This dissertation aims to better understand the evolution of single hydrogen gas bubbles evolved during the water electrolysis at microelectrodes. In particular, the growth and detachment processes were studied in detail experimentally by means of electrochemical and optical methods in terrestrial, micro-, and hypergravity conditions. The combination of microelectrode and sulfuric acid promoting the bubble coalescence results in a periodical growth and the detachment of single bubbles. This provides a systematic view on the phenomena under study. A shadowgraphy system was used to provide general insight into the bubble behaviour, while Particle Tracking Velocimetry (PTV) was used for the flow velocity measurements around the growing hydrogen bubble. By applying high electric potentials considerably exceeding that in industrial electrolysers, it is possible to analyse the evolution of hydrogen bubbles under extreme conditions and for a wide range of electrolyte concentrations, overall shedding more light on bubble dynamics in general, and especially the underlying balance of forces. The growth of single hydrogen bubbles at micro-electrodes was studied in an acidic electrolyte over a wide range of concentrations and cathodic potentials. New bubble growth regimes were identified which differ in terms of whether the bubble evolution proceeds in the presence of a monotonic or oscillatory variation in the electric current and a carpet of microbubbles underneath the bubble. Key features such as the growth law of the bubble radius, the dynamics of the microbubble carpet, the onset time of the oscillations and the oscillation frequencies were characterised as a function of the concentration and electric potential. Furthermore, the system's response to jumps in the cathodic potential was studied. The electrode, tilted to the horizon, promotes faster growth and, therefore, earlier detachment at the smaller volume of the bubble. During its evolution, the bubble moves laterally from the electrode centre, releasing the electrode area and enabling higher electric current, therefore faster hydrogen generation and bubble-bubble coalescence rates. The duration of the bubble position oscillations found on the horizontal electrode gradually reduces upon tilt angle increase, with an almost complete disappearance at 5°. Based on the analysis of the forces involved and their scaling with the concentration, potential and electric current, a sound hypothesis was formulated regarding the mechanisms underlying the micro-bubble carpet and oscillations. A detailed look was also taken on the dynamics of single hydrogen bubbles in microgravity during parabolic flights. Three bubble evolution scenarios were identified depending on the electric potential applied and the acid concentration. The dominant scenario, characterised by lateral detachment of the grown bubble, was studied in detail. For that purpose, the evolution of the bubble radius, electric current and bubble trajectories as well as the bubble lifetime were comprehensively addressed for different potentials and electrolyte concentrations. The bubble-bubble coalescence events, which are responsible for reversals of the direction of bubble motion, were particularly analysed. Finally, as parabolic flights also permit hypergravity conditions, a detailed comparison of the characteristic bubble phenomena at various levels of gravity was drawn. Finally, the Marangoni convection at the foot of hydrogen gas bubbles mainly induced by the thermocapillary effect is systematically studied during the bubble evolution, the bubble position oscillations, at horizontal and tilted electrodes both in terrestrial and hyper-g environments. The flow structure progressively modifies with the bubble evolution or during the bubble position oscillations, i.e. as per electric current and bubble geometry variation. The velocity increases both with the bubble size and the electric current magnitude. It reaches up to 50 mm/s and 125 mm/s shortly before the bubble detachment at horizontal and tilted electrodes, correspondingly. The bubble position oscillations characterised by the large variation of the electric current govern the velocity of around ~80 mm/s at the highest and ~40 mm/s at the lowest positions. In the case of tilted electrodes, both in terrestrial and hyper-g environments, the lateral movement of the bubble enables higher values of the current and, therefore, stronger convection. The non-homogeneous distribution of the electric current lines at the tilted electrode results in the asymmetrical Marangoni convection around the bubble. There is a certain limitation in terms of the maximal magnitude of the velocity at different tilt angles, governed by the optimal size of the bubble and electric current. At last, the effects of the particles and laser used for PTV measurements were shown to reduce the duration of the oscillations and to retard the bubble evolution. Both effects were considered during the measurements.

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

In this study, thermocapillary-driven convection around a gas bubble under a horizontal heated wall is experimentally investigated under gravitational conditions. The thermocapillary convective flow under conditions beyond the laminar steady state towards turbulent flow is explored in detail. Generally, Marangoni convection is more critical and important under microgravity conditions rather than on earth. Under low gravity, this surface tension induced flow can dictate both heat and mass transfer processes. Thus, thermocapillary convection should be considered by manufacturers during material production processes in space. Moreover, temperature gradients can be purposefully used to eliminate or move bubbles or drops suspended in liquid materials. In addition to that, thermocapillary convective flow appears in many other applications like manufacturing of single-walled carbon nanotubes and mono crystal production, to mention only few examples. Researchers have always seen Marangoni convection as an interesting topic for both numerical and experimental studies. Regarding the configuration of the injected gas bubble under a horizontal heated wall, this physical problem is mainly characterized by a dimensionless number that represents the ratio of convective heat flow induced by capillary convection to the heat transfer due to conduction which is termed Marangoni number (Mg). The past decade has seen different approaches to describe the flow behaviour at high Marangoni numbers. The thermocapillary flow has been mainly investigated and categorized regarding a stable laminar behaviour and a non-laminar one, which is characterized by periodic or non-periodic oscillations. Through previous studies, the point of the transition of the thermocapillary flow from the periodic oscillatory zone to the non-periodic one has been well investigated. However, there is a lack of information about this non-periodic behaviour at very high temperature gradients. Therefore, in the current study, our experimental investigations focus mainly on exploring different factors affecting the non-periodicity of the Marangoni convection and on explaining how this flow behaves under conditions above the transitional Marangoni number (Mg tran ). The experimental work was launched using a PIV technique and shadowgraphy. In addition to that, temperature measurements at different locations in the matrix fluid around the air bubble were conducted to determine the undisturbed temperature gradients at different boundary conditions. The transient observation of both velocity and temperature measurements at locations near the bubble allowed deeper insight in the behaviour of the thermocapillary bubbleconvection. Moreover, through shadowgraphy, a qualitative evaluation of the fluid flow periodicity around the gas bubble was achieved. The implementation of experiments inside a pressure chamber under gauge pressure conditions formed a novel methodology to enable us conducting experiments under higher temperature gradients in order to reach high Marangoni numbers. The thermocapillary bubble convection was categorized into laminar, periodic oscillatory, and non-periodic oscillatory flow. The periodic fluid flow oscillations were categorized in symmetric and asymmetric ones depending on the different applied boundary conditions. The non-periodic fluid flow oscillations around the gas bubble were also achieved at high temperature gradients for different bubble aspect ratios. We proved that for every bubble size, the non-periodic oscillatory state of the fluid flow around the gas bubble undergoes four different modes (A-D). The last one (phase D) is a developed turbulent state starting at Mg- numbers of 75000 for the smallest bubble aspect ratio of 1.2 up to the maximal measured Mg- number of 140000 for a bubble aspect ratio of 2.3. Hence, turbulent thermocapillary bubble convection was realized and studied in our experimental configuration. Moreover, the thermocapillary flow driving velocities at the bubble periphery were measured at different boundary conditions. This study clearly demonstrates that it is the high magnitude of the driving velocity that initiates the interactions between thermocapillary flow vortices leading finally to a highly developed oscillation mode (turbulent state) and that buoyancy plays a secondary role in the described flow configuration.:1 INTRODUCTION 2 LITERATURE REVIEW 3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY 4 RESULTS AND DISCUSSION 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS / In dieser Arbeit wird die thermokapillare Konvektion um eine Gasblase unter einer horizontal beheizten Wand unter Gravitationsbedingungen experimentell untersucht. Diese thermokapillare konvektive Strömung jenseits des laminaren stationären Zustands in Richtung turbulenter Strömung steht in dieser Arbeit im Fokus. Im Allgemeinen ist die Marangoni-Konvektion unter Schwerelosigkeitsbedingungen kritischer und wichtiger als auf der Erde. Unter geringen Schwerkraftkräften kann diese durch Oberflächenspannung induzierte Strömung sowohl Wärme- als auch Stoffübergangsprozesse maßgeblich bestimmen. Daher sollte die thermokapillare Konvektion bei Materialproduktionsprozessen im Weltraum berücksichtigt werden. Darüber hinaus können Temperaturgradienten gezielt angewendet werden, um in flüssigen Materialien suspendierte Blasen oder Tropfen zu entfernen oder zu bewegen. Außerdem tritt thermokapillare Strömung in vielen anderen Anwendungen auf, beispielsweise bei der Herstellung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren oder der Herstellung von Einkristallen, um nur einige Beispiele zu nennen. Forscher haben die Marangoni-Konvektion immer als ein wichtiges und interessantes Thema für numerische und experimentelle Studien betrachtet. In Bezug auf die Konfiguration der injizierten Blase unter einer horizontal beheizten Wand wird dieses physikalische Problem hauptsächlich durch eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis des durch Kapillarkonvektion induzierten konvektiven Wärmeübertragungs zur Wärmeübertragung durch Leitung darstellt und als Marangoni-Zahl (Mg) bezeichnet wird, definiert. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Beschreibung des Strömungs-Verhaltens bei höheren Marangoni-Zahlen verfolgt. Dabei wurde die Thermokapillarströmung grundsätzlich in ein stabiles laminares und ein nicht laminares (oszillierendes) Verhalten, das durch periodische oder nicht periodische Geschwindigkeit- und Temperatur-Fluktuationen gekennzeichnet ist, eingeteilt. Durch frühere Studien wurde das Regime des Übergangs des thermokapillaren Verhaltens von der periodischen Schwingungszone zur nichtperiodischen gut untersucht. Es fehlen jedoch immer noch detaillierte Informationen über das nichtperiodische Verhalten bei sehr hohen Temperaturgradienten. Daher konzentrieren sich unsere experimentellen Untersuchungen in der vorliegenden Studie hauptsächlich auf die Untersuchung verschiedener Faktoren, die die Nichtperiodizität der konvektiven Thermokapillarströmung beeinflussen, und auf eine Klärung, wie sich diese Strömung unter verschiedenen Randbedingungen über der kritischen Marangoni-Zahl (Mg c ) verhält.Die experimentelle Arbeit wurde sowohl mit einer PIV-Technik als auch mit der Shadowgraph- Technik durchgeführt. Darüber hinaus waren Temperaturmessungen auf Sensorbasis an verschiedenen Stellen in der verwendeten Flüssigkeit um die Luftblase geeignet, um die ungestörten Temperaturgradienten bei verschiedenen Randbedingungen zu bestimmen. Die zeitabhängige Messung sowohl von Geschwindigkeiten als auch von Temperaturen an Orten in der Nähe der Blase lieferte Informationen über das Verhalten der Konvektion der thermokapillaren Strömung. Darüber hinaus wurde durch die Shadowgraph-Technik eine qualitative Bewertung der Fluidströmungsperiodizität um die Blase ermöglicht. Die Durchführung von Experimenten in einer Druckkammer unter Überdruck-Bedingungen bildet eine neuartige Methode, um solche Experimente unter höheren Temperaturgradienten durchzuführen und höhere Marangoni-Zahlen zu erreichen. Die thermokapillare Blasenkonvektion wurde in dieser Arbeit in laminaren stetigen Flüssigkeitsströmungen, periodischen und nichtperiodischen oszillierenden Flüssigkeitsströmungen eingeteilt. Die periodischen Fluidströmungsschwingungen wurden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randbedingungen in symmetrische und asymmetrische eingeteilt. Die nichtperiodischen Strömungsoszillationen um die Gasblase wurden auch bei hohen Temperaturgradienten für verschiedene Blasenaspektverhältnisse erreicht. Wir konnten zeigen, dass für jede Blasengröße der nichtperiodische Schwingungszustand der Strömung um die Gasblase vier verschiedene Modi (A-D) besitzen kann. Die letzte (Phase D) ist ein hoch entwickelter turbulenter Zustand, der bei Mg-Zahlen von 75000 für das kleinste Blasenaspektverhältnis von 1,2 bis zur maximal gemessenen Mg-Zahl von 140000 für das Blasenaspektverhältnis von 2,3 beginnt. Der ausgebildete turbulente Zustand der thermokapillaren Strömung konnte mit unserer experimentellen Konfiguration erstmalig erreicht werden. Darüber hinaus konnten die Antriebsgeschwindigkeiten der thermokapillaren Strömung an der Peripherie der Blase bei verschiedenen Randbedingungen gemessen werden. Diese Studie zeigt deutlich, dass es die Höhe der Antriebsgeschwindigkeit ist, welche die Wechselwirkungen zwischen thermokapillaren Strömungswirbeln unterschiedlicher Größe antreibt, die schließlich zu chaotischen Schwingungen der im Folgenden beschriebenen Grenzlinie führen. Diese Studie zeigt auch, dass die Auftriebskonvektion in der beschriebenen Strömungskonfiguration eine untergeordnete Rolle spielt.:1 INTRODUCTION 2 LITERATURE REVIEW 3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY 4 RESULTS AND DISCUSSION 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.