Die Arbeit führt Methoden zur Durchführung von Zugversuchen und bruchmechanischen Versu-chen ein und liefert mechanische Kennwerte für zwei kohlenstoffgebundene FFW im Bereich von RT bis 1500°C. Dafür standen ein grobkörniges MgO-C und ein feinkörniges Al2O3-C zur Ver-fügung. Die Werkstoffe zeigten bis 1200°C keine Duktilität und sprachen spröde. Die Schädigung erfolgte ausschließlich durch Risswachstum. Dieses fand beim MgO-C temperaturunabhängig auf Grund der rissbehafteten Mikrostruktur durch stabiles Risswachstum bereits vorhandener Risse statt. Es kam dabei zur Bildung von Rissnetzwerken sowie zu zahlreichen energiedissipierenden Prozessen. Beim Al2O3-C trat be RT instabiles Risswachstum auf. Bei hohen Temperaturen kam es durch thermisch aktivierte Prozesse zu duktilem Verhalten und stabilem Risswachstum. Beim grobkörnigen MgO-C wurden große Verformungen durch das starre Oxidgerüst verhindert. Zu-sätzlich zeigten die Werkstoffe auf Grund ihrer Mikrostruktur eine Zunahme der Festigkeit mit steigender Temperatur. Aus den Versuchen wurde ein Heißpressverfahren zur Herstellung von gradierten Werkstoffen abgeleitet.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Feuerfestwerkstoffe 2.1.1 Einsatz und Beanspruchung von FFW 2.1.2 Einteilung von FFW 2.2 Kohlenstoffgebundene FFW 2.2.1 Kohlenstoff und seine Terminologie 2.2.2 Grundlegende Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.2.3 Anwendungen kohlenstoffgebundener FFW 2.2.4 Aufbau und Mikrostruktur kohlenstoffgebundener FFW 2.2.5 Herstellungsparameter kohlenstoffgebundener FFW 2.2.6 Chemische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.3 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW 2.3.1 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW bei RT 2.3.2 Mechanische Eigenschaften kohlenstoffgebundener FFW bei HT 2.4 Grundlagen zur Werkstoffprüfung bei RT und hohen Temperaturen 2.4.1 Streuung und Einfluss der Probengröße 2.4.2 Belastungsrate 2.4.3 Zugversuche 2.4.4 Druckversuche 2.4.5 Biegeversuche 2.4.6 Bruchmechanische Untersuchungen 2.4.7 Temperaturwechselbeständigkeit 2.4.8 Kriechen 2.4.9 Spannungsrelaxation 2.4.10 Härtemessung 2.4.11 Hochtemperaturprüfung in Kaltkammerofen mit induktiver Heizung 2.4.12 Temperaturmessung mit Thermoelement, Pyrometrie, Thermographie 2.4.13 Bestimmung elastischer Konstanten mittels akustischer Methoden 2.4.14 Optische in situ Schadensbeschreibung mittels Mikroskopie und DIC 2.5 Heißpressverfahren 3 Experimentelles 3.1 Werkstoffe 3.1.1 Kohlenstoffgebundenes Magnesiumoxid (MgO-C) 3.1.2 Kohlenstoffgebundenes Aluminiumoxid (Al2O3-C) 3.1.3 Graphit (ISEM 8) 3.2 Mechanische Tests 3.2.1 Prüfmaschine für Druck- und Biegeversuche 3.2.2 Prüfmaschine für Zug-Druck-Versuche 3.2.3 Probengeometrien 3.2.4 Druckversuche 3.2.5 Biegeversuche 3.2.6 Bruchmechanische Versuche 3.2.7 Versuche mit Zugbeanspruchung 3.2.8 Versuchsabläufe der Hochtemperaturversuche 3.2.9 Temperaturmessung mittels Thermographie 3.3 Weitere Versuchsmethoden 3.3.1 Mikrostrukturuntersuchung mittels Mikroskopie und Röntgenbeugung 3.3.2 Porositäts- und Dichtemessung 3.3.3 Härtemessung 3.3.4 Dynamischer E-Modul 4 Methodische Erkenntnisse und Voruntersuchungen 4.1 Temperaturmessung und -verteilung 4.1.1 Temperaturmessung mittels Thermoelement und Pyrometer 4.1.2 Emissionskoeffizient und Probenbeschichtung 4.1.3 Temperaturverteilung 4.2 Dehnungsmessung 4.3 Zugversuche an Keramiken 4.3.1 Übertragung von Zugkräften 4.3.2 Axialität in Zugversuchen 4.4 Bruchmechanische Versuche 4.4.1 Kerbeinbringung 4.4.2 Überprüfung des optischen Messsystems 4.4.3 Bestimmung der Risslänge während des Versuchs 4.5 Überprüfung der Messmethodik mit dem Referenzwerkstoff Graphit ISEM-8 5 Ergebnisse 5.1 Mikrostrukturbeschreibung der untersuchten FFW 5.1.1 Mikrostruktur des MgO-C’s 5.1.2 Mikrostruktur des Al2O3-C’s 5.2 Mechanisches Verhalten bei RT 5.2.1 Mechanisches Verhalten von MgO-C bei RT 5.2.2 Mechanisches Verhalten von Al2O3-C bei RT 5.3 Mechanische Eigenschaften bei HT 5.3.1 Mechanisches Verhalten von MgO-C bei HT 5.3.2 Mechanisches Verhalten von Al2O3-C bei HT 5.4 Heißpressverfahren für kohlenstoffgebundene FFW 5.4.1 Beschreibung des Heißpressverfahrens 5.4.2 Physikalische Eigenschaften und Mikrostruktur des Presslings 5.4.3 Mechanische Eigenschaften des Presslings 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Anhang

This thesis dealt with the new refractory material calcium zirconate. The aim of this study was to investigate the synthesis of pure phase calcium zirconate in grain sizes up to 3 mm and to produce first refractory materials and examining their properties. For the synthesis the chosen solid state reaction of an equimolar mixture of monoclinic zirconium dioxide and calcium carbonate resulted in single phase calcium zirconate at temperature of at least 1200 °C. An increasing sintering temperature decreased the porosity. The first refractories based on single phase calcium zirconate were formed using the press process as well as slip casting. The thermomechanical properties were promising, which presents a starting point for the usage of refractories based on calcium zirconate in a wide field of possible applications. Remarkable were the residual strengths of about 5 MPa after five thermal shocks. However, corrosion tests with steel melt and gasifier ash showed the decomposition of CaZrO3 in presence of SiO2 which should be examined further for respective industrial usages.

Die Durchströmungswäsche von Filterkuchen aus innenporösen Partikeln wird anhand von makro- und mesoporösen Kieselgelen untersucht. Die Filterkuchenbildung der KCl-haltigen Suspensionen erfolgt in einer Drucknutsche nach VDI-2762-2. Die Filterkuchen werden über einen perforierten Stempel mit entionisiertem Wasser durchströmt und der Wascherfolg über die Bilanzierung der K+-Ionen ermittelt. Die Porosität der Kieselgel-Filterkuchen beträgt 80 %, wobei sich 50 % der gesamten Mutterlauge in den Innenporen befindet. Dennoch zeigen sich mit 1 % Restbeladung ähnliche Waschergebnisse wie für unporöse Feststoffe (Quarz und Glas). Die Innenporen werden gereinigt, der in der Literatur postulierte ausgeprägte Diffusionsbereich in der Waschkurve wird nicht sichtbar. Berechnungen nach CARMAN-KOZENY, FICK und mittels dimensionsloser Kennzahlen verdeutlichen, dass Perfusion und Diffusion die Wäsche poröser Systeme beeinflussen. Die vorgestellten Modelle eignen sich auch für die Anwendung in der Praxis. / The displacement washing of filter cakes consisting of porous particles is investigated using macro- and mesoporous silica gels. The filter cakes of KCl-containing suspensions are formed in a pressure filter device according to VDI-2762-2. The filter cakes are flown through with deionized water via a perforated piston and the washing success is determined by balancing the K+ ions. The porosity of the silica gel filter cakes is 80 % and 50 % of the mother liquor is trapped in the inner pores. Nevertheless, with 1 % residual loading, washing results are similar to those for non-porous solids (quartz, glass). The inner pores are cleaned, the distinct diffusion region in the washing curve postulated in the literature is not visible. Calculations according to CARMAN-KOZENY, FICK and by means of dimensionless quantities illustrate that both perfusion and diffusion influence the washing of porous systems. The presented models are also suitable for practical applications.

The present work describes investigations on the anisotropic strength behavior of rocks in the splitting tensile test (Brazilian test). Three transversely isotropic rocks (gneiss, slate and sandstone) were studied in the Lab. A total of more than 550 indirect tensile strength tests were conducted, with emphasis was placed on the investigation of the influence of the spatial position of anisotropic weakness plane to the direction of the load on the fracture strength and fracture or fracture mode. In parallel, analytical solutions were evaluated for stress distribution and developed 3D numerical models to study the stress distribution and the fracture mode at the transversely isotropic disc. There were new findings on the fracture mode of crack propagation, the influence of the disc thickness, the influence of the applying loading angle and angle of the loading-foliation for transversely isotropic material.:ACKNOWLEDGMENTS 5 ABSTRACT 7 TABLE OF CONTENTS 9 LIST OF FIGURES 13 LIST OF TABLES 19 I. INTRODUCTION 21 Objective of this work 22 Scope of work 23 Research procedure 23 Significance of the work 24 Layout 24 1 STATE OF THE ART 27 1.1 Review of the Brazilian tensile strength test 27 1.1.1 General overview 27 1.1.2 Development of the Brazilian tensile strength test 29 1.1.3 The Brazilian tensile strength test on anisotropic rocks 31 1.1.4 Summary 32 1.2 Analytical aspects 33 1.2.1 Hypotheses for the conventional Brazilian test 34 1.2.2 Failure criteria 36 1.2.3 Crack initiation and propagation 39 1.2.4 Summary 41 1.3 Numerical considerations 41 1.3.1 Numerical methods 42 1.3.2 Summary 42 1.4 Conclusion 43 2 DIAMETRAL COMPRESSION IN A SOLID DISC – COMPILATION OF ANALYTICAL AND SEMI-ANALYTICAL SOLUTIONS 45 2.1 Introduction 45 2.2 Diametral compressive stress distribution in an isotropic elastic disc 45 2.2.1 Elastic theory of line load 46 2.2.2 2D analytical solutions 47 2.2.3 3D disc under line and diametral compressive distributed loads 55 2.2.4 3D solution under diametral compressive distributed load 56 2.3 Stress and strain in an isotropic solid disc 59 2.4 Stress and strain in anisotropic rocks 61 2.5 Conclusion 65 3 LABORATORY TESTS 69 3.1 Introduction 69 3.2 Laboratory test program 70 3.3 Sample preparation 71 3.4 Ultrasonic measurements 72 3.5 Uniaxial and triaxial compression tests 73 3.5.1 Uniaxial compression test 73 3.5.2 Triaxial compression tests 74 3.6 Brazilian tensile strength tests 76 3.6.1 Test apparatus 76 3.6.2 Laboratory test results 77 3.6.3 Interpretation of the test results 89 3.7 Conclusion 96 4 NUMERICAL SIMULATION OF ISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH ANALYTICAL SOLUTIONS 97 4.1 Introduction 97 4.2 Numerical simulation of isotropic materials 97 4.2.1 FLAC3D simulation program 97 4.2.2 Simulation procedure 98 4.2.3 Numerical model setup 98 4.2.4 Influence of mesh type 99 4.2.5 Influence of specimen thickness 100 4.2.6 Influence of Poisson’s ratio 102 4.2.7 Influence of loading angle (2) 106 4.2.8 Comparison of 3D analytical and numerical results 110 4.2.9 Influence of stress concentration at the loading jaws 112 4.3 Comparison with experimental results of Postaer Sandstone (FG.Ss) 112 4.4 Conclusion 114 5 NUMERICAL SIMULATION OF ANISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH LABORATORY TESTS 117 5.1 Introduction 117 5.2 General procedure for simulating the Brazilian test using FLAC3D 117 5.2.1 Conceptual model 119 5.2.2 Boundary Conditions 119 5.2.3 Numerical model set-up 120 5.3 Constitutive model 121 5.3.1 Choice of constitutive model 121 5.3.2 Bilinear Strain-Hardening/Softening Ubiquitous-Joint Model [98] 121 5.4 Parameter calibration 124 5.4.1 Material parameters used 124 5.4.2 Contact between disc and loading jaws 126 5.4.3 Post-failure deformation properties 128 5.4.4 Tension cut-off 129 5.5 Numerical simulation results 131 5.5.1 Introduction 131 5.5.2 Stress distribution and failure state 133 5.5.3 Stress state in an isotropic elastic medium with arbitrary orientation planes 136 5.5.4 Plasticity states 139 5.5.5 Damage and fracture process 141 5.5.6 Fracture patterns – Comparison of lab results and numerical simulations 148 5.6 Tensile strength – Comparison of lab results and numerical simulations 149 5.6.1 Tensile strength of Le.Gs Gneiss 150 5.6.2 Tensile strength of My.Sc Slate 155 5.7 Summary and Review 159 5.7.1 Potential failure state deduced from pure elastic considerations 159 5.7.2 Tensile strength distribution 160 5.7.3 Tensile strength – determining the anisotropy factor 161 5.7.4 Tensile strength – different procedures - different results 163 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 165 APPENDICES 171 Appendix 3.1 - Fracture patterns in FG.Ss samples 171 Appendix 3.2 - Fracture patterns in FG.Gs samples 177 Appendix 3.3 - Fracture patterns in Le.Gs samples 183 Appendix 3.4 - Fracture patterns in My.Sc samples 190 Appendix 4.1 - Influence of loading angle 197 Appendix 4.2 - Influence of material properties 203 Appendix 5.1 - Failure zone state in Le.Gs Gneiss 209 Appendix 5.2: Failure zone state in My.Sc Slate 216 REFERENCES 223 / Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zum anisotropen Festigkeitsverhalten von Gesteinen beim Spaltzugversuch (Brazilian Test). Laborativ wurden drei transversalisotrope Gesteine (Granit, Schiefer und Sandstein) untersucht. Insgesamt wurden mehr als 550 Spaltzugversuche durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Lage der Anisotropieebene zur Richtung des Lasteintrages auf die Bruchfestigkeit und das Bruchbild bzw. den Bruchmodus gelegt wurde. Parallel dazu wurden analytische Lösungen zur Spannungsverteilung ausgewertet sowie numerische 3D-Modelle entwickelt, um die Spannungsverteilung sowie den Bruchmodus bei einer transversalisotropen Scheibe zu untersuchen. Es wurden neue Erkenntnisse zum Bruchmodus, der Rissausbreitung, des Einflusses der Scheibendicke, dem Einfluss des Lasteinleitungswinkel sowie des Winkels Lasteintrag - Anisotropieebene für transversalisotropes Material gewonnen.:ACKNOWLEDGMENTS 5 ABSTRACT 7 TABLE OF CONTENTS 9 LIST OF FIGURES 13 LIST OF TABLES 19 I. INTRODUCTION 21 Objective of this work 22 Scope of work 23 Research procedure 23 Significance of the work 24 Layout 24 1 STATE OF THE ART 27 1.1 Review of the Brazilian tensile strength test 27 1.1.1 General overview 27 1.1.2 Development of the Brazilian tensile strength test 29 1.1.3 The Brazilian tensile strength test on anisotropic rocks 31 1.1.4 Summary 32 1.2 Analytical aspects 33 1.2.1 Hypotheses for the conventional Brazilian test 34 1.2.2 Failure criteria 36 1.2.3 Crack initiation and propagation 39 1.2.4 Summary 41 1.3 Numerical considerations 41 1.3.1 Numerical methods 42 1.3.2 Summary 42 1.4 Conclusion 43 2 DIAMETRAL COMPRESSION IN A SOLID DISC – COMPILATION OF ANALYTICAL AND SEMI-ANALYTICAL SOLUTIONS 45 2.1 Introduction 45 2.2 Diametral compressive stress distribution in an isotropic elastic disc 45 2.2.1 Elastic theory of line load 46 2.2.2 2D analytical solutions 47 2.2.3 3D disc under line and diametral compressive distributed loads 55 2.2.4 3D solution under diametral compressive distributed load 56 2.3 Stress and strain in an isotropic solid disc 59 2.4 Stress and strain in anisotropic rocks 61 2.5 Conclusion 65 3 LABORATORY TESTS 69 3.1 Introduction 69 3.2 Laboratory test program 70 3.3 Sample preparation 71 3.4 Ultrasonic measurements 72 3.5 Uniaxial and triaxial compression tests 73 3.5.1 Uniaxial compression test 73 3.5.2 Triaxial compression tests 74 3.6 Brazilian tensile strength tests 76 3.6.1 Test apparatus 76 3.6.2 Laboratory test results 77 3.6.3 Interpretation of the test results 89 3.7 Conclusion 96 4 NUMERICAL SIMULATION OF ISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH ANALYTICAL SOLUTIONS 97 4.1 Introduction 97 4.2 Numerical simulation of isotropic materials 97 4.2.1 FLAC3D simulation program 97 4.2.2 Simulation procedure 98 4.2.3 Numerical model setup 98 4.2.4 Influence of mesh type 99 4.2.5 Influence of specimen thickness 100 4.2.6 Influence of Poisson’s ratio 102 4.2.7 Influence of loading angle (2) 106 4.2.8 Comparison of 3D analytical and numerical results 110 4.2.9 Influence of stress concentration at the loading jaws 112 4.3 Comparison with experimental results of Postaer Sandstone (FG.Ss) 112 4.4 Conclusion 114 5 NUMERICAL SIMULATION OF ANISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH LABORATORY TESTS 117 5.1 Introduction 117 5.2 General procedure for simulating the Brazilian test using FLAC3D 117 5.2.1 Conceptual model 119 5.2.2 Boundary Conditions 119 5.2.3 Numerical model set-up 120 5.3 Constitutive model 121 5.3.1 Choice of constitutive model 121 5.3.2 Bilinear Strain-Hardening/Softening Ubiquitous-Joint Model [98] 121 5.4 Parameter calibration 124 5.4.1 Material parameters used 124 5.4.2 Contact between disc and loading jaws 126 5.4.3 Post-failure deformation properties 128 5.4.4 Tension cut-off 129 5.5 Numerical simulation results 131 5.5.1 Introduction 131 5.5.2 Stress distribution and failure state 133 5.5.3 Stress state in an isotropic elastic medium with arbitrary orientation planes 136 5.5.4 Plasticity states 139 5.5.5 Damage and fracture process 141 5.5.6 Fracture patterns – Comparison of lab results and numerical simulations 148 5.6 Tensile strength – Comparison of lab results and numerical simulations 149 5.6.1 Tensile strength of Le.Gs Gneiss 150 5.6.2 Tensile strength of My.Sc Slate 155 5.7 Summary and Review 159 5.7.1 Potential failure state deduced from pure elastic considerations 159 5.7.2 Tensile strength distribution 160 5.7.3 Tensile strength – determining the anisotropy factor 161 5.7.4 Tensile strength – different procedures - different results 163 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 165 APPENDICES 171 Appendix 3.1 - Fracture patterns in FG.Ss samples 171 Appendix 3.2 - Fracture patterns in FG.Gs samples 177 Appendix 3.3 - Fracture patterns in Le.Gs samples 183 Appendix 3.4 - Fracture patterns in My.Sc samples 190 Appendix 4.1 - Influence of loading angle 197 Appendix 4.2 - Influence of material properties 203 Appendix 5.1 - Failure zone state in Le.Gs Gneiss 209 Appendix 5.2: Failure zone state in My.Sc Slate 216 REFERENCES 223

Gas injection into saturated porous media has a high practical relevance. It is applied in groundwater remediation (air sparging), in CO2 sequestration into saline aquifers, and in enhanced oil recovery of petroleum reservoirs. This wide range of application necessitates a comprehensive understanding of gas flow patterns that may develop within the porous media and required modeling of multi-phase flow. There is an ongoing controversy in literature, if continuum models are able to describe the complex flow pattern observed in heterogeneous porous media, especially the channelized stochastic flow pattern. Based on Selker’s stochastic hypothesis, a gas channel is caused by a Brownian-motion process during gas injection. Therefore, the pore-scale heterogeneity will determine the shape of the single stochastic gas channels. On the other hand there are many studies on air sparging, which are based on continuum modeling. Up to date it is not clear under which conditions a continuum model can describe the essential features of the complex gas flow pattern. The aim of this study is to investigate the gas flow pattern on bench-scale and field scale using the continuum model TOUGH2. Based on a comprehensive data set of bench-scale experiments and field-scale experiments, we conduct for the first time a systematic study and evaluate the prediction ability of the continuum model. A second focus of this study is the development of a “real world”-continuum model, since on all scales – pore-scale, bench scale, field scale – heterogeneity is a key driver for the stochastic gas flow pattern. Therefore, we use different geostatistical programs to include stochastic conditioned and unconditioned parameter fields. Our main conclusion from bench-scale experiments is that a continuum model, which is calibrated by different independent measurements, has excellent prediction ability for the average flow behavior (e.g. the gas volume-injection rate relation). Moreover, we investigate the impact of both weak and strong heterogeneous parameter fields (permeability and capillary pressure) on gas flow pattern. The results show that a continuum model with weak stochastic heterogeneity cannot represent the essential features of the experimental gas flow pattern (e.g., the single stochastic gas channels). Contrary, applying a strong heterogeneity the continuum model can represent the channelized flow. This observation supports Stauffer’s statement that a so-called subscale continuum model with strong heterogeneity is able to describe the channelized flow behavior. On the other hand, we compare the theoretical integral gas volumes with our experiments and found that strong heterogeneity always yields too large gas volumes. At field-scale the 3D continuum model is used to design and optimize the direct gas injection technology. The field-scale study is based on the working hypotheses that the key parameters are the same as at bench-scale. Therefore, we assume that grain size and injection rate will determine whether coherent channelized flow or incoherent bubbly flow will develop at field-scale. The results of four different injection regimes were compared with the data of the corresponding field experiments. The main conclusion is that because of the buoyancy driven gas flow the vertical permeability has a crucial impact. Hence, the vertical and horizontal permeability should be implemented independently in numerical modeling by conditioned parameter fields.

Metal-organic Frameworks (MOFs) sind eine neue Klasse poröser und kristalliner Feststoffe, die durch ihren modularen Aufbau aus organischen und anorganischen Einheiten einzigartige Eigenschaften unter den porösen Materialien besitzen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht ihre Anwendung im Bereich der Gaschromatographie, die bislang nur wenig erforscht ist. Dazu werden drei verschiedene MOFs aus der Reihe der „Pillared Paddle-Wheel Frameworks“ (PPFs) in GC Kapillarsäulen abgeschieden und untersucht. Durch systematische Messungen kann gezeigt werden, dass PPFs nicht nur zur Analyse flüchtiger organischer Verbindungen, sondern auch für spezielle Anwendungen wie Größenausschlusschromatographie und Enantiomerentrennungen anwendbar sind. Weiterhin wurden Adsorptionsenthalpien und -entropien sowie Diffusionskonstanten und Massenübergangskoeffizienten für ein breites Analytenspektrum bestimmt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Deponierte Abfälle emittieren auch Dekaden nach dem Ende der Einlagerung am Standort eine Vielzahl von Schadstoffen. Durch verantwortungsvollen Aufbau und Betrieb oder eine nachträgliche Sanierung kann das Gewicht von unkontrollierten Emissionen hin zu kontrollierten verschoben werden, die wiederum einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden können. Neben dem Deponiesickerwasser spielt das Deponiegas mit den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid auf Grund des lokalen und globalen (anthropogener Treibhauseffekt) Gefährdungspotentials eine wichtige Rolle. Sowohl die Gasmenge als auch der Gehalt an brennbaren Methan verringern sich mit zunehmender Standzeit der Deponie. Für Stark- und Mittelgase (ca. 25-60 Vol.-% Methan) ist eine entsprechende Nutzungs- und Entsorgungstechnik etabliert. Für den Schwachgasbereich ist die Entsorgung durch Verbrennung auf Grund der schlechten Verbrennungseigenschaften problematisch. Es existieren einige Lösungsansätze, von denen sich jedoch angesichts verschiedener technologiebedingter Nachteile noch keiner für die Schwachgasentsorgung über den gesamten relevanten Bereich an Methangehalten etablieren konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen neuen Ansatz für eine einfache, kostengünstige und robuste Technologie zu erarbeiten, die eine vollständige Eliminierung des Methans und weiterer schädlicher Bestandteile gewährleistet. Im Weiteren sollen Methangehalte im Deponiegas von 5-11 Vol.-% bzw. Modellgemische mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,3-0,5 betrachtet werden. Dieser Bereich erweist sich als besonders problematisch hinsichtlich einer stabilen Entsorgung. Bei Grubengasen und methanbeladener Abluft sind unter Umständen ähnliche Fragestellungen anzutreffen. Neben experimentellen Arbeiten in Labor und Technikum liefern vor allem numerische Simulationen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Durchdringung der ablaufenden Prozesse und der Vorausberechnung technischen Reaktoren und Brennern. Für hier behandelte Problemstellung bietet sich die Software Ansys Fluent® an. Für die Entsorgung von Schwachgasen bieten sich mehrere grundsätzliche Herangehensweisen an. Für diese Arbeit wurde sich auf die Oxidation des Methans in porösen Medien, z.B. Füllkörperschüttungen oder offenzellige SiC-Schaumkeramiken, konzentriert. In einem ersten Ansatz wurde eine katalytische Funktionalisierung von SiC-Schaumkeramik mit Manganoxid dotierter Calciumaluminat-Beschichtung durchgeführt, um so die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliciumcarbids mit der Oxidationsaktivität eines Katalysators zu kombinieren. Nach der Evaluierung einer optimalen hochtemperaturfesten Katalysatorkombination und experimentellen Erarbeitung kinetischer Parameter bilden Modellrechnungen im einfach durchströmten Monolith (1D) die Basis für eine Beurteilung dieser Variante. Der zweite Ansatz verfolgt eine nicht-katalytische, rein thermische Umsetzung des Methans. Eine Verbesserung der Verbrennungseigenschaften durch Vorwärmung des Brenngases erfolgt über interne Rekuperation ohne externen Abgaswärmeübertrager. Auf Basis von theoretischen Überlegungen und Simulationsrechnungen wurde eine entsprechende Technikumsanlage mit einer aus Alumina-Raschig-Ringen bestehenden porösen Matrix entworfen und aufgebaut. Ausgewählte Versuchsreihen dienten zur Demonstration der Funktionalität und zur Validierung des CFD-Modells. Mit Hilfe des Modells sind eine Variation der Eigenschaften der porösen Matrix und ein Upscaling auf einen technischen Maßstab möglich. Die Berechnung des Einsatzbereiches erfolgt beispielhaft mit einem Vorschlag für eine technisch relevante Größe an einem typischen Deponie-Schwachgas. Für die Modellierung von Oxidationsprozessen in porösen Strukturen ist die Implementierung des Wärmetransports ein wesentlicher Baustein. Ein entscheidender Parameter hierin ist die effektive Wärmeleitfähigkeit der porösen Matrix. Insbesondere für keramische Schäume ist die Anzahl der publizierten Arbeiten gering. Durch Vermessung der SiC-Keramikschäume mit Hilfe der Hot-Disk-Methode (Raumtemperatur) und mit dem Plattenmessverfahren (300-1000 °C) konnte auch an dieser Stelle ein Beitrag erbracht werden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese neuer heterocyclischer Hydroxyl-funktionalisierter Tekton-Moleküle, die über ein sperriges Grundgerüst verfügen und zur Bildung von porösen organischen Netzwerken sowie Koordinationspolymeren befähigt sind. Um die Sperrigkeit der Zielverbindungen und die Koordinationsfähigkeit bezüglich Metallionen zu gewährleisten, wurden durch Anknüpfung der Heterocyclen Pyridin, Thiophen und Benzo[b]thiophen an Spacer-Elemente, bestehend aus Benzen- und Alkin-Einheiten, entsprechende Derivate hergestellt und umfassend charakterisiert. Die synthetisierten Moleküle liefern eine Vielzahl von Einschlussverbindungen mit Neutralmolekülen, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Stabilität sowie Struktur untersucht wurden. Weiterhin konnte das Potenzial der Zielverbindungen als Sensormaterial gegenüber Neutralmolekülen in der Gasphase und unter Ausnutzung der Fluoreszenzeigenschaften gegenüber Metallionen in Lösung betrachtet sowie die Eignung als Linker-Moleküle zum Aufbau von Koordinationspolymeren überprüft werden.

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.