Die thematischen Schwerpunkte dieser Arbeit beinhalten die Erforschung der thermischen Abbauraten, die Kinetik des Abbaus, den CO2 Einfluss, das Schaumverhalten, die physikalischen Parameter (dynamische Viskosität und Oberflächenspannung) und die Korrosivität wässriger aktivierter und unaktivierter N-Methyldiethanolamin-Lösungen (MDEA). Die sekundären Amine Piperazin (PZ), Morpholin (MP) und N- (2-Aminoethyl) ethanolamin (AEEA) fungierten als Aktivatoren. Die Einflüsse der Temperatur auf die Abbaugeschwindigkeit und der einzelnen Abbauprodukte der thermischen Alterung auf die Schaumbildung wurden analysiert, bevor im Labor- und Technikumsmaßstab präparativ das Schaumverhalten (Schäumungspotential und Schaumzerfallsrate) ausgewählter Proben untersucht wurde. <dt.>
The main focus of this work is the investigation of the thermal degradation rates, the kinetics of the degradation, the influence of CO2, the foam behavior, the physical parameters (dynamic viscosity and surface tension) and the corrosiveness of aqueous activated and non-activated N-methyldiethanolamine solutions (MDEA). The secondary amines piperazine (PZ), morpholine (MP) and N-(2-aminoethyl) ethanolamine (AEEA) functioned as activators. The influences of the temperature on the degradation rate and of single degradation products of the thermal aging on the foam formation were analyzed, before the foaming behavior (foaming potential and foam decay rate) of the selected samples was investigated at the laboratory and technical scale. <engl.>
Die Anwendbarkeit der hydrothermalen Carbonisierung von Klärschlämmen zur energetischen Nutzung wird in der vorliegenden Promotionsarbeit genauer betrachtet. Ziel der Arbeit ist es, Erkenntnisse über die Brennstoffeigenschaften der inkohlten Substrate und über das anfallende Prozesswasser zu gewinnen, um die Integration einer HTC-Anlage in Klärwerksbetrieben zu ermöglichen. Dazu werden mit Hilfe der HTC Klär- und Faulschlämme bei unterschiedlichen Prozessbedingungen behandelt und anfallende Reaktionsprodukte (Feststoffe und Abwässer) analysiert. Um die Belastung auf die Kläranlage durch das Prozesswasser abschätzen zu können, wird dieses auf, für die Entsorgung wichtige, Parameter untersucht. Zur Minimierung dieser Belastung, werden anschließend Versuchsreihen zur Niederdrucknassoxidation und Photokatalyse durchgeführt. Abschließend wird neben den Analyseergebnissen aller Versuche ein Entsorgungskonzept zur Integration einer HTC-Anlage an einer Kläranlage vorgestellt. <dt.>
The applicability of the Hydrothermal Carbonization (HTC) of sewage sludge for energy production is considered in detail in the present thesis. The aim of this work is to gain insights into the properties of the fuel substrates and the resulting process water in order to allow the integration of a HTC plant at a sewage treatment plant. Sewage and digested sludge are treated with the help of HTC at different process conditions. The resulting reaction products (solids and liquids) are analyzed. In order to estimate the load for disposal of the process water on a sewage treatment plant, liquids are analyzed for important parameters. To minimize the load on the sewage treatment plant through the process water, these liquids were treated with low-pressure wet oxidation or under photocatalytic conditions. Finally, on the base of the results of all tests, a disposal concept with the integration of the HTC process at a sewage treatment plant is presented. <engl.>
Im Fokus aktueller Forschung zu Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) stehen Membransysteme, die ab 140 °C mit geringer externer Befeuchtung arbeiten. Sie führen zu einer verbesserten Performanz und Lebens¬dauer der PEMFCs. Komposit-Membranen werden als besonders erfolgversprechend angesehen. Bei ihnen werden die Eigenschaften des protonenleitfähigen Polymers durch Additive verbessert. Als potentielle Additive werden in dieser Arbeit verschiedene geordnet-mesoporöse Silikas, deren innere Oberfläche mit Sulfonsäuregruppen funktionalisiert ist, und metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) auf ihre Protonenleitfähigkeit untersucht. Bei den Silika liegt der Fokus auf Materialien, die sich hinsichtlich des Poren¬systems und -durchmessers unterscheiden. Bei den MOFs liegt der Schwerpunkt auf der Analyse der Wassersorption und der Modifikation der Poren mit einer ionischen Flüssigkeit. <dt.>
The focus of current research in the field of polymer-electrolyte fuel cells (PEMFCs) are membrane systems that operate above 140 °C with low external humidification. This leads to improved performance and lifetime of the PEMFCs. Composite membranes are particularly promising. These consist of a proton conductive polymer whose properties are improved by additives. In the present work different mesoporous silicas, which inner surfaces are functionalized with sulfonic acid groups, and metal organic frameworks (MOFs) are examined for their proton conductivity and their suitability as additives. In the case of the silica materials, the focus is on new solid proton conductors, which all possess the same global mesostructure but differ in terms of pore system and diameter. In the field of MOFs, the focus is on the analysis of the water sorption capacity and the modification of the pores with ionic liquid. <engl.>
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die möglichen Reaktionen von SiO2- bzw. Kieselsäure-Spezies unter hydrothermalen Bedingungen aufzuklären. Dies soll zum allgemeinen Verständnis der hydrothermalen Zeolithsynthesen beitragen. Abweichungen zwischen den experimentellen und theoretischen Arbeiten sind hauptsächlich daraus entstanden, dass verschiedene idealisierte Annahmen getroffen wurden (Vernachlässigung der Kinetik, ideale Messbedingungen, ideale Mischverhalten). Die Abweichung zwischen experimentell ermittelten Daten und theoretischen Berechnungen sollte mit der Berücksichtigung der Aktivitätkoeffizienten verringert werden. Dennoch gelang es experimentelle Messungen und thermodynamisch-basierten sowie quantenchemischen Berechnungsmethoden gegenüber-zustellen. Insbesondere wurden bei den experimentellen Methoden neuartige Apparaturen konzipiert und deren Funktionalität erprobt sowie Vorschläge zur Weiteiterentwicklung und Verbesserung deren Funktionsweise unterbreitet. <dt.>
The objective of this work was to evaluate the feasibility of methods for elucidation of the thermodynamic silicic acid reaction pathways for the initialisation of zeolite syntheses by theoretical and experimental means. This was done by evaluating the results of the respective methods. Amorphous silica (SiO2(am)) and water are considered to give silicic acid species as products. The compensation of the deviation between experimental and theoretical investigation should follow in coming investigations. Improved reactor design is necessary to achieve ideal measurement conditions. In-situ and automated analytic measurements needs to be integrated into the reactor design to minimize measurement errors. The introduction of activity coefficients are recommended. The feasibility of the methods are applicable to provide information on measurement efficiency, and gives useful trends towards the elucidation of silicic acid reaction pathways for the initialisation of zeolite syntheses. <engl.>
Hierbei wurden die Biogasproduktion sowie die Biogasaufbereitung mit Hilfe von mathematischer Modellierung dargestellt. Verwendet wurden dabei das in der Forschung anerkannte Anaerobic Digestion Model Nr. 1 (ADM1) zur Beschreibung der anaeroben Vergärung sowie das electrolyte non-random two liquid Modell (eNRTL) für die Gasreinigung. Auf Basis experimentelle anaerobe Vergärung-Ergebnisse wurden die kinetischen Konstanten der Hydrolyse und Desintegration in ADM1 adaptiert sowie, auf basis experimentelle Löslichkeit-Ergebnisse von CO2 in einer wässrigen Lösung von 2-(Ethylamino)ethanol, die binary interaction energy parameters des eNRTL-Modells bestimmt. Das adaptierte ADM1 Modell nun in der Lage ist die anaerobe Vergärung einer Biogasanlage im Industriemaßstab (2 Reaktoren mit je 3.500 m³, EWE) abzubilden, und wurde im weiteren Verlauf modellbasiert zur Gasaufbereitung optimiert. Unter Berücksichtigung von ökonomischen, sozialen und ökologischen Aspekten wurden 2-(Ethylamino)ethanol und Monoethanolamin als nachhaltiges Absorptionsmittel zur Abtrennung von CO2 aus Biogas identifiziert. <dt.>
The main intention of this dissertation was to evaluate sustainable production of biomethane with use of mathematical modelling. To achieve this goal, widely acknowledged models like Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1), describing anaerobic digestion, and electrolyte Non-Random Two Liquid Model (eNRTL), for gas purification, were utilized. The experimental results, batch anaerobic digestion of different substrates and carbon dioxide solubility in 2-(Ethylamino)ethanol, were used to determine kinetic constants describing disintegration and hydrolysis phases, together with binary energy interaction parameters for ADM1 and eNRTL respectively. Subsequently, ADM1 with updated parameters was proved to successfully describe anaerobic digestion occurring at existing, industrial scale EWE Biogas Power Plant (2 reactors, each 3 500 m3), later theoretically optimized to biomethane power plant. Additionally the economical, social and ecological criteria were used to search for the optimal alkanolamine applied for biogas upgrading, which were found to be 2-(Ethylamino)ethanol and monoethanolamine (MEA). <engl.>
Hierbei wurden die Biogasproduktion sowie die Biogasaufbereitung mit Hilfe von mathematischer Modellierung dargestellt. Verwendet wurden dabei das in der Forschung anerkannte Anaerobic Digestion Model Nr. 1 (ADM1) zur Beschreibung der anaeroben Vergärung sowie das electrolyte non-random two liquid Modell (eNRTL) für die Gasreinigung. Auf Basis experimentelle anaerobe Vergärung-Ergebnisse wurden die kinetischen Konstanten der Hydrolyse und Desintegration in ADM1 adaptiert sowie, auf basis experimentelle Löslichkeit-Ergebnisse von CO2 in einer wässrigen Lösung von 2-(Ethylamino)ethanol, die binary interaction energy parameters des eNRTL-Modells bestimmt. Das adaptierte ADM1 Modell nun in der Lage ist die anaerobe Vergärung einer Biogasanlage im Industriemastab (2 Reaktoren mit je 3.500 m³, EWE) abzubilden, und wurde im weiteren Verlauf modellbasiert zur Gasaufbereitung optimiert. Unter Berücksichtigung von ökonomischen, sozialen und ökologischen Aspekten wurden 2-(Ethylamino)ethanol und Monoethanolamin als nachhaltiges Absorptionsmittel zur Abtrennung von CO2 aus Biogas identifiziert. <dt.>
The main intention of this dissertation was to evaluate sustainable production of biomethane with use of mathematical modelling. To achieve this goal, widely acknowledged models like Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1), describing anaerobic digestion, and electrolyte Non-Random Two Liquid Model (eNRTL), for gas purification, were utilized. The experimental results, batch anaerobic digestion of different substrates and carbon dioxide solubility in 2-(Ethylamino)ethanol, were used to determine kinetic constants describing disintegration and hydrolysis phases, together with binary energy interaction parameters for ADM1 and eNRTL respectively. Subsequently, ADM1 with updated parameters was proved to successfully describe anaerobic digestion occurring at existing, industrial scale EWE Biogas Power Plant (2 reactors, each 3 500 m3), later theoretically optimized to biomethane power plant. Additionally the economical, social and ecological criteria were used to search for the optimal alkanolamine applied for biogas upgrading, which were found to be 2-(Ethylamino)ethanol and monoethanolamine (MEA). <engl.>
Die universelle Gruppenbeitragszustandsgleichung VTPR erlaubt eine zuverlässige Beschreibung der thermodynamischen Eigenschaften von Reinstoffen, binären und Multikomponenten-Systemen. Zur Weiterentwicklung und breitere Anwendbarkeit des VTPR-Modells ist die Beschreibung weiterer Stoffklassen wünschenswert. Hierfür wurde die Entwicklung einer Kombination des VTPR- und LIFAC-Modells insbesondere zur Beschreibung von Gaslöslichkeiten in Elektrolyt-Lösungen gründlich untersucht. Die dafür benötigten Wechselwirkungsparameter wurden auf Basis der in der Dortmunder Datenbank vorhandenen und eigenen experimentellen Messdaten ermittelt. Zudem wurde die Entwicklung zur Beschreibung von Polymersystemen fortgesetzt. Der Exponent in der Kombinationsregel für den Parameter b wurde zur besseren Berücksichtigung der "free-volume"-Effekte anhand von experimentellen Daten variiert. Berechnungsresultate und Vergleiche mit anderen Polymer-Modellen zeigen Vorteile des Einsatzes des VTPR-Modells in chemischen Prozesssimulatoren. <dt.>
The universal group contribution equation of state VTPR allows an accurate description of thermodynamic properties of pure substances, binary and multicomponent systems. For further development and extension of application of the VTPR model, the description of other component classes is desirable. For this purpose the development of a combination of the VTPR and LIFAC model was continued, in particular for the description of gas solubilities in electrolyte-solutions. The required interaction parameters were determined on the basis of existing data in the Dortmund Data Bank and own experimental data. Furthermore, the development for the description of polymer systems was continued. The exponent value in the combination rule for the parameter b was varied to better account for "free-volume" effects based on experimental data. Calculation results and comparison with other polymer models show advantages of the VTPR model in chemical process simulators. <engl.>
Die Gruppenbeitragszustandsgleichung VTPR erlaubt die Berechnung der für die computergestützte Verfahrensentwicklung benötigten Reinstoff- und Gemischdaten. Wegender begrenzten Wechselwirkungsparametermatrix ist die Anwendbarkeit begrenzt. Deshalbwurdeversucht die umfangreiche mod. UNIFAC-Matrix für das VTPR-Modell zu nutzen. Da diese Vorgehensweise nicht erfolgreich war, wurde dieVTPR-Wechselwirkungsparametermatrix mit Daten aus der Dortmunder Datenbank (DDB) und selbstgemessenen Exzessenthalpien und Aktivitätskoeffizienten erweitert.Die gute Vorhersagequalität von VTPR für das PVT-Verhalten wurde anhand der mit einem Biegeschwinger gemessenen experimentellen Dichten nachgewiesen. Ein Programm zur Lösungsmittelauswahl für die Flüssig-Flüssig-Extraktion und die Absorption wurde erstellt, das Vorhersagemodelle bzw. die experimentellen Daten der DDB nutzt. Die Zuverlässigkeit der Lösungsmittelauswahlwurde anhand bekannter Trennprobleme der chemischen Industrienachgewiesen. <dt.>
The group contribution of state VTPR allows the calculation of pure component and mixtures properties needed for the computer assisted process development. Because of the limited matrix the range of applicability is limited. Therefore it has been tried to use the large parameter matrix of mod. UNIFAC for the VTPR model. But this approach was not successful. Therefore the parameter matrix has been extended with the help of datafrom the Dortmund Data Bank (DDB) and measured excess enthalpies and activity coefficients. The good quality of the prediction of VTPR for the PVT behavior has been verified with the help ofexperimental densities measured using a vibrating tube densimeter. A software package for the selection of solvents for liquid-liquid extraction and absorption have been developed, which uses prediction models respectivelydata stored in DDB. The reliability of the solvent selection has been demonstrated for various separation problems of industrial interest. <engl.>
Als FeMFI werden Materialien bezeichnet, bei denen Eisenspezies entweder im Porengefüge des Zeolithen ZSM-5 auf Kationenplätzen fixiert oder als Gitteratome Aluminium ersetzen. Es gelang FeMFI-Katalysatoren unter Anwendung einer modifizierten hydrothermalen Synthese nach A. Brückner zu präparieren und die Einwirkung verschiedener Syntheseparameter auf das Erscheinungsbild der Materialien zu verifizieren. Neben den üblich, zur Charakterisierung von zeolithischen Katalysatoren eingesetzten Methoden wie REM, XRD und IR kamen solche Methoden zum Einsatz, die in der Lage sind die verschiedenen Eisenspezies zu unterscheiden und qualitativ und quantitativ zu identifizieren (Möbauer-Spektroskopie, ICP-MS). Die Nachbehandlung bestimmter FeMFI-Katalysatoren bei hohen Temperaturen kann zur teilweisen Zersetzung vorhandener Eisenpartikel führen. Als weiteres Ziel sollte ein möglichst geschlossener, krustenartiger auf der Oberfläche von strukturierten Stahlgeweben erzeugt werden. Es wurde bestätigt, dass die in situ FeMFI-Synthese für die Herstellung von Kompositkatalysatoren geeignet ist. <dt.>
FeMFI are materials in which the iron species occupies cation positions in a ZSM-5 zeolite or substitutes framework aluminum atoms. In this thesis, different options to synthesis FeMFI with iron as framework atoms are verified experimentally and the technical feasibility and potential application of FeMFI as a catalyst is tested and discussed. Using a modification of the hydrothermal synthesis of A. Bruckner successful synthesis of different FeMFI-5-catalysts was achieved and the influence of different synthesis parameters such as chemical composition, synthesis temperature and duration of the synthesis on the characteristics of the materials were verified. In addition, to the usual characterization of zeolites as catalysts, methods like SEM, X-ray scanning techniques and IR, also methods, which yield qualitative and quantitative information about the different iron species were employed. Another aim was to produce a closed and stabile crusty film of zeolites on the surface of finemeshed metal substrates. In the final stage of the present work, studies of the reaction process using the coated materials were carried out. It was confirmed that in situ FeMFI synthesis is suitable for the production of composite catalysts. <engl.>
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