Clausthal University of Technology
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Risikobewertung von Lithium-Ionen-Batterien (RiskBatt): Kurzfassung der Ergebnisse des Fördervorhabens „RiskBatt“ – Risikoanalyse für lithiumionenbasierte Energiespeichersysteme im sicherheitskritischen Havariefall unter besonderer Berücksichtigung der dabei freigesetzten toxischen und explosiven Schadgase (Förderkennzeichen 03EI3010A)
Full text linkPalaeocene-eocene siliceous rocks of West Siberia: types, mineralogical and geochemical variability and resource potential
Full text linkKieselgur, Opoka und Tripolith sind Beispiele für silikatische Gesteine, die als primäre Sedimentationsprodukte des paläozän-eozänen marinen Epikontinentalbeckens in Westsibirien zu betrachten sind. Diese Gesteine weisen Merkmale auf, die sie von "normalen" silikatischen Gesteinen unterscheiden. Sie weisen einen höheren Siliziumdioxidgehalt auf und sind durch die komplexen Prozesse der biogenen und chemischen Mobilisierung von gelöstem Siliziumdioxid in marinen epikontinentalen Becken entstanden. Die Westsibirische Provinz stellt einen der weltweit bedeutendsten Standorte für mineralische Rohstoffe dar, da hier oberflächennahe silikatische Gesteine vorkommen, die sich über ein riesiges Gebiet von Nordkasachstan bis zur Taz-Halbinsel erstrecken. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation erfolgt eine umfassende Untersuchung paläogener silikatischer Formationen in Westsibirien sowie angrenzender Gebiete, wobei eine Vielzahl von Beispielen und Fallstudien präsentiert wird. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden eine Vielzahl von Faktoren analysiert, darunter Geologie, räumliche Verteilung, Vorkommensbedingungen, Lithologie, Mineralogie und Geochemie der paläogenen Kieselgesteine in Trans-Ural und Westsibirien. Das hier untersuchte Material umfasst zahlreiche Fundorte, darunter auch ausgebeutete Lagerstätten paläozäner und eozäner Kieselgur und Kieselgur-Tone. Die Arbeit wurde sowohl in Form von Feldarbeit als auch im Labor mit umfangreicher Datenauswertung durchgeführt. Die Dissertation schließt mit paläogeographischen Erkenntnissen, welche das allgemeine geologische und historische Bild der Region ergänzen. Durch die Zusammenführung der Daten kann ein umfassendes Verständnis des Untersuchungsgegenstandes auf allen Ebenen der Materieorganisation erreicht werden, von geologischen Formationen bis hin zu den zugrunde liegenden chemischen und mineralogischen Parametern. Dies ermöglicht eine Rekonstruktion globaler abiotischer Prozesse.Diatomites, opoka, and tripolite are examples of siliceous rocks that are the primary sedimentation products of the Paleocene-Eocene marine epicontinental basin in West Siberia. These rocks exhibit characteristics that distinguish them from "normal" siliclastic rocks. They have a higher silica content and are formed by the complex processes of biogenic and chemochenic mobilization of dissolved silica in marine epicontinental basins. The West Siberian Province represents one of the most significant locations worldwide in terms of mineral raw materials, due to the prevalence of near-surface siliceous rocks, which extend across a vast area from northern Kazakhstan to the Taz Peninsula. The present dissertation presents examples and case studies of a comprehensive study of the Paleogene siliceous formations of West Siberia and adjacent areas. A variety of factors, including geology, spatial distribution, occurrence conditions, lithology, mineralogy, and geochemistry of Paleogene siliceous rocks in Trans-Ural and West Siberia were examined. The material investigated here encompasses material from numerous sites, including exploited deposits of Paleocene and Eocene diatomite and diatomaceous clays. The thesis was carried out both in the form of field work and in the laboratory with extensive interpretation of data The dissertation concludes with palaeogeographical findings that supplement the general geological and historical picture of the region. The aggregation of data enables a comprehensive understanding of the subject under investigation at all levels of matter organization, from geological formations to the underlying chemical and mineralogical parameters that inform our reconstruction of global abiotic processes
The mine manager’s guide to underground emergency response: TUC-lectures on mine rescue, fire and explosion protection
Full text linkThis textbook is a contribution to the literature on mine rescue, targeting specific aspects of fire and explosion protection, rescue operations, and self-rescue in deep underground mines, in particular deep collieries. Here, methane production and spontaneous combustion of coal, as well as the explosion hazard linked to both, take center stage amongst the mine safety challenges. Furthermore, the work of the mine rescue brigade is frequently characterized here by a significant climatic load, which requires a special physical fitness of miners and rescuers, a corresponding physiological knowledge base, and safety rules derived therefrom. Generally, however, importance must be placed today on supporting an effective self-rescue and escape of the workforce on its own in case of an event, and on the related implementation of the necessary boundary conditions in terms of fire and explosion protection. The book is based on the lectures held by the author at Clausthal University of Technology (TUC), Germany, since 2009. It reveals the previous decades of underground emergency response in German collieries from the point of view of academic training of future executives and staff and is also intended as a guidebook for planning and mine rescue operation. Tables summarize individual contexts and topics for quick reference, and a detailed outline facilitates retrieving information. Lists of the basic technical literature of German mine rescue centers and mine research institutes as well as relevant technical rules of German mining authorities (mostly in German language) complete the book
Modellierung hydrodynamischer Gleitlager unter dem Einfluss von Gaskavitation
Full text linkDie Minimierung der Verlustleistung stellt ein generelles Ziel der Antriebstechnik dar. Untersuchungen der jüngeren Vergangenheit zufolge weisen Gleitlager mit teilgefüllten Bereichen im Betrieb eine geringere Verlustleistung auf als vollständig mit Schmieröl gefüllte Lager. Dies legt eine gezielte Reduktion der im Lager befindlichen Schmierölmenge nahe. Obwohl die Strömung im Schmierspalt als weitgehend verstanden gilt, sind die Strömungsvorgänge in den Bereichen außerhalb noch weitestgehend unerforscht. In der Folge wird die gemessene Verlustleistung bei derartigen Anwendungen rechnerisch oftmals deutlich überschätzt. Die vorliegende Arbeit analysiert den Einfluss und die Modellierung mehrphasiger Strömungen in Gleitlagern am Beispiel eines großen Offset-Halves-Lagers unter Verwendung numerischer Strömungssimulationen. Das untersuchte Lager zeichnet sich durch unterschiedlich breite Gleitflächen sowie große, zur Reduktion der Verlustleistung ausgesparte Segmentzwischenräume aus. In einer parallel dazu durchgeführten experimentellen Arbeit wurde dieses Lager auf einem Prüfstand untersucht, wobei die Tiefe der Segmentzwischenräume durch verstellbare Einsätze variiert wurde. Ein neu entwickeltes Messverfahren ermöglichte dabei erstmalig die Messung der Ölverteilung im Schmierfilm. Die Messergebnisse zeigen deutliche Abweichungen in der Ausbildung von Kavitationsbereichen zu den Vorhersagen der klassischen Schmierfilmtheorie. Die vorliegende Arbeit basiert auf der Entwicklung eines numerischen Modells, welches neben nichtisothermen Effekten auch Kavitation, Turbulenz und elastische Verformung berücksichtigt. Zunächst wird der Einfluss der Strömung in den Segmentzwischenräumen untersucht, die in einer mehrphasigen Strömungssimulation auf Grundlage der Navier-Stokes-Gleichungen modelliert wird. Die Strömung im Schmierfilm wird in einem Modellvergleich mit verschiedenen Ansätzen zur Beschreibung der Kavitation sowohl auf Grundlage der verallgemeinerten Reynolds-Gleichung und der Schmierfilm-Energiegleichung als auch den Navier-Stokes-Gleichungen analysiert. Für die Diskretisierung von Reynolds- und Schmierfilm-Energiegleichung wird zur präzisen Beschreibung der Gleitflächenkontur ein Verfahren auf unstrukturierten Gittern entwickelt. Die Auswertung der Untersuchung zeigt, dass die Segmentzwischenräume selbst bei geringer Tiefe nahezu ungefüllt sind und keinen wesentlichen Beitrag zur gesamten Verlustleistung liefern. Während die klassische Schmierfilmtheorie Kavitation nur im divergenten Spalt vorhersagt, wurde diese auch im konvergenten Spalt gemessen. Die Resultate des Modellvergleichs zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten durch Verwendung eines mehrphasigen Fluidmodells mit nichtkondensierbarem Gas. Weiterhin wurde ein dynamischer Druckabfall hinter der Ölzuführung festgestellt. Dieser bewirkt eine Expansion des Gases und somit die Ausbildung der beobachteten Kavitäten. Ein Modell für Gaskavitation zeigt eine zu geringe Menge an freiem Gas. Die Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei der im stationären Betrieb auftretende Kavitation im Wesentlichen um Pseudokavitation handelt, da sich resorbiertes Gas mit der Zeit im Schmieröl akkumuliert und eine erneute Absorption vernachl¨assigbar ist.Minimizing power loss is a general goal in drive technology. Recent studies have shown that hydrodynamic bearings with partially filled areas exhibit lower power loss during operation than bearings that are completely filled with lubricating oil. This suggests a targeted reduction in the amount of lubricating oil in the bearing. Although the flow in the lubrication gap is considered to be well understood, the flow processes in the areas outside the gap are still largely unexplored. As a result, the measured power loss in such applications is often significantly overestimated in calculations. This thesis analyzes the influence and modeling of multiphase flows in hydrodynamic bearings, using the example of a large Offset-Halves Bearing and numerical flow simulations. The bearing examined is characterized by sliding surfaces of different widths and large spaces between pads designed to reduce power loss. In a parallel experimental study, this bearing was examined on a test bench, whereby the depth of the space between pads was varied using adjustable inserts. A newly developed measurement method made it possible for the first time to measure the oil distribution in the lubricating film. The measurement results show significant deviations in the formation of cavitation areas from the predictions of classical lubricating film theory. This work is based on the development of a numerical model that takes into account non-isothermal effects, cavitation, turbulence, and elastic deformation. First, the influence of the flow in the space between pads is investigated, which is modeled in a multiphase flow simulation based on the Navier-Stokes equations. The flow in the lubricating film is analyzed in a model comparison with different approaches to describe cavitation, based on the generalized Reynolds equation and the lubricating film energy equation, as well as the Navier-Stokes equations. For the discretization of the Reynolds and lubricating film energy equations, a method on unstructured grids is developed to precisely describe the sliding surface contour. The evaluation of the investigation shows that the space between pads is almost unfilled, even at shallow depths, and does not contribute significantly to the total power loss. While the classical lubricating film theory predicts cavitation only in the divergent gap, it was also measured in the convergent gap. The results of the model comparison show good agreement with the measurement data when using a multiphase fluid model with non-condensable gas. Furthermore, a dynamic pressure drop behind the oil supply was observed. This causes the gas to expand, resulting in the formation of the cavities observed. A model for gaseous cavitation shows an insufficient amount of free gas. The results suggest that the cavitation occurring during stationary operation is essentially pseudo-cavitation, as absorbed gas accumulates in the lubricating oil over time, and reabsorption is negligible
Entwicklung einer formalen Beschreibungssprache zur Modellierung und Nutzung von Operational Design Domains von automasierten Fahrzeugen
Full text linkDie Autoindustrie steht vor einem großen Wandel, der neue Chancen hinsichtlich der alltäglichen Mobilität eröffnet. Die Einführung von teil- und hochautomatisierten Fahrzeugen eröffnet jedoch nicht nur neue Möglichkeiten, sondern birgt auch Herausforderungen seitens der Entwicklung und Freigabe. Ein zentrales Element stellt hierbei die Operational Design Domain (ODD) dar. Diese ist für das sichere Funktionieren dieser Systeme unerlässlich, da präzise definiert werden kann, unter welchen Betriebsbedingungen (z.B. infrastrukturelle Einschränkungen wie Baustellen) hochautomatisierte Fahrzeuge zuverlässig operieren. Die eindeutige Definition dieser Betriebsbedingungen bildet die Basis für die Systemfähigkeiten und -grenzen und ist daher essenziell für die Entwicklung und das Testen der Technologie. Zudem wird durch diese eine solide Grundlage für regulatorische Standards geschaffen und eine öffentliche Kommunikation trägt zur Erhöhung der Akzeptanz bei. Vor diesem Hintergrund ist es umso wichtiger, dass die wachsende Komplexität der Fahrzeugsysteme durch eine sorgfältige Integration in den Entwicklungsprozess und präzisen Beschreibung der ODD adressiert wird. Bestehende Ansätze bieten hierfür zwar einen systematischen Ansatz zur Klassifizierung dieser Bedingungen, sind jedoch entweder schwer verständlich oder erfassen nicht vollständig die Komplexität realer Fahrbedingungen. Dabei kann eine unzureichende Beschreibung der Betriebsbedingungen die Sicherheit des Fahrzeugs beeinträchtigen. Unter diesen Voraussetzungen wurde eine formale Beschreibungssprache für die ODD entwickelt, die sowohl leicht verständlich als auch technisch präzise ist. Die Sprache ist dabei so konzipiert, dass Betriebsbedingungen formal in Form von logischen Aussagen spezifiziert werden können. Diese sind modular organisiert, wodurch die Anpassung und Wiederverwendung einzelner Komponenten erleichtert wird. Zusätzlich wurden Modellierungspatterns abgeleitet, die die Anwendbarkeit der Sprache vereinfachen und Anwendern helfen, konsistente ODDBeschreibungen zu erstellen. Aufbauend auf der Beschreibungssprache wurde ein Gesamtkonzept für den Entwurf und die Anwendung der ODD im Entwicklungsprozess entwickelt. Dieses unterstützt den Abgleich der ODD mit dem vorgesehenen Betriebsbereich des ADS und schafft unter anderem dadurch eine gemeinsame Wissensbasis für alle relevanten Stakeholder. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden für dieses Konzept zwei werkzeuggestützte Implementierungen aufgezeigt. Abschließend wird demonstriert, wie das entwickelte Lösungskonzept anhand von drei Anwendungsfällen genutzt werden kann. Dafür wird zuerst auf eine Anwendung eingegangen, die es ermöglicht, zulässige geografische Straßennetzwerke (GeoNets) für hochautomatisierte Fahrzeuge zu definieren. Diese GeoNets erlauben es dem Fahrzeug, sicher innerhalb festgelegter Grenzen zu operieren. Zudem wird demonstriert, wie Fahrverhaltensweisen von Fahrzeugen anhand der ODD überprüft und als zulässig oder unzulässig klassifiziert werden können. Abschließend werden SOTIF-Szenarien anhand ihrer Relevanz gegenüber den definierten Betriebsbedingungen klassifiziert. Dies kann dazu genutzt werden, den passenden Scope der Absicherung zu bestimmen und somit kostenintensive Sicherheitsanalysen zu minimieren.The automotive industry is undergoing a deep transformation that opens up new opportunities for everyday mobility. However, the introduction of partially and highly automated vehicles not only creates new possibilities, but also entails substantial challenges for development and approval. A key element in this context is the Operational Design Domain (ODD). It is indispensable for the safe functioning of such systems, as it allows one to specify precisely under which operating conditions (e.g., infrastructural constraints such as construction sites) highly automated vehicles can operate reliably. A clear definition of these operating conditions forms the basis for system capabilities and limitations and is therefore essential for both technology development and testing. Moreover, it provides a solid foundation for regulatory standards, while transparent communication to the public can contribute to increased acceptance. Against this background, it becomes more important to address the growing complexity of vehicle systems through careful integration into the development process and a precise description of the ODD. Existing approaches provide systematic means of classifying such conditions, yet they are either difficult to comprehend or fail to capture the full complexity of real-world driving conditions. An inadequate description of operating conditions can, in turn, compromise vehicle safety. To meet these requirements, a formal description language for the ODD was developed that is accessible and technically precise. The language is designed to specify operating conditions formally in the form of logical statements. These statements are organized in a modular fashion, facilitating the adaptation and reuse of individual components. In addition, modelling patterns were derived to simplify the application of the language and to support users in creating consistent ODD descriptions. Building on the description language, an overall concept for the design and use of the ODD within the development process was developed. Among other benefits, it supports aligning the ODD with the intended operational scope of the Automated Driving System (ADS) and thereby establishes a shared knowledge base for all relevant stakeholders. In the subsequent part of this work, two tool-supported implementations of this concept are presented. Finally, it is demonstrated how the proposed solution can be applied in three use cases. First, an application is discussed that enables the definition of permissible geographic road networks (GeoNets) for highly automated vehicles. These GeoNets allow the vehicle to operate safely within predefined boundaries. Furthermore, it is shown how vehicle driving behaviors can be assessed against the ODD and classified as permissible or impermissible. Lastly, SOTIF scenarios are classified with respect to their relevance to the defined operating conditions. This can be used to determine an appropriate assurance scope and thus reduce the need for cost-intensive safety analyses
State-of-the-Art techniques for sensitivity analysis in geochemical modeling: exploring methods and tools: SANGUR : Systematic sensitivity analysis for mechanistic geochemical models using field data from crystalline rock
Full text linkThis report, a key deliverable of the SANGUR project, provides a comprehensive analysis of sensitivity analysis (SA) methodologies. Global Sensitivity Analysis (GSA) receives particular attention, with the report exploring various approaches, their pros and cons, and their suitability for geochemical modeling in this domain. The report delves into the fundamentals of GSA, highlighting its importance in evaluating the reliability of geochemical models by understanding the influence of input parameters on model outputs. A systematic investigation of popular GSA methods is presented, including correlation/regression analysis, variance-based methods (Sobol’s method, FAST/EFAST), highdimensional model representation (HDMR), and stepwise regression. Exploring these methods and their relative strengths and weaknesses helps researchers in selecting the most appropriate GSA approach for geochemical modeling tasks. The choice will depend on factors like the complexity of the model, the number of input parameters, and the desired level of detail in the sensitivity analysis. Additionally, the report explores crucial sampling methodologies for SA, including Monte Carlo (MC), Latin Hypercube Sampling (LHS), and Quasi-Monte Carlo (QMC) techniques. Each method’s principles and applicability in the context of geochemical modeling are explained. Recognizing the importance of robust uncertainty quantification practices, the report explores available GSA software tools. It examines a diverse range of options, encompassing Python libraries (SALib, Chaospy) and comprehensive toolkits (Dakota, UQTk, OpenTURNS). While offering researchers valuable resources, one observes the absence of a universal standard. The report encourages researchers to carefully consider their modeling needs and preferences when selecting a tool, as the optimal choice depends on the specific modeling task. Finally, the unique challenges associated with geochemical models are explored, particularly nonlinearities and parameter interdependencies, and their impact on SA methodologies. A dedicated section discusses these complexities and their implications for selecting appropriate SA techniques
Aminosäure modifizierte Polyvinylidenfluorid-Gewebe für die Adsorption von Schwermetallionen
Full text linkSchwermetalle und ihre Ionen belasten in vielen Teilen der Welt die Umwelt und Gesundheit. Dabei geht die Gefährdung von der Aufnahme über Luft, Wasser und der Nahrung aus und hat toxikologische Folgen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Modifikation von kommerziellen Polyvinylidenfluorid-Geweben mit Aminosäuren zur Adsorption von Schwermetallionen aus wässrigen Lösungen. Dabei eröffnet die Geometrie eines Gewebes die Möglichkeit, dieses beispielsweise in Rohrleitungen als Adsorptionsmatrix anzuwenden. Die Modifikation der Polymergewebe zum Aufbau von komplexbildenden Gruppen erfolgte in drei Schritten: 1) Elektronenstrahlbehandlung zur Aktivierung des Gerüstmaterials 2) Modifikation des Gewebes durch Pfropfpolymerisation 3) Einführung von Aminosäuren durch polymeranaloge Umsetzung Die Aktivierung durch Elektronenstrahlung und die Pfropfpolymerisation hängen stark miteinander zusammen und wurden am Modellsystem der Monomere Acrylsäure und N,N′-Methylenbisacrylamid untersucht. Daraus ergab sich eine zweckmäßige Elektronendosis von 125 kGy und eine Maschenweite des Gewebes von 70 μm. Um die Umwandlung der primären Radikale zu Hydroperoxiden zu nutzen, sollte eine Lagerzeit von 35 Tagen an Luft möglichst eingehalten werden. Die Pfropfpolymerisation mit lediglich einem Monomer konnte die Schwermetallionen-konzentration nur marginal senken. Deshalb wurden komplexbildende Seitengruppen mittels polymeranaloger Umsetzung über eine Iminbildungsreaktion mit Aminosäuren in das Material eingeführt. Als Ausgangspolymer zur polymeranalogen Reaktion wurde ein Pfropfpolymer aus Acrylsäure und Diacetonacrylamid verwendet, da es eine Keto-Seitengruppe zur Iminbildung beinhaltet. Ein guter Kompromiss zwischen Funktionsdichte des Ketons und einem praktikablem Pfropfgrad ergab sich ein Pfropfgrad von 230 Gew.-% für eine Monomerzusammensetzung von 40 mol % DAAD. Die polymeranaloge Umsetzung erfolgte mit 19 Aminosäuren. Die Abnahme des Gehalts an Schwermetallionen in einer wässrigen Lösung wurde für Hg2+, Cu2+, Ni2+ und Pb2+ nachgewiesen. Dabei konnte die stärkste Verringerung des Ionengehalts von 97 Gew.-% der Hg2+-Ionen mit L-Histidin erreicht werden. Die insgesamt größte Abnahme der Ionenkonzentration wies Taurin aufgrund der Sulfonsäure-Gruppe auf. Dabei zeigten die an das Gewebe gebundenen Aminosäuren verschiedene Affinitäten für Schwermetallionen aufgrund der unterschiedlichen Seitengruppen. Für die Adsorption der Ionen Pb2+ und Cu2+ an den vier Aminosäuren Glycin, Taurin, L-Leucin und L-Lysin wurde eine Kinetik pseudo zweiter Ordnung bestimmt. Daraus ergibt sich, dass die Ionen kovalent an das Gewebe gebunden werden – sie werden chemisorbiert. Analog zum Polyvinylidenfluorid-Gewebe wurde Polypropylen als Trägermaterial untersucht und erwies sich als vielversprechende nicht-fluorierte Alternative. Mit der Aminosäure L-Cystein wurde die Adsorptionskinetik für eine Kombination der Ionen Hg2+, Cu2+, Ni2+ und Pb2+ ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass es nach der initialen Beladung über einen Zeitraum von 2 bis 24 h zu einem Ionenaustausch kam, wobei Cu2+ bevorzugt adsorbiert wurde.Heavy metals and their ions are a burden on the environment and health in many parts of the world. They are hazardous when taken up via air, water or food, and have a toxicological impact. This work therefore aims to modify commercial poly(vinylidene fluoride) meshes with amino acids to adsorb heavy metal ions from aqueous solutions. The three-dimensional structure of a mesh e.g., enables its use as an adsorption matrix in pipelines. The polymer mesh was modified to create complex-forming groups in three steps: 1) Electron beam treatment to activate the base material 2) Modification by graft polymerisation 3) Introduction of amino acids by polymer analogous reaction Activation by electrons and graft polymerisation are strongly correlated and were investigated using the model system consisting of the monomers acrylic acid and N,N′-methylenebisacrylamide, resulting in an appropriate electron dose of 125 kGy and a mesh width of 70 μm. To utilise the conversion of primary radicals to hydroperoxides in an air atmosphere, the storage time should be at least 35 days. The use of just one monomer for the graft polymerisation reduced the concentration of heavy metal ions only marginally. Therefore, complex-forming functional groups were introduced into the material by means of a polymer analogous reaction via an imine formation with amino acids. A graft polymer of acrylic acid and diacetone acrylamide (DAAD) served as starting material, as it contains a keto group for the imine formation. A good compromise was achieved between the functional density of the ketone and a suitable degree of grafting of 230 wt.% for a monomer composition of 40 mol % DAAD. The polymer analogous reaction was carried out with 19 amino acids. Decrease in the content of heavy metal ions in an aqueous solution was demonstrated for Hg2+, Cu2+, Ni2+and Pb2+. The greatest reduction in ion content of 97 wt.-% was achieved with Hg²⁺ ions using L-histidine. Taurine exhibited the most significant overall decrease in ion concentration caused by its sulfonic acid group. Due to their different side groups, the amino acids bound to the mesh, showed different affinities for heavy metal ions. The adsorption kinetics of Pb²⁺ and Cu²⁺ were determined for the four amino acids glycine, taurine, L-leucine and L-lysine. It was shown that the kinetics are pseudo-second order, which indicates that the ions are covalently bound to the mesh via chemisorption. In analogy to the poly(vinylidene fluoride) mesh, polypropylene was investigated as a non-fluorinated alternative base material and proved to be a suitable and promising option. The adsorption kinetics for a combination of Hg2+, Cu2+, Ni2+and Pb2+ ions were determined using the amino acid L-cysteine. Following the initial loading, ion exchange occurred over a period of 2 – 24 hours, with Cu²⁺ being preferentially adsorbed
Development and integration of explainable machine learning models for predicting drilling parameters in a real-time simulation environment
Full text linkDer Kern dieser Arbeit basiert auf vier zentralen Zielsetzungen. Erstens liegt der Fokus auf der Entwicklung leistungsstarker, erklärbarer ML-Modelle zur Vorhersage von Parametern des Bohrprozesses. Zweitens wird eine Proof-of-Concept-Methodik sowie eine Systemarchitektur vorgeschlagen, um ML-Modelle in einen Software-Bohrsimulator zu integrieren und damit eine Echtzeit-Simulationsplattform zu schaffen, die ML-gestützt ist und sich flexibel für zukünftige Erweiterungen und zusätzliche Funktionalitäten eignet. Drittens werden die trainierten ML-Modelle innerhalb des Simulators unter realen Bedingungen getestet und bewertet, um deren Leistungsfähigkeit nachzuweisen. Schließlich wird ein Szenario vorgestellt, das aufzeigt, wie der ML-gestützte Software-Simulator in Zukunft durch zusätzliche Anwendungsfälle einen Mehrwert für die Simulation bietet. Die Arbeit beginnt mit der Sammlung von Bohrdaten und reicht bis zur Integration verschiedener ML-Modelle in einen vorhandenen Software-Simulator der Einrichtung Drilling Simulator Celle (DSC). Eine umfassende Literatur- und Branchenrecherche zu verschiedenen verfügbaren ML-Methoden, -Werkzeugen und -Techniken wurde durchgeführt und auf die aus unterschiedlichen Quellen erhobenen Bohrdaten angewandt. Zudem wird eine detaillierte Analyse der Daten und der einzelnen Phasen der Datenvorverarbeitung als Bestandteil der Forschung erläutert. Der fundamentale Teil der Arbeit konzentriert sich auf drei wesentliche Parameter des Bohrprozesses: Rate of Penetration (ROP), Equivalent Circulation Density (ECD) und Weight on Bit (WOB). Diese werden mithilfe von ML-Algorithmen vorhergesagt und auf eine Optimierung sowie Integration in den DSC-Software-Simulator (DrillSIM:600) ausgerichtet. Für jedes der drei Vorhersagemodelle, die jeweils einen spezifischen Bohrparameter adressieren, werden die relevanten Eingangsvariablen mittels Feature-Selection-Algorithmen und -Techniken ausgewählt. Anschließend werden ML-Algorithmen und Transferfunktionen zur Prozessoptimierung eingesetzt, um die prädiktiven Modelle zu trainieren. Diese Modelle werden mithilfe von Leistungskennzahlen bewertet, um ihre Effizienz und Kompetenz zu messen. Das jeweils am besten geeignete ML-Modell für jeden Bohrparameter wird ausgewählt und in den bestehenden Software-Simulator integriert. Die Integration dieser Modelle ist von entscheidender Bedeutung, da die Einbindung von ML in den Simulator einen präziseren, datengetriebenen Ansatz für Bohrprozesse ermöglicht. Traditionelle Methoden führen häufig zu Ineffizienzen oder operationellen Risiken, da sie komplexe Echtzeitbedingungen nicht ausreichend vorhersagen können. Die Einbettung von ML-Modellen macht den Simulator leistungsfähiger und trägt so zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Effizienz bei. Mit anderen Worten: Diese Integration ebnet den Weg für fortschrittlichere und intelligentere Bohrprozesse in der Zukunft. Der Simulator selbst stellt ein komplexes und herausragendes Werkzeug dar, das die implementierten Modelle durch Echtzeitsimulationen überprüft und validiert. Der Software-Simulator erzeugt Ergebnisse durch Simulationsläufe, die ausgewertet werden, um die Gültigkeit und Qualität der implementierten Modelle in Echtzeit zu beurteilen. Die Simulationsergebnisse sind ein leistungsstarkes Instrument zur Steuerung, Führung und Optimierung des gesamten Bohrprozesses.The core of the thesis is based on four key objectives. First, it focuses on the creation of explainable ML models with high performance to predict the parameters of the drilling process. Second, it proposes a proof-of-concept methodology and system architecture to integrate ML models within a software drilling simulator, creating a real-time, ML-assisted simulation platform that is flexible for future enhancements and additional capabilities. Third, the trained ML models are tested and evaluated within the simulator under real-world conditions concluding their performance. Finally, the thesis proposes a scenario of how the ML-assisted software simulator provides added value via additional use cases to the simulator in the future. The working starts from the accumulation of drilling data to the integration of various ML models into an available software simulator at the Drilling Simulator Celle (DSC) facility. Detailed literature and industry research about the various available ML methods, tools, and techniques are conducted and applied to the drilling data gathered from various sources. A detailed analysis of the data and phases of data pre-processing are also explained as part of the research. The fundamental part of the thesis comprises three parameters of the drilling process; rate of penetration (ROP), equivalent circulation density (ECD), and weight on bit (WOB), which are predicted via ML algorithms and targeted for optimization and integration in the DSC software simulator (DrillSIM:600). For each of the three prediction models targeting a specific drilling parameter, the relative inputs from the data are selected using feature selection algorithms and techniques. The ML algorithms and transfer functions for process optimization are used to train the predictive models which are then evaluated by performance metrics to measure their efficiency and competence. The best-suited ML model for each drilling parameter is selected and integrated into the existing software simulator. The integration of these models is critical because incorporating ML into the simulator provides a more precise and data-driven approach to drilling operations. Traditional methods often lead to inefficiencies or operational risks by falling short in predicting complex real-time conditions. The embedding of ML models makes the simulator more powerful thereby improving operational safety and efficiency. In other words, this integration will pave the way for more advanced and intelligent drilling operations in the future. The simulator itself is a complex and distinguished tool that concludes and validates the implemented models by running simulations in real-time. The software simulator produces results via simulation runs that are evaluated to assess the validity and quality of the implemented models in real-time. The simulation model outputs are a powerful tool to guide, steer, and optimize the overall drilling process
Development of new homo- and heterogeneous photocatalysts based on diquat
Full text linkDie Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charackterisierung neuer Photokatalysatoren für die organische Synthesechemie. Sowohl homogene als auch heterogene Systeme wurden betrachtet. Der größere erste Abschnitt behandelt metallfreie homogene Photokatalyse und konzentriert sich auf die Verwendung des 2,2’-Bipyridin-Herbizids Diquat als Strukturmotiv für katalytische Systeme. Er beginnt mit einer Diskussion von Donor-π-Akzeptor-Farbstoffen, in denen Diquat als Elektronenakzeptorgruppe fungiert. Eine Reihe solcher Farbstoffe wurde synthetisiert, und ihre Eigenschaften wurden charakterisiert und mit Ergebnissen von DFT-Rechnungen verglichen. Die katalytischen Fähigkeiten der Farbstoffe wurden untersucht, insbesondere in der aeroben Thiocyanierung von Indol- und Pyrrolderivaten mit sichtbarem Licht. Hier zeigten mehrere Farbstoffe gute Aktivität, und einer war dem etablierten Katalysator Rose Bengal ebenbürtig. Die Substratspanne der Reaktion wurde untersucht, und bisher literaturunbekannte Pyrrolderivate wurden synthetisiert. Der Mechanismus der Reaktion wurde untersucht, und die Erbegnisse stützen die Theorie, dass die Reaktion durch die Bildung eines Thiocyanylradikals als Elektrophil verläuft. Die Synthese von weiteren Katalysatoren wurde erforscht, einschließlich der Immobilisierung von Diquat-Katalysatoren auf graphenbasierten Trägermaterialien. Unterschiedliche Ansätze für Katalysatoren wurden diskutiert, insbesondere für Stabilitätsverbesserungen. Mehrere Syntheseansätze wurden erforscht, einschließlich 4,4’,6,6’-tetrasubstituierte 2,2’-Bipyridinium-Farbstoffe, “Neoquat”-Farbstoffe, in denen die Ethylbrücke durch eine 2,2-Dimethyl-prop-1,3-diylbrücke ersetzt wird, und diquatverwandte Farbstoffe auf der Basis von 4,4’,5,5’-Tetraaryl-2,2’- bisimidazoliumstrukturen. Diquathexafluorophosphat wurde auch als eigenständiger Photokatalysator untersucht, da es Elektron-Donor-Akzeptor-Komplexe bilden kann. Es wurde gezeigt, dass Diquat einen EDA-Komplex mit dem Thiocyanation formt und die aerobe Thiocyanierung von Indol katalysieren kann. Andere Verbindungen wurden als EDA-Komplexpartner für Diquat untersucht, einschließlich Tetrabutylammoniumsalze einiger Sulfonsäuren. Für mehrere dieser Verbindungen konnte die Bildung von EDA-Komplexen gezeigt werden, aber keine nützliche Reaktivität wurde gefunden. Der zweite Teil der Dissertation behandelt heterogene Photokatalyse. Eine Reihe von Verbundsmaterialien wurde aus Titandioxid und Graphenmaterialien über eine einfache Prozedur aus Mischen und Sintern hergestellt. Ein zweiter Satz an Materialien wurde durch Beimischen von Harnstoff vor dem Sintern hergestellt. Die Materialien wurden durch UV-vis-Spektroskopie und SEM-Bilder charakterisiert, und ihre katalytischen Eigenschaften in der photogestützten Pinakolkupplung von Benzaldehyd wurden untersucht.The presented work describes forays in the development of new photocatalysts for the use in organic synthesis. As part of this, both homogeneous and heterogeneous photocatalysts have been prepared, characterized, and their use in light-driven reactions examined. The first and primary section of the thesis concerns metal-free homogeneous photocatalysis, and focuses on the use of the 2,2’-bipyridine-derived herbicide diquat as a structural moiety for catalytic systems. It begins with design considerations for donor-π-acceptor dyes in which the diquat moiety acts as electron acceptor. A series of dyes were prepared, their properties were examined and compared to predictions based on DFT-calculations. Their catalytic abilities were examined, particularly in the visible-light-driven aerobic thiocyanation of indoles and pyrroles. Several catalysts showed photocatalytic activity, with one matching established catalysts in performance for the reaction. The substrate scope of the reaction was explored, and previously unreported pyrrole-derivates were synthesized. The mechanism was also investigated, supporting the theory that the reaction proceeds through formation of a thiocyanate radical as electrophile. Next, the synthesis of further catalysts was explored, including attempts at immobilizing catalysts on graphene support materials. Different molecular design approaches for diquat-based photocatalysts were discussed, particularly in regards to the stability of the moiety. Synthetic approaches at several compounds were made, including 4,4’,6,6’-tetrasubstituted 2,2’-bipyridinium-dyes, “neoquat”-dyes in which the bridging ethyl-group of diquat was replaced with a 2,2-dimethyl-prop-1,3-diyl bridge, as well as diquat-related dyes based on 4,4’,5,5’-tetraaryl-2,2’-bisimidazolium structures. Diquat hexafluorophosphate was investigated as a standalone photocatalyst as well, due to its ability to form electron-donor-acceptor-complexes. Diquat was shown to form an EDA-complex with the thiocyanate ion and was able to catalyze the visible-light-driven thiocyanation of indoles. Other compounds were explored for the formation of an EDA-complex with diquat, including tetrabutylammonium salts of sulfonic acids. However, while formation of EDA-complexes could be detected for some compounds, no useful reactivity was observed in subsequent reactions. The second section of the thesis concerns heterogeneous photocatalysis. A series of compound materials was prepared from titanium dioxide and graphene materials by a simple mixing procedure, followed by sintering in an oven. A second set of materials was prepared by adding urea during the mixing procedure before sintering. The materials were characterized by UV-vis spectroscopy and SEM-imaging, and their catalytic activity was investigated with the photoassisted pinacol-coupling of benzaldehyde