Universität Stuttgart
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Item Open Access Herstellung, Charakterisierung und Weiterverarbeitung von Carbon Nanotube Dispersionen(2013) Moller, Björn P.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat)Ziel dieser Arbeit ist es, das Dispergierverhalten von Carbon Nanotubes systematisch zu untersuchen, und die Einflussgrößen zur Herstellung optimierter sowohl wässriger als auch lösemittelbasierter Dispersionen zu bewerten. Aus diesen Dispersionen wurden dann sowohl reine CNT-Membranen als auch Polymer-Komposit-Membranen entwickelt und charakterisiert. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Hauptkapitel. Nach einer Einführung, die die Moti-vation und Zielsetzung der Arbeit darlegt, werden in Kapitel 2 die zum Verständnis notwendigen theoretischen Grundlagen und in Kapitel 3 der aktuelle Stand der Wissenschaft dargestellt. Kapitel 4 beschreibt die in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methoden. Hierbei werden neben den unterschiedlichen Carbon Nanotubes und den physikalischen Prinzipien der ver-wendeten Messmethoden auch die einzelnen Verfahrenschritte zur Herstellung von CNT-Sheets sowie CNT-Polymer-Komposit Flachmembranen erläutert. Die in Kapitel 5 vorgestellten Ergebnisse gliedern sich in drei wesentliche Aspekte. Erstens die Herstellung von CNT-Dispersionen und die Bewertung der Einflussgrößen. Hierbei zeigt sich bei der Untersuchung unterschiedlicher Dispergiermethoden wie Hochdruckdispergierung, Ultra-Turrax oder Kugelmühle, dass nur die Ultraschalldispergierung in der Lage ist, die Kräfte aufzubringen, die für das Aufbrechen von CNT-Agglomeraten sowie zur homogene Verteilung isolierter Nanotubes notwendig sind. Beim Vergleich unterschiedlicher Lösemittel wurde die Dispergierfähigkeit in herkömmlichen Lösemitteln wie Ethanol, Aceton oder Dimethylformamid (DMF) mit weiteren Lösemitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und ionischen Flüssigkeiten verglichen. Es zeigt sich, dass neben NMP und NEP (N-Ethyl-2-pyrrolidon) auch Pyrrolidon und Pyridin gute CNT-Dispersionen ergeben. Grund hierfür ist möglicherweise die Ähnlichkeit der chemische Struktur der Stoffe. So weisen NEP, NMP und Pyrrolidon einen Ring aus vier Koh-lenstoff und einem Stickstoffatom auf, im Fall von Pyridin handelt es sich um einen Benzolring, bei dem ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom subsituiert. Untersuchungen zum Einfluss der Oberflächenenergie konnten die in der Literatur postulierte These bestätigen, dass sich CNTs besser dispergieren lassen, je ähnlicher sich die Oberflä-chenenergien von CNT und Lösemittel sind. Eine Annäherung der Oberflächenenergie von CNTs an die Oberflächenenergie des Lösemittels wurde mittels Plasmamodifkation durchgeführt, und somit eine verbesserte Dispergierbarkeit erreicht. Als zweiter Aspekt wurde die Einsatzmöglichkeit von reinen CNT-Sheets (Bucky Papern) als Membran untersucht. Hierzu wurden drei Ansätze verfolgt: Schaltbare Membranen, Adsorpti-onsmembranen und heizbare Membranen. Während im Fall der Adsorptionsmembranen sowie der heizbaren Membranen die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt werden konnte, muss der Einsatz von CNT-Sheets als schaltbare Membranen als nicht realisierbar angesehen werden. In keiner Messung konnte ein Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Filtrationseigenschaften nachgewiesen werden. Der dritte Aspekt setzt den Schwerpunkt auf die Herstellung und Charakterisierung von CNT-Polymer-Kompositen für den Einsatz als Flachmembranen. Die Erkenntnisse der Dispergierversuche wurden genutzt, um aus optimierten CNT-Dispersionen Polymer-Komposite in Form von Polysulfon-Flachmembranen herzustellen. Optische Messungen zeigten, dass auch bei einer optimalen Vereinzelung und homogenen Verteilung von CNTs, ein Füllgrad von 1 Gew.-% ausreicht, um ein Absenken der Transmission von 80% auf 50% zu bewirken. Durch geeignete Wahl der Dispergierparameter konnte jedoch eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 1 S/m erreicht werden. Die hergestellten Membranen zeigen vielversprechende erste Ergebnisse, z.B. in ihren Seperationseigenschaften. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Füllgrad und Membraneigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit oder mittlerem Porendurchmesser, konnte jedoch noch nicht experimentell bestätigt werden. Kapitel 6 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab. Dank der durchgeführten Experimente sowie der gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen können in Zukunft optimierte CNT-Dispersionen aus unterschiedlichem MWCNT-Rohmaterial hergestellt werden. Es ist dadurch möglich, Polymer-Komposite herzustellen, die eine homogene Verteilung vereinzelter CNTs zeigen und somit bereits bei geringen Füllgraden signifikante Veränderungen in physikalischen Eigenschaften wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Eine Optimierung sollte jedoch auf das Polymersystem angepasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um den „bottleneck“ der schlechten Dispergierbarkeit von Carbon Nanotubes teilweise zu beseitigen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um in Zukunft die Eigenschaften dieses außergewöhnlichen Materials in industriellem Maßstab nutzen zu können.Item Open Access Optimierung von überdimensionierten Hohlleiterkomponenten(2001) Plaum, Burkhard; Zohm, Hartmut (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Optimierung von überdimensionierten Hohlleiterkrümmern. Ziel einer solchen Optimierung ist ein möglichst niedriger Anteil der durch die Krümmung angeregten Falschmoden. Der Algorithmus kann auch zur Optimierung von schlangenartig gekrümmten Modenwandlern benutzt werden, mit denen die Eingangsmode vollständig in die Ausgangsmode gewandelt wird. Die Optimierung erfolgt durch Minimierung einer Bewertungsfunktion, die ein gewichteter Mittelwert aus der maximalen Falschmodenleistung innerhalb des Krümmers, der Falschmodenleistung am Krümmerausgang und der Ohmschen Verluste ist. Die Argumente der Bewertungsfunktion sind die Koeffizienten einer Reihenentwicklung (Fourier oder Tschebyscheff) der Krümmungsfunktion. Für die Optimierung wurden ein genetischer Algorithmus und ein Hybridverfahren aus Downhill Simplex und Simulated Annealing Algorithmus implementiert. Als ein Beispiel für eine Optimierung wird ein 28 GHz TE01-Krümmer vorgestellt. Der genetische Algorithmus lieferte hier einen Krümmer, bei dem der Falschmodenanteil im Inneren maximal 11.9 % beträgt. Am Ausgang haben die Falschmoden einen Anteil von 0.016 % der Gesamtleistung Ein Vergleich mit Krümmern, die bei gleichen Abmessungen herkömmliche analytische Krümmungsfunktionen haben, zeigt, daß der optimierte Krümmer in jeder Hinsicht besser ist. Der Krümmer wurde gefertigt und der geringe Falschmodenanteil am Ausgang wurde durch Messungen bestätigt. In einem weiteren Beispiel wurde ein 70 GHz TE01-HE11-Wandler optimiert, wobei als Startwert ein gerader Hohlleiter diente. Hier wurde eine Krümmungsfunktion gefunden, die, bei geringem Anteil höherer Moden, die TE01-Welle fast vollständig in eine HE11-Welle wandelt. Beide Verfahren liefern in mehreren Optimierungen reproduzierbare Ergebnisse. Das Downhill Simplex/Simulated Annealing Verfahren ist jedoch wesentlich schneller, als der genetische Algorithmus.Item Open Access 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.Item Open Access Life cycle assessment for early-stage process optimization of microbial biosurfactant production using kinetic models : a case study on mannosylerythritol lipids (MEL)(2024) Bippus, Lars; Briem, Ann-Kathrin; Beck, Alexander; Zibek, Susanne; Albrecht, StefanIntroduction: This study assesses the environmental impacts of mannosylerythritol lipids (MELs) production for process optimization using life cycle assessment (LCA). MELs are glycolipid-type microbial biosurfactants with many possible applications based on their surface-active properties. They are generally produced by fungi from the family of Ustilaginaceae via fermentation in aerated bioreactors. The aim of our work is to accompany the development of biotechnological products at an early stage to enable environmentally sustainable process optimization. Methods: This is done by identifying hotspots and potentials for improvement based on a reliable quantification of the environmental impacts. The production processes of MELs are evaluated in a cradle-to-gate approach using the Environmental Footprint (EF) 3.1 impact assessment method. The LCA model is based on upscaled experimental data for the fermentation and purification, assuming the production at a 10 m³ scale. In the case analyzed, MELs are produced from rapeseed oil and glucose, and purified by separation, solvent extraction, and chromatography. Results: The results of the LCA show that the provision of substrates is a major source of environmental impacts and accounts for 20% of the impacts on Climate Change and more than 70% in the categories Acidification and Eutrophication. Moreover, 33% of the impacts on Climate Change is caused by the energy requirements for aeration of the bioreactor, while purification accounts for 42% of the impacts respectively. For the purification, solvents are identified as the main contributors in most impact categories. Discussion: The results illustrate the potentials for process optimization to reduce the environmental impacts of substrate requirements, enhanced bioreactor aeration, and efficient solvent use in downstream processing. By a scenario analysis, considering both experimental adaptations and prospective variations of the process, the laboratory development can be supported with further findings and hence efficiently optimized towards environmental sustainability. Moreover, the presentation of kinetic LCA results over the fermentation duration shows a novel way of calculating and visualizing results that corresponds to the way of thinking of process engineers using established environmental indicators and a detailed system analysis. Altogether, this LCA study supports and demonstrates the potential for further improvements towards more environmentally friendly produced surfactants.Item Open Access Modellierung und Diagnostik einer Remote-Mikrowellen-Plasmaquelle zum Hochrateätzen(2024) Pauly, Steffen; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)Bei der Herstellung von Mikrosystem-Strukturen werden Fotolacke eingesetzt, um über lithografische Verfahren Oberflächenstrukturen im Sub-Mikrometerbereich herzustellen. Der Fotolack wird als dünne Schicht auf ein Substrat aufgebracht und durch eine Maske, welche die zu erhaltende Struktur enthält, über UV-Licht ausgehärtet. Dabei dient der strukturierte und ausgehärtete Lack als Schutz für die darunterliegenden Schichten oder als formgebende Struktur der unbedeckten Bereiche. Diese Bereiche können über Ätzprozesse abgetragen oder durch galvanische Abscheidung mit einer Metallschicht überzogen werden. Im Anschluss muss der ausgehärtete Fotolack wieder entfernt werden. Das Problem dabei ist, dass dieser ein hochstabiles vernetztes Material darstellt, was nur äußerst schwer wieder entfernt werden kann, ohne dass dabei die aufgebrachten Metallstrukturen oder die geschützten darunterliegenden Schichten beschädigt werden. Die Entfernung des ausgehärteten Lacks geschieht heutzutage über Trockenätzverfahren. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der simulativen und experimentellen Untersuchung einer im Niederdruck arbeitende Remote Mikrowellen Plasmaquelle (RMPS) der Firma Muegge GmbH, die beim trockenchemischen Hochrateätzen von Fotolacken Anwendung findet. Dazu werden Mikrowellensimulationen durchgeführt, die die Feldverteilung in der Plasmakammer bei Zündbedingungen zeigen, welche über Mikrowellenfeldversuche verifiziert werden konnten. Mit dem Drude-Modell werden vereinfachte Plasmasimulationen durchgeführt, die den Einfluss der Elektronendichte auf das Mikrowellenfeld veranschaulichen. Der visuelle Vergleich der Drude-Modell-Simulationen mit Fotografien des Plasmas verdeutlicht auch hier eine gute Übereinstimmung. Die Erweiterung der Simulation mit dem Fluid-Modell berücksichtigt Teilchenbewegungen und Reaktionen im Plasma. Die Ergebnisse zeigen den zeitlichen Verlauf der Elektronendichte in der RMPS, welche über dreidimensionale Langmuir-Sondenmessungen quantitativ validiert werden konnten.Item Open Access Herstellung und Charakterisierung von Polymernanopartikeln mit Aktivester-Oberfläche(2004) Herold, Marc; Brunner, Herwig (Prof. Dr. techn.)In der vorliegenden Arbeit wurde ein Syntheseweg für neue, modular aufgebaute Surfmere zur Nanopartikel-Herstellung entwickelt. omega-Aminosäuren wie 11-Aminoundecan-säure und 6-Aminohexansäure wurden erfolgreich zur zweistufigen Synthese von p-(11-Acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AUPDS), p-(11-(Meth-acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MUPDS), p-(6-(Acryl-amido)hexanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AHPDS) und p-(6-(Malein-imidio)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MIHPDS) eingesetzt. Die Surfmere AUPDS und MUPDS besitzen grenzflächenaktive Eigenschaften und senken die Oberflächenspannung der Luft/Wasser-Grenzfläche auf 40,5 mN m-1 (AUPDS) und 58,5 mN m-1 (MUPDS). Die kritische Mizellbildungskonzentration für MUPDS ist mit 3,2 mmol/L niedriger ist als die für AUPDS mit 6,0 mmol/L. AUPDS und MUPDS beanspruchen mit 1,42 nm² und 1,69 nm² mehr Fläche als das bereits bekannte Surfmer p-(11-Undecenoyloxy-phenyl)dimethylsulfoniummethylsulfat (UPDS) mit 1,05 nm². Die chemische Reaktivität von AUPDS und MUPDS wurde anhand von Umsetzungen der Surfmere mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid und dem Protein Streptavidin untersucht. AUPDS und MUPDS können als polymerisierbare Tenside bei der Emulsionspolymerisation von Methylmethacrylat (MMA) oder Styren (St) eingesetzt werden. Mit beiden Comonomeren wurden unter Verwendung von 2,2’-Azobis-(2-Methylpropion-amidin)dihydrochlorid (AIBA) als Initiator Polymer-Nanopartikel hergestellt. Die Copolymerisation von AUPDS und MMA zu p(MMA-co-AUPDS) wurde durch die 1H-NMR Analyse der Emulsionspolymerisationsprodukte nachgewiesen. Ausserdem wurde anhand von Elementaranalyse und durch Polyelektrolyttitration zwischen dem copolymerisierten AUPDS im Partikelinnern und auf der Partikeloberfläche differenziert. Die Berechnung der Oberflächenladungsdichte auf den Partikeln aus den Daten der Polyelektrolyttitration ergibt eine Fläche von 1,24 nm² bis 0,70 nm² pro Aktivester-Gruppe. Die Abhängigkeit der Partikelanzahl von der Surfmerkonzentration folgte für den Konzentrationsbereich unterhalb der CMCAUPDS der von SMITH und EWART beschriebenen Gesetzmäßigkeit. Die Kinetik der Copolymerisation von AUPDS und MMA folgt weitgehend dem Drei-Phasen-Modell nach HARKINS. Durch die größere Surfmer-Konzentration wurde die maximale Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeit in der zweiten Phase erhöht und die Partikelanzahl vergrößert. Auch wenn MUPDS in gleicher Konzentration statt AUPDS zur Emulsionspolymerisation eingesetzt wurde, blieben die Parameter der Polymerisations-Kinetik weitgehend unverändert. Der Einfluss der Surfmerkonzentration auf den Partikeldurchmesser und die daraus berechnete Partikelanzahl wurde für die Comonomersysteme p(MMA-co-AUPDS) und p(St-co-AUPDS) untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgröße der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel mit steigender Surfmerkonzentration abnimmt. Diese Abnahme war oberhalb der CMC von AUPDS weniger stark als unterhalb. Dieses Verhalten wurde auf eine zunehmende mizellare Nukleation oberhalb der Mizellbildungskonzentration zurück-geführt. Wurde Styren als Comonomer eingesetzt, entstehen im gleichen Konzentrationsbereich Partikel mit mittleren hydrodynamischen Durchmessern von 58 nm bis 127 nm. Die Aktivester-Funktionen der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel wurden mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid, Flouresceinamin und Streptavidin umgesetzt. Vom copolymerisierten Surfmer konnten 2,1 mol-% bis 13,3 mol % mit 6-Fluoresceinamin umgesetzt werden. Diese Menge an Surfmer entspricht einem Gehalt von bis zu 9,6 µmol reaktiven Aktivester-Gruppen pro 1 g Polymer. Die Umsetzung der partikelgebundenen Aktivester-Funktionen mit Streptavidin wurde durch MALDI-TOF-MS Messungen belegt und durch Titration der Partikel mit Biotin-4-Fluorescein quantifiziert. Auf 1 g p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden bis zu 28 mg Streptavidin immobilisiert. Ausserdem wurde mit dem durch dynamische Lichtstreuung gemessenen Durchmesser die Gesamtoberfläche der p(St-co-AUPDS)-Partikel berechnet. Damit wurde abgeschätzt, dass ein Streptavidin Tetramer einen Bereich von (160 ± 20) nm² belegt. Die Langzeitstabilität der Latices bezüglich der Hydrolyse der Aktivester-Gruppen wurde kalorimetrisch untersucht. Die p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden dazu mit dem durch eine aromatische Amin-Funktion nukleophilen Farbstoff Remazolblau titriert. Die Endpunktsbestimmung erfolgte mit isothermaler Titrations-Mikrokalorimetrie. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl bei einer Aufbewahrungstemperatur des Latex von 25 °C als auch bei 6 °C eine Hydrolyse der Aktivester-Funktionen der p(St-co-AUPDS)-Partikel stattfindet. Die Halbwertszeit der Hydrolyse konnte von 9 Tagen auf 65 Tage verlängert werden, wenn die Partkel statt bei 25 °C bei 6 °C aufbewahrt wurden.Item 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.Item Open Access UV-advanced oxidation process without additives in liquid phase : process characterization and validation(2020) Toro Santamaria, Jorge Mario; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Human activities are gradually generating a strong impact on the environment and the quality of natural water resources. Traces of hazardous substances are detected not only in wastewater but also already in natural water bodies (surface and ground water) around the globe. The source of these trace substances is broad, starting with chemicals from industrial production like polycyclic aromatic hydrocarbons, pesticides, food ingredients, pharmaceuticals, to components of personal care, just to mention examples. Because of their constantly growing presence in water resources, and the fact that some of those are seriously affecting natural biological processes, there is an increasing need for finding ways to impede those substances to reach water bodies. The European community has adopted the water pollution problematic as one of their main concerns. As a result, on the 23 October 2000, the Directive 2000/60/EC of the European Commission was adopted. The main purpose of the directive is the protection of European natural water resources by enhancing the status of the water bodies as well as preventing further contamination. In particular, the requirement of complying with European environmental quality standards (EQS) for priority substances (PD) became compulsory. In order to meet these requirements and directives, industry and the scientific community working in the fields of water treatment, do approach new treatment processes with the purpose of upgrading current treatment plants to destruct or reduce trace substances. One alternative are the so called Advanced Oxidation Processes (AOPs), which are able to treat persistent and hardly biodegradable pollutants by oxidation processes. Between the varieties of potential AOPs the photo-induced advanced oxidation, centred on photolysis of water by radiation below 200 nm has received special attention. The key feature of the photo induced AOP is the facts of the efficient production of hydroxyl radicals as the highest possible oxidant and the singularity of no need for aux-iliary oxidants like hydrogen peroxide, ozone, peroxydisulfate or peroxymonosulfate, needed in other AOPs. One of the most important steps to bring the photo induced AOP to be used in the real field, is to prove that the process can be operated under efficient conditions, controlling the generation of hydroxyl radicals and utilizing them efficiently for the goal of treatment. An important action to push the technology to the path of product development is therefore, the integration of efficient UV sources to a photo reactor, taking into account the peculiarities of the process. Overall, the research presented in this thesis focuses on the characterization of the photoreaction zone, the light penetration and absorption process as well as the hydroxyl radical generation and provides the understanding and database to enable different approaches for the engineering of photo induced AOP. Concretely, this thesis is structured in five parts. Part I includes the literature search and its analysis; different calculations and simulations were performed with the aim of describing the heterogeneity of the reaction zone, the theoretical penetration of radiation in water and understanding the theoretical spatial generation of hydroxyl radicals. Part II includes the reactor characterization. The photo induced AOP was first tested following the degradation of Methylene Blue (MB). Subsequently it was studied the impact of the channel dimen-sions in the oxidation process under different operational parameters and the characterization of the photo reactor in terms of radiation intensity using three different methods. Part III includes the process characterization where the investigations were focused on the penetration of radiation into water and the generation of hydroxyl radicals by means of two methodologies: the transmission measurements in thin water films and the degradation of methanol as reference substance. Part IV includes the tailor made reactor validation. In this part, the focus was directed to verify the numeric models and gain data enabling the design, construction and validation of a reactor system using flat lamps. Validation of the photo induced AOP was performed by means of degradation of the pharmaceuticals Sulfaquinoxaline (SQX) and Carbamazepin (CBZ), as well as the degradation of an organic substance coming from the chemical industry Bisphenol A (BPA) and a food ingredient Caffeine (CAF). During the validation phase the concentration of the substances, the Total Organic Carbon (TOC) and the cytotoxicity using VERO and COS cell lines for each experiments were followed. Part V summarizes the results. In general, it was found that the process shows attractive potential and advantages in comparison with other oxidation technologies. For example: the steady and local production of hydroxyl radical without the addition of supplementary oxidation agents; the not strong selectivity and the capacity of mineralization of the process; the pH independency of the oxidation process; the fact that cytotoxicity of the byproducts does not overpass the initial toxicity of the tested substances and the Dose requirements for oxidation is comparable with existing process without using any additive.Item Open Access Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PE-CVD) von Multifunktionsschichten aus dem Precursorensystem Hexamethyldisiloxan/Sauerstoff(2016) Baier, Maximilian Paul; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Inhalt der Arbeit ist die Erzeugung von Siliziumoxidschichten mit variablem Kohlenstoffgehalt auf verschiedenen Kunststoff-Substraten. In Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt weisen die Schichten unterschiedliche Eigenschaften auf. Hergestellt wurden sie mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition PE-CVD). Dabei wurden als Substrate Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC) und high density polyethylen (HDPE), letzteres in zwei unterschiedlichen Formen, verwendet. Die drei Materialien wurden in Form von Folien beschichtet. Darüber hinaus wurden HDPE-Kanister mit einem Volumen von 20 L (innen) beschichtet. Für die beiden unterschiedlichen Substratformen wurden Plasmareaktoren entwickelt und dabei vor allem die Führung der Prozessgase beachtet. Darüber hinaus wurde eine Simulation der Gasströme in verschiedenen Reaktorkonfigurationen durchgeführt und eine wirbelfreie Gasführung entwickelt. Der Reaktor zur Beschichtung der HDPE-Kanister ist zweigeteilt in den Kanisterinnenraum und die Umgebung des Kanisters. Die Innenseite sollte beschichtet werden, die Außenseite nicht. Dafür wurden dort zwei separierbare Gasführungen angelegt. Dadurch kann ein Druckgradient (in der Arbeit wurde außen ein höherer Druck erzeugt als innen) zwischen der Umgebung des Kanisters und dem Kanisterinneren aufgebaut werden. Wegen der bei geringerem Druck niedrigeren benötigten Zündspannung kann so das Plasma auf das Innere des Kanisters beschränkt werden. Auf den Substraten wurden folgende Schichteigenschaften untersucht und variiert: Barrierewirkung gegen die Permeation von Sauerstoff und Wasserdampf, die Oberflächenenergie und die Haftung der Schichten auf den unterschiedlichen Substraten. Die Barrierewirkung wurde mit elektrolytischen Messverfahren und dem Kalziumtest untersucht. Dabei konnten mit SiO2-Schichten auf PET-Folien Permeationsraten von 2*10-2 g/(m² d) erreicht werden. Im Kanisterreaktor konnte keine Schicht mit Barrierewirkung hergestellt werden. Die Permeationsraten waren stark abhängig von der Dicke der Barriereschichten und der Dichte der Schichtdefekte. Funktionierende Barriereschichten auf den HDPE-Kanistern ließen sich auf Grund zu hoher Defektdichten nicht herstellen. Die Bildung der Defekte, im wesentlichen Partikel, konnte durch Modifikation der Gaszufuhr, des Drucks, der Elektrodenflächen und durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden während des Plasmaprozesses deutlich reduziert werden. So konnten, abhängig von diesen Einstellungen, im Plasma z. T. sehr dicke Staubfilme (~0,1 mm) oder Schichten mit weniger als 50 Partikeln pro mm² erzeugt werden. Trotzdem war die Defektdichte in den Schichten auf der Innenseite der Kanister einige Größenordnungen höher als in den Schichten auf Folie. Einerseits war in dem Reaktor die Verweildauer der Teilchen höher als im Flachreaktor, so dass sich größere Partikel bilden konnten, andererseits konnte, genau wie im Flachreaktor, nicht die ganze Reaktorwand vor der Abscheidung dieser Partikel geschützt werden. Für die Einstellung der Oberflächenenergie wurden SiOxCy-Schichten hergestellt, die abhängig vom Sauerstoffgehalt im Precursorengas-Gemisch und der ins Plasma eingekoppelten Leistung hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufwiesen. Die Haftung der Schichten wurde direkt mit dem Gitterschnitttest und indirekt durch Messung der inneren Verspannung bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die starren SiO2-Schichten stark verspannt waren und im Gitterschnitttest auf PET vollständig versagten (Gitterschnittkennwert 5). Auf den anderen Substraten konnten Gitterschnittkennwerte von 2 erreicht werden. Die Haftung der SiO2-Schichten konnte durch das Abscheiden einer Pufferschicht vor der Abscheidung der SiO2-Schicht verbessert werden.Item Open Access Laser-Streu-Diagnostik im Vergleich mit Emissionsspektroskopie an einem Freistrahlplasma(2001) Schinköth, Detlef; Schumacher, Uwe (Prof. Dr.)In der bemannten Weltraumfahrt kommt der Entwicklung von Hitzeschutzmaterialien und Hitzeschutzschichten eine besondere Bedeutung zu. Sie schützen das mit hoher Geschwindigkeit in eine dichte Atmosphäre eindringende Raumfahrzeug vor dem sich dabei ausbildenden Plasma. Die Qualität solcher Materialien und Schutzschichten wird durch ihr Erosionsverhalten beurteilt. Die zeitliche Erosion wird durch die Messung der Strahlungsintensität von Spektrallinien der Erosionsprodukte bestimmt. Um diese Messungen zu interpretieren und die Qualität der entwickelten Materialien und Schutzschichten zu beurteilen, ist die genaue Kenntnis der fundamentalen Plasmaparameter Elektronendichte und Elektronentemperatur notwendig. In dieser Arbeit werden Elektronendichte und Elektronentemperatur an einem Freistrahlplasma durch das Verfahren der Laser-Thomson-Streuung bestimmt. In bisherigen Arbeiten wurde die Thomson-Streuung an solchen Plasmen in einem Druckbereich von 1000 hPa bis hinunter zu 100 hPa eingesetzt. Erstmals werden hiermit Elektronendichten und Elektronentemperaturen an einem Freistrahlplasma bei einem Druck von 10 hPa, wie er bei einem Wiedereintritt in 80 km Höhe auftritt, bestimmt. Die Plasmaparameter werden vom Ort der Plasmaquelle bis zur Probenposition in etwa 60 cm Entfernung von der Quelle an verschiedenen axialen Position radial aufgelöst gemessen. Am Ort der Plasmaquelle, wo eine Elektronendichte vorliegt, die die Anwendung von emissionsspektroskopischen Verfahren erlaubt, werden die Plasmaparameter zusätzlich durch Messung der Stark-Effekt-Verbreiterung und Messung von Linienemissionskoeffizienten von Atom- und Ionenlinien ermittelt und mit den Ergebnissen der Thomson-Streuung verglichen. Ferner wird der Einfluß von geometrischen Fluktuationen des Plasmafreistrahles auf die Ergebnisse anhand von Messungen einer Zeilen-CCD-Kamera und der Thomson-Streuung mit einem Laser-Puls diskutiert.