Thesis (doctoral)--Universität, Göttingen, 1999.

Tierärztl. Hochsch., Diss., 2003--Hannover.

Tierärztl. Hochsch., Diss., 2002--Hannover.

In der Arbeit werden Aufschluss- und Sortierergebnisse miteinander kombiniert, um die Anreicherung des Wertstoffs unter Berücksichtigung beider Teilprozesse auf einer vergleichbaren Basis bewerten zu können. Hierfür werden der Literatur vorhandene Modelle entnommen und erweitert, wodurch sich neuartige Parameter definieren lassen. Am Beispielsortierschritt Magnetscheidung wird anhand zweier unterschiedlicher Erze die Beurteilung der Teilprozesse auf Grundlage des vorgeschlagenen Vorgehens dargestellt. Mit Hilfe der Untersuchung der magnetischen Eigenschaften der Erze kann der Einfluss des gewählten Merkmals auf den Verlauf der berechneten Grenzkurven gezeigt werden. Weiterhin erfolgt eine Darstellung der Möglichkeiten durch die Nutzung moderner mineralogischer Analysemethoden zur Berechnung von Mineralsuszeptibilitäten, basierend auf Aufschluss- und Suszeptibilitätsmessungen von Merkmalklassen, sowie das direkte Berechnen von Trennfunktionen mit Hilfe von Aufschlussanalysen der Trennprodukte.

The depletion of fossil fuels and the need to deal with climate change lead to an increasing interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass in general, and agricultural residues in particular, could serve as an excellent starting material for the production of cellulose, basic chemicals, lignin and bioethanol in a biorefinery framework as they are abundant, do not compete with food production and are distributed worldwide. Two factors considerably influence the composition and properties of biorefinery products: biomass feedstock and pretreatment process. Their influence on the separability of raw material into a carbohydrate and lignin fraction as well as the composition and properties of these products are objectives of this study. Hereby, the focus is on lignin, as its structure is particularly dependent on the aforementioned factors complicating its further utilisation. Different agricultural biomass namely barley straw, coconut shell powder, hemp shives, horse manure, maize straw, miscanthus, oat husk, pretreated alfalfa, rape straw, sunflower stalks, tomato stalks and wheat straw were investigated regarding their suitability for lignocellulose separation using alkaline soda pulping. Best separation into a carbohydrate and lignin fraction was achieved for pretreated alfalfa, miscanthus, wheat and barley straw. The purity of the obtained lignin fractions varied in the wide range of 57% klason-lignin content for sunflower stalks and 81% for pretreated alfalfa prior to further purification by dialysis. Lignin fractions were characterised by means of FTIR spectroscopy, elementary analysis, thioacidolysis, size-exclusion-chromatography, thermodesorption, differential scanning calorimetry and different wet chemical methods for determination of functional groups. Lignins could be classified into groups, within which they show similar characteristics: (A) horse manure, rape straw, (B) sunflower stalks, tomato stalks, (C) barley-, maize- and wheat straw and (D) hemp shives, miscanthus. In addition, promising lignin candidates were found for several applications. Thus, by screening different agricultural residues, it is possible to choose a specific raw material, in order to produce lignin with desired properties and functionalities. The effect of the pretreatment process was studied based on wheat straw. It was subjected to conventional alkaline pulping, microwave-assisted alkaline pulping and organosolv pulping using formic acid and hydrogen peroxide. Pulping parameters were varied in order to attain best possible separation into a carbohydrate and lignin fraction. Of the varied parameters the concentration of both sodium hydroxide and formic acid has the highest impact on yield and purity of the products for alkaline and organosolv pulping, respectively. It additionally influences the content of functional groups of the lignin fraction and is hence, an important parameter for lignin customisation for subsequent utilisation. Furthermore, the possibility of reducing pulping time by using microwave-assisted pulping instead of conventional alkaline pulping is promising, as the obtained carbohydrate fraction has a low intrinsic viscosity, which may enhance enzymatic hydrolysis.

The depletion of fossil fuels and the need to deal with climate change lead to an increasing interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass in general, and agricultural residues in particular, could serve as an excellent starting material for the production of cellulose, basic chemicals, lignin and bioethanol in a biorefinery framework as they are abundant, do not compete with food production and are distributed worldwide. Two factors considerably influence the composition and properties of biorefinery products: biomass feedstock and pretreatment process. Their influence on the separability of raw material into a carbohydrate and lignin fraction as well as the composition and properties of these products are objectives of this study. Hereby, the focus is on lignin, as its structure is particularly dependent on the aforementioned factors complicating its further utilisation. Different agricultural biomass namely barley straw, coconut shell powder, hemp shives, horse manure, maize straw, miscanthus, oat husk, pretreated alfalfa, rape straw, sunflower stalks, tomato stalks and wheat straw were investigated regarding their suitability for lignocellulose separation using alkaline soda pulping. Best separation into a carbohydrate and lignin fraction was achieved for pretreated alfalfa, miscanthus, wheat and barley straw. The purity of the obtained lignin fractions varied in the wide range of 57% klason-lignin content for sunflower stalks and 81% for pretreated alfalfa prior to further purification by dialysis. Lignin fractions were characterised by means of FTIR spectroscopy, elementary analysis, thioacidolysis, size-exclusion-chromatography, thermodesorption, differential scanning calorimetry and different wet chemical methods for determination of functional groups. Lignins could be classified into groups, within which they show similar characteristics: (A) horse manure, rape straw, (B) sunflower stalks, tomato stalks, (C) barley-, maize- and wheat straw and (D) hemp shives, miscanthus. In addition, promising lignin candidates were found for several applications. Thus, by screening different agricultural residues, it is possible to choose a specific raw material, in order to produce lignin with desired properties and functionalities. The effect of the pretreatment process was studied based on wheat straw. It was subjected to conventional alkaline pulping, microwave-assisted alkaline pulping and organosolv pulping using formic acid and hydrogen peroxide. Pulping parameters were varied in order to attain best possible separation into a carbohydrate and lignin fraction. Of the varied parameters the concentration of both sodium hydroxide and formic acid has the highest impact on yield and purity of the products for alkaline and organosolv pulping, respectively. It additionally influences the content of functional groups of the lignin fraction and is hence, an important parameter for lignin customisation for subsequent utilisation. Furthermore, the possibility of reducing pulping time by using microwave-assisted pulping instead of conventional alkaline pulping is promising, as the obtained carbohydrate fraction has a low intrinsic viscosity, which may enhance enzymatic hydrolysis.

In der Arbeit werden Aufschluss- und Sortierergebnisse miteinander kombiniert, um die Anreicherung des Wertstoffs unter Berücksichtigung beider Teilprozesse auf einer vergleichbaren Basis bewerten zu können. Hierfür werden der Literatur vorhandene Modelle entnommen und erweitert, wodurch sich neuartige Parameter definieren lassen. Am Beispielsortierschritt Magnetscheidung wird anhand zweier unterschiedlicher Erze die Beurteilung der Teilprozesse auf Grundlage des vorgeschlagenen Vorgehens dargestellt. Mit Hilfe der Untersuchung der magnetischen Eigenschaften der Erze kann der Einfluss des gewählten Merkmals auf den Verlauf der berechneten Grenzkurven gezeigt werden. Weiterhin erfolgt eine Darstellung der Möglichkeiten durch die Nutzung moderner mineralogischer Analysemethoden zur Berechnung von Mineralsuszeptibilitäten, basierend auf Aufschluss- und Suszeptibilitätsmessungen von Merkmalklassen, sowie das direkte Berechnen von Trennfunktionen mit Hilfe von Aufschlussanalysen der Trennprodukte.

In der Erzindustrie findet ein Umdenken statt. Der Einsatz der bewährten aber energieineffizienten Sturzmühlen zur Mittel- und Feinzerkleinerung wird hinterfragt. In der Zementindustrie hat bereits ein vergleichbarer Technologiewandel stattgefunden. In diesem Bereich haben sich vor allem Wälzmühlen auf Grund ihrer Vorteile durchgesetzt. Diese Maschinen stellen auch für die Mahlung von Erzen eine Alternative zu konventionellen Sturzmühlen dar. In der Dissertation werden die Ergebnisse von systematisch durchgeführten Mahlversuchen mit einer Wälzmühle im Pilotmaßstab vorgestellt. Ziel der Untersuchungen mit drei verschiedenen Erzen war es den Einfluss ausgewählter konstruktiver und betrieblicher Parameter auf wichtige Zielgrößen wie Produktfeinheit, Energiebedarf und Verschleiß mit Hilfe von Regressionsmodellen zu quantifizieren und damit die Grundlage für eine Optimierung der Mahlanlage für den neuen Anwendungsbereich zu schaffen.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

The study of outcrop modeling is located at the interface between two fields of expertise, Sedimentology and Computing Geoscience, which respectively investigates and simulates geological heterogeneity observed in the sedimentary record. During the last past years, modeling tools and techniques were constantly improved. In parallel, the study of Phanerozoic carbonate deposits emphasized the common occurrence of a random facies distribution along single depositional domain. Although both fields of expertise are intrinsically linked during outcrop simulation, their respective advances have not been combined in literature to enhance carbonate modeling studies. The present study re-examines the modeling strategy adapted to the simulation of shallow-water carbonate systems, based on a close relationship between field sedimentology and modeling capabilities. In the present study, the evaluation of three commonly used algorithms Truncated Gaussian Simulation (TGSim), Sequential Indicator Simulation (SISim), and Indicator Kriging (IK), were performed for the first time using visual and quantitative comparisons on an ideally suited carbonate outcrop. The results show that the heterogeneity of carbonate rocks cannot be fully simulated using one single algorithm. The operating mode of each algorithm involves capabilities as well as drawbacks that are not capable to match all field observations carried out across the modeling area. Two end members in the spectrum of carbonate depositional settings, a low-angle Jurassic ramp (High Atlas, Morocco) and a Triassic isolated platform (Dolomites, Italy), were investigated to obtain a complete overview of the geological heterogeneity in shallow-water carbonate systems. Field sedimentology and statistical analysis performed on the type, morphology, distribution, and association of carbonate bodies and combined with palaeodepositional reconstructions, emphasize similar results. At the basin scale (x 1 km), facies association, composed of facies recording similar depositional conditions, displays linear and ordered transitions between depositional domains. Contrarily, at the bedding scale (x 0.1 km), individual lithofacies type shows a mosaic-like distribution consisting of an arrangement of spatially independent lithofacies bodies along the depositional profile. The increase of spatial disorder from the basin to bedding scale results from the influence of autocyclic factors on the transport and deposition of carbonate sediments. Scale-dependent types of carbonate heterogeneity are linked with the evaluation of algorithms in order to establish a modeling strategy that considers both the sedimentary characteristics of the outcrop and the modeling capabilities. A surface-based modeling approach was used to model depositional sequences. Facies associations were populated using TGSim to preserve ordered trends between depositional domains. At the lithofacies scale, a fully stochastic approach with SISim was applied to simulate a mosaic-like lithofacies distribution. This new workflow is designed to improve the simulation of carbonate rocks, based on the modeling of each scale of heterogeneity individually. Contrarily to simulation methods applied in literature, the present study considers that the use of one single simulation technique is unlikely to correctly model the natural patterns and variability of carbonate rocks. The implementation of different techniques customized for each level of the stratigraphic hierarchy provides the essential computing flexibility to model carbonate systems. Closer feedback between advances carried out in the field of Sedimentology and Computing Geoscience should be promoted during future outcrop simulations for the enhancement of 3-D geological models. / Das Modellieren von geologischen Aufschlüssen liegt der Schnittstelle zwischen zwei geo-logischen Teildisziplinen, der Sedimentologie und der geologischen Modellierung. Hierbei werden geologische Heterogenitäten untersucht und simuliert, welche im Aufschluss beobachtet wurden. Während der letzten Jahre haben sich die Werkzeuge und die Technik der Modellierung stetig weiter-entwickelt. Parallel dazu hat die Untersuchung der phanerozoischen Karbonatablagerungen ihren Fokus auf gemeinsamen Vorkommen von zufälligen Faziesverteilungen in beiden Ablagerungs-gebieten. Obwohl beide Teildisziplinen durch die Aufschlussmodellierung eigentlich verbunden sind, wurden ihre jeweiligen Vorteile in der Literatur nicht miteinander verbunden, um so eine Verbesserung ähnlicher Studien zu erreichen. Die vorliegende Studie überprüft erneut die Modellierungsstrategie, angepasst an die Simulation von Flachwasser-Karbonat-Systemen und basierend auf einer engen Beziehung zwischen Sedimentologie und Modellierung. Die vorliegende Arbeit behandelt erstmals die Evaluierung der drei am häufigsten verwendeten Algorithmen „Truncated Gaussian Simulation (TGSim)“, „Sequential Indicator Simulation (SISim)“ und „Indicator Kriging (IK)“, um sie visuell und quantitativ mit dem entsprechenden Aufschluss zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Heterogenität von Karbonatgesteinen nicht komplett mit nur einem Algorithmus simuliert werden kann. Die Eigenschaften jedes einzelnen Algorithmus beinhalten Vor- und Nachteile, sodass kein Algorithmus alle Beobachtungen aus dem Aufschluss widerspiegelt. Die zwei Endglieder im Spektrum der Ablagerungsbedingungen von Karbonaten, eine flachwinklige, jurassische Karbonat-Rampe (Hoher Atlas, Marokko) und eine isolierte, triassische Plattform (Dolomiten, Italien), wurden untersucht, um einen kompletten Überblick über die verschiedenen Heterogenitäten in Flachwasser-Karbonat- Systemen zu erhalten. Sedimentologische und statistische Analysen wurden für die verschiedenen Typen, Morphologien, Verteilungen und Assoziationen von Karbonatablagerungen durchgeführt und mit paläogeografischen Rekonstruktionen kombiniert und zeigen ähnliche Ergebnisse. Im Beckenmaßstab zeigen die Faziesassoziationen, bestehend aus Fazieszonen mit ähnlichen Ablagerungsbedingungen, einen linearen und kontinuierlichen Übergang zwischen den einzelnen Ablagerungsbereichen. Im Gegensatz dazu zeigt für einzelne Lithofaziestypen im Maßstab einzelner Schichten eine mosaikartige Verteilung, bestehend aus einer Anordnung räumlich unabhängiger Lithofazieszonen entlang des Ablagerungsprofils. Das Ansteigen der räumlichen Unordnung von der beckenweiten Ablagerung zur Ablagerung einzelner Schichten resultiert aus dem Einfluss autozyklischer Faktoren bei der Ablagerung von Karbonaten. Die Skalenabhängigkeit von Karbonat-Heterogenität ist mit der Auswertung der Algorithmen verknüpft um eine Modellierungsstrategie zu etablieren, welche sowohl die sedimentären Charakteristiken des Aufschlusses als auch die Modellierfähigkeit berücksichtigt. Für die Modellierung der Ablagerungssequenzen wurde ein flächenbasierter Ansatz verwendet. Die Faziesassoziationen wurden durch die Benutzung des TGSim-Algorithmus simuliert, um die regulären Trends zwischen den einzelnen Ablagerungsgebieten zu erhalten. Im Bereich der verschiedenen Lithofazien wurde mit dem SISim-Algorithmus, ein voll stochastischer Ansatz angewendet, um die mosaikartige Verteilung der Lithofazies-Typen zu simulieren. Dieser neue Arbeitsablauf wurde konzipiert, um die Simulierung von Karbonaten auf Basis der einzelnen Heterogenitäten in verschiedenen Größenordnungen zu verbessern. Im Gegensatz zu den in der Literatur angewendeten Simulationsmethoden berücksichtigt diese Studie, dass eine einzelne Modellierungstechnik die natürlichen Ablagerungsmuster und Variabilität von Karbonaten wahrscheinlich nicht korrekt abbildet. Die Einführung verschiedener Techniken, angepasst auf die verschiedenen Ebenen der stratigrafischen Hierarchie, liefert die notwendige Flexibilität um Karbonatsysteme korrekt zu modellieren. Eine enge Verknüpfung zwischen den Fortschritten auf dem Gebieten der Sedimentologie und dem Gebiet der modellierenden Geowissenschaften sollte weiterhin bestehen, um auch zukünftig bei der Simulation von geologischen Gelände-Aufschlüssen eine Verbesserung der 3-D-Modellierung zu erreichen.