Resumo: O objetivo do trabalho foi estudar as características morfogenéticas e estruturais do capim-Tanzânia, a produção de forragem, as perdas de nitrogênio (N) por volatilização, reservas orgânicas e a avaliação do sistema radicular sob doses de nitrogênio sob pastejo. O experimento foi instalado na área Fazenda Experimental de Iguatemi da Universidade Estadual de Maringá, no período de março de 2007 a março de 2008. O delineamento experimental utilizado foi de blocos completos ao acaso, com parcelas subdivididas com quatro repetições. Nas parcelas, encontravam-se as doses de N (0, 150, 300 e 450 kg ha-1 de N) e, nas sub-parcelas, as estações do ano. As perdas de N por volatilização foram quantificadas depois da adubação N (1, 2, 3, 6, 9, 12 e 15 dias). As amostragens das raízes foram realizadas nas profundidades de 0-10, 10-20 e 20-40 cm. A aplicação do fertilizante N na pastagem foi parcelada em três aplicações. A produção de massa seca total e de lâmina foliar de forragem respondeu linearmente até 282 kg ha-1 de N na estação do verão. A adubação nitrogenada exerce efeito positivo nas taxas de alongamento e aparecimento foliar, e no número de folhas vivas em plantas de capim-Tanzânia nas estações da primavera e verão. Elevadas adubações nitrogenadas associada a intervalos menores de pastejo promovem uma maior porcentagem de lâmina foliar; no manejo de pastos de capim-Tanzânia sob lotação rotacionada com altura de 70 cm na entrada dos animais para o pastejo e saída com 30 cm de altura do resíduo. A interação entre o nível de adubação e o período depois da aplicação de uréia foi significativa para a variável volatilização acumulada de N-NH3. A aplicação da uréia acarreta perdas percentuais mais elevadas de N nos três primeiros dias após a aplicação. A perda média acumulada de N-NH3 no período para as três estações do ano... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present research project had for objectives to study the variables morphogenesis and structural of grass-Tanzania, the forage production, the losses of nitrogen for volatilization, organic reserves and the evaluation of the system root under the effect of levels of nitrogen under grazing. The experiment was installed in the area Experimental Finance of Iguatemi of the State University of Maringá among April of 2007 to March of 2008. The used a completely randomized design, with plots subdivided with four repetitions. In the plots, they were the doses of N (150, 300 and 450 kg ha-1 of N) and, in the subplots, the season. The losses of nitrogen for volatilization the subplots by the time after fertilization (1, 2, 3, 6, 9, 12 and 15 days). The samplings of the roots were accomplished in the depths of 0-10, 10-20 and 20-40 cm. The application of the fertilizer N in the pasture was parceled in three applications. The production of total dry mass and of sheet to foliate of forage answered lineally to 282 kg ha-1 of N in the station of the summer. The fertilization nitrogen exercises positive effect in the prolongation taxes and emergence to foliate, and in the number of live leaves in plants of Tanzaniagrass in the stations of the spring and summer. Elevated fertilization nitrogen associated to smaller intervals of grazing promote a larger sheet percentage to foliate; in the handling of pastures of Tanzaniagrass under capacity rotation with height of 70 cm in the entrance of the animals for the grazing and exit with 30 cm of height of the residue. The interaction between level of fertilization and the period after the urea application was significant for the variable accumulated volatilization of NH3-N. The application of urea fertilizer in the pasture carries the highest percentage losses of N in the first three days after the application. The average cumulative loss of NH3-N... (Complete abstract click electronic access below)

Nitrogen is an essential plant nutrient in the biosphere. Although N is necessary and beneficial for life, it is also a common pollutant in the atmosphere and hydrosphere as it may be lost to the atmosphere as ammonia (NH3) or nitrous oxide (N2O) gases or to groundwater as nitrate (NO3-) following fertilization. Polymer coated urea (PCU) is one type of N fertilizer which uses temperature-controlled diffusion to control N release to better match plant demand and mitigate environmental losses of N. The objectives of this project were to simultaneously compare the effects of PCU on gaseous (as N2O and NH3) and aqueous (as NO3-) N losses to the environment as compared to uncoated urea in grass systems over the entire PCU N-release period and to investigate the viability of photoacoustic infrared spectroscopy as a method to ascertain N2O and NH3 losses following fertilization. Two field studies were conducted on established turfgrass sites with a mixture of Kentucky bluegrass (KBG; Poa pratensis L.) and perennial ryegrass (PRG; Lolium perenne L.) in sand (Site 1) and loam (Site 2) soils. Each study compared an untreated control to 200 kg N ha-1 applied as either uncoated urea or PCU (Duration 45 CR®). In these studies PCU reduced NH3 emissions by 41-49% and N2O emissions by 16-54%, while improving growth and verdure. Leachate NO3- observations were inconclusive at each site. Glasshouse studies were conducted to compare N2O and NH3 emissions from PCU and uncoated urea to an untreated control utilizing a non-static, non-flow-through chamber in conjunction with photoacoustic infrared spectroscopy (PAIRS) for gas collection and analysis. Three short-term studies (17-21 d) were done with sand, sandy loam, and loam soils and a full-term (45 d) study with the loam soil. Each study was done in maize (Zea mays L.). Volatilization of ammonia was reduced by 72% and 22% in the sandy loam and loam soils, respectively, in 2008-2009 and by 14% in the loam in 2010. Evolution of N2O was reduced by 42% and 63% in the sandy loam and loam soils in 2008-2009 and by 99% in the loam in 2010. Overall, PCU decreased gaseous losses of N following fertilization while providing a steady supply of N to the plant. The utilization of PAIRS is a viable analysis method which gives higher temporal resolution analysis than is typically reported. These considerable decreases in environmental losses of N are major steps toward conserving natural resources and mitigating the negative environmental impacts associated with N fertilization in grass systems.

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<p dir="ltr">Emission and absorption spectroscopy diagnostics are useful for providing non-invasive,<br>quantitative measurements of various gas properties in combustion environments, including<br>temperature and species concentrations. These measurements become even more useful<br>when they are applied with high spatial and temporal resolution. This dissertation describes<br>several ways that both emission and absorption diagnostics were advanced through leveraging<br>improvements in mid-IR camera and laser technology and through refining the use of existing<br>techniques.<br>A literature review is provided for both laser absorption and emission spectroscopy. Previous advancements in spatially resolved techniques are explained. The fundamental equations<br>of spectroscopic diagnostics are reviewed, starting from statistical mechanics.<br>A spectrally-resolved emission imaging diagnostic is presented. This diagnostic provided<br>1-dimensional measurements of gas temperature and relative mole fraction of CO₂ and HCl<br>in flames. An imaging spectrometer and a high-speed mid-infrared camera were used to<br>provide 1D measurements of CO₂and HCl emission spectra with a spectral resolution of<br>0.46 cm^-1 at rates up to 2 kHz. Measurements were acquired in HMX and AP-HTPB flames<br>burning in air at 1 atm. This diagnostic was applied to characterize how the path-integrated<br>gas temperature of HMX flames varies in time and with distance above the burning surface.<br>Additionally, Abel inversion with Tikhonov regularization was applied to determine the radial<br>distribution of temperature and relative concentration of CO₂ and HCl within the core of<br>AP-HTPB flames.<br>Next, a similar emission imaging diagnostic is presented which uses spectrally-resolved<br>measurements of emission spectra at visible wavelengths, unlike the mid-infrared measure-<br>ments in the rest of this dissertation. This diagnostic provided 1D temperature measure-<br>ments of aluminum oxide (AlO), an intermediate product of aluminum combustion. While<br>this author created the AlO diagnostic, these measurements were performed alongside a CO<br>absorption diagnostic used by a different researcher to compare the flame bath gas (via CO)<br>and the region immediately around aluminum particles (via AlO) when varying forms of<br>aluminum powder were used in a propellant. This comparison allows analysis of the burning regime of aluminum particles. Evidence was found that nano-aluminum particles burn in<br>the kinetically controlled combustion regime, while micron-aluminum particles burn in the<br>diffusion-controlled regime.<br>Multi-spectral emission imaging of hypergolic ignition of ammonia borane (AB) is then<br>presented. Three high-speed cameras with multiple optical filters were used to capture<br>infrared and visible wavelength videos of four individual species during AB ignition: BO,<br>BO₂, HBO₂, and the B-H stretch mode of AB were imaged. The ignition process was<br>observed to act in two steps: gas evolution and then propagation of a premixed flame. The<br>evolution of the species and flame front revealed that boranes may continue to complete<br>combustion to a further degree than other boron fuels. This author performed the infrared<br>camera imaging and also ran infrared spectrograph measurements to confirm which species<br>were viewed through the optical filters.<br>Next, a scanned-wavelength direct-absorption diagnostic for directly measuring NH₃ in<br>high-temperature combustion environments is presented. A quantum cascade laser (QCL)<br>was scanned at 5 kHz over multiple NH₃ transitions between 959.9 cm⁻¹ and 960.3 cm⁻¹ to<br>measure path-integrated NH₃ temperature and mole fraction. Many NH₃ transitions overlap<br>with high-temperature water lines at commonly used diagnostic frequencies, severely limiting<br>those diagnostics’ capabilities in water-rich, high-temperature environments that are typical<br>of combustion applications. The optical frequencies used in this diagnostic are insensitive<br>to water absorption and thus remedy this issue. This diagnostic was demonstrated within<br>the flame of ammonia borane. AB-based fuels were burned in ambient air and translated<br>vertically to effectively scan the measurement line-of-sight vertically through the flame. Ad-<br>ditionally, flames of these fuels were characterized at a stationary height in an opposed-flow<br>burner (OFB) under O₂ flow.<br>The final chapter presents scanned-wavelength direct-absorption measurements of path-<br>integrated temperature and CO mole fraction in opposed-flow diffusion flames of hydroxyl-<br>terminated polybutadiene (HTPB). HTPB strands were held in an opposed-flow burner<br>under an opposed flow of O2 or 50/50 O₂/N₂ to create quasi-steady and quasi-1D diffusion<br>flames above the fuel strand. The opposed-flow burner was translated vertically to effectively<br>scan the measurement line-of-sight vertically through the flame. A quantum-cascade laser (QCL) was scanned across the P(2,20), P(0,31), and P(3,14) absorption transitions in CO’s<br>fundamental vibration bands near 2008 cm⁻¹ at 10 kHz to determine the path-integrated<br>temperature and CO mole fraction. The laser beam was passed through sapphire rods<br>held close to the flame edge to bypass the flame boundary and provide a well defined path<br>length for mole fraction measurements. The measured profiles and fuel regression rates<br>were compared to predictions produced by a steady opposed-flow 1D diffusion flame model<br>produced by researchers at the Army Research Lab. The model was generated with chemical<br>kinetics mechanisms employing two different assumptions for the nascent gaseous product of<br>HTPB pyrolysis: C₄H₆ or C₂₀H₃₂. It was found that the C₂₀H₃₂ model produced temperature<br>and CO profiles along with regression rates that agreed more closely with the measured<br>results.<br></p>

Ce travail porte sur l’étude de systèmes catalytiques innovants par la technique d’échange isotopique (EI) permettant d’apprécier des propriétés fondamentales (activation des molécules en surface, mobilité et réactivité des atomes de réseau) pour comprendre les mécanismes de réaction mis en jeu en catalyse hétérogène et développer des systèmes plus performants. Aussi, l’identification d’espèces adsorbées intermédiaires est possible en couplant la spectrométrie de masse (analyse de la phase gaz) à l’observation de la surface catalytique par spectroscopie DRIFT.L’EI 16O/18O montre des effets de dispersion ou de synergie de LaMnO3 (LM) supportée sur YSZ ou TiO2 expliquant les performances de cette structure pérovskite pour l’oxydation catalytique de C7H8 via un mécanisme suprafacial. L’activité en EI C16O2/C18O2 démontre la mobilité exceptionnelle des atomes O de réseau de YSZ dès 150 °C via la formation d’espèces (hydrogéno)carbonates en surface. En catalyse d’oxydation, à T < 800 °C, cette mobilité est pourtant limitée par l’activation d’O2 à la surface de YSZ. La solution proposée ici est la génération préalable d’une espèce oxygène réactive sur un lit de matériau réductible type LM. Le double-lit LM-YSZ montre d’excellentes performances pour abaisser la température d’oxydation de CH4 à 425 °C via un mécanisme Mars van Krevelen (MvK) où les atomes O de YSZ participent à la réaction par l’intermédiaire d’espèces formiates.L’EI 14N/15N est également utilisé dans ce travail pour analyser la réactivité des atomes N de réseau dans les nitrures métalliques. En particulier, Co3Mo3N et Ni2Mo3N montrent des propriétés remarquables, dépendant de la méthode de préparation ou du prétraitement appliqué. Leur comportement suggère la participation des atomes N dans la réaction de synthèse de NH3 sur le principe d’un mécanisme MvK. / This work concerns the study of new catalytic systems by isotopic exchange (IE) technique allowing to appreciate basic properties (molecules surface activation, mobility and reactivity of lattice atoms) to better understand catalytic mechanisms and to develop efficient catalysts. The identification of intermediate adsorbed species is possible by coupling mass spectrometry (gas-phase analysis) with the catalytic surface analysis by DRIFT spectroscopy.IE 16O/18O shows dispersal and synergetic effect of supported LaMnO3 perovskite (LM) on YSZ or TiO2 which explain catalytic performances of this perovskite structure for toluene oxidation via a suprafacial mechanism. IE C16O2/C18O2 activity demonstrates the remarkable lattice O atoms mobility of YSZ from 150 °C via adsorbed (hydrogeno)carbonates. To the contrary, in oxidation catalysis, under 800 °C, this mobility is very limited by O2 activation on YSZ surface. The solution proposed in this work is the previous generation of reactive oxygen species on a first catalytic bed of reducible material as LM. LM+YSZ dual-bed shows very efficient activity to reduce methane oxidation temperature at 425 °C via a Mars-van Krevelen (MvK) mechanism in which lattice O atoms of YSZ take part in the reaction by intermediate formate species.IE 14N/15N is thereafter used to analyse lattice N atoms reactivity of metal nitrides materials. In particular, Co3Mo3N and Ni2Mo3N show interesting properties depending on preparation or pre-treatement routes. This behaviour supposes that ammonia synthesis reaction could be procced via MvK type mechanism with the participation of lattice N of this nitrides.

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

The possibility of using methylamines instead of ammonia as a nitrogen precursor for the CVD of nitrides is studied using quantum chemical computations of reaction energies: reaction electronic energy (Δ𝑟𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐) reaction enthalpy (Δ𝑟𝐻) and reaction free energy (Δ𝑟𝐺). The reaction energies were calculated for three types of reactions: Uni- and bimolecular decomposition to more reactive nitrogen species, adduct forming with trimethylgallium (TMG) and trimethylaluminum (TMA) followed by a release of methane or ethane and surface adsorption to gallium nitride for both the unreacted ammonia or methylamines or the decomposition products. The calculations for the reaction entropy and free energy were made at both STP and CVD conditions (300°C-1300°C and 50 mbar). The ab inito Gaussian 4 (G4) theory were used for the calculations of the decomposition and adduct reactions while the surface adsorptions were calculated using the Density Functional Theory method B3LYP. From the reactions energies it can be concluded that the decomposition was facilitated by the increasing number of methyl groups on the nitrogen. The adducts with mono- and dimethylamine were more favorable than ammonia and trimethylamine. 𝑁𝐻2 was found to be most readily to adsorb to 𝐺𝑎𝑁 while the undecomposed ammonia and methylamines was not willingly to adsorb.