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Flüssigkeitschromatographie mit Triplequadrupol-Massenspektrometer

Die Arbeitsgruppen Anorganische Chemie (Prof. Lang), Koordinationschemie (Prof. Mehring), Chemische Technologie (Prof. Stöwe) an der Technischen Universität Chemnitz haben sich zu einem Interessenverbund zum Thema nachhaltige Wasserwirtschaft zusammengefunden und mit dem regionalen führenden kommunalen Energieversorger dieses Interesse abgestimmt. Ziele sind die Entwicklung von neuen Abwasseraufbereitungsmethoden zur Entfernung von Mikroverunreinigungen wie Endokrin Disruptiven Verbindungen (EDCs), Pestiziden und Pharmazeutika aus kommunalen Abwässern über unterschiedliche Methoden, wie z.B. photokatalytischen Abbau oder elektrochemische Fällung. Zur Spuren- und Ultraspurenanalytik der Schadstoffe in wässrigen Medien, der Aufklärung von Abbauprodukten und -mechanismen dieser Verbindungen wird eine flüssigkeitschromatographische Trennmethode auf der Basis einer UHPLC mit angekoppelter Triple-Quadrupol-Massenspektrometrie benötigt. Weiterhin soll das System in Kooperation mit weiteren Gruppen (Prof. Kataev) zur Analytik der Produktverteilung in supramolekularen und katalytischen Reaktionen, Reinheitsbestimmung sowie kinetische und mechanistische Untersuchungen zum Reaktionsablauf von organischen Produktkomponenten eingesetzt werden.

Redox-induzierter Abbau von Halogenkohlenwasserstoffen in Loesungen und Suspensionen

Untersuchung des reduktiven und oxidativen Abbaus halogenierter Kohlenwasserstoffe. Identifizierung radikalischer Zwischenprodukte und Analyse molekularer Endprodukte. Erstellung von Reaktionsmechanismen. Messung absoluter Geschwindigkeitskonstanten fuer die einzelnen Elementarschritte. Untersuchung des Einflusses der molekularen Struktur. Vergleich zwischen Abbau in homogener Loesung (strahlenchemische Methode) und heterogener Suspension (Photokatalyse an Halbleiterpartikeln, zB TiO2).

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt C04: Gipswüste & atmosphärischer Eintrag

Dieses Projekt konzentriert sich auf die Quellen und Raten atmosphärischer Deposition, sowie die Art und Kinetik von Phasenübergängen. Nitrate und Sulfate sind Ziele für die Bestimmung ihrer Quellen und Ablagerungsraten. Die wasserhaltigen und wasserfreien Polymorphe von Calciumsulfat sind das Hauptziel, um Phasenbeziehungen (als Funktion der Temperatur und der Wassermobilität) und die Kinetik der Transformation (Lösung/Fällung, Phasentransformation) zu untersuchen. Oberflächenelemente und untiefe Bodenelemente (Polygone, Krusten, Knollen, Keile) deuten auf die weit verbreitete, klimabedingte Transformationen von Sulfaten hin, die es zu untersuchen gilt.

Multi-site-experiment II: Variation des Streuabbaues entlang eines europäischen Gradienten

Die Geschwindigkeit der Streuzersetzung ist abhängig vom Nährstoffgehalt des Bodens und den klimatischen Bedingungen am Standort. Bei einem Temperaturanstieg infolge des weltweiten Klimawandels wird vermutlich auch die Streuzersetzung in terrestrischen Ökosystemen zunehmen. Dies hätte weitreichende Konsequenzen für den Humusgehalt der Böden und den Nährstoffkreislauf im Ökosystem. Bei einem Anstieg der Abbauraten können Kohlenstoff-Senken in Kohlenstoff-Quellen umgewandelt werden. Außerdem sind eine Erhöhung der pflanzenverfügbaren Nährstoffgehalte im Boden und in der Folge eine gesteigerte Primärproduktion im Ökosystem möglich. Auf Grund des hohen Forschungsbedarfs zur dargestellten Thematik hat das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig im Rahmen des EU-Projektes ALTERNET II (Network of excellence) ein Forschungsprojekt mit dem Titel 'Multi-site-experiment II: Variation of litter decomposition across an European gradient' beantragt, welches auch genehmigt wurde. An diesem internationalen Forschungsprojekt nehmen 21 Wissenschaftler aus 13 europäischen Staaten teil. Untersucht werden Wald- und Graslandökosysteme. Das Umweltbundesamt in Wien und der Antragsteller dieser wissenschaftlichen Tätigkeit wurden als österreichische Vertreter eingeladen, an diesem europaweiten Forschungsprojekt teilzunehmen. Das Umweltbundesamt in Wien wird ein Waldökosystem und die HBLFA Raumberg-Gumpenstein ein Graslandökosystem in Bezug auf den Streuabbau untersuchen. Mit diesem internationalen Forschungsprojekt sollen an 21 verschiedenen Standorten in Europa folgende umweltrelevante Fragen beantwortet werden: - Wie verändert sich die Geschwindigkeit der Streuzersetzung in Wald- und Grünlandökosystemen entlang eines Klimagradienten? - Wie verändert sich die Geschwindigkeit der Streuzersetzung in Wald- und Grünlandökosystemen bei erhöhter Temperatur und besserem Ressourcenangebot (Kohlenstoff, Stickstoff) für die Bodenorganismen? usw.

Wald-Streu und Schwermetalle

Schwermetallgehalte in streudecken-belasteten und -unbelasteten Waeldern. Einfluss des Metallgehaltes auf die Abbaurate der Biomasse. Unterschiede zwischen verschiedenen Waldtypen. Kinetik der Metallauswaschung; Einfluss der Niederschlagszusammensetzung.

Verhalten des Spurengases Ozon in der freien Atmosphaere

Regelmaessige, taegliche Messung des Gesamtozongehaltes der Atmosphaere, Messung des Vertikalprofils des Ozons mittels Ballonsondierungen mit Radiosonden. Erforschung des Verhaltens des atmosphaerischen Ozons und der Zusammenhaenge zwischen atmosphaerischem Ozon und meterologischen Groessen. Untersuchungen zur Frage einer Aenderung der Ozonschicht der freien Atmosphaere durch anthropogene Einfluesse, besonders durch Fluorkohlenwasserstoffe (hierfuer muss die Sondierungsfolge auf 3-2 mal pro Woche erhoeht werden).

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, B01: Theoretische und experimentelle Untersuchung der Entgasung und Oxidation von Kohlepartikeln in einem Gegenstrombrenner unter Oxyfuel-Bedingungen

Laminare Oxyfuel-Flammen werden in einer Gegenstromanordnung untersucht. Als Brennstoffe werden unter anderem gasförmige Entgasungssurrogate und Kohlestaub verwendet. Hier wird besonders die Gasphasenchemie betrachtet, aber auch deren Beeinflussung durch die Entgasung und den Koksabbrand. Das Teilprojekt trägt dazu bei, die Interaktion von Strömung und Verbrennung von gasförmigen und festen Brennstoffen unter Oxyfuel-Bedingungen grundlegend zu verstehen und Modelle hierfür zu entwickeln. Der hier zu entwickelnde reaktionskinetische Gasphasen-Mechanismus dient als Grundlage für großskalige numerische Simulationen.

Quantifizierung und Modellierung des Kohlenstoffhaushaltes in Ackerböden auf der Grundlage bodenstrukturabhängiger Umsatzprozesse

Die Mehrzahl der gegenwärtig existierenden Modelle zur Beschreibung des Umsatzes organischer Substanz (OS) im Boden basiert auf der Unterteilung der OS in konzeptionelle Pools. Diese repräsentieren in unterschiedlichem Ausmaß stabilisierte Fraktionen, deren Größe nur sehr ungenau abgeschätzt werden kann. Ein wesentlicher Prozeß der Stabilisierung von OS im Boden ist der physikalische Schutz von umsetzbaren als auch von rekalzitranten Substanzen. Deshalb soll ein über die bisherige Beschreibung der reinen Reaktionskinetik hinausgehendes Modellkonzept für den gesamten Kohlenstoffhaushalt der Ackerböden entwickelt werden. Wesentliche Voraussetzungen für die Modellbildung sind die Quantifizierung der mikrobiell besiedelten inneren Bodenoberfläche und die Ableitung von Verteilungsmustern für OS und primäre Mineralpartikel in Aggregatfraktionen. Im ersten Förderungszeitraum soll die o.g. innere Bodenoberfläche von sich deutlich im OS-Gehalt unterscheidenden Bodenproben aus mehreren Dauerversuchen bestimmt werden. Unter Einbeziehung der Ergebnisse (Umsatzraten, C-Flüsse, Stabilisierungsmechanismen) der anderen im SPP eingebundenen Vorhaben sollen die Parameter des neu zu bildenden Modells abgeleitet werden; eine Modellvalidierung erfolgt an Daten aus Dauerversuchen in der EURO-SOMNET Datenbank.

Entwicklung eines kontinuierlichen Kurzzeitmessverfahrens fuer die Konzentration biochemisch abbaubarer Wasserinhaltsstoffe

Durch Wahl geeigneter Werte fuer Bakterienkonzentration, Reaktionstemperatur, Sauerstoffeintrag und Reaktorbauform soll der biochemische Substratabbau in einer kontinuierlich durchstroemten Messzelle so beschleunigt werden, dass er in einer Stunde nahezu vollstaendig erfolgt. Aus der gasanalytisch gemessenen Sauerstoffkonzentrationsdifferenz des Gases wird in erster Naeherung auf die abgebaute Substratmenge und damit auf die Eintrittssubstratkonzentration geschlossen. Das entwickelte Verfahren eignet sich darueberhinaus auch fuer reaktionskinetische Untersuchungen zur biologischen Abwasserreinigung.

Forschergruppe (FOR) 2401: Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren, Teilprojekt: Stabilisierung des GCAI-Brennverfahrens durch die Nutzung innerzyklischer Korrelationen

GCAI stellt einen vielversprechenden Ansatz zur gleichzeitigen Minimierung von Verbrauch und Emissionsausstoß in Verbrennungsmotoren dar. Die aus der Verbrennungseinleitung über die Reaktionskinetik resultierende Zyklenkopplung führt jedoch zu zwei maßgeblichen ungelösten Herausforderungen, an deren Lösung aktuell stark geforscht wird: Die starke Abhängigkeit der Verbrennungsstabilität von den Randbedingungen sowie die Einschränkung des Kennfeldbereiches. Die Entwicklung innovativer zylinderdruckgeführter Regelungen wird hier als Lösungsansatz angesehen. In TP3 wird die Hypothese verfolgt, dass durch die Kombination von zwei neuartigen Ansätzen die Verbrennungsstabilität maßgeblich verbessert werden kann und somit die bestehenden Herausforderungen adressiert werden können. Durch den Regeleingriff innerhalb eines Verbrennungszyklus wird in Zusammenarbeit mit TP1 eine In-Zyklus-Regelung realisiert. Weiterhin wird in Zusammenarbeit mit TP5 der Einfluss von direkt eingespritztem Wasser als innerzyklische Stellgröße für GCAI untersucht und bewertet. Eine der Kernaufgaben ist die Erstellung eines echtzeitfähigen Verbrennungsmodells für GCAI, welches sowohl die Korrelationen zwischen einzelnen Größen innerhalb eines Zyklus als auch die Effekte von zugesetztem Wasser berücksichtigt. Bestehende Modelle, welche auf stationären Messungen basieren, sollen zur Abbildung der hochdynamischen Effekte innerhalb eines Zyklus und der Wassereinspritzung erweitert werden. Um die benötigte Datenbasis zu schaffen, werden transiente Untersuchungen durch das gezielte Einprägen von Ausreißerzyklen mittels zyklusindividueller Variation der Stellgrößen durchgeführt. Hierfür steht ein Forschungsmotor mit einem vollvariablen Ventiltrieb und einer frei programmierbaren Motorsteuerung zu Verfügung. Die in TP5 untersuchten Grundlagen bezüglich der Zugabe von Wasser und CO2 werden mit den transienten Motorversuchen abgeglichen und zur Erstellung des physikalisch-chemischen Anteils eines Grey-Box-Modells genutzt. Diese Zusammenhänge werden thermodynamisch analysiert, durch den Vergleich mit 1D Ladungswechsel und 3D CFD-Simulationen plausibilisiert und in echtzeitfähige Modelle überführt. Durch die Implementierung des Reglers in der Echtzeithardware können die Potentiale der Stabilisierung von GCAI durch In-Zyklus Eingriffe realisiert werden. In Zusammenarbeit mit TP1 wird der Multiskalenregler entwickelt, welcher mit TP2 auf die Restriktionen der Echtzeitplattform optimiert wird. Dabei ist eine bedarfsgerechte Aufteilung auf die Ressourcen Mikrocontroller und FPGA nötig. Es erfolgt eine funktionale Absicherung durch MiL-Tests und eine Co-Simulation des Reglers mit den zuvor entwickelten Modellen basierend auf einer 1D-Ladungswechselsimulation. Die Verifikation der Echtzeitfunktionalität wird mit einem HiL-Prüfstandsaufbau umgesetzt. Abschließend erfolgt die Überprüfung des Reglers durch Messungen am Motorprüfstand im transienten Betrieb sowie am Kennfeldrand.

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