Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Berlin.

In den letzten 15 Jahren wurde in einigen Mittelgebirgsregionen Zentraleuropas ein regional un-terschiedlich starker Anstieg der Konzentration gelösten organischen Kohlenstoffes (DOC) in Oberflächengewässern festgestellt. Besonders betroffen von dieser Entwicklung sind für die Trink-wasserproduktion genutzte Talsperren. Durch den erhöhten DOC-Gehalt wird die Trinkwasser-aufbereitung nicht nur kostenintensiver, sondern bekommt auch zunehmend Probleme bei der Wahrung der Trinkwasserqualität. Die Quellen des DOC sind in den Einzugsgebieten befindliche Moore und hydromorphe Nassstandorte. Die Ursachen für den in den vergangenen Jahren doku-mentierten Mehraustrag sind äußerst komplex und beinhalten sowohl klimatische als auch nut-zungsbedingte Veränderungen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, den Charakter des DOC näher zu bestimmen, um die für die Wasseraufbereitung problematischen Fraktionen zu benennen und Ansatzpunkte für regulierende Maßnahmen aufzuzeigen. Die Charakterisierung erfolgte an einem LC-OCD-System (Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection) am Beispiel der drei Tal-sperrensysteme Muldenberg, Carlsfeld (Westerzgebirge) und Fláje (Osterzgebirge, Tschechien). Die Talsperren weisen unterschiedliche DOC-Gehalte auf. Die Ergebnisse zeigen, dass der DOC aller Untersuchungsgebiete sowohl in den Zuflüssen, dem Talsperrenwasser bzw. Rohwasser als auch dem Reinwasser der Wasserwerke von Huminstoffen dominiert wird. DOC-Schwankungen sind folglich auf Schwankungen der Huminstoffkonzentrationen zurückzuführen. In den Zuflüs-sen treten die höchsten Huminstoffkonzentrationen während der Schneeschmelze im Frühjahr und bei Starkniederschlägen im Sommer und Herbst auf. Niedrige Konzentrationen sind an Bo-dengefrornis oder Trockenphasen im Sommer gebunden. In den Talsperren tritt im Sommer eine Schichtung der Huminstoffe auf, bei der an der Oberfläche durch photolytischen Abbau niedrige-re Konzentrationen und in Abhängigkeit von der Talsperrentiefe durch die Einschichtung der Zuflüsse am Grund höhere Konzentrationen auftreten. Die Verteilung im Winter ist allein von der Einschichtung der Zuflüsse abhängig. Die Verteilung der Building Blocks (Huminstoffhydrolysate) ist im Sommer der der Huminstoffe entgegengesetzt, da sich beim photolytischen Abbau von Hu-minstoffen Building Blocks bilden. Während der Zirkulationen sind die Konzentrationen der Hu-minstofffraktionen im gesamten Tiefenprofil gleich. In den Talsperren Muldenberg und Carlsfeld wurde im Untersuchungszeitraum unter Berücksichtigung der technischen Gegebenheiten und anderer Wassergütekriterien der optimale Rohwasserentnahmehorizont (niedrigstmögliche Hu-minstoffkonzentration) gewählt. In der Talsperre Fláje könnte die Rohwasserqualität durch Instal-lation eines schwenkbaren Entnahmerohres erheblich verbessert werden. In den Wasserwerken sind die Huminstofffraktionen mit abnehmender Molekülgröße schwieriger zu entfernen. Die relativ niedermolekularen Building Blocks sind die am schwersten entfernbaren DOC-Bestandteile. Auf Grundlage mathematischer Beziehungen zu SAK254 bzw. DOC wurde ein Programm (DOCQuaC – DOC-Quality Calculator) entwickelt, mit dessen Hilfe die Huminstofffraktionen über diese Grundparameter ermittelt werden können. Neben der Fraktionsquantifizie-rung besteht im Programm die Möglichkeit zur Berechnung der Eliminierungsleistung, so dass beispielsweise nach der Durchführung einer Maßnahme zur Verbesserung der DOC-Entfernung eine unmittelbare Aussage über den Effekt auf die Fraktionen vorliegt. / For the last 15 years a change of Dissolved Organic Carbon (DOC) has been taking place in surface waters of Middle European Highlands. The degree of this increase is regionally dependent. The reasons as well as the consequences of this development are of high complexity. The changes are expressed in an increase of middle DOC values and, additionally, an increase of annual changes. Reservoirs, used for drinking water production, are particularly affected, because the heightened DOC content increases the costs for drinking water treatment, and currently it is not possible to maintain a good drinking water quality. The main DOC source are peat bogs, situated in the catchments. The cause of the increasing DOC output from peat bogs are very complex and contain changes as well in climate as in land use. The aim of this presented dissertation was to gain more information about the character of DOC, so that those fractions can be determined which are problematically to remove inside the waterworks. On that base it should be possible to find some starting points for more regulating measures. The analytical characterisation was carried out by the help of a LC-OCD-System (Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection), exemplary for the reservoir systems Muldenberg, Carlsfeld (Western Ore Mountains) and Fláje (Eastern Ore Mountains, Czech Republic). Although the DOC concentrations are very different in the reser-voirs, it was always dominated by humic substances, namely as well in the tributaries, as in the raw and treated water. Thus changes in the DOC concentration are due to changes in the concen-tration of humic substances. In spring and summer occur the highest concentrations of humic substances in the tributaries. Low concentrations are linked with frost in winter or dry periods in summer. In the reservoirs in summer a stratification of humic substances shapes up, with lower concentration near the water surface (caused by photolytical degradation) and accordingly higher concentration near the ground (layering of influxes). Distribution in winter only depends on the layering of the influxes. In summer the concentration of Building Blocks (humic substance hydro-lysates) is opposite to that of humic substances, because of the creation of Building Blocks at the photolytical degradation. During circulation the concentration of all humic substance fractions are equal in each reservoir layer. In the reservoirs Muldenberg and Carlsfeld, a further optimisation of the raw water withdrawal horizon is not possible. In the reservoir Fláje the raw water could be much improved by installing a movable withdrawal device. With decreasing molecular size the elimination of the humic fractions gets more difficult in the waterworks. Most difficult to eliminate are Building Blocks. On the basis of the mathematical cor-relation between humic fractions and the SAC254 and DOC a program (DOCQuaC – DOC-Quality Calculator) has been developed, which enables die calculation of humic concentrations by enter-ing these general parameters. In addition to the calculation of the concentrations it is possible to calculate the elimination capacity for the humic fractions. Thus the effects of measures on the humic fractions, which could be done for optimisation of the elimination capacity, can be imme-diately observed.

In den letzten 15 Jahren wurde in einigen Mittelgebirgsregionen Zentraleuropas ein regional un-terschiedlich starker Anstieg der Konzentration gelösten organischen Kohlenstoffes (DOC) in Oberflächengewässern festgestellt. Besonders betroffen von dieser Entwicklung sind für die Trink-wasserproduktion genutzte Talsperren. Durch den erhöhten DOC-Gehalt wird die Trinkwasser-aufbereitung nicht nur kostenintensiver, sondern bekommt auch zunehmend Probleme bei der Wahrung der Trinkwasserqualität. Die Quellen des DOC sind in den Einzugsgebieten befindliche Moore und hydromorphe Nassstandorte. Die Ursachen für den in den vergangenen Jahren doku-mentierten Mehraustrag sind äußerst komplex und beinhalten sowohl klimatische als auch nut-zungsbedingte Veränderungen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, den Charakter des DOC näher zu bestimmen, um die für die Wasseraufbereitung problematischen Fraktionen zu benennen und Ansatzpunkte für regulierende Maßnahmen aufzuzeigen. Die Charakterisierung erfolgte an einem LC-OCD-System (Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection) am Beispiel der drei Tal-sperrensysteme Muldenberg, Carlsfeld (Westerzgebirge) und Fláje (Osterzgebirge, Tschechien). Die Talsperren weisen unterschiedliche DOC-Gehalte auf. Die Ergebnisse zeigen, dass der DOC aller Untersuchungsgebiete sowohl in den Zuflüssen, dem Talsperrenwasser bzw. Rohwasser als auch dem Reinwasser der Wasserwerke von Huminstoffen dominiert wird. DOC-Schwankungen sind folglich auf Schwankungen der Huminstoffkonzentrationen zurückzuführen. In den Zuflüs-sen treten die höchsten Huminstoffkonzentrationen während der Schneeschmelze im Frühjahr und bei Starkniederschlägen im Sommer und Herbst auf. Niedrige Konzentrationen sind an Bo-dengefrornis oder Trockenphasen im Sommer gebunden. In den Talsperren tritt im Sommer eine Schichtung der Huminstoffe auf, bei der an der Oberfläche durch photolytischen Abbau niedrige-re Konzentrationen und in Abhängigkeit von der Talsperrentiefe durch die Einschichtung der Zuflüsse am Grund höhere Konzentrationen auftreten. Die Verteilung im Winter ist allein von der Einschichtung der Zuflüsse abhängig. Die Verteilung der Building Blocks (Huminstoffhydrolysate) ist im Sommer der der Huminstoffe entgegengesetzt, da sich beim photolytischen Abbau von Hu-minstoffen Building Blocks bilden. Während der Zirkulationen sind die Konzentrationen der Hu-minstofffraktionen im gesamten Tiefenprofil gleich. In den Talsperren Muldenberg und Carlsfeld wurde im Untersuchungszeitraum unter Berücksichtigung der technischen Gegebenheiten und anderer Wassergütekriterien der optimale Rohwasserentnahmehorizont (niedrigstmögliche Hu-minstoffkonzentration) gewählt. In der Talsperre Fláje könnte die Rohwasserqualität durch Instal-lation eines schwenkbaren Entnahmerohres erheblich verbessert werden. In den Wasserwerken sind die Huminstofffraktionen mit abnehmender Molekülgröße schwieriger zu entfernen. Die relativ niedermolekularen Building Blocks sind die am schwersten entfernbaren DOC-Bestandteile. Auf Grundlage mathematischer Beziehungen zu SAK254 bzw. DOC wurde ein Programm (DOCQuaC – DOC-Quality Calculator) entwickelt, mit dessen Hilfe die Huminstofffraktionen über diese Grundparameter ermittelt werden können. Neben der Fraktionsquantifizie-rung besteht im Programm die Möglichkeit zur Berechnung der Eliminierungsleistung, so dass beispielsweise nach der Durchführung einer Maßnahme zur Verbesserung der DOC-Entfernung eine unmittelbare Aussage über den Effekt auf die Fraktionen vorliegt. / For the last 15 years a change of Dissolved Organic Carbon (DOC) has been taking place in surface waters of Middle European Highlands. The degree of this increase is regionally dependent. The reasons as well as the consequences of this development are of high complexity. The changes are expressed in an increase of middle DOC values and, additionally, an increase of annual changes. Reservoirs, used for drinking water production, are particularly affected, because the heightened DOC content increases the costs for drinking water treatment, and currently it is not possible to maintain a good drinking water quality. The main DOC source are peat bogs, situated in the catchments. The cause of the increasing DOC output from peat bogs are very complex and contain changes as well in climate as in land use. The aim of this presented dissertation was to gain more information about the character of DOC, so that those fractions can be determined which are problematically to remove inside the waterworks. On that base it should be possible to find some starting points for more regulating measures. The analytical characterisation was carried out by the help of a LC-OCD-System (Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection), exemplary for the reservoir systems Muldenberg, Carlsfeld (Western Ore Mountains) and Fláje (Eastern Ore Mountains, Czech Republic). Although the DOC concentrations are very different in the reser-voirs, it was always dominated by humic substances, namely as well in the tributaries, as in the raw and treated water. Thus changes in the DOC concentration are due to changes in the concen-tration of humic substances. In spring and summer occur the highest concentrations of humic substances in the tributaries. Low concentrations are linked with frost in winter or dry periods in summer. In the reservoirs in summer a stratification of humic substances shapes up, with lower concentration near the water surface (caused by photolytical degradation) and accordingly higher concentration near the ground (layering of influxes). Distribution in winter only depends on the layering of the influxes. In summer the concentration of Building Blocks (humic substance hydro-lysates) is opposite to that of humic substances, because of the creation of Building Blocks at the photolytical degradation. During circulation the concentration of all humic substance fractions are equal in each reservoir layer. In the reservoirs Muldenberg and Carlsfeld, a further optimisation of the raw water withdrawal horizon is not possible. In the reservoir Fláje the raw water could be much improved by installing a movable withdrawal device. With decreasing molecular size the elimination of the humic fractions gets more difficult in the waterworks. Most difficult to eliminate are Building Blocks. On the basis of the mathematical cor-relation between humic fractions and the SAC254 and DOC a program (DOCQuaC – DOC-Quality Calculator) has been developed, which enables die calculation of humic concentrations by enter-ing these general parameters. In addition to the calculation of the concentrations it is possible to calculate the elimination capacity for the humic fractions. Thus the effects of measures on the humic fractions, which could be done for optimisation of the elimination capacity, can be imme-diately observed.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von linearen, sternförmig und dendritisch verzweigten Carbosilanen mit Me2SiH-Funktionen, vorgestellt. So konnten oligomere Carbosilane mit CH2CH2CH2SiMe2- als auch CH2CH2SiMe2-Wiederholungseinheiten dargestellt werden. Als Aufbaureaktionen dienten sowohl Alkylierungsreaktionen mit Allylmagnesiumchlorid als auch Hydrosilylierungsschritte mit Chlordimethyl- und Chlordimethylvinylsilan. Die Überführung der SiMe2Cl-Gruppen in SiMe2H-Funktionen gelang durch die Umsetzung mit Lithiumaluminiumhydrid. Besonderes Augenmerk lag auf dem Nachweis und der Abtrennung der bei diesen Reaktionen auftretenden Nebenprodukten. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die NMR-spektroskopische Charakterisierung obiger Verbindungen, wobei insbesondere 2D-NMR-Methoden und die 29Si{1H}-NMR-Spektros-kopie zum Einsatz kamen. Für die Kohlenstoff-13-Signale dieser Verbindungen konnte aus den gewonnenen Daten der Einfluss der peripheren Substituenten in einem Inkrementensystem zusammengefasst und als Zuordnungshilfe herangezogen werden. Bisher fand ein Teil dieser Verbindungen als Bausteine in flüssigkristallinen Materialien (Arbeitskreis von Prof. Tschierske, Halle) Verwendung und erste Ergebnisse dazu werden diskutiert.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von linearen, sternförmig und dendritisch verzweigten Carbosilanen mit Me2SiH-Funktionen, vorgestellt. So konnten oligomere Carbosilane mit CH2CH2CH2SiMe2- als auch CH2CH2SiMe2-Wiederholungseinheiten dargestellt werden. Als Aufbaureaktionen dienten sowohl Alkylierungsreaktionen mit Allylmagnesiumchlorid als auch Hydrosilylierungsschritte mit Chlordimethyl- und Chlordimethylvinylsilan. Die Überführung der SiMe2Cl-Gruppen in SiMe2H-Funktionen gelang durch die Umsetzung mit Lithiumaluminiumhydrid. Besonderes Augenmerk lag auf dem Nachweis und der Abtrennung der bei diesen Reaktionen auftretenden Nebenprodukten. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die NMR-spektroskopische Charakterisierung obiger Verbindungen, wobei insbesondere 2D-NMR-Methoden und die 29Si{1H}-NMR-Spektros-kopie zum Einsatz kamen. Für die Kohlenstoff-13-Signale dieser Verbindungen konnte aus den gewonnenen Daten der Einfluss der peripheren Substituenten in einem Inkrementensystem zusammengefasst und als Zuordnungshilfe herangezogen werden. Bisher fand ein Teil dieser Verbindungen als Bausteine in flüssigkristallinen Materialien (Arbeitskreis von Prof. Tschierske, Halle) Verwendung und erste Ergebnisse dazu werden diskutiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 6 1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 10 1.1 Einleitung 10 1.2 Motivation und Zielsetzung 13 2 ALLGEMEINER TEIL UND THEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 2.1 Grundlagen der freien radikalischen Polymerisation 15 2.2 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) und Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMP) als Beispiele für kontrollierte radikalische Polymerisationen 25 2.3 Theorie zur Copolymerisation von Vinylmonomeren 34 2.4 Applikation von Ionischen Flüssigkeiten bei der radikalischen Polymerisation 43 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49 3.1 Iminbase/Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation von Vinylmonomeren 49 3.1.1 Empirische Befunde und Klassifizierung der IBI-Systeme 50 3.1.2 Ergebnisse zu den IBI-Polymerisationen mit unmittelbarem Verbrauch der Initiator- Komponenten (Typ A) 58 3.1.3 Verwendung der Iminbase–Isocyanat-Addukte zur Polymerisation von MMA 70 3.1.4 Ergebnisse der Polymerisationen mit Typ B IBI-Kombinationen 78 3.1.5 Bestimmung und Auswertung kinetischer Parameter der IBI-Polymerisation 85 3.1.6 Studien zum Initiierungsmechanismus durch die Iminbase/Isocyanat-Kombination 102 3.2 Iminbasen-(Meth-)Acrylat-induzierte (IBA) Polymerisation 124 3.2.1 Phänomenologische Untersuchungen zur IBA-Polymerisation 124 3.2.2 Kinetik der IBA-Polymerisation und mechanistische Studien 129 3.3 Beschleunigung beider Polymerisationstypen über die Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeit 143 3.3.1 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionischen Flüssigkeit mit den Reaktanden mit Hilfe der ATR-FT-MIR-Spektroskopie 144 3.3.2 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBI-Polymerisationen 151 3.3.3 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBA-Polymerisationen 162 3.4 Applikation der neuartigen Polymerisationssysteme zur Blockcopolymerisation 171 3.4.1 Oberflächenpolymerisation an Siliziumdioxid-Partikeln 172 3.4.2 Blockcopolymer-Synthese mit Typ A IBI-Oligomeren 186 3.4.3 Kammpolymer-Synthese über die Anwendung der IBI- bzw. IBA-Methode 192 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 200 5 EXPERIMENTELLER TEIL 208 5.1 Verwendete Geräte 208 5.2 Verwendete Chemikalien 210 5.3 Details zur Berechnung der Copolymerisationsparameter, Beladungen und Pfropfgrade 210 5.4 Synthesen und Polymerisationen 213 5.4.1 Allgemeine Vorgehensweise und Ergebnisse bei den Homo- und Copolymerisationen 213 5.4.2 Synthese der Iminbase–Isocyanat Addukte 222 5.4.3 Synthese der funktionalisierten Siliziumdioxid-Partikel und deren Oberflächenpolymerisation 236 5.4.4 Abspaltung von kovalent gebundenem PMMA mittels Dimethylsulfat / NaOCH3 242 5.4.5 Vorgehensweise bei der Verwendung der Spritzenpumpen-Apparatur 246 5.4.6 Synthese und Charakterisierung der organischen Blockcopolymere 247 6 LITERATURVERZEICHNIS 253 7 ANHANG 264 7.1 Kristallographische Daten zu den ermittelten Strukturen 264 7.2 Weiterführende Details zu den durchgeführten Konzentrations-Zeit-Beziehungen 278 7.2.1 Iminbase / Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation 278 7.2.2 Iminbase-(Meth-)Acrylat-vermittelte (IBA) Polymerisation 302 7.3 Fineman und Ross Beziehungen und Copolymerisationsdiagramme 314 7.4 Nachtrag zu den konzentrationsbezogenen IR-Messungen 322 DANKSAGUNG 324 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 327 LEBENSLAUF 328 LISTE AN VERÖFFENTLICHUNGEN 329