Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1955. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 171-180).

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Chloride channel family has been shown to play a significant role in physiological homeostasis processes. The function mechanism of these proteins has not yet been clearly understood. Their deficiency or mutation causes serious human illnesses. Our understanding of the chloride channels' transporting mechanisms can lead to better treatment of these illnesses. As mammalian chloride channels are difficult to prepare in laboratory, the experiments are usually done on homologous chloride channels from prokaryotic organisms. The structures of prokaryotic chloride channels have been solved and moreover they are produced with high yields. Most experiments currently use protein crystallography and provide a static picture of the system. This thesis is focused on the study of structural changes of an E. coli chloride channel using hydrogen/deuterium exchange. This method enables us to monitor dynamic conformation changes dependent on pH and exchanged ions. The measurements were done for the protonated (pH 4.5) and deprotonated state (pH 7.5) and/or in the presence of various anions: Cl− , SCN− , I− , F− , TAR. (tartaric anion). The obtained results justified the theories explaining the function of chloride channel as Cl− /H+ antiporter and provided new findings. Subject words biochemistry, protein...

Les déchets de bois et de plastiques sont des ressources prometteuses pour la production du gaz de synthèse (syngaz) par la pyro-gazéification grâce à leurs disponibilités et leurs caractéristiques énergétiques. Cependant, le syngaz issu de ces déchets peut contenir des teneurs élevées en chlorure d’hydrogène (HCl) qui est corrosif et toxique et qui doit donc être éliminé. Premièrement, les expériences de pyrolyse des mélanges de bois de peuplier et de plastiques ont mis en évidence l’influence des plastiques sur les produits obtenus. En effet, le HDPE et PS augmentent respectivement le pouvoir calorifique du syngaz et le rendement en huiles, tandis que le PVC augmente le rendement en char et le HCl dans le syngaz. Ensuite, les expériences de pyro-gazéification à l’échelle pilote ont montré que l’ajout de 1 % en masse de PVC dans un déchet de bois augmente la teneur en goudrons et HCl dans le syngaz par un facteur respectivement de 2 et 5,5, tandis que la concentration de chlore dans le char résiduel est 16 fois plus élevée. En parallèle, un model CFD a été développé pour simuler la pyro-gazéification du déchet de bois en couplant les phénomènes d’écoulement de fluides, transfert de masse et de chaleur, et les réactions chimiques. Ce modèle se compose des sous-modèles de séchage, pyrolyse, oxydation et gazéification du char. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les données expérimentales obtenues par des expériences dans un gazéifieur à l’échelle pilote. En outre, les analyses de sensibilités du sous-modèle de la gazéification de char ont été réalisées. Finalement, une étude expérimentale a été conduite sur le traitement de HCl dans le syngaz. L’étude se concentre sur la valorisation de deux résidus solides industriels issus de la production de bicarbonate et carbonate de sodium. Leurs réactivités sont comparées avec celles de deux adsorbants commerciaux, NaHCO3 et Ca(OH)2. L’effet de la matrice gazeuse sur la performance des adsorbants est également examiné. Les résidus industriels ont un potentiel intéressant par rapport aux adsorbants commerciaux. Les résultats obtenus montrent des nouvelles approches pour la purification du syngaz généré par la gazéification des déchets de bois et de plastiques. / Wood and plastic waste are interesting feedstock for the production of syngas via pyro- gasification, mainly due to their abundant supply and good fuel properties. However, syngas derived from waste may contain significant amounts of hydrogen chloride (HCl), which is corrosive and toxic and must therefore be removed. In this work, co-pyrolysis experiments were first conducted in order to study the influence of mixing different plastics with wood samples on the pyrolysis products. It was found that HDPE and PS significantly increase the heating value and HCl content of the gas product respectively, while PVC increases the yield of char and HCl. Next, pilot-scale experiments were performed, which revealed that adding 1 wt% PVC to wood waste raises the content of tar and HCl in syngas by factors of 2 and 5,5 respectively, and also elevates the chlorine concentration in the char residue 16 time over the value obtained in the absence of PVC. In parallel, a CFD model was developed to simulate the pyro-gasification of wood waste by coupling fluid flow, heat and mass transfer, and chemical reactions. This model consists of drying, pyrolysis, oxidation and char gasification sub-models. The simulation results were in good agreement with experimental data obtained from the pilot-scale experiments. Furthermore, sensibility analyses on the char gasification sub-model were performed. Finally, an experimental study was conducted on the removal of HCl from syngas. The study focused on valorizing two industrial solid wastes generated from the process of sodium carbonate and sodium bicarbonate manufacture. Their HCl adsorption performance were compared to those of the commercial sorbents, NaHCO3 et Ca(OH)2. Moreover, the effect of gas matrix on their performance was studied. The industrial wastes showed potential for treating acid gas as compared to the commercial sorbents used. This opens up new approaches to the purification of syngas generated by the pyro-gasification of wood and plastic waste.

HCl ist ein Nebenprodukt bei vielen organischen Chlorierungsprozessen. Die Aufarbeitung von HCl wäre wirtschaftlich sinnvoll. Eine der möglichen Optionen ist die Rückgewinnung des Chlors durch die katalytische HCl-Oxidation mit O2 (Deacon-Prozess). Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die katalytische Aktivität von kupferchlorid-haltigen Schmelzen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Verhältnis der Reaktionsgase zu untersuchen. Dazu wurden Versuche unter stationären und instationären Reaktionsbedingungen im Temperaturintervall zwischen 400 und 500 °C durchgeführt. Für das bessere Verständnis des Katalysator-Systems wurde ein thermodynamisches Modell für das Stoffsystem MeCl-CuCl-CuCl2-CuO-HCl-H2O-Cl2-O2 (Me = Li, Na, K) erstellt. Weiterhin wurden mithilfe von kinetischen Untersuchungen Hinweise auf die Rolle der gelösten oxidischen Zwischenverbindungen im stufenweisen Reaktionsmechanismus gefunden. Mit den Versuchsergebnissen wurde gezeigt, dass die MeCl-CuCl-CuCl2-Schmelzen eine genügende katalytische Aktivität besitzen und damit eine Alternative zu den mit Feststoffträgern arbeitenden Katalysatoren darstellen. Zur Minderung von Korrosionsproblemen wurden mehrstufige Prozessführungen kritisch diskutiert.

Nearly half of the electrical power produced in the United States is generated with coal. Coal power is inexpensive and reliable, but coal combustion releases harmful pollutants including NOx and SOx into the atmosphere if not controlled. CO2, a greenhouse gas, is also released during coal combustion and may contribute to global warming. A promising technology enabling carbon capture is oxy-coal combustion. During oxy-combustion, coal is burned in an atmosphere of O2 and recycled flue gas to eliminate nitrogen which makes up the majority of air-combustion flue gas. Oxy-combustion flue gas is mainly composed of CO2 and H2O. H2O can be condensed out of the gas, and the CO2 can then be captured and permanently stored relatively easily. The composition of the gas inside an oxy-fired boiler will be different due to the absence of nitrogen and the recycling of flue gas. Corrosive sulfur and chlorine gas species concentrations will be higher, and CO and NOx concentrations will be effected. An understanding of the differences in gas concentrations is critical to oxy-combustion boiler design. Four different pulverized coals were combusted in a reactor under staged and unstaged oxy-combustion conditions with warm recycled flue gas (420°F) to simulate conditions in an oxy-fired coal boiler. The gas composition was measured in the reducing and oxidizing zones for staged combustion, and in the same locations, 57 cm and 216 cm from the burner, for unstaged combustion. The results were compared to the results from similar staged air-combustion experiments using the same coals and burner. CO concentrations were higher for staged oxy-combustion compared to air-combustion, and the increase was more substantial for lower rank coals. H2S concentrations in the reducing regions were also higher, and the fraction of gas phase sulfur measured as H2S was higher for oxy-combustion. SO2 concentrations were 2.9 to 3.8 times as high as air-combustion concentrations. The measured conversion of coal sulfur to SO3 was lower for oxy-combustion, and ranged from 0.61% to 0.98%. The average fraction of coal sulfur measured in the gas phase was 84%, 80%, and 85% for staged oxy-combustion, unstaged oxy-combustion, and staged air-combustion respectively. HCl concentrations were 2.8 to 3.1 times higher in the staged oxy-combustion oxidizing zone, and a smaller fraction of coal chlorine was measured in the reducing zone. On average 70.8%, 79.5%, and 71.1% of the coal chlorine was measured as HCl for staged oxy-combustion, unstaged oxy-combustion, and staged air-combustion respectively. The fractions of coal chlorine and sulfur measured in the gas phase for staged combustion were not significantly affected by combustion media. Some staged oxy-combustion NO concentrations were lower than air-combustion concentrations while others were slightly higher, and NO emission rates were much lower due to recycling NO through the burner.

HCl ist ein Nebenprodukt bei vielen organischen Chlorierungsprozessen. Die Aufarbeitung von HCl wäre wirtschaftlich sinnvoll. Eine der möglichen Optionen ist die Rückgewinnung des Chlors durch die katalytische HCl-Oxidation mit O2 (Deacon-Prozess). Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die katalytische Aktivität von kupferchlorid-haltigen Schmelzen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Verhältnis der Reaktionsgase zu untersuchen. Dazu wurden Versuche unter stationären und instationären Reaktionsbedingungen im Temperaturintervall zwischen 400 und 500 °C durchgeführt. Für das bessere Verständnis des Katalysator-Systems wurde ein thermodynamisches Modell für das Stoffsystem MeCl-CuCl-CuCl2-CuO-HCl-H2O-Cl2-O2 (Me = Li, Na, K) erstellt. Weiterhin wurden mithilfe von kinetischen Untersuchungen Hinweise auf die Rolle der gelösten oxidischen Zwischenverbindungen im stufenweisen Reaktionsmechanismus gefunden. Mit den Versuchsergebnissen wurde gezeigt, dass die MeCl-CuCl-CuCl2-Schmelzen eine genügende katalytische Aktivität besitzen und damit eine Alternative zu den mit Feststoffträgern arbeitenden Katalysatoren darstellen. Zur Minderung von Korrosionsproblemen wurden mehrstufige Prozessführungen kritisch diskutiert.:1 Einleitung. . . . . . . . . . .7 2 Theoretische Grundlagen zum Deacon-Prozess in Salzschmelzen. . . . . . . . . . .9 2.1 Thermochemie des Deacon-Prozesses. . . . . . . . . . .9 2.1.1 Oxidation von HCl mit O2 ohne Katalysator. . . . . . . . . . .9 2.1.2 Oxidation von HCl mit O2 in Gegenwart von CuCl2-haltigen Katalysatoren. . . . . . . . . . .10 2.2 Kinetik der Teilreaktionen in kupferchlorid-haltigen Salzschmelzen. . . . . . . . . . .13 2.2.1 Zersetzung des CuCl2. . . . . . . . . . .14 2.2.2 Oxidation von CuCl. . . . . . . . . . .15 2.2.3 Reaktion zwischen CuO-haltiger Schmelze und Chlorwasserstoff. . . . . . . . . . .17 3 Thermodynamische Modellierung der Mischungen aus LiCl, NaCl, KCl, CuCl und CuCl2. . . . . . . . . . .19 3.1 Thermodynamische Daten der reinen Stoffe. . . . . . . . . . .20 3.2 Mischungsmodelle. . . . . . . . . . .22 3.3 Vorgehensweise bei der Optimierung. . . . . . . . . . .25 3.4 System LiCl-NaCl-KCl. . . . . . . . . . . 25 3.5 System LiCl-CuCl. . . . . . . . . . .26 3.6 System NaCl-CuCl. . . . . . . . . . .28 3.7 System KCl-CuCl. . . . . . . . . . .29 3.8 System LiCl-CuCl2. . . . . . . . . . .30 3.9 System NaCl-CuCl2. . . . . . . . . . .33 3.10 System KCl-CuCl2 . . . . . . . . . . .34 3.11 System CuCl-CuCl2. . . . . . . . . . . 35 3.12 Ternäre Systeme. . . . . . . . . . .39 4 Untersuchungen zur CuO-Löslichkeit und der Stabilität von Oxidchloriden des Kupfers. . . . . . . . . . .46 4.1 Präparation von Cu2OCl2 und K4Cu4OCl10. . . . . . . . . . .46 4.2 Untersuchungen zur CuO-Löslichkeit. . . . . . . . . . .47 4.2.1 Thermodynamische Reaktionsdaten. . . . . . . . . . .47 4.2.2 Auswertung der Literatur. . . . . . . . . . .48 4.2.3 O2-Titration kupferchlorid-haltiger Schmelze. . . . . . . . . . .49 4.2.4 Hochtemperatur-Filtration und CuO-Analyse. . . . . . . . . . .53 4.2.5 Thermischer Zerfall von Cu2OCl2. . . . . . . . . . .55 4.2.6 Thermischer Zerfall von K4Cu4OCl10. . . . . . . . . . .57 4.3 Thermodynamische Modellierung CuO-haltiger Systeme. . . . . . . . . . .59 4.3.1 Cu2OCl2. . . . . . . . . . .59 4.3.2 K4Cu4OCl10. . . . . . . . . . .60 4.3.3 CuO-Löslichkeit. . . . . . . . . . .62 4.3.4 Salzschmelzenmodell mit oxidhaltigen Systemen. . . . . . . . . . .63 4.4 Thermochemie des Deacon-Prozesses mit Modell-Daten. . . . . . . . . . .69 5 Experimentelle Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von HCl in Salzschmelzen. . . . . . . . . . .72 5.1 Versuchsprogramm. . . . . . . . . . .72 5.2 Allgemeine Vorgehensweise. . . . . . . . . . .72 5.2.1 Versuchsapparatur. . . . . . . . . . .72 5.2.2 Vorbereitung der Salzmischungen. . . . . . . . . . .74 5.2.3 Bestimmung der Gaszusammensetzung und Umsatzberechnungen. . . . . . . . . . .75 5.2.4 Bestimmung der Schmelzenzusammensetzung. . . . . . . . . . .77 5.2.5 Charakteristik der Reaktoreinsätze Spirale und Fritte. . . . . . . . . . .77 5.3 Versuche mit Salzmischungen auf der Basis von Kupferchlorid. . . . . . . . . . .81 5.3.1 Stationäre Strömungsverhältnisse. . . . . . . . . . .81 5.3.2 Instationäre Bedingungen. . . . . . . . . . .95 6 Vorschläge zur Technologie. . . . . . . . . . .106 7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . .112 Literaturverzeichnis. . . . . . . . . . .115 Anhang. . . . . . . . . . .124 A.1 Thermodynamische Standard-Daten. . . . . . . . . . .124 A.2 Thermodynamische Daten für das Modell LiCl-NaCl-KCl-CuCl-CuCl2-CuO-H2O-HCl-O2-Cl2. . . . . . . . . . .126 A.3 Charakteristika der kupferoxidhaltigen Verbindungen. . . . . . . . . . .133 A.3.1 P-XRD- und Raman-Aufnahmen der synthetischen Oxidchloriden. . . . . . . . . . .133 A.3.2 O2 -Titration kupferchlorid-haltiger Schmelze. . . . . . . . . . .134 A.3.3 Thermischer Zerfall von Cu2OCl2 und K4Cu4OCl10. . . . . . . . . . .137 A.3.4 Phasendiagramm KCl-CuCl2-CuO. . . . . . . . . . .138 A.4 Katalytische Oxidation von HCl in Salzschmelzen. . . . . . . . . . .138 A.5 Physikalische Eigenschaften von (Alk-Cl)-CuCl-CuCl Salzschmelzen. . . . . . . . . . .156 A.6 Chemikalien. . . . . . . . . . .161 A.7 Geräte, Anlagen. . . . . . . . . . .162 A.8 Methode zur titrimetrischen Bestimmung von Cu+, Cu+2 und CuO. . . . . . . . . . .164 A.9 Berechnete Chlor- und Sauerstoffpartialdrücke für (Alk-Cl)-CuCl-CuCl2-Schmelzen. . . . . . . . . . .164 A.10 Berechnete Aktivitäten der geschmolzenen Kupferchloride in (Alk-Cl)-CuCl-CuCl2-Schmelzen. . . . . . . . . . .171

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B)(2) 課題番号:10480145 研究代表者:松田 仁樹 研究期間:1998-1999年度

In dieser Dissertation werden ab initio Theorien zur Beschreibung der Zustände von perfekten halbleitenden und nichtleitenden Kristallen, unter Berücksichtigung elektronischer Korrelationen, abgeleitet und angewandt. Als Ausgangsbasis dient hierzu die Hartree-Fock Approximation in Verbindung mit Wannier-Orbitalen. Darauf aufbauend studiere ich zunächst in Teil I der Abhandlung den Grundzustand der wasserstoffbrückengebundenen Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff zick-zack Ketten und analysiere die langreichweitigen Korrelationsbeiträge. Dabei mache ich die Basissatzextrapolationstechniken, die für kleine Moleküle entwickelt wurden, zur Berechnung von hochgenauen Bindungsenergien von Kristallen nutzbar. In Teil II der Arbeit leite ich zunächst eine quantenfeldtheoretische ab initio Beschreibung von Elektroneneinfangzuständen und Lochzuständen in Kristallen her. Grundlage hierbei ist das etablierte algebraische diagrammatische Konstruktionsschema (ADC) zur Approximation der Selbstenergie für die Bestimmung der Vielteilchen-Green's-Funktion mittels der Dyson-Gleichung. Die volle Translationssymmetrie des Problems wird hierbei beachtet und die Lokalität elektronischer Korrelationen ausgenutzt. Das resultierende Schema wird Kristallorbital-ADC (CO-ADC) genannt. Ich berechne damit die Quasiteilchenbandstruktur einer Fluorwasserstoffkette und eines Lithiumfluoridkristalls. In beiden Fällen erhalte ich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen meinen Resultaten und den Ergebnissen aus anderen Methoden. / In this dissertation, theories for the ab initio description of the states of perfect semiconducting and insulating crystals are derived and applied. Electron correlations are treated thoroughly based on the Hartree-Fock approximation formulated in terms of Wannier orbitals. In part I of the treatise, I study the ground state of hydrogen-bonded hydrogen fluoride and hydrogen chloride zig-zag chains. I analyse the long-range contributions of electron correlations. Thereby, I employ basis set extrapolation techniques, which have originally been developed for small molecules, to also obtain highly accurate binding energies of crystals. In part II of the thesis, I devise an ab initio description of the electron attachment and electron removal states of crystals using methods of quantum field theory. I harness the well-established algebraic diagrammatic construction scheme (ADC) to approximate the self-energy, used in conjunction with the Dyson equation, to determine the many-particle Green's function for crystals. Thereby, the translational symmetry of the problem and the locality of electron correlations are fully exploited. The resulting scheme is termed crystal orbital ADC (CO-ADC). It is applied to obtain the quasiparticle band structure of a hydrogen fluoride chain and a lithium fluoride crystal. In both cases, a very good agreement of my results to those determined with other methods is observed.