Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.
Gegenstand der Untersuchung ist die Ermittlung der Adsorptionsgleichgewichte fuer reine Komponenten und relative Adsorbierbarkeit der einzelnen Komponenten fuer Zwei- und Mehrfachkomponentengemische bis 100 bar fuer die im Erdgas vorliegenden Verunreinigungen wie H2S, CO5, CO2 und Mercaptane in Anwesenheit von CH4 und N2. Ausserdem werden Durchbruchskurven der obigen Komponenten in einer Anlage im halbtechnischen Massstab gemessen, um ein Berechnungsverfahren zur Auslegung der Adsorptionsanlagen zu entwickeln.
In dem Projekt ist es das Hauptziel, bei Photooxidationen (Gegenwart von Luftsauerstoff und Bestrahlung mit sichtbarem Licht (solare Einstrahlung und kuenstliche Lichtquelle) Abwasserreinigung und Synthese von Feinchemikalien durchzufuehren. Dazu wurden bisher Photooxidationen der toxischen Substrate Thiole, Sulfid und Phenole durchgefuehrt. Durch Verwendung von Photosensibilisatoren, die im sichtbaren Bereich absorbieren, kann eine weitgehende Mineralisierung u.a. von Phenolen (auch chlorierten Phenolen) erreicht werden. Mit der solarphotochemischen Synthese von Feinchemikalien ist jetzt begonnen worden.
Gesamtziel des Verbundvorhabens besteht in der Erforschung und Entwicklung neuartiger intelligenter Sensor- und Monitorsysteme zur stofflichen Charakterisierung von Prozesssubstraten und Gaserträgen in der Flüssig- und Gasphase von Biogasanlagen, um durch die verbesserte Kenntnis der den Biogasprozess beeinflussenden Faktoren (chemisch, physikalisch, mikrobiell), die Prozessstabilität zu optimalen Bedingungen in situ zu gewährleisten. Ein wesentliches Detailziel des Fraunhofer-IBP ist es, durch Kenntnis und Detektion der die Methangasbildung begleitenden Thiole und Sulfide das Fermentationsoptimum herauszufinden und einen selektiven Sensor zur Detektion schwefelorganischer Zwischenstufen zu entwickeln. Ein solcher Sensor macht die Biogasproduktion unabhängiger vom Ausgangssubstrat, d.h. auch heterogene Abfallstoffe können zielgenau vergoren werden. 1.) Aufbau und Inbetriebnahme einer Biogas-Mini-Plant-Anlage; 2.) chemische Analyse der Biogas-Phase auf schwefelorganische Verbindungen und klassisch mikrobiologische, sowie genetische Identifizierung der potentiell relevanten Substrat-Mikroorganismen; 3.) Entwicklung eines schwefelselektiven Sensors auf Basis von Metalloxid-Halbleitern (technologische Weiterentwicklung mittels Plasmatechnologie und ionischer Liquiden) und Validierung der Sensorsignale mit Hilfe der Mini-Plant-Anlage; 4.) Installation des Sensors auf eine praxisnahe Pilot-Biogasanlage; 5.) ggf. Integration des Sensors in ein multivariantes Sensor-Netzwerk.
Chemische und petrochemische Anlagen zeichnen sich durch extrem komplexe infrastrukturelle Einrichtungen (Rohrleitungen, Foerdereinrichtungen, Lager- und Behaeltersysteme, Anschluesse an Reaktoren und andere Aggregate) aus. Trotz vorschriftsmaessigen Betriebes kommt es, in unterschiedlichem Masse je nach Wartungszustand, Bauart und eingesetztem Material, zu diffusen Emissionen, besonders wenn Leckagen, mangelhafte Dichtungen und andere schwer identifizierbare Quellen nicht oder zu spaet erkannt werden. Emissionen aus punktfoermigen Quellen sind zwar in den letzten Jahren deutlich reduziert worden, der Immissionsbeitrag der diffusen Luftemissionen ist aber erheblich. Dadurch kommt diffusen Emissionen, z.B. im Hinblick auf ihr ozonbildendes und klimawirksames Potential sowie den Gesundheitsschutz, eine immer hoehere Bedeutung zu. Die diffusen Emissionen werden in der Regel nicht ueber zentrale Ablufteinrichtungen erfasst. Hierbei geht es vor allem um gasfoermige Emissionen organischer Stoffe (VOC), die zur Bildung troposphaerischen Ozons beitragen und als Treibhausgase wirken koennen. Durch eine Reihe von Stoffen, z.B. Mercaptane, kommt es auch zu Geruchsbelaestigungen in der Umgebung der Anlage. Auch der Abwasserpfad kann betroffen sein, wenn wassergefaehrdende Fluessigkeiten oder persistente organische Schadstoffe in die Auffangeinrichtungen tropfen und auf diesem Weg in das Abwasser gelangen. Durch geeignete Massnahmen an der Quelle koennen die Belastungen der Abwasserbehandlungsanlage und des Vorfluters gesenkt werden. In Emissionskatastern werden die diffusen Emissionen bislang wenig beruecksichtigt. Eine Quantifizierung ist aufgrund der mangelhaften Datenbasis kaum moeglich. Ziel des Forschungsprojektes soll sein: 1. Methoden zu entwickeln, mit denen a) die diffusen Emissionen fuer eine Anlage quantitativ abgeschaetzt und b) die Quellen mit ueberdurchschnittlicher Emissionsrate identifiziert werden koennen, 2. organisatorische Massnahmen zur Emissionsminderung und -vorbeugung zu entwickeln, z.B. geeignete Inspektions- und Wartungsintervalle und -routinen festzulegen, 3. beispielhaft konstruktive, technische Massnahmen zur Optimierung von Anlagenelementen mit ueberdurchschnittlicher Emissionsrate zu empfehlen (z.B. Austausch durch geeignetere Aggregate, Einsatz anderer Dichtsysteme).