Clausthal University of Technology
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Flotation künstlicher Mineralphasen am Beispiel der Kupferrückgewinnung aus Rostaschen der Abfallverbrennung
Full text linkDie Dissertation beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Rückgewinnung von Kupfer aus Feinfraktionen (<2 mm) der Rostaschen aus Abfallverbrennungsanlagen mittels Flotation. Die Untersuchungen sollen dabei auch exemplarisch die Herausforderungen bei der Flotation künstlicher Mineralphasen in (Prozess-)Rückständen veranschaulichen. Zu Beginn der Untersuchungen wurde zunächst eine ausführliche chemische und mineralogische Charakterisierung der Aschen durchgeführt. In allen Proben weist der Kupfergehalt Konzentrationen um 0,3% auf und ist damit vergleichbar mit niedrig konzentrierten abbauwürdigen Erzen. Kupferoxide und Kupfersulfide sind die wichtigsten Kupferphasen, die identifiziert werden konnten. Insbesondere die komplexe Matrix erschwert die Entwicklung eines Flotationsverfahrens für die Aschen, so verhindert der hohe Anteil an Calciumphasen wie Calcit und Anhydrit eine sinnvolle Regulation des pH-Wertes. Aufgrund der hohen Komplexität der Aschen wurden zunächst Flotationsuntersuchungen an Einzelmineralen und stark vereinfachten Mischungen durchgeführt. Zunächst erfolgte ein Sammlerscreening in einer Hallimondtube, gefolgt von detaillierten Untersuchungen an ausgewählten Sammlern. Außerdem wurden Flotationsversuche mit einzelnen Matrixkomponenten in einer mechanischen Laborflotationszelle durchgeführt. Im Anschluss sind Versuche mit den vielversprechendsten Sammlern an synthetischen Matrixsystemen und eine Übertragung auf die reale Asche unter Verwendung verschiedener Drücker durchgeführt worden. Das Sammlerscreening zeigte, dass einige der getesteten Thioharnstoff-, Thiophosphat- und Thiocarbamat-basierten Sammler für die Flotation der Asche geeignet sein könnten. Aufgrund der Effekte, die durch die Bestandteile der Matrix, insbesondere Gips und Zement, verursacht werden, scheint die Verwendung von Drückern notwendig zu sein. Auf der Grundlage der Untersuchungen erwies sich Cytec AERO MX-5160 , der aus Thiophosphaten und -carbamaten besteht, in Kombination mit Carboxymethylcellulse (CMC) als Drücker, als der am besten geeigneten Sammler für die Kupferrückgewinnung. Bei der Übertragung auf die reale Asche konnte eine Kupferanreicherung von 13,76 erreicht und somit die Ergebnisse aus Vorheringen Untersuchungen übertroffen werden Die Untersuchungen zeigten die große Herausforderung bei der Entwicklung von Flotationsverfahren für künstliche Mineralphasen aufgrund der hohen Komplexität und nicht sicher bekannten Genese. Die Arbeit zeigt aber auch mögliche Wege für den Umgang mit diesen komplexen Systemen, zum Beispiel durch den Einsatz vereinfachter synthetischer Achsensysteme, auf, die auch bei zukünftigen Untersuchungen zum Einsatz kommen könnten.The thesis deals with investigations on the recovery of copper from fine fractions (<2 mm) of bottom ash from waste incineration plants through flotation. The investigations are also intended to illustrate the challenges involved in the flotation of artificial mineral phases in (process) residues. At the beginning of the investigations, a detailed chemical and mineralogical characterization of the ashes was carried out. In all samples, the copper content is around 0.3%, which is comparable to low-grade ores suitable for mining. Copper oxides and copper sulfides are the most important copper phases that could be identified. The complex matrix in particular makes it difficult to develop a flotation process for the ashes, as the high proportion of calcium phases such as calcite and anhydrite prevents meaningful regulation of the pH value. Due to the high complexity of the ashes, flotation investigations were first carried out on individual minerals and greatly simplified mixtures. First, collector screening was carried out in a Hallimond tube, followed by detailed investigations of selected collectors. In addition, flotation tests were carried out with individual matrix components in a mechanical laboratory flotation cell. Subsequently, tests were carried out with the most promising collectors on synthetic matrix systems and a transfer to the real ash using various depressants. The collector screening showed that some of the tested thiourea, thiophosphate, and thiocarbamate-based collectors could be suitable for the flotation of the ash. Due to the effects caused by the components of the matrix, in particular gypsum and cement, the use of depressants appears to be necessary. Based on the investigations, Cytec AERO MX-5160, which consists of thiophosphates and carbamates, in combination with carboxymethylcellulose (CMC) as a depressant, proved to be the most suitable collector for copper recovery. When transferred to real ash, a copper enrichment of 13.76 was achieved, thus exceeding the results of previous investigations. The investigations showed the great challenge in developing flotation processes for artificial mineral phases due to their high complexity and uncertain genesis. However, the work also shows possible ways of dealing with these complex systems, for example through the use of simplified synthetic axis systems, which could also be used in future investigations
Towards reliable and high-frequency ultra-wideband ranging in agile swarms of micro aerial drones
Full text linkHighly agile drone swarms operating without GNSS require both high-frequency and reliable distance measurements to coordinate complex maneuvers and prevent collisions. Ultra- Wideband radios uniquely act as sensors by leveraging communication to provide centimeter-accurate localization information while simultaneously serving as a wireless medium for data exchange. However, today’s approaches to UWB swarm ranging do not provide sufficient update rates and the scalability required for complex maneuvers in large swarms. This paper presents a medium access control protocol designed for high-frequency and reliable distance measurements in highly mobile environments. Designed for mobile ad-hoc networks, it does not require static infrastructure and builds on the scalability of Many-to-Many ranging and precise time synchronization based on Glossy. Our evaluation on two testbeds shows that our proposed MAC achieves high update rates with up to 30 Hz per neighbor in a dense environment of 13 nodes
Bit depth in energy consumption: comparing 32-bit and 64-bit operating system architectures in Raspberry Pi systems
Full text linkThis study examines the power consumption characteristics of Raspberry Pi development boards with different architectural and operating system configurations in various scenarios. In the experimental studies, four different test scenarios were applied on Raspberry Pi 4B and Raspberry Pi Zero 2 W hardware using both 32-bit and 64-bit Raspberry Pi operating systems: system idle state, operation under processor load (stress), photo capture with the camera module, and system startup (boot). Each test was conducted in two separate configurations: with the GUI active and inactive. When the GUI is active, the Raspberry Pi Zero 2 W hardware has shown lower power consumption with a 32-bit operating system, except when idle. When the GUI is inactive, nearly equivalent results in terms of power consumption have been obtained between 32-bit and 64-bit operating system architectures. On the other hand, the Raspberry Pi 4B hardware has shown higher power consumption than the Raspberry Pi Zero 2 W in all scenarios; in operating system-based comparisons on the Raspberry Pi 4B, conflicting results have been observed between 32-bit and 64-bit operating system architectures. These findings emphasize that hardware and software architecture choices are critical for energy efficiency in embedded systems and IoT applications with energy constraints
Synthesis and characterization of organic redox-active molecules for pH-neutral aqueous flow batteries
Full text linkFlussbatterien (FBs) sind eine Art von Sekundärbatterien, bei denen die Energie in redox-aktiven Molekülen gespeichert wird, die in flüssigen Elektrolyten gelöst sind. In einer FB sind Leistung und Energiekapazität unabhängig voneinander, und dieses entscheidende Merkmal macht die Technologie für mittel- und großflächige Energiespeicher attraktiv. Diese Dissertation untersucht neue organische redox-aktive Moleküle (ORAMs) für pH-neutrale FB-Anwendungen. In diesem Rahmen wurden neue negative Elektrolyte (Negolyten) und positive Elektrolyte (Posolyten) synthetisiert und charakterisiert. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf Viologenderivate. Ziel waren tetrakationische Viologene, insbesondere Viologene mit zusätzlich geladenen Gruppen. Zunächst wurde ein Screening durchgeführt, um die ideale Abstandslänge zwischen der Viologen-Kernstruktur und der zusätzlich geladenen Gruppe zu ermitteln. Danach wurde die Verwendung von bifunktionellen Aminoalkoholen (z.B. Dimethylaminoethanol) als zusätzlich geladene Gruppen getestet, wobei dies die besten Ergebnisse lieferte. Daher wurde der Begriff "hydroxyliertes tetrakationisches Viologen" geprägt. DFT-Berechnungen wurden ebenfalls durchgeführt, um mehr Einblicke in die Rolle der Hydroxylgruppen zu gewinnen. Bezüglich der Posolyten wurde zunächst Ferrocen als Grundgerüst verwendet und einige Derivate wurden entworfen. Carbazol wurde als potenzielles Gerüst aufgrund der seltenen Berichte in der Literatur über seine Verwendung in AOFBs untersucht. Sowohl negativ als auch positiv geladene Gruppen wurden geprüft, um die Zielverbindungen wasserlöslich zu machen. Neben Carbazol wurde Triphenylamin als vielversprechendes Grundgerüst ausgewählt, um neue Posolyten zu erzeugen. Umfangreiche Synthesearbeiten wurden für neue auf Triphenylamin basierende Derivate durchgeführt und Zyklovoltammetrie (CV) wurde verwendet, um die Moleküle für die beabsichtigten Anwendungen zu bewerten. Darüber hinaus wurde, durch das Wissen aus dem ersten Teil dieser Arbeit unterstützt, ein neues Konzept für bipolar Moleküle entwickelt, indem Triphenylamin über die Zincke-Reaktion an Viologenderivate gebunden wurde. Andere mögliche Negolyt-Strukturen wie Naphthalintetracarbonsäure-Dianhydrid, 1,8-Naphthalinsäureanhydrid und Triazin wurden ebenfalls untersucht. Der letzte Abschnitt dieser Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung von Flusszellen mit einem Modellsystem, nämlich einem ausgewählten hydroxylierten tetrakationischen Viologen und FcNCl. α-Cyclodextrin wurde verwendet, um den Effekt eines molekularen Wirts auf das Modellsystem sowohl hinsichtlich der CV als auch der Zellleistung, z.B. der Kapazitätsabnahme, zu evaluieren. Schließlich wurde ein Membranscreening zwischen kommerziell erhältlichen Membranen und eine maßgeschneiderten Membran durchgeführt und die Ergebnisse hinsichtlich Effizienz und Membranedurchlässigkeit aktiver Spezies diskutiert.Flow batteries (Fbs) are a type of secondary battery in which the energy is stored within redox-active molecules dissolved in liquid electrolytes. In a FB power and energy capacity are independent and this key feature makes the technology appealing for medium and large-scale energy storage. This thesis investigates new organic redox-active molecules (ORAMs) for pH-neutral FB applications. Within this scope, new negative electrolytes (negolytes) and positive electrolytes (posolytes) have been synthesized and characterized. The first part of this work focuses on viologen derivatives. Tetracationic viologens were targeted, namely viologens bearing additionally charged groups. First, a screening was conducted to assess the ideal spacer length between the viologen core structure and the additionally charged group. Then, as additionally charged groups, the use of bifunctional amino alcohols (e.g., dimethylaminoethanol) gave the best results. Hence the term hydroxylated tetracationic viologen was coined. DFT calculations were also conducted to gain more insights into the role of the hydroxyl groups. In terms of posolytes, initially, ferrocene was used as a scaffold and a few derivatives were designed. Carbazole was next evaluated as a potential scaffold due to the scarcity of reports concerning its use for AOFBs. Both negative and positively charged groups were screened to make the target compounds water-soluble. Next to carbazole, triphenylamine was chosen as a promising scaffold to yield new posolytes. Extensive design and synthesis were conducted for new triphenylamine-based derivatives, and cyclic voltammetry (CV) was used to assess the feasibility of the latter for the intended applications. In addition, facilitated by the knowledge built in the first part of this work, a new bipolar molecule concept was developed by tethering triphenylamine to viologen derivatives via the Zincke reaction. Other possible negolyte moieties were also screened, such as naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 1,8-naphthalic anhydride and triazine. The last section of this thesis focuses on flow cell testing with a model system, namely a selected hydroxylated tetracationic viologen and FcNCl. α-Cyclodextrin was used to evaluate the effect of a molecular spectator on the model system both in terms of CV and cell performance, e.g., capacity fade rate. Finally, a membrane screening between commercially available membranes and a tailor-made example was conducted and the results are discussed in terms of efficiencies and crossover of active specie
Gas absorption and the directional development of mechanical properties of copper alloys produced by GMAW-WAAM
Full text linkWire Arc Additive Manufacturing (WAAM) offers considerable potential for the production of large-volume components due to the high deposition rate compared to laser-based processes. In the present study, the WAAM technique (also known as DED-Arc/M) was applied to the copper alloys CuSi3Mn1, CuAg1, CuSn6P, CuSn12P and CuSn1MnSi. In order to determine the absorption of gases such as oxygen and hydrogen during the process, samples of the initial wires and the additively manufactured walls were examined using melt extraction analysis. A significant increase in the oxygen content was detected after production. In order to gain insight into the solidification behavior of the alloys during this process, metallographic examinations of the microstructures were made. Tensile tests were carried out in three different orientations (0°, 45°, 90°) relative to the welding direction to mechanically characterize the additively manufactured components. Despite the directional microstructure, the results show close to isotropic behavior with alloy-dependent differences
FlexHyBat: Leichtbau-Fahrzeugbodengruppe für leichte Nutzfahrzeuge auf Basis 3D-rollgeformter Profile
Full text linkDas Verbundvorhaben “FlexHyBat" wurde vom BMWK zwischen 2020-2023 gefördert und war eine Kooperation der folgenden Partner: EDAG Engineering GmbH, BILSTEIN GmbH & Co. KG, Cloos Schweißtechnik GmbH, data M Sheet Metal Solutions GmbH, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) und Protomaster GmbH. Es wurde eine Bodengruppe für leichte Nutzfahrzeuge konzeptioniert, die aus einem konventionellen Leiterrahmen aus Profilen und Stanzteilen in gewichtsoptimierte Leichtbauvarianten überführt wurde. Mit Hilfe von lastgerecht gestalteten 3D-Walzprofilen und höherfesten Stählen konnte trotz eines deutlich erhöhten zulässigen Gesamtgewichts auf 4,25 t sowie einer vergrößerten Nutzlast von ca. 30% das Chassis-Gewicht von 203 kg (Referenz) auf 159 kg (BEV-Kasten) bzw. auf 166 kg (FCEV Kasten) sowie von 244 kg (Referenz) auf 207 kg (FCEV-Kabine) reduziert werden. Die variantenintensive Leichtbau-Fahrzeugbodengruppe bildet unterschiedliche Fahrzeugderivate und Radstände ab. Das Konzept ist auf Nutzfahrzeuge bis 7,5 t übertragbar
In-silico modeling of induction heating of hip endoprostheses for facilitated intentional removal
Full text linkIn OECD countries, infections and loosening are the main reasons for revision surgeries in total hip arthroplasties (THA), accounting for about 10% of all THA procedures. The traditional method for implant removal is purely mechanical, involving chiseling and grinding to remove bone cement, which subjects the surrounding tissue to significant stress and poses a high risk of femoral fractures. A novel approach to tissue-conserving hip arthroplasty removal is the use of induction heating to weaken the interface between metallic implants and bone cement. An alternating electromagnetic field is applied transcutaneously, heating the implant's surface. For cemented arthroplasties, this heat softens the thermoplastic bone cement, releasing the metallic implant and allowing the cement to detach from the bone, facilitating removal. Precise control of the heat input and its duration are essential to minimize thermal damage to surrounding tissues. To predict the surface temperatures resulting from inductive heating of the paramagnetic implant material Co-28Cr-6Mo, an in-silico model was developed using Ansys Mechanical. This model will assist in designing inductors and heating strategies for precise and homogeneous heating at the implant-to-bone-cement interface. For this model, electromagnetic and thermal properties of the metallic implants were characterized, measuring thermal conduction coefficients and specific heat capacities
Investigations into the generation of a unidirectional flow pattern by ultra-short pulse laser machining
Full text linkThis paper presents the initial findings of the investigation into the creation of a unidirectional flow pattern for precise control of flow dynamics. A three-step method was developed to test patterns for their dynamics based on the change in surface chemistry that results from direct processing of steel surfaces using ultrashort pulse lasers. In the initial phase of the process, the steel surfaces intended for processing were ablated with the corresponding patterns using an ultrashort pulse laser. Subsequently, molds were created using silicone. Finally, the structure was molded using a photopolymer. The initial successful patterns were identified as a function of the channel widths especially at a 200μm channel width, exhibiting predominantly unidirectional behavior. However, due to the absence of a clear trend in the patterns and especially the channel widths with respect to the flow direction, it is necessary to consider other external factors. Nevertheless, the preliminary results demonstrate significant potential for further investigation