Zugl.: Berlin, Techn. Universiẗat, Diss., 2002.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006.

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

Auf Basis einer vom Deutschen Biomasseforschungszentrum erarbeiteten Messkonzeption für Schwefelwasserstoff (H2S) wurden an Fermentern, Nachgärern und Gärrestelager Messungen zum H2S-Gehalt durchgeführt. Aus den gewonnenen Messdaten wurden für die untersuchten Behälter die Mittelwerte und die Schwankungsbereiche der H2S-Gehalte ermittelt. Die ermittelten H2S-Konzentrationen der untersuchten Anlagen zeigen, dass diese im Wesentlichen von der Art der Entschwefelung und deren Funktionsfähigkeit abhängen. Je nach Ausführung der Biogasanlage und Funktion der Entschwefelung werden im Ergebnis Emissionsfaktoren von 400 – 4600 ppm H2S je m³ Biogas empfohlen. Redaktionsschluss: 31.08.2017

Gegenstand dieser Arbeit ist die wissensbasierte Untersuchung verschiedener Eisenoxid/-hydroxid-Modifikationen für die alternierende Entfernung von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff aus regenerativ erzeugten Gasen. Dafür wurden 37 Eisenoxide/-hydroxide systematisch auf ihre H2S- und O2-Adsorption hin untersucht und in Kombination mit deren physikalisch-chemischen Eigenschaften Struktur-Aktivitäts-Korrelationen abgeleitet. Die Aufklärung der ablaufenden Reaktionsmechanismen erfolgte mit spektroskopischen Analysenmethoden (DRIFTS Raman). Relevante Betriebsparameter wurden an einem α-FeOOH systematisch im Labormaßstab ermittelt. Daneben steht die Übertragbarkeit der Laborergebnisse in die technische Anwendung im größeren Maßstab (Upscaling) und mit Realgas im Fokus. Zudem wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung inklusive eines Vergleiches mit Konkurrenzverfahren durchgeführt.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

In ariden Gebieten tritt Schwefelwasserstoff häufig im Grundwasser auf, wodurch dessen Nutzung für die Trinkwassergewinnung aufgrund des störenden Geruchs und Geschmacks stark beeinträchtigt wird. Die in der Praxis oft eingesetzte Belüftung erweist sich zumeist als ineffizient und führt zu Geruchsbelästigungen in der Umgebungsluft. Das Ziel der Arbeit, die im Rahmen eines deutsch-israelischen Forschungsprojekts angefertigt wurde, bestand darin, einen wirksamen und für den praktischen Einsatz bei der Wasseraufbereitung geeigneten Katalysator zur Entfernung von Schwefelwasserstoff zu entwickeln, hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter und relevanter Randbedingungen durch systematische Batch- und Säulenversuche zu erproben und zu optimieren. Wichtige Kriterien zur Charakterisierung der Katalysatoren waren die Kinetik des Sulfidumsatzes, die Langzeitstabilität und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte. Die Nachahmung natürlich vorkommender Strukturen (z. B. Häm-Gruppe) und deren Anpassung an eine katalytische Sulfidoxidation war der Grundgedanke am Anfang der Arbeit. Entsprechende Materialien, organische Metallkomplexe (Porphyrine) auf Kohlenstoffträgern (Acetylen Black), wurden bereits erfolgreich bei der Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen eingesetzt. Cobalttetraphenylporphyrin (CoTPP) zeigte von allen getesteten Materialien die beste katalytische Wirksamkeit zur Sulfidoxidation. Die Sulfidumsetzung lief sowohl bei höheren pH-Werten als auch mit zunehmender Temperatur schneller ab. Anhand von Untersuchungen zum Einfluss des pH-Werts konnte bestätigt werden, dass eine katalytische Wirksamkeit nur für die Oxidation der Sulfid-Spezies HS- und S2- besteht. Mit Aktivkohle konnte ebenfalls eine katalytische Sulfidumsetzung erzielt werden, jedoch lag die Aktivität hier im Vergleich zum CoTPP deutlich niedriger. Bei allen getesteten katalytisch wirksamen Materialien entstand als vorrangiges Reaktionsprodukt Schwefel, gebildete Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen wie Sulfat und Thiosulfat waren von untergeordneter Bedeutung. Die Untersuchungen zeigten, dass Acetylen Black aufgrund der sehr geringen Teilchengröße technisch kaum einsetzbar ist, weshalb weitere Trägermaterialien erprobt wurden. Im Gegensatz zu Aktivkohle oder Anthrazit erwiesen sich Weichfilze, insbesondere der Sigratherm Kohlenstoff-Weichfilz (KFA-Filz), als sehr gut geeignete Trägermaterialien. Beim Einsatz von Aktivkohle lagerte sich der gebildete Schwefel in den Porenräumen ab, was zu einer erheblichen Verringerung der katalytischen Aktivität führte. Dagegen wurde unter Verwendung des modifizierten Filzmaterials auch bei sehr langen Laufzeiten (bis 3000 Stunden) keine Abnahme der katalytischen Wirksamkeit beobachtet. Durch diese Katalysatormatrix konnte somit die Deaktivierung des Katalysators durch elementaren Schwefel verhindert werden. Bei abschließenden Versuchen unter Verwendung einer kleintechnischen Versuchsanlage konnte gezeigt werden, dass der Katalysator für den großtechnischen Einsatz geeignet ist. Im Vergleich zur Aktivkohle sind zwar größere Investitionskosten notwendig, andererseits können mit dem CoTPP-Material deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Aufgrund seiner guten technischen Handhabbarkeit ist der modifizierte KFA-Filz sowohl in kleinen dezentralen Anlagen (ländliche Siedlungen) als auch in größeren Wasserwerken einsetzbar. Zusätzliche Chemikalien sind für den Betrieb eines solchen Filters nicht erforderlich. Eine weitere Verbesserung der Sulfidentfernung wird bei langen Filterlaufzeiten durch sulfidoxidierende Bakterien bewirkt. Das Ziel, einen effizienten, technisch einsetzbaren Katalysator zur oxidativen Sulfidentfernung aus Wässern zu entwickeln, wurde somit erreicht. / Hydrogen sulfide often occurs in groundwater of arid areas. Because of its malodour, H2S containing water cannot be used as drinking water without treatment. Aeration as the most common treatment technique is less effective and leads to nasty odour of ambient air. Catalytic oxidation could be an alternative. The aim of this work was to develop and to optimize a technically applicable oxidation catalyst as well as to test its applicability under practical conditions. Various N4-chelates (e. g. porphyrins), which are frequently used for the reduction of oxygen in fuel cells, were evaluated for catalytic oxidation of sulfide at selected boundary conditions and process parameters using batch and column experiments. The new catalysts should be characterized in comparison with other materials. The oxidation kinetics, the long-time stability of the catalyst and the composition of oxidation products were the main criteria used for catalyst assessment. Cobalt tetraphenylporphyrin (CoTPP) showed the highest catalytic activity of all tested materials. The rate of sulfide transformation increased significantly with increasing temperature and at pH values higher than 6. A catalyst suitable for technical use in fixed-bed reactors was obtained by coating of a supporting material (carbon felt KFA) with the active substance. For all investigated materials, sulfur was found to be the main reaction product of the sulfide oxidation. In contrast to activated carbon, which showed catalytic activity for sulfide oxidation too, modified KFA felt materials were not blocked and deactivated by formed sulfur, even after long-term use. The new catalyst is well qualified for a stable oxidation of sulfide in water. In comparison to activated carbon, higher investment costs are required, but the carbon felt supported porphyrin has a significant longer lifetime. Because of its easy use, modified KFA felt is applicable both in small local plants and in large waterworks. There is no necessity to add chemicals or to install complex control equipment. As a positive side-effect, further improvement of sulfide elimination caused by sulfide-oxidizing bacteria was found during long filter run times.

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.

In ariden Gebieten tritt Schwefelwasserstoff häufig im Grundwasser auf, wodurch dessen Nutzung für die Trinkwassergewinnung aufgrund des störenden Geruchs und Geschmacks stark beeinträchtigt wird. Die in der Praxis oft eingesetzte Belüftung erweist sich zumeist als ineffizient und führt zu Geruchsbelästigungen in der Umgebungsluft. Das Ziel der Arbeit, die im Rahmen eines deutsch-israelischen Forschungsprojekts angefertigt wurde, bestand darin, einen wirksamen und für den praktischen Einsatz bei der Wasseraufbereitung geeigneten Katalysator zur Entfernung von Schwefelwasserstoff zu entwickeln, hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter und relevanter Randbedingungen durch systematische Batch- und Säulenversuche zu erproben und zu optimieren. Wichtige Kriterien zur Charakterisierung der Katalysatoren waren die Kinetik des Sulfidumsatzes, die Langzeitstabilität und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte. Die Nachahmung natürlich vorkommender Strukturen (z. B. Häm-Gruppe) und deren Anpassung an eine katalytische Sulfidoxidation war der Grundgedanke am Anfang der Arbeit. Entsprechende Materialien, organische Metallkomplexe (Porphyrine) auf Kohlenstoffträgern (Acetylen Black), wurden bereits erfolgreich bei der Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen eingesetzt. Cobalttetraphenylporphyrin (CoTPP) zeigte von allen getesteten Materialien die beste katalytische Wirksamkeit zur Sulfidoxidation. Die Sulfidumsetzung lief sowohl bei höheren pH-Werten als auch mit zunehmender Temperatur schneller ab. Anhand von Untersuchungen zum Einfluss des pH-Werts konnte bestätigt werden, dass eine katalytische Wirksamkeit nur für die Oxidation der Sulfid-Spezies HS- und S2- besteht. Mit Aktivkohle konnte ebenfalls eine katalytische Sulfidumsetzung erzielt werden, jedoch lag die Aktivität hier im Vergleich zum CoTPP deutlich niedriger. Bei allen getesteten katalytisch wirksamen Materialien entstand als vorrangiges Reaktionsprodukt Schwefel, gebildete Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen wie Sulfat und Thiosulfat waren von untergeordneter Bedeutung. Die Untersuchungen zeigten, dass Acetylen Black aufgrund der sehr geringen Teilchengröße technisch kaum einsetzbar ist, weshalb weitere Trägermaterialien erprobt wurden. Im Gegensatz zu Aktivkohle oder Anthrazit erwiesen sich Weichfilze, insbesondere der Sigratherm Kohlenstoff-Weichfilz (KFA-Filz), als sehr gut geeignete Trägermaterialien. Beim Einsatz von Aktivkohle lagerte sich der gebildete Schwefel in den Porenräumen ab, was zu einer erheblichen Verringerung der katalytischen Aktivität führte. Dagegen wurde unter Verwendung des modifizierten Filzmaterials auch bei sehr langen Laufzeiten (bis 3000 Stunden) keine Abnahme der katalytischen Wirksamkeit beobachtet. Durch diese Katalysatormatrix konnte somit die Deaktivierung des Katalysators durch elementaren Schwefel verhindert werden. Bei abschließenden Versuchen unter Verwendung einer kleintechnischen Versuchsanlage konnte gezeigt werden, dass der Katalysator für den großtechnischen Einsatz geeignet ist. Im Vergleich zur Aktivkohle sind zwar größere Investitionskosten notwendig, andererseits können mit dem CoTPP-Material deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Aufgrund seiner guten technischen Handhabbarkeit ist der modifizierte KFA-Filz sowohl in kleinen dezentralen Anlagen (ländliche Siedlungen) als auch in größeren Wasserwerken einsetzbar. Zusätzliche Chemikalien sind für den Betrieb eines solchen Filters nicht erforderlich. Eine weitere Verbesserung der Sulfidentfernung wird bei langen Filterlaufzeiten durch sulfidoxidierende Bakterien bewirkt. Das Ziel, einen effizienten, technisch einsetzbaren Katalysator zur oxidativen Sulfidentfernung aus Wässern zu entwickeln, wurde somit erreicht. / Hydrogen sulfide often occurs in groundwater of arid areas. Because of its malodour, H2S containing water cannot be used as drinking water without treatment. Aeration as the most common treatment technique is less effective and leads to nasty odour of ambient air. Catalytic oxidation could be an alternative. The aim of this work was to develop and to optimize a technically applicable oxidation catalyst as well as to test its applicability under practical conditions. Various N4-chelates (e. g. porphyrins), which are frequently used for the reduction of oxygen in fuel cells, were evaluated for catalytic oxidation of sulfide at selected boundary conditions and process parameters using batch and column experiments. The new catalysts should be characterized in comparison with other materials. The oxidation kinetics, the long-time stability of the catalyst and the composition of oxidation products were the main criteria used for catalyst assessment. Cobalt tetraphenylporphyrin (CoTPP) showed the highest catalytic activity of all tested materials. The rate of sulfide transformation increased significantly with increasing temperature and at pH values higher than 6. A catalyst suitable for technical use in fixed-bed reactors was obtained by coating of a supporting material (carbon felt KFA) with the active substance. For all investigated materials, sulfur was found to be the main reaction product of the sulfide oxidation. In contrast to activated carbon, which showed catalytic activity for sulfide oxidation too, modified KFA felt materials were not blocked and deactivated by formed sulfur, even after long-term use. The new catalyst is well qualified for a stable oxidation of sulfide in water. In comparison to activated carbon, higher investment costs are required, but the carbon felt supported porphyrin has a significant longer lifetime. Because of its easy use, modified KFA felt is applicable both in small local plants and in large waterworks. There is no necessity to add chemicals or to install complex control equipment. As a positive side-effect, further improvement of sulfide elimination caused by sulfide-oxidizing bacteria was found during long filter run times.