Ein Beispiel aus der chemischen Produktion stellt die Übertragung der Epoxidierung von Sojaöl vom FedBatch-Prozess zu einer kontinuierlichen mikroverfahrenstechnischen Prozessführung bei erhöhten Temperaturen dar. Epoxidiertes Sojaöl wird vor allem als Weichmacher in Produkten aus Polyvinylchlorid verwendet und ersetzt so Phthalate. Im Rahmen des europäischen Verbundprojektes CoPIRIDE sollte ein bestehendes Produktionsverfahren für epoxidiertes Sojaöl des italienischen Produzenten Mythen S.p.A. optimiert werden. Die Jahresproduktion an epoxidiertem Sojaöl am Standort belief sich auf 15.000 t. Das Unternehmen versprach sich von dem Transfer des bestehenden Fed-Batch-Prozesses eine Reduktion der Produktionskosten, kürzere Reaktionszeiten sowie verbesserte Produktausbeuten mit konstanterer Produktqualität. Zur Entscheidungsunterstützung während der Prozessentwicklung wurden eine Reihe alternativer Prozessbedingungen ökobilanziell miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass, ausgehend vom Fed-Batch-Referenzprozess A, die Mehrzahl der betrachteten Alternativszenarien zu höheren Umweltauswirkungen führen würden. Insbesondere Verluste in der Ausbeute (durch kürzere Verweilzeiten im Mikroreaktor), aber auch ein höherer Bedarf an den Edukten Wasserstoffperoxid und Ameisensäure bei gleichbleibender Ausbeute (90 % im Falle des Fed-Batch-Prozesses) infolge einer beschleunigten Zersetzung bei harsche Prozessbedingungen (auch als „neue Prozessfenster“ oder Englisch als Novel Process Windows (NPW) Bedingungen bezeichnet) wirkten sich hier nachteilig aus. Die Ergebnisse der Ökobilanzierung zeigten somit bereits in einer frühen Phase des Prozessdesigns, dass eine mikroreaktionstechnische Anlage zwar potenziell dem etablierten industriellen Prozess überlegen sein kann, hierzu jedoch noch weitere Entwicklungsarbeiten und eine Reduktion des Eduktbedarfes erforderlich sind. Vor allem die beschleunigte Zersetzung des Reagenzes Wasserstoffperoxid unter harschen Prozessbedingungen im Mikrostrukturreaktor erwies sich als kritisch. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde eine zweistufige Synthesesequenz entwickelt. Der stark exotherme Beginn der Reaktion wurde im Mikroreaktor durchgeführt, wobei innerhalb von nur zwei Minuten Ausbeuten von bis zu 35 % erreicht werden. Dem schließt sich eine weitere Synthesestufe mit erneuter Zugabe des Oxidationsmittels, jedoch bei längerer Verweilzeit der Reaktionskomponenten im Reaktor, an. Durch diese Prozessoptimierung konnten gegenüber dem Batch-Prozess eine deutliche Verringerung der Gesamtprozesszeit und ein sparsamerer Umgang mit dem Reagenz Wasserstoffperoxid erreicht werden. Die ebenfalls durchgeführte Lebenszykluskostenbetrachtung zeigte, dass auch im Falle der Realisierung des Best Case Szenarios N aufgrund des vergleichsweise hohen Einflusses der Materialkosten keine merkliche Erhöhung der Ökoeffizienz (Ergebnis aus ökologischer und ökonomischer Bewertung) zu erwarten ist. Mit der kontinuierlichen Prozessführung geht jedoch im Falle einer Produktion im industriellen Maßstab ein höherer Automatisierungsgrad sowie eine Verkürzung der insgesamt benötigten Prozesszeit einher.
Das Projekt "Teilprojekt 3: Schadstofftransport und ENA" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Kiel, Institut für Geowissenschaften, Lehrstuhl für Angewandte Geologie durchgeführt. Bisherige Untersuchungen zum natürlichen Schadstoffabbau im Grundwasser konzentrieren sich v.a. auf die Schadstofffahne. Es zeigt sich jedoch, dass wichtige Größen wie Fahnenausbreitung, die zeitliche Dauer der GW-kontamination, wie auch die Abbauraten selbst nur durch das zeitlich-dynamische Verhalten der Emission aus der Quelle verstanden werden können. Diese Grundlagen zu erarbeiten ist Ziel des BEOQUE-Projektes. Die Univ. Kiel ist dabei für geochemische Untersuchungen im Labor- und Feldmaßstab und numerische Modellierungen bei Quellensanierungsmaßnahmen und unterstützenden ENA-Maßnahmen verantwortlich. - Erfassung/Bilanzierung der Redoxprozesse in der Quelle vor, während und nach der Quellensanierung.- Untersuchung der Wirksamkeit von in-situ ENA Maßnahme in Quelle und Fahne mittels Tracer- und Säulenversuchen, um den Bedarf an Oxidationsmitteln und die Wirksamkeit von sulfatfreisetzenden PRBs (z.B. Gips) bzgl. des Benzolabbau zu ermitteln. Die Ergebnisse der Teiluntersuchungen fließen in das optimierte Gesamtkonzept für den Standort Zeitz mit ein, für den verhältnismäßige Sanierungsziele bzgl. einer Quellensanierung und deren Auswirkung auf die Fahne abgeleitet werden sollen.
Das Projekt "Bildung und Oxidation von Russ" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe, Institut für Chemische Technik durchgeführt. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe kommt es unter lokal brennstoffreichen Bedingungen zur Bildung von Russ. Unter dem Aspekt moeglichst guter Energieausnutzung bei Verbrennungsprozessen muss die Emission von Russpartikel vermieden werden. Hierzu ist eine genaue Kenntnis der bei der Russbildung und -oxidation beteiligten physikalischen und chemischen Prozesse notwendig. Zur numerischen Simulation der Bildung und Oxidation von Russ in turbulenten Verbrennungssystemen muessen Vereinfachungen gelten, die den numerischen Aufwand in Grenzen halten. Eine solche Moeglichkeit bietet der Flamelet- Ansatz. Dabei werden die Russbildung und -oxidation unter der Annahme sehr schneller chemischer Reaktionen an die Vermischung von Brennstoff und Oxidans gekoppelt. Im vergangenen Forschungszeitraum konnten mit Hilfe dieses Ansatzes die Temperaturen und Russkonzentrationen in einer laminaren Diffusionsflamme vorausberechnet werden. Ein Ziel des Fortsetzungsantrags ist, die in diesen Rechnungen gewonnenen Kenntnisse auf turbulente Diffusionsflammen zu uebertragen, wobei ein Hauptaugenmerk auf der Entwicklung eines geeigneten Turbulenzmodells liegt. Zur Entwicklung von Modellen zur Russbildung und -oxidation in laminaren Diffusionsflammen muessen fuer deren Validierung Experimente durchgefuehrt werden. Solche Experimente muessen oertlich und zeitlich aufgeloeste Informationen ueber Russkonzentrationen und Teilchenzahldichten liefern. Eine Moeglichkeit diese Groessen zu erhalten, bieten die Techniken der laserinduzierten Inkandeszenz (LII) bzw. der laserinduzierten C2-Fluoreszenz (LIF-C2) in Kombination mit Rayleigh-Streulichtmessungen. Deshalb wurden im vergangenen Forschungszeitraum die laserinduzierte Inkandeszenz und die nicht-resonante laserinduzierte C2-Fluoreszenz naeher untersucht. Dabei konnte durch Vergleich der berechneten LII- bzw. LIF-C2-Signale mit LII-Messungen festgestellt werden, dass eine Aenderung in der Russpartikelstruktur Einfluss nimmt auf die LII-Signale. Ein Ziel des Forschungsvorhabens ist daher, zu untersuchen, welchen Einfluss diese Veraenderung in der Teilchenstruktur auf die C2-Fluoreszenz hat. Hierbei soll die Anregung der C2-Fluoreszenz resonant erfolgen. Anschliessend soll diese Technik in Kombination mit Rayleighstreulichtexperimenten zur Bestimmung von Russkonzentrationen, Teilchenzahldichten und Partikelradien ueber ein zweidimensionales Feld in nicht-vorgemischten, laminaren und turbulenten Diffusionsflammen herangezogen werden.
Das Projekt "Sub project: Electron transfer reactions at iron mineral surfaces in the presence of organic sorbates" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften - Umweltmineralogie und Umweltchemie durchgeführt. Redox reactions at iron mineral surfaces play an important role in determining the overall biogeochemical milieu in anoxic groundwater systems. Previous studies have shown that oxidation of sorbed ferrous iron at mineral phases may cause remodelling of the mineralwater interphase and thus may affect electron transfer processes in anoxic aquifers. In the first funding period, we studied in detail how and at which conditions oxidation of ferrous iron at mineral surfaces affects electron transfer processes. Using carbon tetrachloride (CCl4) as model oxidant, we could further demonstrate, that the proposed reactive tracer approach, which is based on changes of the stable isotopic composition of model oxidants, could be successfully applied to characterize the surface reactivity and dynamics of surface bound Fe(II) species at iron(III)hydroxides. Up to date, process based studies on surface mediated transformation of redox active solutes in iron mineral systems have been conducted primarily in model systems devoid of natural organic matter. In natural systems, however, mineral surfaces are inevitably in contact with OM. Sorbed DOM is likely to affect heterogeneous electron transfer processes due to its interactions with iron both in aqueous solution and at the mineral surface. On one hand, DOM sorption at iron hydroxides may interfere with the formation of reactive Fe(II) surface sites. On the other hand, DOM contain redox active quinone moieties and may act as a mediator enhancing the electron-transfer across the mineral surface. In this follow-up project we propose to investigate the effects of various organic sorbates such as redox-inert organic acids as well as redox-active quinones, humic substances and DOM on electron transfer reactions at iron mineral surfaces. Furthermore, we will investigate the effects of sulfide as additional redox active natural component on DOM-iron interfacial redox processes.
Das Projekt "D02, F03, D06: Schwarzer Kohlenstoff in Böden und Sedimenten als Indikator für Mensch-Umwelt-Indikatoren in den letzten 190.000 Jahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), Bereich Bodenwissenschaften, Allgemeine Bodenkunde und Bodenökologie durchgeführt. Klima-, Vegetations- und Landnutzungsänderungen im Zuge der Menschheitsentwicklung wurden häufig von regionalen Bränden begleitet. In der Folge blieb 'Black Carbon' (BC) zurück. Ziel des Projektes ist es, BC im Boden als Marker für Brandereignisse der letzten 190.000 Jahre zu nutzen. Hierzu werden wir mittels sequenzieller Oxidation und mittels Biomarker-, Isotopen- und infrarotspektroskopischen (MIR) Analysen erforschen, (1) welche Brandbedingungen aus BC-Analysen abzuleiten sind, (2) wie alt BC in Böden und Sedimenten ist und (3) unter welchen Bedingungen (Klima, Vegetation, Landnutzung) Brände am häufigsten waren.
Das Projekt "Teilvorhaben: POLO IBC Solarzellen mit PECVD poly-Si durch Schattenmasken und mit HCl/O3 Reinigung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Solarenergieforschung GmbH durchgeführt. Das ISFH Teilvorhaben des POPEI-Projektes hat das Ziel, ein industriell produzierbares, extrem kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact) auf Basis Gallium (Ga) dotierter Siliziumwafer, lokaler Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) Abscheidung von selektiven poly-Si Kontakten sowie neuartigen Reinigungen zu entwickeln. Dafür entwickelt der ASt eine sehr kurze Prozesssequenz, welche die direkte lokale PECVD SiO2/n-poly-Silizium (Si) Abscheidung durch Schattenmasken verwendet. Im Erfolgsfall kann dadurch eine aufwändige Strukturierung des poly-Si z.B. mittels Diffusion / Oxidation, Oxidablation und Kaliumhydroxid (KOH) Ätze eingespart werden, was den IBC-Prozess wesentlich kostengünstiger und im Optimalfall sogar kürzer als den PERC+ (Passivated Emitter and Rear Cell) Industrieprozess gestaltet. Im Erfolgsfall des ISFH Teilvorhabens sind damit erstmals IBC Zellen produzierbar mit geringeren Herstellkosten als heutige Mainstream PERC+ Solarzellen. Gleichzeitig wird bei dem IBC2 Konzept der wirkungsgradlimitierende Phosphor-Emitter der PERC+ Zelle durch n-poly-Si Kontakte ersetzt, welches in Kombination mit HCl/O3 Reinigung (Salzsäure/Ozon) laut Simulationen das Wirkungsgradpotential der Zelle auf über 25% erhöht. Aufgrund der mit zwei Jahren sehr kurzen POPEI Projektlaufzeit wird zunächst der Nachweis der Machbarkeit der IBC2 angestrebt. Das ISFH erstellt neue Layouts für Glasschattenmasken, die von LPKF hergestellt werden und nachfolgend am ISFH und bei Centrotherm für den Einsatz der lokalen PECVD poly-Si Abscheidung für IBC Solarzellen evaluiert werden. Zudem entwickelt das ISFH gemeinsam mit RENA neue HCl/O3 basierte Reinigungsverfahren.
Das Projekt "Teilprojekt 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von UMEX GmbH Dresden durchgeführt. Die PEPcat-Technologie soll durch Nutzung natürlicher Energiequellen (Sonnenlicht) eine energieeffiziente Nachbehandlung von Kläranlagenabläufen ermöglichen. Zudem wird ein integrierter Wasserwiedernutzungsansatz untersucht, der die energieeffiziente weitergehende Elimination organischer Restverschmutzungen erst ermöglicht. Diese organischen Schadstoffe werden in der konventionellen Abwasserreinigung nicht oder unzureichend entfernt. Hier können die Adsorption an Aktivkohle oder die Oxidation mit Ozon (spezifische Reaktion mit Doppelbindungen) oder Erweiterte Oxidationsprozesse (engl. AOP, unspezifische Mineralisierung der Organik) eingesetzt werden. Die bekannten AOP sind durch Nutzung des UV-Lichts äußerst energieintensiv, oder weisen geringe Wirkungsgrade auf. Hier setzt PEPcat mit der plasmonisch verstärkten Photokatalyse an Edelmetall-Nanoantennen an. Die Hauptvorteile von PEPcat sind: 1.) Reduktion des Energiebedarfs durch Senkung der sog. Bandlücke von TiO2 und somit verbesserter Katalyse 2.) Direkter Elektronentransfer aus den Nanoantennen 3.) Erhöhung der Hydroxylradikalausbeute 4.) Bessere Ausnutzung des Lichts durch Verschiebung des nutzbaren Anteils des Lichtes vom UV-Bereich in den sichtbaren Bereich Im Projekt wird sowohl die Nutzung mit Sonnenlicht als Niedrigenergielösung, als auch die Nutzung mit starken Lichtquellen (e.g. Quecksilbermitteldruckstrahlern) untersucht. Die Technologie wird dabei vom Labormaßstab in die Halbtechnik übertragen und auf Kläranlagen in Aachen (Deutschland) und in Beijing (China) zur Anwendung kommen. Die Produktion der plasmonisch verstärkten Photokatalysatoren wird bis in den industriellen Pilotmaßstab skaliert. So stehen nach Projektende fundierte Aussagen über die Wirksamkeit, die Umsetzbarkeit und die Kosten der Technologie zur Verfügung.
Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung, AMO GmbH durchgeführt. Die PEPcat-Technologie soll durch Nutzung natürlicher Energiequellen (Sonnenlicht) eine energieeffiziente Nachbehandlung von Kläranlagenabläufen ermöglichen. Zudem wird ein integrierter Wasserwiedernutzungsansatz untersucht, der die energieeffiziente weitergehende Elimination organischer Restverschmutzungen erst ermöglicht. Diese organischen Schadstoffe werden in der konventionellen Abwasserreinigung nicht oder unzureichend entfernt. Hier können die Adsorption an Aktivkohle oder die Oxidation mit Ozon (spezifische Reaktion mit Doppelbindungen) oder Erweiterte Oxidationsprozesse (engl. AOP, unspezifische Mineralisierung der Organik) eingesetzt werden. Die bekannten AOP sind durch Nutzung des UV-Lichts äußerst energieintensiv, oder weisen geringe Wirkungsgrade auf. Hier setzt PEPcat mit der plasmonisch verstärkten Photokatalyse an Edelmetall-Nanoantennen an. Die Hauptvorteile von PEPcat sind: 1.) Reduktion des Energiebedarfs durch Senkung der sog. Bandlücke von TiO2 und somit verbesserter Katalyse 2.) Direkter Elektronentransfer aus den Nanoantennen 3.) Erhöhung der Hydroxylradikalausbeute 4.) Bessere Ausnutzung des Lichts durch Verschiebung des nutzbaren Anteils des Lichtes vom UV-Bereich in den sichtbaren Bereich Im Projekt wird sowohl die Nutzung mit Sonnenlicht als Niedrigenergielösung, als auch die Nutzung mit starken Lichtquellen (e.g. Quecksilbermitteldruckstrahlern) untersucht. Die Technologie wird dabei vom Labormaßstab in die Halbtechnik übertragen und auf Kläranlagen in Aachen (Deutschland) und in Beijing (China) zur Anwendung kommen. Die Produktion der plasmonisch verstärkten Photokatalysatoren wird bis in den industriellen Pilotmaßstab skaliert. So stehen nach Projektende fundierte Aussagen über die Wirksamkeit, die Umsetzbarkeit und die Kosten der Technologie zur Verfügung.
Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Coatema Coating Machinery GmbH durchgeführt. Die PEPcat-Technologie soll durch Nutzung natürlicher Energiequellen (Sonnenlicht) eine energieeffiziente Nachbehandlung von Kläranlagenabläufen ermöglichen. Zudem wird ein integrierter Wasserwiedernutzungsansatz untersucht, der die energieeffiziente weitergehende Elimination organischer Restverschmutzungen erst ermöglicht. Diese organischen Schadstoffe werden in der konventionellen Abwasserreinigung nicht oder unzureichend entfernt. Hier können die Adsorption an Aktivkohle oder die Oxidation mit Ozon (spezifische Reaktion mit Doppelbindungen) oder Erweiterte Oxidationsprozesse (engl. AOP, unspezifische Mineralisierung der Organik) eingesetzt werden. Die bekannten AOP sind durch Nutzung des UV-Lichts äußerst energieintensiv, oder weisen geringe Wirkungsgrade auf. Hier setzt PEPcat mit der plasmonisch verstärkten Photokatalyse an Edelmetall-Nanoantennen an. Die Hauptvorteile von PEPcat sind: 1.) Reduktion des Energiebedarfs durch Senkung der sog. Bandlücke von TiO2 und somit verbesserter Katalyse 2.) Direkter Elektronentransfer aus den Nanoantennen 3.) Erhöhung der Hydroxylradikalausbeute 4.) Bessere Ausnutzung des Lichts durch Verschiebung des nutzbaren Anteils des Lichtes vom UV-Bereich in den sichtbaren Bereich Im Projekt wird sowohl die Nutzung mit Sonnenlicht als Niedrigenergielösung, als auch die Nutzung mit starken Lichtquellen (e.g. Quecksilbermitteldruckstrahlern) untersucht. Die Technologie wird dabei vom Labormaßstab in die Halbtechnik übertragen und auf Kläranlagen in Aachen (Deutschland) und in Beijing (China) zur Anwendung kommen. Die Produktion der plasmonisch verstärkten Photokatalysatoren wird bis in den industriellen Pilotmaßstab skaliert. So stehen nach Projektende fundierte Aussagen über die Wirksamkeit, die Umsetzbarkeit und die Kosten der Technologie zur Verfügung.
Das Projekt "Teilprojekt 5" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von HOLINGER Ingenieure GmbH durchgeführt. Die PEPcat-Technologie soll durch Nutzung natürlicher Energiequellen (Sonnenlicht) eine energieeffiziente Nachbehandlung von Kläranlagenabläufen ermöglichen. Zudem wird ein integrierter Wasserwiedernutzungsansatz untersucht, der die energieeffiziente weitergehende Elimination organischer Restverschmutzungen erst ermöglicht. Diese organischen Schadstoffe werden in der konventionellen Abwasserreinigung nicht oder unzureichend entfernt. Hier können die Adsorption an Aktivkohle oder die Oxidation mit Ozon (spezifische Reaktion mit Doppelbindungen) oder Erweiterte Oxidationsprozesse (engl. AOP, unspezifische Mineralisierung der Organik) eingesetzt werden. Die bekannten AOP sind durch Nutzung des UV-Lichts äußerst energieintensiv, oder weisen geringe Wirkungsgrade auf. Hier setzt PEPcat mit der plasmonisch verstärkten Photokatalyse an Edelmetall-Nanoantennen an. Die Hauptvorteile von PEPcat sind: 1.) Reduktion des Energiebedarfs durch Senkung der sog. Bandlücke von TiO2 und somit verbesserter Katalyse 2.) Direkter Elektronentransfer aus den Nanoantennen 3.) Erhöhung der Hydroxylradikalausbeute 4.) Bessere Ausnutzung des Lichts durch Verschiebung des nutzbaren Anteils des Lichtes vom UV-Bereich in den sichtbaren Bereich Im Projekt wird sowohl die Nutzung mit Sonnenlicht als Niedrigenergielösung, als auch die Nutzung mit starken Lichtquellen (e.g. Quecksilbermitteldruckstrahlern) untersucht. Die Technologie wird dabei vom Labormaßstab in die Halbtechnik übertragen und auf Kläranlagen in Aachen (Deutschland) und in Beijing (China) zur Anwendung kommen. Die Produktion der plasmonisch verstärkten Photokatalysatoren wird bis in den industriellen Pilotmaßstab skaliert. So stehen nach Projektende fundierte Aussagen über die Wirksamkeit, die Umsetzbarkeit und die Kosten der Technologie zur Verfügung.
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