Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Study of the hydrothermal aging of Pd/γ-Al2O3 catalysts for lean CO oxidation
Get PDFTo limit the environmental impact from fuel based transport of goods and mobility, the knowledge-based improvement of the hydrothermal long-term stability of Pd exhaust catalysts is demanded. Thus, the present study evaluates the performance of hydrothermally aged Pd/gamma-Al2O3 powder catalysts on lean CO oxidation (60-200°C) in the presence of H2O, and discusses structure-activity correlations. A decline in the number of Pd surface sites is quantified with growing aging temperature (650-950°C), and correlates with the decrease in the CO oxidation activity in transient state. However, unexpected shifts in the activation energy of the steady state CO oxidation are observed for the different aging temperatures and total time on stream. The characterization of the active Pd sites of the aged and non-aged catalysts before and after the CO oxidation indicate that the oxidation state of Pd changes during the lean and wet CO oxidation. The observed trends of the oxidation state of Pd correlate with the determined variations of the activation energy, successfully elucidating structure sensitivity of the CO oxidation at temperatures of 750°C or higher, and with changing total time on stream.:1 Introduction and aims
2 Fundamentals
2.1 Emissions from combustion engines
2.2 Diesel exhaust after-treatment systems
2.3 Pd catalysts for CO oxidation
2.3.1 Characterization and CO oxidation activity of Pd catalysts
2.3.2 Mechanism of the CO oxidation on Pd catalysts
2.3.3 Influence of H2O on the CO oxidation on Pd catalysts
2.3.4 Structure sensitivity of the CO oxidation on Pd catalysts
2.4 Thermal and hydrothermal aging of supported Pd catalysts
2.4.1 Sintering and phase transformations of γ-Al2O3
2.4.2 Sintering of Pd in supported catalysts
2.4.3 Kinetic modelling of the CO oxidation on aged Pd catalysts
3 Materials and methods 37
3.1 Preparation of the Pd/γ-Al2O3 catalyst
3.2 Hydrothermal aging of the catalyst
3.3 Performance of the catalytic CO oxidation
3.3.1 Temperature-programmed CO oxidation
3.3.2 Steady state CO oxidation
3.4 Characterization of the catalysts
3.4.1 N2 physisorption
3.4.2 Temperature-programmed desorption of H2
3.4.3 Scanning transmission electron microscopy
3.4.4 X-ray diffraction
3.4.5 X-ray photoelectron spectroscopy
4 Results and discussion
4.1 Transient CO oxidation activity of the non-aged and aged Pd/γ-Al2O3
catalysts
12 Contents
4.2 Quantification of the active sites of the non-aged and aged Pd/γ-Al2O3
catalysts
4.2.1 Number of Pd surface sites
4.2.2 Pd particle sizes
4.2.3 Pd crystallite sizes
4.2.4 Content of surface Pd
4.2.5 Comparative discussion of the quantification of the active sites
4.3 Investigation of the aging mechanism of the Pd/γ-Al2O3 catalysts
4.4 Steady state CO oxidation kinetics of the non-aged and aged Pd/γ-Al2O3
catalysts
4.4.1 Activation energy of the steady state CO oxidation and discussion
of structure sensitivity
4.4.2 Dispersion of Pd after the steady state CO oxidation
4.4.3 Oxidation state of Pd after the steady state CO oxidation
4.4.4 Comparative discussion of the transient and steady state CO
oxidation activity
4.5 Summarizing discussion of the structure-activity correlations of the nonaged
and aged Pd/γ-Al2O3 catalysts for CO oxidation
5 Conclusions and outlook
Bibliography
List of Figures
List of Tables
A Annexe
Formation constant of the double salt CsCl·2NaCl·2H2O(cr)
Get PDFIn the ternary system CsCl – NaCl – H2O, at a temperature of 298.15 K, a double salt with the stoichiometric formula CsCl∙2NaCl∙2H2O(cr) is known to be formed. This double salt and the anhydrous CsCl(cr) are the end-members of a solid solution. For the pure double salt, the solubility constant was determined. The obtained value was applied to calculate the solubility diagram also of the quaternary system CsCl – NaCl – KCl – H2O and the quaternary-reciprocal system Cs+, Na+ || Cl−, SO42− – H2O. The solubility constant together with a solid solution between CsCl·2NaCl·2H2O(cr) and
CsCl(cr) were implemented in THEREDA, which extends the applicability of the existing cesium dataset
Optimierung der Nutzung von industrieller Abwärme durch mehrperiodische Wärmeintegration unter Berücksichtigung von thermischen Energiespeichern und Wärmeverlusten
Get PDFZur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Energiekosten in der Industrie kann die Steigerung der Energieeffizienz durch Nutzung der verfügbaren Abwärme einen wichtigen Beitrag leisten. Mit den Methoden der Wärmeintegration kann das Abwärmepotenzial quantifiziert und systematisch Maßnahmen zur Nutzung von Abwärme identifiziert werden. Durch die mathematische Optimierung des Wärmetransports von Wärmequellen hin zu Wärmesenken kann ein Wärmeübertrager Netzwerk gebildet werden. Hierbei können je nach Formulierung der Zielfunktion des Optimierungsproblems der benötigte Energiebedarf, die Kosten oder Treibhausgasemissionen minimiert werden. In dieser Arbeit wird ein Ansatz für mehrperiodische Optimierungsprobleme weiterentwickelt und um die Einbindung von sensiblen und latenten thermischen Energiespeichern erweitert. Die Berücksichtigung des Phasenwechsels erfolgt mit Hilfe einer intervallweise linearen Funktion der Speichertemperatur. Durch Einführen von Binärvariablen erfolgt eine Berücksichtigung des jeweils relevanten Intervalls. Darüber hinaus wird eine Methode zur Berücksichtigung von Wärmeverlusten der Rohrleitungen vorgestellt. Die entwickelten Methoden werden in einem Fallbeispiel aus der Textilindustrie angewendet und im Rahmen von Sensitivitätsanalysen ausgewählte Einflussfaktoren untersucht.Increasing the energy efficiency by using available waste heat can make an important contribution to reducing greenhouse gas emissions and energy costs in the industry. Heat integration methods can be used to quantify the waste heat potential and systematically identify measures for waste heat utilization. By mathematically optimizing the heat transport from heat sources to heat sinks, a heat exchanger network can be designed. Depending on the formulation of the objective function of the optimization problem, the required energy demand, costs or greenhouse gas emissions can be minimized. In this work, an approach for multiperiod optimization problems is further developed and extended to include sensible and latent thermal energy storage. The phase change is considered by an interval linear function of the storage temperature. By introducing binary variables, the relevant interval is taken into account. Furthermore, a method for including heat losses of pipelines is presented. The developed methods are applied in a case study from the textile industry and selected influencing factors are investigated within the scope of sensitivity analyses
Forschungsdaten-Policy der TU Bergakademie Freiberg
Get PDFAm 28.11.2023 hat der Senat der Technischen Universität Bergakademie Freiberg eine institutionelle Forschungsdaten-Policy verabschiedet, die allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Hochschule eine wichtige Orientierungshilfe für den Umgang mit Forschungsdaten bietet
SaxFDM – ein Service für Forschende in Sachsen
Get PDFIn diesem 'Snack' stellen wir SaxFDM - die Sächsische Landesinitiative für Forschungsdatenmanagement - und deren Serviceangebote vor
Entwicklung und Optimierung von Referenzmaterialien, Mess- und Auswertemethoden für die ortsaufgelöste Analyse von biologischen Proben
Get PDFDie Herstellung von homogenen Referenzmaterialien ist für die ortsaufgelöste Festkörperanalytik von besonderer Bedeutung. Eine neue Methode zur Herstellung von Referenzmaterialien auf Polymerbasis unter Verwendung von Metallacetylacetonaten wurde entwickelt. Die Elemente Al, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, La, Mg, Pb, Sr und Zn wurden im Spurenbereich eingebracht. Mit µRFA, LA-ICP-MS und LIBS konnte die homogene Elementverteilung in den auf diese Weise hergestellten Polymerschichten und deren Anwendbarkeit zur Kalibrierung von quantitativen Analysen gezeigt werden. Aufgrund der guten Stapelbarkeit der Polymerschichten, konnten diese auch für tiefenaufgelöste Messungen mittels CµRFA erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der hergestellten Materialien wurden die Einflüsse verschiedener Messbedingungen bei LA-ICP-MS-Analysen auf das Untersuchungsergebnis evaluiert. Für die Auswertung und Visualisierung der Elementverteilungen sowie deren Kombination mit molekülspektrometrischen Daten wurden, passende Pythonskripte entwickelt.:1 Abkürzungsverzeichnis
2 Einleitung
3 Stand der Forschung
3.1 LA-ICP-MS
3.1.1 Allgemeiner Aufbau
3.1.2 Einflüsse auf das Messergebnis
3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse
3.2.1 Allgemeines Prinzip
3.2.2 Besonderheiten der Mikro- und konfokalen Röntgenfluoreszenzanalyse
3.3 Referenzmaterialien
3.3.1 Allgemeiner Zweck
3.3.2 Kalibrierstrategien
3.3.3 Etablierte Materialien für matrixangepasste Standards
3.3.4 Referenzmaterialien auf Basis polymerer Kunststoffe
3.3.5 Zusammenfassung
4 Herstellung von Referenzmaterialien auf Basis strahlenhärtender Lacke
4.1 Hinführung zum Thema
4.2 Herstellung der Acetylacetonat-Komplexe
4.3 Einbringen der Komplexe in die Lackschichten und Bestimmung der Homogenität4.3.1 Präparation der Lackschichten
4.3.2 Probensysteme
4.3.3 Homogenitätsbestimmung
4.3.4 Analyse mit NMR
4.4 Kalibrierreihe
4.4.1 μRFA
4.4.2. LA-ICP-MS
4.4.3 Handheld LIBS
4.4.4 Tiefenprofile
4.5 Multischichtsysteme
4.5.1 Tiefenprofilmessungen gestapelter Lackschichten
4.5.2 Anwendbarkeit für die Tiefenkalibrierung
4.5.3 Temperatureinflüsse auf gestapelte Proben
4.6 Zusammenfassung
5 Einfluss verschiedener Messparameter auf das Ergebnis der LA-ICP-MS-Analysen
5.1 Hinführung zum Thema
5.2 Einfluss auf die Gesamtintensität
5.2.1 Gasflussgeschwindigkeiten
5.2.2 Beurteilung der Schussrate
5.3 Einfluss auf das Austragsverhalten
5.3.1 Skript zur Auswertung der Peakform
5.3.2 Auswertung der Peakform
5.4 Ablagerung von Material auf der Probenoberfläche
5.4.1 Analyse der geklebten Proben
5.4.2 Analyse der gestapelten Proben
5.5 Zusammenfassung
6 Etablierung einer Auswerteroutine
6.1 LA-ICP-MS-Mapping
6.1.1 Einlesen der Daten
6.1.2 Offset-Korrektur
6.1.3 Auswerten von Linienmessungen
6.1.4 Auswertung und Darstellung von Mappings
6.1.5 Clusteranalyse
6.2 Datenkombination verschiedener Analysemethoden
6.2.1 Daten der ultrahochauflösenden Molekülmassenspektrometrie
6.2.2 Probenpräparation
6.2.3 Zusammenfügen der Einzeldaten
6.3 CμRFA-Datenverarbeitung
6.3.1 Einlesen der Daten
6.3.2 Subtraktion und Addition
6.3.3 Darstellung der dreidimensionalen Elementverteilung mit MayaVi
6.3.4 Anpassung des dargestellten Volumens
6.3.5 Datenkorrektur mittels Gaußfit
6.4 Zusammenfassung
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Anhang
8.1 Literatur
8.2 zusätzliche Graphiken und Tabellen
8.3 Pythonskripte
8.4 Geräte und Chemikalien
8.4.1 Chemikalienliste
8.4.2 Geräte und Parameter
8.5 Publikationsliste
8.5.1 Artikel in Fachzeitschriften
8.5.2 Patenteinreichung
8.5.3 Konferenzbeiträge
8.6 Lebenslau
Sprühpolymerisation - Methoden zur Gestaltung eines Prozesses zur Polymerisation von Acrylsäure in einem konventionellen Sprühtrockner
Get PDFMotivation dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des etablierten Prozesses der Sprühtrocknung, der Trocknung einer Flüssigkeit zu Partikeln mit definierter Form und Größe. Ist die zerstäubte Flüssigkeit eine reagierende Polymer- oder Monomerlösung wird der neuartige Prozess als Sprühpolymerisation bezeichnet. Da die Verweilzeiten in einem Sprühtrockner gering sind, wird die hochreaktive radikalische Kettenpolymerisation von Acrylsäure und Acrylaten im Lösungsmittel Wasser untersucht. Im Fokus der Arbeit ist die Methode der Rheokinetik. Diese Methode wertet die rheologische Veränderung der reagierenden Lösung aus, sodass in dieser Arbeit die Ergebnisse der Rheokinetik zur Prozessgestaltung diskutiert werden.
Die Messungen zur Rheokinetik verschiedener Acrylatelösungen zeigen im Vergleich zur Acrylsäure geringere Viskositätsanstiege, die sich durch die geringe Reaktionsgeschwindigkeit in der pH-neutralen Lösung der Acrylate erklären lässt. Die Theorie zur Rheokinetik lässt sich nur auf die Acrylsäure anwenden, da diese überwiegend neutrale Polymerlösungen bildet und die Viskositätsfunktion über die Zeit mit einer Potenzfunktion beschrieben werden kann. Das Ergebnis ist ein empirisches Modell, was die Induktionszeit und den Viskositätsanstieg, der mit dem Umsatz der Reaktion korreliert, über die Zeit beschreibt. Die numerische Modellierung, die die Polymerisation und Trocknung des Einzeltropfens beschreibt, zeigt abschließend, dass eine Konditionierung des Trocknungsgases sowie eine Vorreaktion vor der Sprühpolymerisation anzustreben sind, damit der Prozess in einem konventionellen Sprühtrockner erfolgreich wird.:1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Sprühpolymerisationsverfahren
2.1.1 Trocknung am Einzeltropfen
2.2 Rheologische Eigenschaften von Flüssigkeiten im Viskosimeter und Rheometer
2.2.1 Messmethoden der Scherviskosität
2.3 Charakterisierung der Monomere
2.4 Polymerisation von Acrylsäure bzw. Acrylaten
2.4.1 Radikalische Lösungspolymerisation
2.4.2 Überblick über die Reaktionskinetik der radikalischen Polymerisation
2.4.3 Weitere Reaktionstypen bei der radikalischen Polymerisation
2.4.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die radikalische Polymerisation
2.4.5 Einflüsse auf die Terminierung bei der radikalischen Polymerisation
2.4.6 Übersicht zur Messung der Kinetik bei Polymerisationen
2.4.7 Momentenmethode zur Berechnung der Polymerisation
2.5 Charakterisierung der Polymere
2.5.1 Polymere im Lösungsmittel
2.5.2 Skalierungstheorie nach de Gennes von Polymeren in Lösungsmitteln
2.5.3 Messmethoden der molaren Masse von Polymeren in Lösungsmitteln
2.5.4 Viskosität von Polymerlösungen
2.5.5 Intrinsische Viskosität von Polymerlösungen
2.6 Rheokinetik
3 Experimentelle Methoden
3.1 Material – Monomere und Polymere
3.1.1 Neutralisation von Acrylsäure zur Herstellung der Acrylate
3.1.2 Stoffwerte von Acrylsäure und Wassermischungen
3.1.3 Versuchsvorbereitung und Versuchsplan
3.2 Messmethodik der Rheokinetik
3.2.1 Versuchsdurchführung
3.2.2 Berücksichtigung der Verdunstung aus dem Probevolumen
3.2.3 Bestimmung von Umsatz und Polymerisationsgrad
4 Ergebnisse zur Rheokinetik
4.1 Rheokinetik am wässrigen System mit Acrylsäure bzw. Acrylaten
4.1.1 Erläuterung zur Auswertungsprozedur an verschiedenen Rohdaten
von Acrylsäure und Acrylaten
4.1.2 Ergebnisdiskussion zur Rheokinetik bei wässrigen Acrylsäure- bzw.
Acrylatlösungen
4.2 Rheokinetik mit Modellbildung zur Polymerisation wässriger Acrylsäure
Lösungen
4.2.1 Empirisches Modell zur Funktion η(t)
4.2.2 Modellierung der Rheokinetik
4.2.3 Bewertung der Rheokinetik durch Messungen von Umsatz und
Viskosität im Rheometer
5 Numerische Modellierung von Reaktion und Trocknung
5.1 Numerische Modellierung der Reaktion im Rheometer
5.1.1 Ergebnisse der Momentenmethode für die Reaktion im Rheometer
5.2 Numerische Modellierung zur Reaktion im Sprühtrockner
5.2.1 Ergebnisse der Modellierung am Tropfen
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Ergebnisse zur Rheokinetik
6.2 Numerische Modellierung
6.3 Ausblic
Gewinnung von Indium aus komplexen polymetallischen Systemen durch chemische Fraktionierung und Reaktivseparation
Get PDFIndium gilt als eines der strategischen Metalle für die Technologiebranche. Durch das schnelle Wachstum bei Flachbildschirmen aller Art besteht seit Jahren eine stark wachsende Nachfrage nach Indium. Es wurde ein neuartiger Ansatz der Biolaugung gewählt und innerhalb des BHMZ getestet, Die aus der Biolaugung resultierende Lösung enthielt vereinfacht 1 mg·L-1 Indium sowie jeweils 1 g·L-1 Zink und Eisen. Durch systematische Untersuchung von zahlreichen hydrometallurgischen Methoden zur Metallabtrennung wurde eine auf Flüssig-Flüssig-Extraktion basierte Methode entworfen und erprobt. Der Prozess ermöglicht eine Indiumanreicherung bis zum Indiumhydroxid in einer Reinheit von 99,99 %. Die Chemikalienkosten für diesen Prozess belaufen sich gegenwärtig, bezogen auf den Labormaßstab, auf 189,40 €·kg-1 Indium. Diese liegen unter dem aktuellen Marktpreis von Indium. Die bisherigen Ergebnisse belegen, dass in der Realisierung dieses Verfahrens im technischen Maßstab erhebliches wirtschaftliches Potential steckt
Visualization and modeling of evaporation from pore networks by representative 2D micromodels
Get PDFEvaporation is a key process for the water exchange between soil and atmosphere, it is controlled by the internal water fluxes and surface vapor fluxes. The focus of this thesis is to visualize and quantify the multiphase flow processes during evaporation from porous media. The retained liquid films in surface roughness (thick-film flow) and angular corners (corner flow) have been found to facilitate and dominate evaporation. Using the representative 2D micromodels (artificial pore networks) with different surface roughness and pore structures, this thesis gives visualizations of the corner and thick-film flow during the evaporation process, presents the enhanced hydraulic continuity by corner and thick-film flow, and tests the validity of the SSC-model which assumes corner flow is dominant for the mass transport during evaporation. Surface roughness and wettability are proved both experimentally and theoretically to play a key role for the time and temperature behaviors of the evaporation process, besides, this thesis shows that for a consistent description of the time-dependent mass loss and the geometry of the corner/thick-film flow region, the fractality of the evaporation front must be taken into account
Hyperspectral drill-core scanning in geometallurgy
Get PDFDriven by the need to use mineral resources more sustainably, and the increasing complexity of ore deposits still available for commercial exploitation, the acquisition of quantitative data on mineralogy and microfabric has become an important need in the execution of exploration and geometallurgical test programmes. Hyperspectral drill-core scanning has the potential to be an excellent tool for providing such data in a fast, non- destructive and reproducible manner. However, there is a distinct lack of integrated methodologies to make use of these data through-out the exploration and mining chain. This thesis presents a first framework for the use of hyperspectral drill-core scanning as a pillar in exploration and geometallurgical programmes. This is achieved through the development of methods for (1) the automated mapping of alteration minerals and assemblages, (2) the extraction of quantitative mineralogical data with high resolution over the drill-cores, (3) the evaluation of the suitability of hyperspectral sensors for the pre-concentration of ores and (4) the use of hyperspectral drill- core imaging as a basis for geometallurgical domain definition and the population of these domains with mineralogical and microfabric information.:Introduction
Materials and methods
Assessment of alteration mineralogy and vein types using hyperspectral data
Hyperspectral imaging for quasi-quantitative mineralogical studies
Hyperspectral sensors for ore beneficiation
3D integration of hyperspectral data for deposit modelling
Concluding remarks
Reference