Die molekulare Erkennung von Phosphat und seinen Estern durch künstliche Wirtstrukturen (sog. abiotische Rezeptoren) ist nicht befriedigend gelöst. Dabei fänden erfolgreiche Phosphatrezeptoren unmittelbar Anwendung in ionenselektiven Elektroden z.B. für die Umweltanalytik bei der Überwachung von Gewässern. Im Zuge von Vorprojekten haben wir die Grundlagen der Phosphatbindung in wasserähnlichen Lösungsmitteln erkundet und konnten Wirte mit sehr aussichtsreichen Eigenschaften darstellen. Das vorliegende Projekt soll diese Wirte fortentwickeln und das zugrundeliegende Konzept überprüfen. In Ergänzung des bisherigen Ansatzes soll ein neuer Rezeptorbautyp hergestellt und erprobt werden, der die bekannten Prinzipien der Phosphatbindung berücksichtigt, aber vermutlich wesentlich einfacher zugänglich ist. Die kalorimetrische Vermessung der thermodynamischen Bindungsparameter liefert die Leitlinie für die Auswahl geeigneter Rezeptoren für die geplanten ionenselektiven Anwendungen.
Der thermischen Nutzung fester biogener Brennstoffe kommt heutzutage eine wesentliche Bedeutung für die Bereitstellung von Energie zu. Weiters werden Abfallstoffe (zB Kunststoffe) zunehmend thermisch entsorgt bzw. genutzt, nicht zuletzt wegen der neuen Deponieverordnung in Österreich. Daher ist es von entscheidender Bedeutung diese Anlagen möglichst effizient und umweltfreundlich zu betreiben. Einerseits wird dadurch ein möglichst hoher Energiegewinn erzielt, andererseits eine möglichst geringe Umweltbelastung durch die entstehenden Abgase angestrebt. Die Kenntnis über den Ort der Energiefreisetzung und den Sauerstoffbedarf abhängig vom Pyrolysefortschritt bzw. vom Ort sind daher von großer Bedeutung. Die Pyrolyse spielt bei jeder thermischen Umwandlung fester Brennstoffe eine entscheidende Rolle, insbesondere bei Biomasse, da Biomasse einen hohen Anteil an Flüchtigen (zum Beispiel Fichte mit ca.85 Prozent Flüchtige, davon ca. 70 Prozent Teere) aufweist, welche bei der Pyrolyse freigesetzt werden und daher den Verbrennungsablauf besonders beeinflussen. Da der Heizwert von Flüchtigen (inklusive Teer) und der Sauerstoffbedarf derselbigen von Bedeutung für die Prozessführung von Vergasungs- und Verbrennungsanlagen sind, sollen diese Parameter eingehender untersucht werden. In Vorprojekten wurde bereits auf den Einfluss von zum Beispiel Partikelgröße und Feuchtegrad von Biomasse auf die Flüchtigenausbeute bei der Pyrolyse eingegangen. In der Praxis bereiten vor allem die Teere immer wieder Probleme und sollen daher in dieser Arbeit eingehender untersucht werden. Die Untersuchung ihrer Zusammensetzung ist auf Grund der komplexen chemischen Struktur sehr aufwendig und teuer. Die in diesem Projekt vorgestellte, neu konzipierte Versuchsanlage, welche eine Kombination einer thermogravimetrischen Apparatur und eines differentiellen Durchfluss-Kalorimeters darstellt, ermöglicht es den Heizwert und den Sauerstoffbedarf der Teere und der Flüchtigen zu untersuchen, ohne deren Zusammensetzung analysieren zu müssen. Dadurch wird eine einfache, rasche und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, den Heizwert der Flüchtigen und des Teers abhängig von der Zeit bzw. des Umwandlungsfortschritts experimentell zu ermitteln und somit auch Rückschlüsse auf die Crackreaktionen ermöglicht. usw.
Eine effiziente und umweltfreundliche Nutzung von Biomasse zur Bereitstellung von Energie ist von besonderer Bedeutung, da Biomasse CO2-neutral ist und fossile Energiequellen schont. Für die Optimierung von Festbettfeuerungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Untersuchungen durchgeführt. Mehrere mathematische Modelle wurden in der Literatur vorgestellt, wobei die meisten dieser Modelle entweder die Vorgänge im einzelnen Partikel oder in der gesamten Schüttschicht beschreiben. Beide Modellgruppen sind für bestimmte Modellbrennstoffe in bestimmten Arbeitsbereichen anwendbar bzw. gültig. Im Fall von Biomasse werden aufgrund des hohen Anteils an Flüchtigen 85Prozent oder mehr der Brennstoffmasse während der Pyrolyse umgesetzt. Es ist bekannt, daß die Pyrolyse von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. Partikelgröße, Temperatur, Aufheizrate, umgebende Atmosphäre, etc. Um realistische Berechnungsergebnisse zu erhalten ist es also notwendig, sowohl die Geschichte der einzelnen Brennstoffpartikel als auch die Phänomene in der gesamten Brennstoffschüttung gleichwertig zu berücksichtigen. In dem Projekt wird ein kombiniertes Reaktor/Partikel-Modell zur Berechnung von Temperatur- und Konzentrationsprofilen in Abhängigkeit von Ort und Zeit sowohl im einzelnen Brennstoffteilchen als auch in der gesamten Brennstoffschüttung entwickelt. Die Gase, welche die einzelnen Brennstoffteilchen während der Pyrolyse verlassen, bestimmen das Zünd- und Abbrandverhalten der Brennstoffschüttung und in weiterer Folge die Bildung und Freisetzung von Schadstoffen. Die meisten in der Literatur veröffentlichten experimentellen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Bildungsrate und Zusammensetzung der von verschiedenen Brennstoffpartikel freigesetzten Gase bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Ein Schwerpunkt ist dabei der Teergehalt des Gases. Vom energetischen Gesichtspunkt wäre allerdings der Heizwert der Gase und deren Sauerstoffbedarf sowie der Heizwert des festen Pyrolyserückstandes in Abhängigkeit von dessen Umsatz wesentlich aussagekräftiger. Eine Berechnung dieser Größen ist praktisch unmöglich, da dazu die genaue Zusammensetzung des Teeres bekannt sein müßte. Im Rahmen des Projektes wird daher ein Kalorimeter zur Online-Messung des Heizwertes und Sauerstoffbedarfes der das Brennstoffteilchen verlassenden Gase entwickelt sowie ein Kalorimeter zur Messung des Heizwertes des festen Pyrolyserückstandes in Abhängigkeit von dessen Umsatz angeschafft. Diese Parameter stellen die wesentliche Verbindung zwischen dem Einzelpartikelmodell und dem Reaktormodell dar und werden im Laufe des Projektes für verschiedene Brennstoffe und Randbedingungen gemessen. Um die Berechnungsergebnisse zu validieren werden weiters Versuche in einem Biomasse-Festbett-Reaktor durchgeführt.
Der Wechsel zwischen aerober und anaerober Stoffwechselprozesse in Böden findet überwiegend in Mikrohabitaten statt. Bodenaggregate stellen solche Mikrohabitate dar, in denen Sauerstoffverfügbarkeit durch Diffusionsbarrieren (wassergefülltes Porenvolumen) und die Sauerstoffzehrung durch mikrobielle Aktivität (Substrat) bestimmt wird. Ziel des Vorhabens ist es, auf mikroskaliger Ebene kritische Werte der Sauerstoffverfügbarkeit zu ermitteln, unter denen vorwiegend anaerobe Stoffwechselprozesse stattfinden. Dazu wird ein Durchflussmikrokalorimeter genutzt, in dem die unmittelbare Reaktion der mikrobiellen Aktivität auf stufenlos veränderbare Sauerstoffpartialdrücke bei einer gleichzeitigen Analyse von isotopenmarkierten Gasverbindungen (CO2, N2O, CH4) bestimmt werden kann. In Parallelansätzen in Mikrokosmen werden weitere wichtige Kenngrößen anaerober Stoffwechselprozesse wie organische Säuren und reduzierte Eisen- und Manganverbindungen ermittelt. Die Ergebnisse aus diesem Vorhaben sollen dazu beitragen, Prognosen über ablaufende Stoffwechselprozesse im Grenzbereich aerober und anaerober Zustände in Bodenaggregaten und bei natürlich oder anthropogen verursachten Veränderungen von Umweltbedingungen zu erstellen.
Im anaeroben Milieu ist eine direkte Messung von Stoffwechselaktivitaeten besonders problematisch. Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung und Mikrokalorimetrie zur Darstellung der Kinetik der Stoffumsaetze im anaeroben Milieu. Mikrokalorimetrische Methoden sind auch dort geeignet, wo eine starke Truebung oder ein hoher partikulaerer Anteil in den Proben vorliegen. Die Organismen werden waehrend der Aktivitaetsbestimmung kultiviert und koennen im Anschluss weitervermehrt bzw. weiterbeobachtet werden. Als eines der Forschungsergebnisse wird der Einsatz dieser Methodik zur Beurteilung anaerober Abbauprozesse (z.B. in Faulschlaemmen oder anaeroben Muelldepoenien) erwartet.
Experimentelle Untersuchungen zur Entstehung und zur thermischen Geschichte von SurtseyMit dem Ziel, die Eruptionen der Insel Surtsey vor 50 Jahren besser zu verstehen und offene Fragen zu den Eruptionsprozessen, der Energiefreisetzung und der Produktion vulkanischer Partikel (Vulkanasche) durch subaerische und submarine Prozesse zu beantworten, sollen Fragmentationsexperimente mit repräsentativen basaltischen Schmelzen bei magmatischen Temperaturen durchgeführt werden. Hierzu sind Experimente zu explosiven magmatischen und phreatomagmatischen Fragmentationsprozessen, wie auch zur nichtexplosiven thermischen Granulation durch Wasser-Schmelze Kontakt vorgesehen. Diese Granulationsexperimente werden in einem Kalorimeter durchgeführt, um die thermische Entwicklung der Produkte (Hyaloklastite) aufzuzeichnen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von PI Bach (Univ. Bremen) ist ein hydrothermales Experiment vorgesehen, bei dem experimentell erzeugtes hyaloklastisches Material (sowie später auch original Probenmaterial aus Surtsey) genutzt werden soll, um die frühe posteruptive thermische Entwicklung, insbesondere den Einfluss der Materialparameter und der geothermalen Fluide auf den Wärmetransport zu untersuchen. Hieraus werden wichtige Daten zur Absicherung von Wärmeflussmodellen erwartet.
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