Soot particles are a major absorber of shortwave radiation in the atmosphere. They exert a rather uncertain direct and semi-direct radiative effect, which causes a heating or in some cases a cooling of the atmosphere. The mass absorption coefficient is an essential quantity to describe this light absorption process. This work presents new experimental data on the mass absorption coefficient of soot particles in the troposphere over Central Europe. Mass absorption coefficients were derived as the ratio between the light absorption coefficient determined by multi angle absorption photometry (MAAP), and the soot mass concentration determined by Raman spectroscopy. The Raman method is sensitive to graphitic structures present in the particle samples, and was calibrated in the laboratory using Printex90 model particles. The mass absorption coefficients were determined for a number of seven observation sites, ranging between 3.9 and 7.4 m²/g depending on measurement site and observational period. The highest values were found in an continentally aged air mass in winter, where we presumed soot particles to be present mainly in internal mixture. The regional model WRF-Chem was used in conjunction with a high resolution soot emission inventory to simulate soot mass concentrations and absorption coefficients for the Central European Troposphere. The model was validated using soot mass concentrations from Raman measurements and absorption coefficients. Simulated soot mass concentrations were found to be too low by around 50 %, which could be improved by scaling the emissions by a factor of two. In contrast, the absorption coefficient was positively biased by around 20%. Adjusting the modeled mass absorption coefficient to measurements, the simulation of soot light absorption was improved. Finally, the positive direct radiative forcing at top of the atmosphere was found to be lowered by up to 70% for the model run with adjusted soot absorption behaviour, , indicating a decreased heating effect on the atmosphere.

Die vorliegende Arbeit mit dem Thema „Beitrag zur Entwicklung von Dieselrußpartikelfiltern“ zeigt die Entwicklung eines neuartigen Partikelfilterwerkstoffes vom Pulver bis zum Test des Bauteils am Motorenprüfstand. Die hohe Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) des neu entwickelten feuerfesten Filtermaterials auf Basis von Al2O3-ZrO2-TiO2 (AZT) beruht auf der linearen Wärmedehnung in Kombination mit der Ausbildung einer Mikrorissstruktur sowie einem sehr niedrigen E-Modul von 8,5 GPa. Eine zusätzliche Kompensation von Wärmespannungen, welche aus der hohen Wärmedehnung von 7,5 · 10-6 K-1 der Tonerdematrix resultieren, erfolgt durch den modularen Aufbau des Wabenkörpers. Nicht zuletzt bewirkt die offene Porosität von 42% die verbesserte TWB. Durch die Verwendung von 95 Ma.% Al2O3 als Matrixwerkstoff ist der neu entwickelte AZT-Werkstoff für den Kontakt mit der Asche im für die Regeneration relevanten Temperaturbereich geeignet.

Nach einer kurzen Einführung in das strombegrenzende Schalten folgen Betrachtungen über den Aufbau von thermoplastischen Polymeren, den Prozess der Sphärolithbildung sowie die Struktur der Ruße. Auf Grund der Füllstoffteilchenverdrängung im Verlauf der Sphärolithbildung sowie der Neigung der Füllstoffteilchen zur Agglomeration werden Überlegungen zur elektrischen Leitfähigkeit der Compounds angestellt. Gestützt auf den stark nichtlinearen Ausdehnungs-koeffizienten der Thermoplaste und der Selbstagglomerationsneigung der Füllstoffteilchen erfolgt die Erklärung des Widerstandsverhaltens der Compoundmaterialien. Die Optimierung des Compoundmaterials für Strombegrenzung erfolgt durch Untersuchung einer Auswahl von Parametern, die das Matrixmaterial, den Ruß sowie das Herstellungsverfahren betreffen. Das Gesamtverhalten eines polymeren Strombegrenzers lässt sich nicht allein mit dem Widerstandsverhalten des Compounds erklären. Deshalb werden die Gegebenheiten im Bereich des Metall-Compound-Kontakts untersucht. Mit der so gewonnenen Modellvorstellung und dem Verständnis der Funktionsweise des Compounds ist es dann möglich das Gesamtverhalten zu beschreiben. Dabei ist zwischen oberflächennahem-PTC-Effekt und Volumen-PTC-Effekt sowie dem Oberflächeneffekt zu unterscheiden. Durch einen Alternativansatz können bisherige Diskrepanzen bezüglich der Erklärung der Phänomene beim Oberflächeneffekt ausgeräumt werden. Es erfolgt eine Gegenüberstellung von PTC- und Oberflächeneffekt hinsichtlich ihres Anteils am Gesamtverhalten. Abschließend werden Aspekte zur Dimensionierung eines polymeren Strombegrenzers behandelt.

Nach einer kurzen Einführung in das strombegrenzende Schalten folgen Betrachtungen über den Aufbau von thermoplastischen Polymeren, den Prozess der Sphärolithbildung sowie die Struktur der Ruße. Auf Grund der Füllstoffteilchenverdrängung im Verlauf der Sphärolithbildung sowie der Neigung der Füllstoffteilchen zur Agglomeration werden Überlegungen zur elektrischen Leitfähigkeit der Compounds angestellt. Gestützt auf den stark nichtlinearen Ausdehnungs-koeffizienten der Thermoplaste und der Selbstagglomerationsneigung der Füllstoffteilchen erfolgt die Erklärung des Widerstandsverhaltens der Compoundmaterialien. Die Optimierung des Compoundmaterials für Strombegrenzung erfolgt durch Untersuchung einer Auswahl von Parametern, die das Matrixmaterial, den Ruß sowie das Herstellungsverfahren betreffen. Das Gesamtverhalten eines polymeren Strombegrenzers lässt sich nicht allein mit dem Widerstandsverhalten des Compounds erklären. Deshalb werden die Gegebenheiten im Bereich des Metall-Compound-Kontakts untersucht. Mit der so gewonnenen Modellvorstellung und dem Verständnis der Funktionsweise des Compounds ist es dann möglich das Gesamtverhalten zu beschreiben. Dabei ist zwischen oberflächennahem-PTC-Effekt und Volumen-PTC-Effekt sowie dem Oberflächeneffekt zu unterscheiden. Durch einen Alternativansatz können bisherige Diskrepanzen bezüglich der Erklärung der Phänomene beim Oberflächeneffekt ausgeräumt werden. Es erfolgt eine Gegenüberstellung von PTC- und Oberflächeneffekt hinsichtlich ihres Anteils am Gesamtverhalten. Abschließend werden Aspekte zur Dimensionierung eines polymeren Strombegrenzers behandelt.

Die vorliegende Arbeit mit dem Thema „Beitrag zur Entwicklung von Dieselrußpartikelfiltern“ zeigt die Entwicklung eines neuartigen Partikelfilterwerkstoffes vom Pulver bis zum Test des Bauteils am Motorenprüfstand. Die hohe Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) des neu entwickelten feuerfesten Filtermaterials auf Basis von Al2O3-ZrO2-TiO2 (AZT) beruht auf der linearen Wärmedehnung in Kombination mit der Ausbildung einer Mikrorissstruktur sowie einem sehr niedrigen E-Modul von 8,5 GPa. Eine zusätzliche Kompensation von Wärmespannungen, welche aus der hohen Wärmedehnung von 7,5 · 10-6 K-1 der Tonerdematrix resultieren, erfolgt durch den modularen Aufbau des Wabenkörpers. Nicht zuletzt bewirkt die offene Porosität von 42% die verbesserte TWB. Durch die Verwendung von 95 Ma.% Al2O3 als Matrixwerkstoff ist der neu entwickelte AZT-Werkstoff für den Kontakt mit der Asche im für die Regeneration relevanten Temperaturbereich geeignet.

Soot particles are a major absorber of shortwave radiation in the atmosphere. They exert a rather uncertain direct and semi-direct radiative effect, which causes a heating or in some cases a cooling of the atmosphere. The mass absorption coefficient is an essential quantity to describe this light absorption process. This work presents new experimental data on the mass absorption coefficient of soot particles in the troposphere over Central Europe. Mass absorption coefficients were derived as the ratio between the light absorption coefficient determined by multi angle absorption photometry (MAAP), and the soot mass concentration determined by Raman spectroscopy. The Raman method is sensitive to graphitic structures present in the particle samples, and was calibrated in the laboratory using Printex90 model particles. The mass absorption coefficients were determined for a number of seven observation sites, ranging between 3.9 and 7.4 m²/g depending on measurement site and observational period. The highest values were found in an continentally aged air mass in winter, where we presumed soot particles to be present mainly in internal mixture. The regional model WRF-Chem was used in conjunction with a high resolution soot emission inventory to simulate soot mass concentrations and absorption coefficients for the Central European Troposphere. The model was validated using soot mass concentrations from Raman measurements and absorption coefficients. Simulated soot mass concentrations were found to be too low by around 50 %, which could be improved by scaling the emissions by a factor of two. In contrast, the absorption coefficient was positively biased by around 20%. Adjusting the modeled mass absorption coefficient to measurements, the simulation of soot light absorption was improved. Finally, the positive direct radiative forcing at top of the atmosphere was found to be lowered by up to 70% for the model run with adjusted soot absorption behaviour, , indicating a decreased heating effect on the atmosphere.

Ruß entsteht durch Verbrennungsprozesse. Die extrem kleinen Partikel, an denen sich weitere Schadstoffe anlagern, werden tief eingeatmet. Jede Minderung in der Außenluft senkt das Gesundheitsrisiko. Von 2009 bis 2014 verringerte sich die Rußkonzentration im städtischen und ländlichen Hintergrund im Mittel um 4 % pro Jahr. An städtischen Straßen war die Minderung mit 6 % pro Jahr größer. Die Abschätzung der Klimawirksamkeit der sächsischen Ruß-Emissionen ist mit einer hohen Unsicherheit verbunden. Ein erwärmender Effekt wurde ermittelt. Der Strahlungsantrieb entspricht etwa 1 - 10 % der sächsischen CO2- Emissionen.

Multifunctional polymer fibers with strain and liquid sensing capabilities were fabricated and characterized. The Hansen Solubility Parameters (HSPs) were used as a tool for selecting a suitable polymer to employ as matrix for the sensing material before fiber fabrication. The addition of conductive carbon particles to a polymer matrix provides it with sensing capabilities, such as against tensile strain and the presence of liquids as it was evaluated in this work. Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs, MW) as well as a mixture of carbon black (CB) and MWCNTs in weight concentration of 1:1 were used as conductive fillers. The route followed to achieve electrically conductive polymer fibers necessary for sensing evaluations was a combined process of melt-mixing and subsequent melt-spinning. Melt-mixing and melt-spinning are processing techniques widely used in the polymer industry that could enable the up-scaling of the fibers developed in this work. Additionally to single component fibers, bi-component (BICO) fibers consisting of a polycarbonate (PC)+CB+MW sheath and a neat PC core were also fabricated, characterized and their performance was compared to the single component fibers. The state of dispersion of the carbon nanoparticles (CNPs) as well as tensile behavior, electrical resistivity, strain and liquid sensing properties of the composite fibers were evaluated. Finally a specific fiber composition with potential to be used as sensing material for mechanical strain and liquid exposition was proposed to be tested under two real situations (strain monitoring of a rigid structure and leakage detection of a chemical substance). Sensing fibers as the developed in this work have many potential applications such as real-time deformation and structural health monitoring and early cracking detection of any kind of structure. On the other hand, fibers able to sense the presence of liquids can perceive the leakage of chemicals that are hazardous to life. Moreover, this technology can also be applied in smart clothing manufacture by combining sensing fibers with flexible woven electronics.

Die vorgelegte Arbeit entstand im Zeitraum zwischen 04/2016 bis 10/2020 und wurde durch ein Promotionsstipendium des evangelischen Studienwerks Villigst e.V. gefördert. Das Ziel der vorgelegten Arbeit ist die Etablierung einer einheitlichen und automatisierten Co-Fällungsmethode für die Mischoxidsysteme der Form CeaMbOx mit M = Bi, Fe und Mn, die als Katalysatoren für den Abbrand eines Modelldieselrußes dienen. Für den thermogravimetrisch ermittelten Rußabbrand erfolgt die Kontaktierung zwischen Ruß und Katalysator im automatisierten Kontakt. Als Kenngrößen der Aktivität finden spezifische Abbrandtemperaturen sowie die dynamische Sauerstoffspeicherkapazität Anwendung.:Bibliographische Beschreibung und Referat III Danksagung VII Inhaltsverzeichnis IX 1. Einleitung 1 2. Zielsetzung 3 3. Theorie 5 3.1 Katalyse 5 3.2 Autoabgaskatalyse 5 3.2.1 Abgaskatalyse bei Ottomotoren 6 3.2.1.1 Dreiwegekatalysator 6 3.2.1.2 Benzinpartikelfilter 8 3.2.2 Autoabgaskatalyse bei Dieselmotoren 9 3.2.2.1 NOx-Kontrolle 10 3.2.2.2 Dieseloxidationskatalysator 11 3.2.2.3 Entfernung von Dieselruß 11 3.3 Oxidation von Ruß 17 3.3.1 Bildung von Ruß 17 3.3.1.1 Bildung von Aromaten 17 3.3.1.2 Wachstum von Aromaten 19 3.3.1.3 Partikelbildung 20 3.3.1.4 Oberflächenreaktionen 21 3.3.1.5 Partikelkoagulation 22 3.3.2 Mechanismus zur Oxidation von Ruß 23 3.3.2.1 Unkatalysierte Oxidation von Ruß mit O2 23 3.3.2.2 Unkatalysierte Oxidation von Ruß mit NO2 29 3.3.2.3 Katalysierte Oxidation von Ruß 31 3.4 CeO2 und CeO2-basierte Katalysatoren 42 3.4.1 CeO2 42 3.4.2 Cer-Bismut-Oxide 45 3.4.3 Cer-Eisen-Oxide 49 3.4.4 Cer-Mangan-Oxid 52 3.4.5 Zusammenfassung der Literaturrecherche 55 3.5 Synthese von Katalysatoren 56 3.5.1 Fällungsreaktionen 56 3.5.1.1 Allgemeine Grundlagen von Fällungsreaktionen 56 3.5.1.2 Ablauf von Fällungsreaktionen 57 3.5.1.3 Übersättigung 58 3.5.1.4 Keimbildung 59 3.5.1.5 Änderung der freien Enthalpie bei der Keimbildung 60 3.5.1.6 Kristallwachstum 62 3.5.1.7 Einflussgrößen auf Fällungsreaktionen 62 3.5.2 Sol-Gel-Synthese 63 3.5.3 Imprägnieren 64 3.5.4 Mikroemulsion 64 3.5.5 Weitere Synthesemethoden 64 4. Ergebnisse und Diskussion 66 4.1 Methodenentwicklung zur Bestimmung der Ionenkonzentration im Filtrat 66 4.1.1 Photometrische Bestimmung von Ce3+/4+, Bi3+ und Fe3+ 66 4.1.2 Photometrische Bestimmung von Manganionen 71 4.2 Weitere Filtratanalyse 73 4.3 Methodenentwicklung zur Analyse der Oxidproben 75 4.4 Kenngrößen zur Auswertung der Aktivitätsmessungen 80 4.5 Methodenentwicklung zur Kontaktierung von Ruß und Katalysator 83 4.6 Methodenentwicklung der Synthese am Syntheseroboter Chemspeed SLT 106 98 4.6.1 Allgemeine Beschreibung des Syntheseroboters Chemspeed SLT 106 98 4.6.2 Vorversuche mit den Modulen Reaktorblock und Vial 99 4.6.3 Modifizierung des Aufbaus der Chemspeed SLT 106 103 4.6.4 Optimierung der Dosierparameter an der Chemspeed SLT 106 104 4.7 Cer-Bismut-Oxid 107 4.7.1 Auswertung der Vorversuche 107 4.7.1.1 Vorversuche zur Fällung von Bi2O3 108 4.7.1.2 Vorversuche zur Fällung von CeO2 112 4.7.1.3 Zusammenfassung der Vorversuche 119 4.7.2 Synthese der Fällungsbibliotheken für das CeaBibOx-System 122 4.7.2.1 Titrator-Fällungsbibliothek 124 4.7.2.2 Einfluss der Dosiergeschwindigkeit des Fällungsmittels auf die Partikelgröße des Niederschlages 132 4.7.2.3 Chemspeed-Fällungsbibliothek 133 4.7.2.4 Reverse Strike Chemspeed-Fällungsbibliothek 148 4.7.2.5 Normale Fällung mit Ölsäure – Fällungsbibliothek II 160 4.7.2.6 Zusammenfassung der CeaBibOx-Fällungsbibliotheken 179 4.8 Cer-Eisen-Oxid 182 4.8.1 Vorversuche zur Fällung von Eisenoxiden 182 4.8.2 Vorversuche zur Fällung von Cer-Eisen-Oxiden 186 4.8.3 Synthese der Fällungsbibliotheken für das CeaFebOx-System 190 4.8.3.1 Chemspeed-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 190 4.8.3.2 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 202 4.8.3.3 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit HNO3 als Lösungsmittel 212 4.8.3.4 Zusammenfassung der CeaFebOx-Fällungsbibliotheken 223 4.9 Cer-Mangan-Oxid 226 4.9.1 Vorversuche zur Fällung von Manganoxiden 226 4.9.2 Vorversuche zur Fällung von Cer-Mangan-Oxiden 230 4.9.3 Synthese der CeaMnbOx-Fällungsbibliotheken 231 4.9.3.1 Chemspeed-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 231 4.9.3.2 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 243 4.9.3.3 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit HNO3 als Lösungsmittel 255 4.9.4 Zusammenfassung des CeaMnbOx-Systems 267 5 Zusammenfassung 269 6 Experimenteller Teil 275 6.1 Verwendete Chemikalien 275 6.2 Synthesevorschriften 276 6.2.1 Batch-Synthese am Titrator 276 6.2.2 Automatisierte Synthese 279 6.3 Kontaktierung von Ruß und Katalysator 283 6.4 Aktivitätsmessungen 284 6.4.1 Messung des Rußabbrandes 284 6.4.2 Messung der dynamischen Sauerstoffspeicherkapazität 285 6.5 Filtratanalyse 286 6.5.1 Photometrische Bestimmung von Bi3+, Ce4+ und Fe3+ 286 6.5.2 Photometrische Bestimmung von Mn2+ 287 6.6 Charakterisierung der Katalysatoren 288 6.6.1 Röntgenpulverdiffraktometrie (PXRD) 288 6.6.2 Ramanspektroskopie 288 6.6.3 Spezifische Oberfläche nach Brunauer, Emmett und Teller (SBET) 289 6.6.4 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 289 6.6.5 Dynamische Lichtstreuung (DLS) 289 6.6.6 Statische Lichtstreuung (SLS) 290 6.6.7 Transmissionselektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (TEM/EDX) 291 7 Verzeichnisse 292 7.1 Abkürzungsverzeichnis 292 7.2 Abbildungsverzeichnis 300 7.3 Tabellenverzeichnis 308 7.4 Literaturverzeichnis 317 8 Anhang 344 Lebenslauf 355 Veröffentlichungen und andere wissenschaftliche Leistungen 356 Selbständigkeitserklärung 357

No description available.