Die reduzierenden Eigenschaften von Huminstoffen sind verantwortlich fuer verschiedene Reaktionen mit natuerlichen und anthropogenen Substanzen. Verschiedene Einflussfatoren wie Temperatur Licht, pH und die Anwesenheit interferierender Substanzen koennen die Reaktivitaet des Systems beeinflussen. Diese Einflussfaktoren sollen fuer die Reduktion von Quecksilber (II) zu elementarem Quecksilber abgeklaert werden um das Verhalten in der Umwelt prognostizieren zu koennen. Hierzu wird ein neu entwickelter Versuchsaufbau verwendet. bei dem ein PC-gesteuertes Titrationssystem mit einer Atomabsorbtion gekoppelt wird. Deutliche Einfluesse des pH-Wertes auf die Reaktivitaet des Systems Hg (II) und Huminstoffe konnten bereits aufgezeigt werden. Die Anwesenheit von Licht erhoeht die Reaktivitaet, dagegen wird durch Chloridionen die Bildung von Hg(0) vermindert. Insbesondere die Kinetik der Reaktion wird von den genannten Faktoren beeinflusst.
The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) gehört zum Typus der Direkt-Brennstoffzellen, bei der organischer Brennstoff (Methanol) direkt 'verbrannt' wird, ohne dass das Methanol vorher in Wasserstoff umgewandelt wird. Diese Verfahrensweise besitzt viele Vorteile gegenüber der Nutzung von Wasserstoffgas als Brennstoff. Allerdings ergeben sich auch große kinetische Limitierungen für den DMFC-Betrieb, aufgrund der höheren Komplexität der Methanolmoleküle und der sich daraus ergebenden komplexeren Kinetik der Oxidation. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Bestimmung der Kinetik für die Methanoloxidation in einer DMFC durch die kombinierte Anwendung experimenteller und modellbasierter Ansätze. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Modellbeschreibungen für die elektrochemische Oxidation von Methanol formuliert. Für die experimentellen Untersuchungen wird eine speziell entworfene elektrochemische Brennstoffzelle benutzt, die es erlaubt, kinetische Studien unter technisch relevanten Bedingungen durchzuführen. Welches der konkurrierenden Modelle am geeignetsten ist, wird mit Hilfe von nichtlinearer Systemanalyse entschieden, da elektrochemische Standardmethoden sich als zu unempfindlich bei der Auswahl erwiesen haben. Als eine der nichtlinearen Analysemethode kommt die Nichtlineare-Frequenzganganalyse (NFRA) zum Einsatz. Diese basiert auf der Anregung des Systems durch ein harmonisches Eingangssignal großer Amplitude. Diese Methode wurde ursprünglich für die Untersuchung von nichtlinearen Schaltkreisen entwickelt und wird neuerdings auch erfolgreich in der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzt. Ein großer Vorteil dieser Methode liegt darin, dass man einen Satz von Frequenzgangfunktionen (FRF) erhält, die jeweils verschiedene Informationen über die Eigenschaften des Systems enthalten. Deshalb können die FRF zweiter oder höherer Ordnung dazu benutzt werden, die Modelle besser zu beurteilen und Systemparameter abzuschätzen. Es wird erwartet, dass diese Methode, im Vergleich zu den etablierten Methoden der Elektrochemie, zusätzliche Informationen über das Systemverhalten liefert.
Bodenfeuchte, Bodenwassertransport und hydraulische Bodenparameter werden mit magnetischer Kernresonanz (NMR) auf der Poren- bis Zentimeterskala charakterisiert um die Verteilung lokaler physikalischer Bodenparameter, hydraulischer Bodenpermeabilität und dualer Permeabilität zu erstellen. Diese Parameter bilden die Brücke zum Hochskalieren lokaler Bodeneigenschaften und -prozesse auf der Porenskala zur Modellierung der Bodenhydrologie auf der Meter- bis Feldskala mit verbesserter Simulation des Wasser- und Energietransfers zwischen Landoberfläche und Atmosphäre.
Das Vorhaben dient der Entwicklung eines geschlossenen Simulationsprogramms zur zuverlaessigen Berechnung der Druckwirbelschichtvergasung. Ziel des Projektes ist es, das Modell zukuenftig fuer eine detaillierte Interpretation und Auslegung der Vergasung von Kohlen und anderen kohlenstoffhaltigen Feststoffen, wie z.B. Biomasse oder Reststoffe, in druckaufgeladenen Wirbelschichtreaktoren einzusetzen. Insbesondere fuer die Bereiche der Trocknung und Pyrolyse der Einsatzstoffe, der zu beruecksichtigenden homogenen und heterogenen Reaktionen sowie deren Kinetik und der Stroemungsmechanik beim Vergasungsprozess erfolgt eine detaillierte mathematische Beschreibung. Die Verifizierung des Modells wird mit Hilfe von Messdaten aus dem Betrieb zweier unterschiedlicher Demonstrationsanlagen, die mit 1,0 MPa bzw. 2,5 MPa betrieben werden, durchgefuehrt.
In diesem Forschungsvorhaben soll - ausgehend auf eigenen Vorarbeiten - durch den Einsatz unterschiedlicher experimenteller Methoden die Kenntnis der Kinetik des thermischen Abbaus und der Pyrolyse von Kunststoffen erweitert werden. Weiterhin werden durch numerische Methoden zur Simulation der Dynamik der Molmassenverteilung beim thermischen und pyrolytischen Abbau von Polymeren Hilfsmittel zur Vorausberechnung des Verhaltens von Kunststoffen beim thermischen und pyrolytischen Abbau bereitgestellt. Untersucht werden genau spezifizierte Kunststoffe, die im Alltag breite Anwendung finden, wie Polystyrol, Polyethylen, Polyamid 6, und PVC. Fuer die Pyrolyse und den thermischen Abbau werden Bedingungen gewaehlt, wie sie auch unter technischen Bedingungen (thermische Beanspruchung, Braende, technische Pyrolyse) vorliegen. Die experimentellen Untersuchungen sollen die Thermogravimetrische Analyse mit on-line Massenspektrometrie (TGA-MS), reversed-phase-Hochleistungsfluessigkeitschromatographie (RP-HPLC), GC und GC-MS, Ausschlusschromatographie (SEC) sowie DSC umfassen. Bestimmt werden die beim thermischen Abbau und der Pyrolyse entstehenden Zwischen- und Endprodukte sowohl qualitativ als auch quantitativ, die Aenderungen der Molmassenverteilung in der fluessigen und festen Phase und die formale Kinetik des thermischen Abbaus. Parallel zu den experimentellen Arbeiten werden numerische Methoden - diskrete h-p-Galerkin Methoden - zur Simulation der Dynamik der Molmassenverteilung beim thermischen und pyrolytischen Abbau entwickelt und durch die Experimente validiert.
Die Modellierung von Biomasse-Konversionsprozessen stellt eine Möglichkeit dar die Energieproduktion zur Verwendung in einem neuartigen virtuellen Kraftwerk besser und dynamischer den Anforderungen anzupassen. Die Modellierung bedient sich hier des populationsdynamischen Ansatzes, wofür Einzelpartikelkinetiken hergeleitet bzw. experimentell bestimmt werden müssen. Die Validierung des Gesamtmodells wird an einer Technikumsanlage durchgeführt, die 2010 errichtet wurde.
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| Förderprogramm | 25 |
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