We consider clay minerals, iron oxides and charcoal as major components controlling the formation of interfaces relevant for sorption of organic chemicals, as they control the assemblage of organic matter and mineral particles. We studied the formation of interfaces in batch incubation experiments with inoculated artificial soils consisting of model compounds (clay minerals, iron oxide, char) and natural soil samples. Results show a relevant contribution of both iron oxides and clay minerals to the formation of organic matter as sorptive interfaces for hydrophobic compounds. Thus, we intend to focus our work in the second phase on the characterization of the interface as formed by organic matter associated with clay minerals and iron oxides. The interfaces will be characterized by the BET-N2 and ethylene glycol monoethyl ether (EGME) methods and 129Xe and 13C NMR spectroscopy for determination of specific surface area, sorptive domains in the organic matter and microporosity. A major step forward is expected by the analysis of the composition of the interface at different resolution by reflected-light microscopy (mm scale), SEM (scanning electron microscopy, micrometer scale) and secondary ion mass spectrometry at the nanometer scale (nanoSIMS). The outcomes obtained in combination with findings from cooperation partners will help to unravel the contribution of different types of soil components on the formation and characteristics of the biogeochemical interfaces and their effect on organic chemical sorption.
Hydroflux ist ein vielversprechender neuer, ressourceneffizienter Syntheteseansatz für bekannte und neue Verbindungen, insbesondere, aber nicht ausschließlich Oxide und Hydroxide. Hierbei kommen Mischungen von Alkalimetallhydroxiden und Wasser in Molverhältnissen von etwa 1:1, d.h. ultrabasische Medien, zum Einsatz. Die Bedingungen des Hydroflux' liegen zwischen denen der konventionellen Hochtemperatur-Alkaliflussmittel-Synthesen und Hydrothermalsynthesen. Die benötigten Temperaturen im Hydroflux liegen typischerweise bei 180 Grad C bis 230 Grad C und damit deutlich niedriger als bei alkalischen Flussmittelsynthesen. Der sich entwickelnde Druck ist viel geringer als bei der solvothermalen Synthese, daher werden keine Hochdruck-Autoklaven benötigt. Die Reaktionen sind innerhalb von Stunden vollständig abgelaufen, also viel schneller als die meisten traditionellen Hochtemperaturreaktionen. Unser Ziel ist es, das nur teilweise erschlossene Potenzial der Hydrofluxsynthese zu erforschen und weitere Erkenntnisse über die entscheidenden Reaktionsparameter und die Redoxprozesse zu gewinnen. Der Fokus auf Oxo- und Hydroxometallate magnetischer Kationen bietet eine zusätzliche Sonde für Oxidationszustände. Dazu sollen wesentliche chemische, strukturelle und physikalische Eigenschaften der erhaltenen Materialien bestimmt werden. Da sich die Redoxchemie des Sauerstoffs und auch die Basizität mit dem Alkalimetall ändert, sind diverse Alkali- und Erdalkalimetallhydroxide sowie deren Gemische zu prüfen. Darüber hinaus sind der Einfluss des Wassergehalts und das Vorhandensein von molekularem Sauerstoff zu bewerten. Typische Kristallzüchtungstechniken, wie z. B. die Verwendung von Temperaturgradienten und Keimkristallen, sind an Hydrofluxreaktionen anzupassen.
PlumeBaSe beschäftigt sich mit der detaillierten Analyse der Zusammensetzung organischer Aerosole, freigesetzt während der Verbrennung fossiler Treibstoffe durch Schiffe, und deren weiterem Weg in der marinen Umwelt. Durch die hochaufgelöste Beprobung der Aerosole und ihrer Transformationsprodukte vom Schiffsschornstein bis in die Ostsee wird eine Brücke zwischen Atmosphären- und Meeresforschung geschlagen. Der zunehmende globale Warentransport auf dem Wasserweg erhöht den Druck auf marine Ökosysteme. Große Schiffe emittieren, zusätzlich zu gasförmigen Schadstoffen, große Mengen an Partikeln reich an Spurenmetallen und organischen Schadstoffen zunächst in die Atmosphäre von wo aus die Schadstoffe ins Meer gelangen. Negative Auswirkungen saurer Oxide und organischer Schadstoffe sind bekannt, weniger hingegen wurde bisher die Deposition der Schiffsaerosole und deren Beitrag zur Meeresverschmutzung untersucht. Besonders lückenhaft ist das Verständnis für die Alterungsprozesse während des atmosphärischen Transports sowie in der Wassersäule, beispielweise durch UV-Strahlung oder reaktive Sauerstoffspezies, obwohl die Transformationsprodukte sehr unterschiedliche Auswirkungen auf Biota haben und die Molekülstruktur den weiteren Weg in der Umwelt maßgeblich beeinflussen können.Um diese Wissenslücken zu schließen, soll in PlumeBaSe durch eine vielschichtige Umweltbeprobung eine neuartige, umfassende Erhebung des Emissionstransports und der Aerosolalterung erreicht werden. Die Projektpartner des Leibniz Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), der Universität Rostock (UR) und der Karls-Universität Prag (CU) befassen sich mit den folgenden zentralen Hypothesen: (H1) Schiffsemissionen tragen signifikant zur Verschmutzung des Oberflächenwassers bei, der Eintrag ist besonders hoch entlang der Hauptschifffahrtsrouten. (H2) Während des atmosphärischen und marinen Transports ändern sich die physikalischen (Partikelgrößenverteilung) und chemischen (molekulare Profile) Eigenschaften der emittierten Aerosole, was ihren weiteren Weg in der Umwelt beeinflusst. (H3) Die Veränderungen auf molekularer Ebene können verfolgt und genutzt werden um Schadstoffeinträge über die Atmosphäre von den über Nassabscheider eingebrachte Verschmutzungen zu unterscheiden.Diese angestrebten Zielsetzungen werden in drei Arbeitspaketen adressiert via I. Zeitlich und räumlich hochaufgelöster Analyse von Partikelgrößenverteilungen direkt in den Abgasfahnen der Schiffe unter Nutzung eines unbemannten Luftschiffes, kombiniert mit hochsensitiven gerichteten und ungerichteten chemischen Analysen der II. atmosphärischen Schadstoffe in Partikeln unterschiedlicher Größe, sowie der III. Schadstoffe im Meerwasser. Die Ostsee stellt durch die hohe Schiffsverkehrsdichte, gute Erreichbarkeit und Regulation der Schiffsemissionen ein ideales Untersuchungsgebiet dar, welches sich auch als Modellsystem für die Beeinflussung küstennaher Ozeane durch Schiffsverkehr weltweit eignet.
In unserem Vorhaben soll der Gehalt von Brom (Bry) und Iod (Iy) in der unteren und mittleren Stratosphäre bestimmt werden. Brom-Verbindungen sind für ca. 30% des Ozonverlusts in der Stratosphäre verantwortlich und damit ist eine regelmäßige Vermessung des stratosphärischen Bry angezeigt. Direkte Messungen in der mittlerenStratosphäre wurden aber seit 2011 nicht mehr durchgeführt. Zudem finden wir bei unseren jüngeren, flugzeuggetragenen Messungen von Bry (an Bord der NASA Global Hawk und des HALO Forschungsflugzeugs) in der tropsichen Tropopausenregion (TTL) und unteren Stratosphäre (UT/LS) etwa 2-3 ppt mehr Bry als aus lang- (Halone), mittel- (CH3Br) und kurzlebigen Bromverbindungen (VSLS) sowie deren Abbauprodukten zu erwarten ist. Die Gründe hierfür sind derzeit unklar. Unser Ziel ist es, die Messzeitreihe von Bry in der unteren und mittleren Stratosphäre wiederaufzunehmen und die entsprechenden Trends zu evaluieren. Insbesondere wollen wir untersuchen, ob die erhöhten Konzentrationen von Bry in der TTL mit Bry in der Stratosphäre kompatibel sind und was die Gründe für mögliche Differenzen sind. In Bezug of Iy weisen unsere früherenBeobachtungen auf Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze hin, aber auch diese Untersuchungen liegen mehr als eine Dekade zurück. Neuere Arbeiten schlagen vor, dass die Bildung von höheren Iodoxiden zu einer Revision der bisher angenommenen Photochemie von Iod in der Stratosphäre führt, so dass ein erneuertes Interesse anstratosphärischem Iod besteht. Mit begrenztem zusätzlichem Aufwand wollen wir hier auch den Iy Gehalt (oder die entsprechenden Höchstgrenzen) in der Stratosphäre vermessen. Die Messungen sollen von einem Höhenforschungsballon (Steighöhe 30-38 km) aus mittels etablierter spektroskopischer Methoden in Sonnen-Okkultationsgeometrie durchgeführt werden. Es sind zwei Messflüge für Sommer 2021 von Kiruna, Schweden, und für Sommer 2022 von Timmins, Canada, aus geplant. Die Flüge und Kampagnen selbst werden durch die EU Infrastruktur HEMERA gefördert.
Die von uns in Laborversuchen und grosstechnisch durchgefuehrte thermische Behandlung, bei der die Temperaturen innerhalb der Sintergrenze liegen, ist ein energiesparendes und kostenguenstiges Verfahren, bei dem die Asbestfasern voellig zerstoert werden. Als Endprodukt entstehen asbestfreie Oxide und Silikate, z.T. mit hydraulischen Eigenschaften, die als Zuschlaege fuer Baustoffe, feuerfestkeramische Massen u.a. wieder verwertet werden koennen. Eine Vermehrung durch Zugabe z.B. von Bindemitteln findet nicht statt, sondern generell eine Reduktion von Gewicht und Volumen. Es entstehen keine Sonderabfaelle oder andere zu deponierende Materialien, sondern z.T. hochwertige Sekundaerrohstoffe. Deponieraum und neue Altlasten werden vermieden. Ziel ist es, den zu entsorgenden Asbest restlos zu vernichten. Ansaetze, dies durch thermische Behandlung zu erreichen, beduerfen der Vervollkommnung und weiteren Erprobung im grosstechnischen Massstab.
Staub - Spiegel der Umwelt. Der Mensch hat schon früh die ungewöhnlichen Eigenschaften staubfeiner Stoffe für seine Zwecke genutzt, indem er sie z.B. zur Körperbemalung verwandte. Zugleich ist seit prähistorischen Zeiten bekannt, dass Staub auch eine Gefahr sein kann. Mit dem Atem dringt er in den Körper ein - und umso tiefer, je feiner er ist. Vor dem Hintergrund der Diskussion über Feinstaub und über nanoskalige Materialien ist es das Ziel der Ausstellung, auf unterhaltsame und doch ernsthafte Weise über den Umweltfaktor Staub zu informieren. Ein großer Experimentierbereich macht die Ausstellung gerade für Schüler und sogar für Kinder zu einem spannenden Erlebnis. Seit 2006 ist die Ausstellung zu Gast in Museen, Museen in Deutschland in Umweltbildungseinrichtungen und auf internationalen Messen. 2009 wurden Exponate der Ausstellung gleich zweimal in China präsentiert, nämlich in Shenyang und in Wuhan - in einem Pavillion des BMBF. 2011 wurde sie im Bremer Haus der Wissenschaft gezeigt. Aktuell sind einzelne Exponate im Mineralogischen Museum der Universität Bonn zu sehen. C02- Ein Stoff und seine Geschichte 30 Prozent: Das war der Gehalt. an Kohlendioxid in der Atmosphäre der jungen Erde vor drei bis vier Milliarden Jahren. Heute sind es 0,038 Prozent. Der Rest steckt in Kalksteinen, Lebewesen und natürlich den fossilen Brennstoffen, wie Öl, Gas und Kohle. Wie das Kohlendioxid dorthin gekommen ist, welche Rolle es gespielt hat in der Entwicklung von Erde, Leben und Klima - diese Geschichte erzählt die Ausstellung. Neben Bildschirminformationen und kleinen Filmen rund um den Stoff gibt es verschiedene Experimentierstationen. Eine davon findet sich in vielen Haushalten: ein Sprudelautomat. Sie zeigt, dass C02 zwar problematisch, doch kein giftiger Stoff ist, sondern ein Teil des Lebens, ein Teil der Erde. Wälder und Wiesen, Brot und Wein: Alles das war ursprünglich C02. C02 ist das Hauptprodukt der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas, die ihrerseits mumifizierte, verwandelte Reste von Geschöpfen des Meeres oder des Landes sind. Es entsteht auch sonst überall dort, wo Leben vergeht. Die Chemiker bezeichnen es als anorganische Kohlenstoffverbindung, was ein Unsinn ist, denn ein organischeres Molekül ist gar nicht denkbar. Dieses Gas ist 'der letzte Weg allen Fleisches ', wie der Chemiker Primo Levi schrieb. Es ist die eigentliche Asche der Geschöpfe; eine gasförmige Asche, sie steigt auf in die Luft und verteilt sich rasch. Sie wirkt überhaupt nicht tot, sondern unruhig und lebendig, und schmeckt sogar erfrischend. Aus der Perspektive des Lebens ist die Luftartigkeit des C02 die entscheidende Qualität, die den Kohlenstoff, der auf Erden selten ist, allen anderen Elementen überlegen macht. Wäre C02 wie die meisten Oxide fest und schwer löslich, das Leben wäre rasch erloschen. Wäre es flüssig, so wäre das Leben aus dem Meer nie herausgekommen usw.
Im Rahmen des Projekts werden Verfahren des maschinellen Lernens (ML) angewandt, um die Herstellung von elektrochemischen Energiewandlern (Festoxidzellen als wichtige Technologie für die Wasserstoffwirtschaft) durch Foliengießen zu optimieren. Poröse Substrate und Elektrodenschichten für Brennstoff- und Elektrolysezellen weisen komplexe Mikrostrukturen auf, die stark von den Rohpulvern, den Eigenschaften des Schlickers, den Gießparametern und den anschließenden Trocknungs- und Sinterungsschritten abhängen und folglich die Funktionalität der Zellen bestimmen. Die Entwicklung von Schlickern und die Optimierung von Gieß- und Trocknungsparametern erfolgt bisher fast ausschließlich empirisch und mit großem Aufwand. Datenbasiertes maschinelles Lernen soll einerseits diese Entwicklungszeit im Labor minimieren und andererseits die Qualität und Produktivität erhöhen sowie den Gesamtenergieverbrauch (insbesondere beim Trocknen / Sintern) für die industrielle Produktion reduzieren. Dies wird zusätzlich zu den allgemeinen Zielen der Energie-wende und der Bewältigung der Klimakrise beitragen. Zu diesem Zweck wird eine neue Forschungsdatenmanagementstruktur aufgebaut, die eine lückenlose Erfassung aller Prozessschritte auf Basis eines elektronischen Laborbuchs, d.h. von der Schlickerherstellung bis zur fertigen Schicht, mittels in-situ Messmethoden ermöglicht. Anschließend werden Schlickerrezepte und Verarbeitungsparameter bereitgestellt und durch ausgewählte ML-Algorithmen getestet, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln. Schließlich werden diese durch Simulationen ermittelten Parameter von den Projektpartnern praktisch überprüft.
Im Rahmen des Projekts ML4SOC werden Verfahren des maschinellen Lernens (ML) angewandt, um die Herstellung von elektrochemischen Energiewandlern (Festoxidzellen (Solid Oxide Cells, SOC) als wichtige Technologie für die Wasserstoffwirtschaft) durch Foliengießen zu optimieren. Es wird eine neuartige Forschungsdaten-Managementstruktur aufgebaut werden, die eine lückenlose Erfassung aller Prozessschritte auf Basis eines elektronischen Laborbuchs, d.h. von der Schlickerherstellung bis zur fertigen Schicht, mittels in-situ Messmethoden ermöglicht. Anschließend werden Schlickerrezepte und Verarbeitungsparameter bereitgestellt und durch ausgewählte ML-Algorithmen getestet, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln. Schließlich werden diese durch Simulationen ermittelten Parameter von den Projektpartnern praktisch überprüft. Ziel des Teilprojektes KMS ist es dabei, die für die Multi-Skalen-Modellierung mit künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) benötigten Daten und Messwerte im Prozess der Fertigung von Festoxidzellen zu gewinnen und der Modellierung zur Verfügung zu stellen. Dazu müssen die verwendeten Foliengießanlagen modifiziert und mit geeigneter Messtechnik und Datenerfassung ausgerüstet werden.
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