Gelöste Schwermetalle in Geothermalwässern wie z.B. Blei, Kupfer oder Barium neigen dazu, bei betriebsbedingten Veränderungen des chemischen Gleichgewichtes zu übersättigen und als schwerlösliche Verbindungen auszufallen. Die damit einher gehenden Probleme reichen von Verstopfung und Beschädigung von Installationen bis zu nachlassender Produktivität und Injektivität des Reservoirs und führen zu erhöhtem Wartungsaufwand oder gar Ausfall des Standortes. Um Partikelanreicherungen (Clogging) und Ausfällungen (Scaling) zu verringern wurden im Projekt PERFORM unterschiedliche Filtrationsmethoden entwickelt, die auf der Entfernung von scale-bildenden Schwermetallionen aus den Geothermalwässern basieren. Dabei wurden vielversprechende Ergebnisse mit Zeolith und Chitosanfasern als Filtrationsmittel im Labormaßstab erzielt. Hauptziel der geplanten Arbeiten in PERFORM II ist nun die Translation dieser Filter-Technologien in die industrielle Anwendung und deren Evaluierung unter geothermischen Bedingungen. Durch das IEG soll in diesem Zusammenhang eine Miniplant gebaut, in Betrieb genommen, und an verschiedenen Geothermiestandorten eingesetzt. Die Minianlage soll an den Standorten mit realen geothermalen Fluiden sowohl die Adsorptionsphase, als auch die Desorptionsphase durchlaufen. Hierbei sollen Kationen selektiv dem Eduktstrom entnommen und aus dem Filter abgeschieden werden. Die Anlage soll somit einen TRL von 6 bis 7 erreichen.
Modell fuer Transport und Dispersion im Grundwasser kombiniert mit chemischen Reaktionen des Kationenaustausches und der Kalkloesung-Kalkfaellung. Basis der Transport-Dispersions-Simulation ist ein zweidimensionaler Mischungszellen-Ansatz. Kationenaustausch und jeweils Neueinstellung des Kalk-Kohlensaeure-Gleichgewichts fuehren zu wichtigen Veraenderungen beim Fliessen durch einen Grundwasserleiter. Das Modell dient zum besseren Verstaendnis natuerlicher Vorgaenge.
Polymer-basierte Batterien gelten als aussichtsreiche Kandidaten für eine nachhaltige Energiespeicherung, was u.a. motiviert wird durch einen reduzierten Energieverbrauch bei der Herstellung, eine einfachere Recyclingfähigkeit sowie die Verwendung leicht zugänglicher Materialien und dem Austausch kritischer Metalle. Aktuell leiden Polymer-basierte Batterien jedoch unter diversen Herausforderungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz, insbesondere einer geringen Energiedichte oder nicht ausreichender Zyklenstabilität. Zudem fehlt aktuell noch ein grundlegendes Verständnis bzgl. der Kapazitätsverluste der Zellen sowie der auftretenden Alterungsmechanismen an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen. In diesem Projekt soll ein Spezialtyp einer Polymer-basierten Batterie systematisch untersucht werden, eine sogenannte Polymer-basierte Dual-Ionen-Batterie (DIB), welche organische Materialien des n- und p-Typs zur simultanen Speicherung von Kationen und Anionen verwendet. Das DIB-System unterscheidet sich von klassischen Polymer-Batterien basierend auf dem Kationen- oder Anionen-'Rocking-Chair'-Prinzip, da hier nicht nur eine Ionensorte, sondern sowohl Kationen als auch Anionen beteiligt sind. Dieses Speicherprinzip bietet verschiedene Vorteile, wie u.a. eine hohe Variabilität möglicher Kation-Anion-Paare sowie typischerweise eine hohe Zellspannung, die durch geeignete Polymermaterialien erreicht werden kann. Zur Entwicklung Polymer-basierter DIB-Systeme mit verbesserter Energiedichte und Stabilität werden in diesem Projekt verschiedene Strategien adressiert: (I) Design neuartiger Polymermaterialien mit höherem Arbeitspotential für die positive Elektrode ('Spannungstuning'), (II) Entwicklung von Hybridsystemen wie Graphit / Polymer mit hoher Zellspannung, (III) Entwicklung von 'All-Polymer'-DIB-Systemen, mit verschiedenen Konzepten wie der Entwicklung ambipolarer Polymersysteme sowie sogenannter 'Reverse-All-Polymer-DIB-Systeme'. Die verschiedenen Polymer-DIB-Systeme sollen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz umfassend untersucht werden, wobei der Einfluss der Elektrolytformulierung und der gebildeten 'Interphasen' auf die reversible Kapazität und Stabilität während der Lade-/Entladezyklisierung im Vordergrund der Untersuchungen stehen. Zu diesem Zweck werden verschiedene ex-situ und in-situ Analysen durchgeführt, um wichtige und umfassende Einblicke in die mechanistischen Eigenschaften der Kationen- bzw. Anionen-Speicherung, die Stabilität der Polymermaterialien und die Rolle der 'Interphasen' zu erhalten. Es wird erwartet, dass die in diesem Projekt gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse für die Entwicklung verbesserter polymerer Aktivmaterialien und optimierter Elektrolyte für Polymer-basierte DIB-Zellen mit hoher Energiedichte und Zyklenstabilität von großer Bedeutung sind.
Dieses Projekt zielt darauf ab, synthetisches und elektrochemisches Fachwissen zu kombinieren, um die Entwicklung neuer kleiner elektroaktiver organischer Moleküle und deren Einarbeitung in Polymere voranzutreiben. Die am häufigsten untersuchten organischen Radikalbatteriesysteme basieren auf TEMPO-haltigen Polymeren. Um jedoch ihre Leistung und insbesondere ihre Energiedichte zu verbessern, sind neuartige kleinere organische redoxaktive Moleküle dringend erforderlich. Hierbei konzentrieren wir uns auf die kleinsten bekannten redoxaktiven organischen Spezies, nämlich Derivate von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden. Sie sollen als Bausteine für eine neue Klasse von redoxaktiven Polymeren dienen, die sich als Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung eignen. Diese redoxaktiven Polymermaterialien in Organischen Radikalbatterien müssen eine Reihe von Kriterien erfüllen: (i) stabile und reversible Redoxzustände, (ii) einfacher synthetischer Zugang, sowie (iii) große positive und/oder negative Redoxpotenziale, um hohe Vollzellenspannungen zu erhalten.
Spurenelemente treten im Boden in Abhaengigkeit von den chemischen und physikalischen Bodenparametern (Tongehalt, Humusgehalt, Redoxpotential, ph-Wert, Austauschkapazitaet usw.) in unterschiedlichen Bindungsformen als schwerloesliche Salze, Organo-Kationkomplexe oder als Tonmineralsorptionskomplexe auf. Vergleichende Untersuchung der Spurenelementfixierung und der bindungsspezifischen Elementverteilung in Bodenprofilen unterschiedlicher Pedogenese durch Anwendung von Standardextraktionsmethoden, Elektrodialyse und chemisch-analytische Messverfahren in Abhaengigkeit von den Bodenparametern.
Eine 1969 in Moehlin angelegte, aus ueber 80 Profilen bestehende Pedothek erlaubt es, bodenchemische Veraenderungen der letzten beiden Jahrzehnte zu erfassen. Erste Analysen weisen auf eine signifikante Abnahme der pH-Werte und Verluste basisch wirkender Kationen hin. Die im Zusammenhang mit der Bodenaziditaet stehenden Parameter unterliegen jedoch raum-zeitlichen Variationen. Entsprechende Untersuchungen dienen als Grundlage fuer eine dritte Beprobung der Untersuchungsflaechen von 1969 und fuer die Interpretation der dabei gewonnenen Daten. Die Veraenderungen zwischen 1969 und 1988 sowie alte und neue Immissionsmessungen und Sickerwasseranalysen sollen eine Stoffbilanzierung ermoeglichen. Die Ziele bestehen darin, den Anteil der zivilisatorischen Prozesse an der Versauerung abzuschaetzen und ein Modell zur Vorhersage der Sickerwasser-Konzentration und der Bodenaziditaet bei gegebenem Input durch die Atmosphaere zu konstruieren.
Die Gesamtfilterwirkung ist ein Kennwert zur Bewertung des Bodens als Filter für sorbierbare Stoffe und wird über das mechanische und physiko-chemische Filtervermögen bewertet. Unter sorbierbare Stoffe fallen insbesondere Stoffgruppen wie die Kationen der Nährstoffe, Schwermetalle und Organika, die entweder im Bodenwasser gelöst sind oder an kleinen Partikeln haften bzw. selbst in Partikelform vorliegen. In gelöster Form werden die genannten Stoffe an den Austauschern (Bodenmaterial) gebunden und so der Bodenlösung entzogen. In Partikelform werden sie im Boden gefiltert, wenn sie aufgrund mechanischer Hindernisse, wie z. B. am Ende von Wurmröhren, mit dem Sickerwasser nicht mehr weiter transportiert werden können. Die Gesamtfilterwirkung kann in Abhängigkeit von der Kationenaustauschkapazität und der Luftkapazität geschätzt werden. Das Schätzergebnis besteht aus insgesamt 11 Stufen, von denen in Schleswig-Holstein nur 8 relevant sind. Je höher die Stufe ist, desto höher ist die Gesamtfilterwirkung. Sie ist in feinkörnigem Bodenmaterial mit geringer Luftkapazität am größten, wie z. B. in der Marsch und im Östlichen Hügelland, und in grobkörnigem Bodenmaterial mit hoher Luftkapazität am geringsten, wie z. B. in der Vorgeest. Mit der Gesamtfilterwirkung wird eine natürliche Bodenfunktionen nach § 2 Abs. 2 BBodSchG bewertet und zwar nach Punkt 1.c) als Abbau-, Ausgleichs- und Aufbaumedium für stoffliche Einwirkungen auf Grund der Filter-, Puffer- und Stoffumwandlungseigenschaften, insbesondere auch zum Schutz des Grundwassers. Das hierfür gewählte Kriterium ist das mechanische und physiko-chemische Filtervermögen des Bodens mit dem Kennwert Gesamtfilterwirkung. Die Karten liegen für die folgenden Maßstabsebenen vor: - 1 : 1.000 - 10.000 für hochaufgelöste oder parzellenscharfe Planung, - 1 : 10.001 - 35.000 für Planungen auf Gemeindeebene, - 1 : 35.001 - 100.000 für Planungen in größeren Regionen, - 1 : 100.001 - 350.000 für landesweit differenzierte Planung, - 1 : 350.001 - 1000.000 für landesweite bis bundesweite Planung.
Zurzeit ist die 'Biokohle' in aller Munde, und diese wird als Wunderstoff zur Steigerung und Stabilisierung der Bodenqualität angesehen. Eigene Modellversuche mit drei verschiedenen Böden ergaben, dass die Kohlen, bis auf eine Hydro-Thermal-Kohle (HTC) aus Eichenästen, recht stabil im Boden sind und dass diese dazu beitragen können, den Kohlenstoff im Boden zu sequenzieren. Die vielfach geäußerte Vorstellung, dass eine Biokohleapplikation die spezifische Adsorption von Phosphat reduziert, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht bestätigen. Auf drei Standorten wird die Wirkung von Biokohle aus Holzhackschnitzel-Siebresten auf einer Löss-Parabraunerde in Rauischholzhausen, einem Sandboden in Groß-Gerau und einem Alluvium in Gießen in Feldversuchen geprüft. Die Versuche begannen im Frühjahr 2012 bzw. im Herbst 2012. Es hat den Anschein, dass die Biokohle die N-Effizienz zu Silomais aus der Löss-Parabraunerde zu fördern scheint, da die Erträge in den Varianten mit Biokohle über denen ohne Biokohle lagen. Auf dem Sandboden und auch auf dem Alluvium förderet die Biokohleapplikation weder von 15 noch von 30 t/ha den Ertrag von Körnermais, Winterweizen oder Sommergerste. Die Wassernutzung wurde auf dem Sandboden nicht durch Biokohle gefördert. Verbessert wurde aber die Nitratretention durch Biokohle. Um diese Mechanismen von Biokohle besser zu verstehen, untersucht Christian Koch in seiner von der Deutschen Bundesstiftung-Umwelt (DBU) geförderten Promotion, inwieweit durch verschiedene Herstellungstemperaturen die Eigenschaften von Biokohlen aus Fichtenrestholz, Landschaftspflegeheu und Nusshäutchen von Haselnuss beeinflusst werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Karbonisierungstemperatur die Sorption von Huminsäuren beeinflusst. Dagegen haben die Karbonisierungstemperaturen keinen Einfluss auf die von uns durchgeführten Versuche zur Nitratretention und Kationenaustauschkapazität (= Bariumsorption).
Im Rahmen des Vorhabens wird untersucht, wie die Permeation von geloesten Kationen durch Membranen beeinflusst wird durch die chemische Erscheinungsform, in der die betrachteten Ionen vorliegen. Insbesondere wird der Einfluss von in natuerlichen Gewaessern auftretenden, moeglichen Komplexbildnern auf die Ionenpermeation gemessen. Ziel des Vorhabens ist eine Aussage ueber den Zustand, in dem bestimmte Ionen in waessriger Loesung vorliegen, wobei auch natuerliche Gewaesser beruecksichtigt werden.
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