewertungssystem ermöglicht die Potenzialanalyse von siedlungsnahen Flächen für eine integrierte Nutzung der verfügbaren kommunalen Wasserressourcen. Zwei Untersuchungsgebiete in Deutschland dienten der Entwicklung der Analyseprozesse, deren Übertragbarkeit auf andere Regionen wurde im Staat São Paulo / Brasilien untersucht. Zunächst wurde eine Methodik erarbeitet zur regionalen Bewertung der Eignung von Landflächen für die Versickerung von aufbereitetem kommunalem Abwasser oder Regenwasser im Sinne einer gezielten Grundwasseranreicherung (regionale Eignungsanalyse). Dabei wurden Elemente der multikriteriellen Entscheidungsanalyse eingesetzt. Zur quantitativen Abschätzung des Potenzials zur Wasserwiederverwendung wurde eine Methodik zur Erfassung kommunaler Wasserressourcen und des Brauchwasserbedarfs entwickelt (Ertrags-Bedarfs-Analyse). Die Eignungs- sowie die Ertrags-Bedarfs-Analyse münden in standortbezogenen Szenarien der integrierten Wassernutzung.
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Entwicklung eines semidezentralen Verfahrens für kommunales Abwassermanagement und Erprobung in der großtechnischen Anwendung
(2009) Zech, Tosca; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Das entwickelte semidezentrale Verfahren für kommunales Abwassermanagement wurde konzipiert, um die ökologischen Vorteile dezentraler Systeme mit den ökonomischen und technischen Vorteilen zentraler Systeme zu verbinden. Ein Schwerpunkt lag in der Auslegung, Planung, Bauüberwachung und Inbetriebnahme der semidezentralen Membrankläranlage Heidelberg-Neurott (MKA01) zur Demonstration des Verfahrens in einer entlegenen Bauernsiedlung. Die wissenschaftliche Untersuchung der hydraulischen und stofflichen Vorgänge auf der MKA01 zeigte, dass die Konzentration für CSB und Phosphor den erwarteten Werten entspricht, während die Konzentration für Gesamtstickstoff ca. 30 % darüber liegt. Die biologische Abwasserreinigung produziert ganzjährig sehr gute Ablaufwerte mit sehr hohen Eliminationsraten und erfüllt die Anforderungen der Größenklasse 5. Die Leistung der Rotationsscheibenfilter der MKA01 wurde über mehr als zwei Jahre analysiert. Hierbei konnten sehr hohe Ausbeuten bei sehr langen Standzeiten zwischen den chemischen Reinigungen beobachtet werden. Das Ziel, die technische Machbarkeit von semidezentralen Abwasserreinigungsanlagen zu demonstrieren, ist gelungen. Sehr gut erreichbar sind exzellente Ablaufwerte, niedriger Betreuungsaufwand und gute Überwachung der Abwasserqualität sowie eine bedingte Kosteneffizienz. Es sind damit die technischen Voraussetzungen für eine nachhaltige Abwasserinfrastruktur als Alternative zum herkömmlichen Wassersystem geschaffen worden.
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Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Propylenoxid und Phenol mittels Ganzzellbiokatalyse unter Nutzung der Methan-Monooxygenase des Organismus Methylosinus trichosporium OB3b
(2022) Derwenskus, Ilka Madeleine; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
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Entwicklung und Bewertung eines Verfahrens zur Herstellung von Fucoxanthin und Eicosapentaensäure mit Phaeodactylum tricornutum
(2020) Derwenskus, Felix; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Eicosapentaensäure (EPA), eine essentielle mehrfach ungesättigte Omega-3 Fettsäure, sowie Fucoxanthin, ein sauerstoffhaltiges Carotinoid, besitzen eine Vielzahl gesundheitsfördernder Eigenschaften. Daher finden sie als funktionelle Inhaltsstoffe in vielen Nahrungsmitteln und Kosmetikprodukten Verwendung. Eine vielversprechende Alternative zu den bisher industriell eingesetzten Verfahren zur Gewinnung dieser Wertstoffe aus verschiedenen Organismen - Seefische für EPA und mehrzellige Algen für Fucoxanthin - bietet die simultane Herstellung beider Wertstoffe mit einzelligen Diatomeen. Diese sind durch Photosynthese in der Lage sowohl EPA als auch Fucoxanthin in erheblichen Mengen ausgehend von Licht und Kohlenstoffdioxid zu synthetisieren. Die Herstellung beider Stoffe in industriell genutzten Photobioreaktoren scheitert derzeit jedoch an fehlenden wissenschaftlichen Daten zu geeigneten Produktionsstämmen sowie zur Abhängigkeit des biomassespezifischen Wertstoffgehaltes der Stämme von den zugrundeliegenden Kultivierungsbedingungen. Darüber hinaus mangelt es an skalierbaren Verfahren zur anschließenden Extraktion sowie Separation beider Stoffe aus der entsprechenden Algenbiomasse. Etablierte Verfahren, z.B. zur Extraktion von Lipiden aus Grünalgen, sind wegen der spezies-spezifischen Unterschiede in den vorliegenden Lipidklassen nicht ohne grundlegende Anpassungen auf Diatomeen übertragbar. Derzeit existieren daher weder integrierte Verfahren zur Herstellung von EPA und Fucoxanthin mit Diatomeen, noch existieren ökonomische Daten, welche die Bewertung eines solchen Herstellungsverfahrens ermöglichen würden. Folglich konnten bisher noch keine Herstellkosten ermittelt werden, so dass auch die wesentlichen Kostentreiber für einen zukünftigen Produktionsprozess nicht bekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die genannten Wissenslücken zu schließen und ein integriertes Verfahren zur simultanen Herstellung beider Produkte mit Diatomeen in einem Photobioreaktor zu entwickeln sowie zu bewerten. Hierfür wurde zunächst das Wachstumsverhalten und der biomassespezifische Wertstoffgehalt potentieller Produktionsstämme unter definierten Kultivierungsbedingungen in einem Membranphotobioreaktor analysiert sowie die Kultivierbarkeit der ausgewählten Stämme in einem skalierbaren Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor (FPA-PBR) untersucht. Unter zuvor optimierten Kultivierungsbedingungen konnte in einem Repeated-Fed-Batch-Prozess im FPA-PBR für den ausgewählten Stamm Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 erstmals gezeigt werden, dass sich bereits auf zellulärer Ebene beschriebene Adaptionsmechanismen von Diatomeen anunterschiedliche Lichtverhältnisse eignen, um den biomassespezifischen Fucoxanthingehalt gezielt auf bis zu 20,5 mg g-1 zu steigern. Der EPA-Gehalt blieb hingegen nahezu konstant, so dass beide Wertstoffe ohne Einschränkungen simultan erzeugt werden können. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass im FPA-PBR in Abhängigkeit von der Lichtverfügbarkeit eine volumetrische Fucoxanthinproduktivität von bis zu 22,4 ± 7,6 mg L-1 d-1 erreicht werden kann. Dies stellt die bisher höchste in einem Photobioreaktor erreichte volumetrische Fucoxanthinproduktivität für Mikroalgen dar. Die Gewinnung der beiden Wertstoffe aus der erzeugten P. tricornutum-Biomasse erfolgte mittels Hochdruckflüssigextraktion. Dabei wurden organische Lösungsmittel unter Berücksichtigung legislativer Vorgaben ausgewählt und hinsichtlich der Extraktionsausbeute und der Produktselektivität verglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Polarität der Lösungsmittel gelang es, beide Produkte in einem einzigen Extraktionsschritt nahezu vollständig als Lipidfraktion zu gewinnen. Dabei konnten die Extraktionstemperatur und die Verweilzeit aufgrund der thermischen Instabilität des Fucoxanthins als kritische Prozessparameter identifiziert werden. Ausgehend von der extrahierten Lipidfraktion wurde ein neuartiges synergetisches Separationsverfahren entwickelt, welches eine einfache Trennung des Fucoxanthins von den enthaltenen Fettsäuren mittels Fällung und Filtration ermöglicht. Das Fucoxanthin konnte dadurch auf bis zu 97 %w/w aufgereinigt werden. Durch eine Skalierung des Extraktions- und Fällungsverfahrens als „Proof-of-Concept“ vom Milliliter- in den Liter-Maßstab war es nachfolgend möglich, ausreichend Probenmaterial für Untersuchungen der funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Lipidextrakte und des aufgereinigten Fucoxanthins herzustellen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse und Daten bilden eine erste Grundlage für die zukünftige Zulassung beider Wertstoffe aus Diatomeen als „Novel Food“. Auf Basis der neuen und optimierten Teilverfahren gelang es, ein vollständiges Herstellungsverfahren für Fucoxanthin und EPA mit Diatomeen zu entwickeln. Folglich konnten erstmals ökonomische Aspekte anhand definierter Produktionsszenarien im Pilot- und Industriemaßstab untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere der Energieeintrag für die artifizielle Beleuchtung mit 43 bis 50 % der operativen Kosten einen wesentlichen Kostentreiber im Gesamtprozess darstellt. Demzufolge wirken sich die Stromkosten und damit auch der Standort der Anlage entscheidend auf die Produktionskosten aus. Es zeigte sich des Weiteren, dass eine Kostenreduktion durch eine Vergrößerung der Produktionsanlage aufgrund der modularen Bauweise der FPA-PBR nur begrenzt möglich ist und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses in viel höherem Maße vom Fucoxanthin als vom EPA bestimmt wird.
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Experimentelle Untersuchung der elektrophoretischen Mobilität gelöster Metalle der Seltenen Erden in der Free-Flow Elektrophorese
(2019) König, Lea; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Die vorliegende Arbeit untersucht die Machbarkeit der Trennung der Seltenen Erden unter Verwendung der Free-Flow Elektrophorese als Trenntechnik und stellt so eine Grundlage für einen neuartigen Prozess dar. Ziel dieser Dissertation war es, die elektrophoretische Mobilität gelöster Seltener Erden Ionen im elektrischen Feld der Free-Flow Elektrophorese zu charakterisieren und unter Verwendung von Komplexbildnern auf einen Trennprozess zu übertragen. Untersucht wurden eine Trennung der Seltenen Erden Neodym, Europium, Dysprosium und Ytterbium unter EInsatz der Komplexbildner Alpha-Hydroxisobutylsäure (HIBA), Milchsäure und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA). Nach vorheriger Untersuchung der elektrophoretischen Mobilität der komplexierten Seltenen Erden konnten unter Verwendung eines heteroleptischen Trennsystems aus Milchsäure und EDTA drei der vier Seltenen Erden in Teinfraktionen gesammelt wurden. Da es zum jetzigen Stand der Wissenschaft und Technik nicht möglich ist, eine Komplexierungsreaktion der Metalle mit organischen Säuren im wässrigen Milieu quantitativ zu bestimmen, wurde hierfür zusätzlich eine Analysemethode entwickelt und mit der elektrophoretischen Mobilität verknüpft. So wurde es möglich, diese ex-situ zu analysieren.
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Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Fällung von Kalium-Magnesium-Phosphat
(2013) Frank, Daniel; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Kalium ist neben Phosphor ein essentieller Makronährstoff, der als ein Hauptbestandteil von Düngemitteln das Pflanzenwachstum positiv beeinflusst. Kalium (K) gelangt über das Futter von Nutztieren in deren Gülle. Ein guter Ansatz, um sowohl Kalium als auch Phosphor aus der Gülle zurückzugewinnen, ist die Fällung beider Stoffe zusammen mit Magnesium als sogenanntes Kalium-Magnesium-Phosphat (KMgPO4 * xH2O, KMP).
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Fermentative Herstellung spezifischer Gibberelline mit Fusarium fujikuroi
(2019) Elter, Tino; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Gibberelline sind natürlich vorkommende Phytohormone mit großem Einfluss auf das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Die kommerziell bedeutsamsten Gibberelline werden mithilfe des Pilzes Fusarium fujikuroi hergestellt. Die Charakterisierung der für die Gibberellinbiosynthese verantwortlichen Gene des Pilzes ermöglicht eine Manipulation des Gibberellinstoffwechsels, wodurch sich sowohl die Produktivität als auch das Produktspektrum des Pilzes verändern lassen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Wildtypen und Mutanten von F. fujikuroi unter identischen Bedingungen im Bioreaktor miteinander verglichen: zwei GA3-produzierende Wildstämme, zwei GA7-produzierende Mutanten mit einer Ausschaltung des Gens P450-3 und zwei GA4-produzierende Mutanten mit einer Ausschaltung der Gene P450-3 und des. Dabei ergab sich abhängig vom jeweils produzierten Gibberellin ein anderer Verlauf der Gibberellinkonzentration, während sich andere Fermentationsparameter ansonsten gleich verhielten. Es zeigte sich, dass die Variation im Verlauf der Produktkonzentration auf unterschiedliches Zerfallsverhalten der einzelnen Gibberelline zurückführen ist. Das Zerfallsverhalten wurde in Abhängigkeit der Temperatur (20 bis 55 °C) und des pH-Wertes (pH 2 bis 9) untersucht und modelliert, wobei das Modell die Messdaten mit guter Übereinstimmung wiedergeben konnte. Unter Berücksichtigung der Zerfallskinetik zeigte sich, dass die Ausschaltung der Gene P450-3 und des keinen Einfluss auf die biomassespezifische Produktbildung hatte. Eine zusätzliche Ausschaltung des Gens ppt1 führte zu einer Ausschaltung verschiedener Nebenprodukte, was sich darin zeigte, dass sich die Kultur nicht verfärbte und der Masseanteil der Gibberelline im Rohextrakt höher war. Entgegen der Erwartung zeigten die Δppt1-Mutanten keine erhöhte Gibberellinbildung. Im Zentrum dieser Arbeit stand die Entwicklung eines mathematischen Modells, welches die Biomassebildung, den Glukose- und Stickstoffverbrauch, die Gibberellinbildung sowie die respiratorischen Raten Sauerstoffaufnahme und CO2-Bildung mit einem Bestimmtheitsmaß von über 0,79 wiedergibt. Das Modell wurde in dieser Arbeit zur Analyse der Fermentationsdaten verwendet und kann darüber hinaus zur Simulation der Fermentation unter veränderten Bedingungen eingesetzt werden. Im Anschluss an die Charakterisierung der verschiedenen Mutanten wurde der Einfluss der initialen Stickstoffkonzentration, der Temperatur, des pH-Werts, der Glukosekonzentration und der Sauerstoffsättigung untersucht. Innerhalb des untersuchten Arbeitsbereichs stellten sich lediglich die Stickstoffkonzentration zu Beginn der Fermentation und der pH-Wert als signifikante Prozesseinflüsse heraus. Die initiale Stickstoffkonzentration war direkt proportional zur Konzentration an aktiver Biomasse, während sich die spezifische Gibberellinbildung als unabhängig von der initialen Stickstoffkonzentration erwies. Daraus folgt, dass die maximale Gibberellinkonzentration mit steigender Konzentration an initialem Stickstoff ansteigt. In Abhängigkeit vom pH-Wert zeigte die spezifische Produktbildungsrate ein Optimum bei pH 3,5. Da sich das Zerfallsverhalten der verschiedenen Gibberelline stark voneinander unterscheidet, muss bei der Optimierung des pH-Werts die Abhängigkeit der Zerfallsgeschwindigkeit vom pH-Wert unbedingt berücksichtigt werden. Zuletzt erfolgte eine Untersuchung des Fermentationsverhaltens unter Steady-State-Substrat¬limitation der Kohlenstoff- und Stickstoffquelle. Unter C-Limitation wurde etwa ein Drittel weniger Glukose verbraucht und nahezu keine Speicherstoffe ins Myzel eingelagert. Allerdings war die Gibberellinbildung deutlich reduziert. Durch den Einsatz einer exponentiellen Fed-Batch Fahrweise unter Stickstofflimitation war es möglich, die Wachstumsrate zu steuern. Fünf verschiedene Wachstumsraten wurden eingestellt. Die Untersuchung ergab, dass die spezifische Produktivität mit steigender Wachstumsrate abnimmt.
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Hochrateabscheidung von Siliziumoxid- und Zinkoxidschichten mittels Mikrowellenplasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung auf Polycarbonat
(2016) Merli, Csaba-Stefan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Polycarbonat (PC) gehört heute zu den am häufigsten eingesetzten Kunststoffen. Für Anwendungen im Außenbereich muss die Oberfläche jedoch vor dem photochemischen Abbau und Zerkratzung geschützt werden, was heute durch nasschemische Lackierungen geschieht. Durch den Einsatz von plasmatechnologischen Beschichtungsprozessen soll jedoch eine energie- und ressourcenschonendere Alternative zu den Lackierverfahren bereitgestellt sowie verbesserte Schichteigenschaften ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Mikrowellenplasmaverfahren zur Abscheidung von transparenten UV- und Kratzschutzschichten auf PC untersucht. Die jeweiligen Schutzfunktionen werden dabei von auf Zinkoxid (ZnO) bzw. Siliziumoxid (SiOx) basierenden Schichten übernommen. Es sollten möglichst hohe Abscheideraten erzielt werden, um konkurrenzfähig mit den gängigen Lackierverfahren zu sein. Die Abscheidung wurde zunächst für beide Schichttypen einzeln untersucht. Bei den SiOx-Kratzschutzschichten konnten sehr hohe Abscheideraten von bis zu 90 µm/min erreicht werden. Die Schichten wiesen eine hohe Transparenz und Klarheit sowie eine gute Haftung auf dem PC auf. Bei optimalen Abscheideparametern übertrifft der Abriebwiderstand den der heutigen Standardlacke. Für die ZnO-Schichten konnten Abscheideraten von bis zu 700 nm/min erreicht werden. Neben einer hohen Transparenz im sichtbaren Bereich hatten die Schichten, abhängig von den Abscheideparametern, eine hohe Absorption im UV-Bereich. Anschließend wurden die beiden Schutzfunktionen in einem Mehrschichtaufbau zusammengeführt. Das Schichtsystem hatte eine gute Haftung, eine hohe Transparenz und Klarheit sowie einen hohen Abriebwiderstand. In Bewitterungstests konnte eine, im Vergleich zum Lack, verbesserte Schutzfunktion gegenüber dem photochemischen Abbau gezeigt werden. Es wurden zudem erste Versuche zur Aufskalierung des Verfahrens auf industrieübliche Bechichtungsflächen von 0,5 m² durchgeführt.
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Investigation into the influence of magnetic field structure on the dynamical and spatial properties of plasma edge turbulence in the stellarator TJ-K
(2019) Garland, Stephen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Nuclear fusion could provide the solution to our rising energy demands in a world where greenhouse gas emissions must be rapidly reduced (Germany plans a 55 % reduction by 2030, compared to 1990 levels). In order to have sufficient rates of fusion a high-temperature, relatively dense plasma is required. Containing such a plasma for long enough for fusion to occur at sufficient rates is challenging. One solution is to confine the plasma with strong toroidal magnetic fields. Whilst this drastically improves the confinement, particles and heat are still transported towards the reactor walls, reducing the temperature and density, and posing a threat to wall components. The main contribution to outward transport in fusion-relevant reactors comes from turbulent fluctuations in the plasma potential and density. The aim of this thesis is to investigate the effect of magnetic field geometry on the spatial, statistical and dynamical properties of turbulence in the confined region of the plasma, dominated by drift-wave turbulence, and the region close to the reactor wall (scrape-off layer), where the turbulence has an intermittent character due to outward-travelling high-amplitude pressure perturbations, often called blobs. A high proportion of scrape-off layer transport towards the reactor wall is due to blob filaments. The generation of blobs is known to be linked to drift-wave turbulence, and so the intermittent nature of scrape-off layer turbulence could have its origin in the confined plasma. To gain an understanding of the intermittent properties of drift-wave turbulence, simulations were carried out with a simple slab geometry model and compared to experimental measurements at the stellarator TJ-K. It was found that the density fluctuations become more intermittent with increasing plasma collisionality, due to a progressive decoupling of density and potential fluctuations. An extended version of the model, accounting for magnetic curvature, predicted more intermittent density fluctuations on the outboard side of the reactor, where the normal curvature is negative. Experiments showed that the most intermittent fluctuations are in fact shifted into the region where the normal curvature is negative but the geodesic curvature is positive. This shift could be understood by considering the spatial properties of the turbulence, which enter into the density-potential coupling terms in the model. Furthermore, the local magnetic shear was found to have a damping effect on drift-wave turbulence, which locally reduces the cross-sectional areas of turbulent structures. Blob dynamics were studied using a three-dimensional gyrofluid model, in which blob filaments are generated self-consistently. An effect of the magnetic curvature was found not only on the radial blob speeds, which is well known, but also on the binormal velocity component. This result was also found in experiments at TJ-K, where the geodesic curvature drive was shown to contribute significantly to poloidal blob speeds. In addition, the structure of blob filaments was studied in the experiment. It was found that the magnetic shear does not have a deforming effect, and that blobs retain the filamentary form that they have near their generation region.
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Investigations and technical development of adsorption thermal energy storage systems with simulation and different control strategies
(2021) Abou Elfadil, Mazen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Thermal energy storage (TES) has been receiving an increasing worldwide attention, especially with the growing concerns about environmental problems caused by an inefficient utilization of energy. A major part of the energy consumption is considered as low temperature thermal energy. Thus, a better management of this energy by using thermal energy storage could provide a significant contribution to improve the overall efficiency of energy utilization in industrial processes and economies. The thermal energy can be stored in different forms e.g. sensible heat, latent heat or thermo-chemical, allowing variety of choices depending on the application. While the sensible and latent heat storage technologies are standard products, the thermo-chemical energy storage is still under development. Based on the method used, thermo-chemical energy storage can be divided into absorptive and adsorptive thermal energy storage systems. The adsorptive thermal energy storage systems have a great potential in both daily (short term) and seasonal (long term) applications. However, their implementation is still limited due to their low degree of applicability caused by lack of scientific knowledge on the thermal analysis level, as well as the absence of knowledge on the level of system integration, which has prevented the heat storage systems from reaching their maximum potential and from being fully commercialized. Consequently, there is still a big necessity for research and development in this field [Salvatore Vasta, 2018]. The principle of the adsorption storage system is based on a gaseous working fluid (e.g. water resp. vapor) which gets adsorbed by a highly porous material (e.g. zeolite). This adsorption process is an exothermal one, thus heat is being released and can be transferred and used. In order to recharge the heat storage system, desorption of the working fluid is done by heating the porous material. The heat storage system consists mainly of a reactor (where the porous material is located), a condenser/evaporator and other auxiliary components (e.g. water tank, pumps, sensors…). Efforts of development of the adsorptive TES were concentrated mainly on developing the adsorptive material, as the performance of the storage material has been the priority so far [Salvatore Vasta, 2018]. Little focus was put on heat power analysis and temperature behavior in the different system components, which have an impact on the overall system efficiency. Thus, system approach is still needed in order to combine and integrate this technology into industrial applications and products [Hauer, Andreas 2020] [Michelangelo Di Palo 2020]. With the aim of improving the heat storage efficiency (recovered heat to stored heat ratio), both numerical (simulations) and experimental (technical modifications) approaches were applied, which have enabled the system to achieve an optimal operational status in terms of energy utilization and efficiency. These approaches were later on used to define a fully automated control system assisting the adsorption TES to instantly react with the continuously varying parameters in such a way to assure an optimal performance. Hence, in the first stage of this investigation, process-modeling and simulation of the whole heat storage system were carried out, so that the total performance of the heat storage system can be predicted and evaluated for any future applications, including the possibility of combining different reactors or heat storage units. In the second stage, different experiments and technical modifications of the system were conducted. This includes testing various possibilities of TES setups (e.g. storage cascades), where the different pressure and temperature behavior in the reactor were evaluated. With the help of experiments, a detailed numerical 3D-model of the packed bed was created, giving an insight into the heat and mass transfer in the reactor during both adsorption and desorption. As a result, a new heat exchanger design was developed, which has improved the temperature distribution and the heating/cooling power. Additionally, the simulation’s results suggested the separation between the evaporator and the condenser to achieve an enhanced water vapor transfer between the reactor and condenser. On a parallel stage of this investigation, comprehensive heat power analysis during both adsorption and desorption processes was carried out, which has showed that the sensible heat left in the reactor, contributes to ca. 50% of the total stored heat. Consequently, multiple reactor concept was introduced, in order to enable the sensible heat recovery. As a conclusion, process simulation enabled tests with different parameters to be performed within much shorter time than the real experimental time. Thus, it was possible to cover numerous application-scenarios and help improving the system overall efficiency. The experimental results have shown that the developed heat exchanger design has increased the maximum power of the heat exchanger about 74%. Moreover, by improving the fluid dynamics between the reactor and condenser, the efficiency of desorption ηd and overall efficiency ηo were increased by 32% and 9% respectively. Furthermore, about 36% of the sensible heat left in the reactor after desorption was recovered by using multiple reactors with sequential configuration, which has led to a reduction in the total invested heat by ca. 9%. For future work it’s recommended to investigate the possibility of controlling the amount of discharged heat from the system by regulating the water uptake during adsorption. In addition, trying a different approach to the reactor’s design (e.g. moving bed reactor) could bring significant improvements to the system.
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Oberflächenmodifizierung von Carbon Nanotubes mittels technischer Niederdruckplasmen
(2010) Zschoerper, Peer Nicolas; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNTs) sind ein Nanomaterial mit außerordentlichen Eigenschaften wie eine geringe, mit Polymeren vergleichbare Dichte, hohe mechanischen Kennwerte und elektrische Leitfähigkeit, Temperaturstabilität und Wärmeleitfähigkeit. Da sie jedoch zudem chemisch weitgehend inert und in den meisten Substanzen nicht oder kaum dispergierbar sind, ist zur Verbesserung ihrer Verarbeitbarkeit sowie für die Bewerkstelligung einer Phasenadhäsion eine Modifizierung ihrer Oberfläche erforderlich. Die vorliegende Abhandlung entstand in enger Zusammenarbeit der Universität Stuttgart (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik, IGVT) mit dem Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB). Sie beschreibt plasmachemische Methoden zur Erzielung einer solchen Modifizierung und deren Vorteile gegenüber konventionellen nasschemischen Varianten. Auf Basis von in diesem Zusammenhang erstmalig entwickelten spezifischen und semi-quantitativen Nachweismethoden konnten Abhängigkeiten der Oberflächenzusammensetzung von den Plasmaprozessparametern Prozessgas, Behandlungsdauer, Druck und Leistung ermittelt und entsprechende Optima zur bevorzugten Generierung bestimmter Oberflächenfunktionalitäten erarbeitet werden. Mittels fluiddynamischer Modellierung und experimentellen Untersuchungen wurde ferner ein Plasmareaktor zur direkten Modifizierung pulverförmigen Materials entwickelt, der bisherige Systeme hinsichtlich Effizienz, Skalierbarkeit und Prozessintegrierbarkeit signifikant übertrifft. Schließlich wurde in weiterführenden Anwendungsversuchen die Wirksamkeit der durchgeführten Modifizierungen nachgewiesen, wobei neben einer besseren Dispersion insbesondere eine wesentlich verbesserte Phasenadhäsion erreicht wurde.
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Simulation of Electron Bernstein Waves in FLiPS with various numerical methods
(2021) Rumiantsev, Kirill; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
The plasma generation and heating by microwaves is an important research topic in the field of controlled nuclear fusion. All modern fusion plasma devices such as Wendelstein 7-X use microwave heating. The microwave plasma-heating primarily occurs at the resonances, where the microwaves are efficiently absorbed. The heating scenario must be designed such that the microwaves can reach the resonance. When the plasma exceeds the cutoff density, the microwaves will be reflected, and the resonance becomes inaccessible. However, it is possible to perform heating by Electron Bernstein Waves (EBWs), since these electrostatic waves propagate even in overdense plasmas, unlike the electromagnetic plasma waves. EBWs cannot propagate in the vacuum and must be created through a coupling process. Both O- and X-mode can couple to EBWs. The thesis investigates the coupling of the O- and X-mode to EBWs as well as the EBW propagation with various numerical methods. The application of only one numerical method is not sufficient as the coupling involves very different wavelength scales. The optimal coupling scheme for the expected plasma parameters was determined using a Finite-Difference Time-Domain (FDTD) code. Since EBWs are not included in the code, a Boundary-Value Problem (BVP) code was developed. Using the BVP code, the effect of the collisions on EBWs was studied. The field amplification at the upper-hybrid resonance (UHR), where EBWs couple to the electromagnetic waves, and the effect of the magnetic field on EBWs could be directly visualized. The propagation of the EBW was investigated using the novel ray-tracing code RiP. The ray-tracing simulations provided a clear picture of the essential features of the wave propagation. For the O- and X-mode coupling, the importance of the axial plasma inhomogeneity was shown. For the first time, the method of the Wigner function was applied to calculate the intensity distribution of EBWs. Both, ray-tracing and the Wigner function simulations showed that the inhomogeneous magnetic can cause focusing of EBWs. The focusing effect can have practical applications e.g. for controlled local heating of the plasma. Additionally, the focusing effect can cause a parametric decay due to the field enhancement in the focal regions. In this thesis, the simulations were focused on excitation and propagation of EBWs in the geometry of the linear plasma device FLiPS located at the University of Stuttgart. Measurements were carried out to study the predicted focusing of the EBWs in the FLiPS plasma with monopole antennas. The measurements provided the density profile used in the simulations. The expected amplification of the signal at the UHR was not detected, indicating either the complete collisional absorption of the X-mode at the upper-hybrid resonance, or the turbulent plasma density oscillations that reduce the coupling efficiency to EBWs. These effects can be studied further using the developed tools since they provide a complete toolbox to study the full coupling process to EBWs in an actual experimental geometry.
Open Access
Sulfonated poly(ether ether ketone) based membranes for direct ethanol fuel cells
(2010) Roelofs, Kimball Sebastiaan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
The decreasing availability of fossil fuels and the increasing impact of greenhouse gases on the environment lead to an extensive development of more efficient or renewable energy sources. The direct alcohol fuel cell (DAFC) as a portable energy source is a promising and fast growing technology which meets these demands. Up to now, methanol is mostly studied as a fuel for these devices, however, applying ethanol has some evident advantages over methanol. The major challenges in direct ethanol fuel cell (DEFC) research on component level are the catalyst development and the electrolyte membrane development. The focus of this thesis lies on the development and characterization of proton conductive membranes for application in direct ethanol fuel cells (DEFC). Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) based organic-inorganic mixed-matrix membranes are developed and, in addition, the inorganic phase is modified with functional silanes carrying basic groups. The membranes are characterized with respect to fuel crossover, proton conductivity, membrane stability and direct ethanol fuel cell tests.
Open Access
Synthese und Charakterisierung von teilfluorierten sulfonierten Poly(arylen)-Ionomeren für den Einsatz in Mitteltemperaturbrennstoffzellen
(2014) Ellwein, Corina; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von Basenüberschussblendmembranen untersucht sowie deren Anwendbarkeit in der Mitteltemperaturbrennstoffzelle getestet. Zur Herstellung der Basenüberschussblendmembranen werden zunächst teilfluorierte sulfonierte Poly(arylen)-Ionomere hergestellt, die später als saure ionische Vernetzer dienen. Die hergestellten teilfluorierten sulfonierten Poly(arylen)-Ionomere haben die Besonderheit, dass die Sulfonsäuregruppe direkt benachbart zu F-Atomen liegt. Durch die direkte Nachbarschaft der F-Atome wird die Acidität der SO3H-Gruppe aufgrund des -I-Effektes der F-Atome deutlich erhöht, wodurch die Ausbildung der ionischen Vernetzung verbessert wird. Als Matrix für die Basenüberschussblendmembranen werden drei verschiedene Polybenzimidazole (PBI-OO (B3), PBI-HOZOL (B1) und PBI-F6 (B2)) verwendet. Um die teilfluorierten sulfonierten Poly(arylen)-Ionomere herstellen zu können, werden zwei unterschiedliche perfluorierte Monomere, OFT (Oktafluortoluol) und PFP (Pentafluorpyridin), thioliert und anschließend zur Sulfonsäure oxidiert. Bei beiden Monomeren zeigt sich anhand der 19F und 13C-NMR Spektren, dass ausschließlich das in para-Stellung befindliche F-Atom durch das Thiol bzw. die Sulfonsäure substituiert wird. Die hergestellten Monomere werden anschließend mit kommerziell erhältlichen Monomeren in einer Polykondensation umgesetzt. Um eine mechanisch und chemisch stabile Membran zu erhalten, ist unter anderem eine hohe Molmasse der eingesetzten Polymere notwendig. Arylenhauptkettenpolymere werden üblicherweise durch eine Polykondensationsreaktion hergestellt. Die Polykondensationsreaktion wird dabei unter anderem von folgenden Faktoren beeinflusst: Reaktionstemperatur, Stöchiometrie der Monomere und Katalysatormenge. Diese Faktoren werden in dieser Arbeit sowohl in Bezug auf die erhaltene Molmasse als auch auf die thermische Stabilität der Polymere untersucht. Es ist anzunehmen, dass mit steigender Reaktionstemperatur die Reaktionsgeschwindigkeit ansteigt und höhere Molmassen erreicht werden können. Dieses Verhalten kann bei den Polymeren SPTE-TBBT-PFP, SPE-BP-PFP, SPTE-TBBT-OFT und SPE-BP-OFT beobachtet werden. Bei perfluorierten aromatischen Monomeren besteht jedoch immer die Gefahr, dass ab einer bestimmten Reaktionstemperatur die Ausbildung von dreidimensionalen Netzwerken stattfindet, da mehr als zwei nukleophil substituierbare F-Atome pro Monomer vorliegen. Die Reaktionstemperatur kann somit nur bis zu einem gewissen Grad erhöht werden. Eine Erhöhung der Katalysatormenge führt aufgrund der schnelleren Aktivierung der OH- bzw. SH-Komponente ebenfalls zu einer Erhöhung der Molmasse. Dieses Verhalten kann in dieser Arbeit bei den Polymeren SPTE-TBBT-PFP und SPE-BP-PFP beobachtet werden. Durch Nicht-Einhaltung der Stöchiometrie der Monomere kann die Molmasse der Polymere in dieser Arbeit zum Teil erhöht werden. Laut Literatur ist dies jedoch nicht möglich, da gemäß der Carothers-Gleichung nur dann hohe Molmassen erreicht werden, wenn eine 1:1 Stöchiometrie der Monomere exakt eingehalten wird. Im Fall von SPTE-TBBT-OFT und SPE-BP-OFT zeigt sich jedoch, das bei einem 1 Gew.% Überschuss des F-haltigen Monomers eine Molmasse im Bereich von 8 000 g/mol erhalten wird, während bei einem 14 Gew.% Überschuss der F-Komponente eine Molmasse von ca. 17 000 g/mol erreicht wird. Die thermischen Stabilitäten der Polymere liegen im Bereich zwischen 250-440 °C für die Abspaltungstemperatur der Sulfonsäuregruppe, was weit oberhalb der Betriebstemperatur einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle liegt. Um den Einfluss der hergestellten Poly(arylen)-Ionomeren in Basenüberschussblendmembranen zu untersuchen, werden verschiedene Mischungsverhältnisse von PBI und den Poly(arylen)-Ionomeren hergestellt. Die erhaltenen Membranen werden anschließend sowohl auf ihre oxidativen und thermischen Eigenschaften als auch auf ihre Anwendbarkeit in der Brennstoffzelle untersucht. Die ionische Vernetzung in der Basenüberschussblendmembran bewirkt, dass die Abspaltungstemperatur der Sulfonsäuregruppen bei B1S4 auf 430 °C erhöht werden kann, während das reine Polymer SPE-BP-OFT eine Abspaltungstemperatur der Sulfonsäuregruppen von 380 °C aufweist. Die oxidative Stabilität der Membranen wird durch den Fenton Test (FT) untersucht. Die Membranen aus B1 und S3 bzw. S4 weisen nach dem FT eine leichte Abnahme der thermischen Stabilität auf. Auch anhand der REM-Bilder zeigt sich, dass nach 144 h die Membranen kleine Löcher im Größenbereich von 5 μm aufweisen. Die Membranen aus B1 und S1 bzw. S2 besitzen nach dem FT eine sehr inhomogene und poröse Oberfläche, was durch Degradation der Polymere zu Stande kommt. Durch GPC-Messungen vor und nach dem FT zeigt sich, dass während des FT ein Molmassenabbau stattgefunden hat. Die Membranen aus B2 und B3 zeigen hingegen beim FT bessere Ergebnisse. Die Massenabnahme liegt in diesem Fall bei max. 10 Gew.%, während bei B1 der Massenverlust nach 144 h einen Wert von ca. 30 Gew.% erreicht. Die deutlich höhere Molmasse von B2 führt dazu, dass diese Membranen bessere Ergebnisse zeigen als die Membranen aus B3. Aufgrund der hohen Molmasse von B2 werden bei den GPC-Messungen bimodale Kurven erhalten, wodurch erste Rückschlüsse gezogen werden können, welches Polymer zuerst von den Radikalen angegriffen wird. Die Membranen aus B3 und den sauren Polymeren können mittels GPC-Messungen nicht aufgetrennt werden, da sie ähnliche Molmassen besitzen. Bei den untersuchten Membranen hat sich unabhängig vom eingesetzten PBI gezeigt, dass die Stabilität nach folgender Reihenfolge abnimmt: B2S9 > B2S8 > B2S4 > B2S6 > B2S3. Die hergestellten Basenüberschussblendmembranen werden in eine Brennstoffzelle eingebaut und unter realen Bedingungen vermessen. Jedoch müssen die Membranen vor dem Einbau in die Brennstoffzelle mit Phosphorsäure dotiert werden, um eine protonenleitfähige Membran zu erhalten. Der Dotierungsgrad wird auf 400 Gew.% festgelegt, da hier die mechanische Stabilität der Membranen noch ausreichend ist, um diese in einer Brennstoffzelle betreiben zu können. Laut Theorie sollten die Membranen mit dem geringsten Anteil des sauren Polymers die besten Ergebnisse zeigen, was in dieser Arbeit zum Teil bestätigt werden kann. Wird der Anteil des sauren Polymers zu groß, wirkt sich das negativ auf die Leistung der Zelle aus. Bei einigen Membranen kann kein stabiles Spannungssignal eingestellt werden, da die Phosphorsäure sich nur an der Oberfläche der Membran angelagert hat und durch den Gasstrom wieder von der Membranoberfläche entfernt wird. Um die Leistung der Membran zu verbessern, wird der Dotierungsgrad erhöht, was jedoch dazu führt, dass die mechanische Stabilität der Membran abnimmt. Eine weitere Möglichkeit die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern, besteht darin, den Platingehalt in den Elektroden zu erhöhen. So kann bei B3S8-b durch den Einsatz von 3 mg Pt/cm² die Stromdichte um den Faktor zwei auf 360 mA/cm² erhöht werden. Obwohl die Membranen mit B2 im FT bessere Ergebnisse zeigen, können sie im Brennstoffzellentest nicht überzeugen, da sie deutlich schlechtere Strom- und Leistungsdichten aufweisen als die Membranen mit B3. Die untersuchten Membranen zeigen zum Teil bessere Ergebnisse als die Membranen in der Literatur. In der Literatur wird ein Platingehalt von mindestens 1 mg Pt/cm² verwendet, während in dieser Arbeit ein Platingehalt von 0,3 mg Pt/cm² eingesetzt wird. Somit kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass selbst mit einem niedrigen Platingehalt relativ hohe Stromdichten in der Brennstoffzelle erreicht werden können.
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Untersuchung und Verbesserung des Entleerungsverhaltens von Füllgut-Verpackungssystemen
(2011) Schmidt, Maike C.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
Das Entleeren einer Verpackung ist vor allem wichtig, wenn das Füllgut giftig oder umweltgefährdend ist. Auch teure Füllgüter wie Kosmetika oder Medikamente sollten aus ökonomischen Gründen möglichst keine Rückstände hinterlassen. Ein zusätzlicher Vorteil weitestgehend restentleerter Verpackungen ist die Erleichterung des Recyclingprozesses und die gesteigerte Qualität des Rezyklates. Ziel der Arbeit war es, die Einflussfaktoren für das Anhaften von Füllgütern an Verpackungsmaterialien zu identifizieren und das Entleerungsverhalten zu verbessern. Hierzu wurde eine Bewertungsmethode entwickelt, um die Rückstandsmengen auf Flachproben zu quantifizieren. Die so ermittelten Restmengen wurden den Eigenschaften der Flüssigkeit und des Packstoffs gegenübergestellt. Außerdem wurden die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Packstoff untersucht.Dazu wurden neben Ölen und wässrigen Polymerlösungen auch tensidhaltige Lösungen verwendet. Die Erkenntnisse wurden genutzt, um Beschichtungen zu entwickeln,die durch einen PECVD-Prozess hergestellt werden können und ein verbessertes Entleerungsverhalten zeigen. Die Untersuchungen, deren Fokus auf den Eigenschaften des Füllgutes lag, ergaben,dass allgemein Füllgüter mit einem hohen polaren Anteil der Grenzflächenspannung geringere Restmengen hinterlassen. Außerdem hat die Viskosität einen entscheidenen Einfluss auf die anhaftenden Restmengen. Dünnflüssige Formulierungen fließen schneller und besser ab. Bei nichtnewtonschen Flüssigkeiten spielt zusätzlich die Elastizität eine Rolle. Da die Oberflächenspannung flüssiger Produkte durch die zugesetzten Bestandteile bestimmt wird und die Viskosität des Füllgutes eine wichtige Produkteigenschaft ist, können die Restmengen nur selten durch diese Stellschrauben reduziert werden.Daher wurden nachfolgend die Eigenschaften der festen Grenzfläche mit den anhaftenden Rückständen korreliert. Die Packstoffgrenzfläche sollte möglichst niederenergetisch sein. Während für ölbasierte Füllgüter und Emulsionen wichtig ist,dass der disperse Anteil der Grenzflächenspannung gering ist, muss für wasserbasierte Füllgüter auch die Hydrophilie der Grenzfläche gesenkt werden. Ein weiteres Hauptaugenmerk wurde auf die grenzflächenaktiven Bestandteile eines Füllgutes gelegt. In der vorliegenden Arbeit wurden Tenside als Beispiel hierfür gewählt.Es wurden Vertreter der anoinischen, kationischen und nichtionischen Tenside untersucht. Sie beeinflussen maßgeblich die Rückstandsmengen, da sie die Benetzung der Grenzfläche verändern. Zum einen senken sie die Grenzflächenspannung der wässrigen Lösung, zum anderen adsorbieren sie auf den Grenzflächen und beeinflussen so die Grenzflächenspannung des Festkörpers. Da hydrophobe Wechselwirkungen hauptsächlich für die Adsorption der Tenside auf Kunststoffen verantwortlich sind, kann ein Zusammenhang zwischen dem ausgebildeten Kontaktwinkel und dem dispersen Anteil der Grenzflächenspannung des Kunststoffes hergestellt werden. Aus den Adsorptionsversuchen wurde deutlich, dass die Schichtdicken der Adsorbate in der Reihenfolge DTAB