Infrared (IR) and Raman spectroscopy are among the most widely used techniques in the physical and natural sciences today. Vibrational spectroscopy, including IR and Raman spectroscopy, has both a long and interesting history and an illustrious record of contributions to science. Spectroscopy in the pharmaceutical industry is dominated by techniques such as nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry (MS) for the elucidation of chemical structures. Despite this, the versatility of infrared spectroscopy ensures it still remains a key technique in quality control laboratories, and in applications where solid form characterization or minimal sample preparation is a necessity. Raman spectroscopy has many uses in the pharmaceutical and chemical industry, but its strengths is in solid form analysis. It is regularly used to identify compounds, and results are used in the release of pharmaceutical and chemical products. This work consists of 8 chapters, which cover the vibrational spectroscopy beginning with the theory and instrumentation, continuing with the experimental setup and probes description, and completing with results and discussions of the experiments. The first chapter of this work introduces Raman spectroscopy as a dominant technique used in pharmaceutical and chemical industry. The theoretical background regarding vibrational spectroscopy (IR and Raman) is accounted for in the second chapter of this work, while the samples presentation, the experimental procedures, and the description of the apparatus together with the computational details are briefly specified in the third chapter. The fourth chapter investigates the concentration dependent wavenumber shifts and linewidth changes of tetrahydrofuran in a binary system. Many of the applications in food science rely heavily on Raman spectroscopy, often preceding the biomedical applications. The characterization and identification of food additives using Raman, surface-enhanced Raman spectroscopy, and theoretical calculations is in detail depicted in the fifth chapter, whereas in the sixth and seventh chapters the monitoring of several medicines and various lanthanide complexes with anticancer properties, respectively, employing IR and Raman techniques are treated. These last two chapters address applications of vibrational spectroscopy to pharmaceutical products, and include the use of vibrational spectroscopy in combinatorial chemistry and density functional theory, a modality increasingly used by the pharmaceutical industry for the discovery if new pharmacologically active substances. / In der vorliegenden Arbeit wurden Schwingungsspektroskopie und exakte Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT, density functional theory) für Untersuchungen an einigen bekannten Klassen von Lebensmittelzusatzstoffen (Farbstoffe, Konservierungsmittel und Geschmacksverstärker), Medikamenten (entzündungshemmende Arzneimittel, Anti-Malaria-Arzneimittel) und drei verschiedenen Lanthanidkomplextypen einiger pharmazeutisch-aktiver Substanzen verwendet. Ein kurzer Teil der aktuellen Arbeit, nämlich Kapitel IV, befasst sich mit Schwingungsdephasierung der C-O und C-C Streckschwingungsmoden an dem Wasserstoffbrücken-gebunden binären System von THF und Wasser (C4H8O···HOH). Infrarot- und Raman-Schwingungsspektroskopie wurden zur Charakterisierung der Molekülstruktur im Grundzustand angewandt. Außerdem enthalten Resonanz-Raman (RR)-Spektren zusätzliche Informationen über die Molekülstruktur der resonant angeregten Zustände. Oberflächen-verstärkte Raman-Streuung (SERS) erlaubt es, die Wechselwirkungs- und die Adsorptionsstelle der aktiven Wirkstoffe an Metalloberflächen zu bestimmen. Des Weiteren wurden Dichtefunktionaltheorie- (DFT) Rechnungen zur exakten Modenzuordnung in den Schwingungsspektren durchgeführt. Die DFT-berechneten Molekülgeometrien der interessierenden Spezies stimmten sehr gut mit den Kristallstrukturdaten überein und waren zusammen mit Infrarot- und Raman-Messungen hilfreich bei der Aufklärung derjenigen Substanzstrukturen, für welche keine experimentellen Daten verfügbar waren, und dies besonders für die neuen Lanthaniden-Komplexen. Das erste Kapitel gibt eine Einführung zum Themengebiet der Arbeit. Die Beziehung der verschiedenen Projekte zu aktuellen Entwicklungen in der Forschung wird in den entsprechenden Kapiteln hergestellt. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die theoretischen Hintergründe der Schwingungsspektroskopie und der DFT-Rechnungen. Im dritten Kapitel werden die untersuchten Proben vorgestellt, sowie die eingesetzten experimentellen Arbeitsmethoden (Herstellung der Lösungen und der Substrate und Synthesen), die Beschreibung der Geräte und Einzelheiten zu den DFT-Rechnungen. Im vierten Kapitel wird auf die Untersuchung der Schwingungsrelaxation eingegangen, z.B. in Form der Schwingungsdephasierung, welche als nützliches Hilfsmittel zur Erforschung dynamischer Prozesse in der flüssigen Phase eingesetzt werden kann. Das Kapitel V stellt, nach einer kurzen Übersicht über die Anwendung und die Klassifizierung der Lebensmittelzusatzstoffe, eine detaillierte Untersuchung für die Charakterisierung und die Identifizierung von fünf weit verbreiteten Lebensmittelzusatzstoffen (E102, E211, E127, E132 und E621) durch Kombination von Schwingungsspektroskopie mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen vor. Im sechsten Kapitel werden Messungen an entzündungshemmenden und anti-Malaria-aktiven Arzneimitteln vorgestellt. Die Raman-Spektren von verschiedenen Aspirin-Tabletten können für die Differenzierung der gepufferten und ungepufferten pharmazeutischen Spezies verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass diese zwei Spezies des Aspirin leicht unterschiedlich an der Silberoberfläche chemisorbiert sind. Die durch die Kombination beider Methoden gewonnenen vielversprechenden Ergebnisse zu den neuen, potentiell biologisch aktiven Lanthaniden-Komplexen pharmazeutisch aktiver Substanzen (Kapitel VII) überzeugten uns von der Leistungsfähigkeit der Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen als Hilfsmittel bei der Auswertung von IR- und Raman-Spektren um verschiedene interessante Problemstellungen zu lösen. Deswegen wurden die IR- und Raman-Spektren neuer potentiell biologisch aktiver Lanthaniden-Komplexe, die von unseren Kooperationspartnern synthetisiert wurden, mit Hilfe exakter Ergebnisse aus DFT-Rechnungen (Strukturparameter, harmonische Schwingungswellenzahlen, Raman-Streuaktivitäten) besprochen, und viele vorher unvollständige Zuordnungen wurden analysiert und verbessert. Die Experimente und Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert wurden, demonstrieren, dass die Schwingungsspektroskopie in Verbindung mit quantenchemischen Rechnungen für die Untersuchung molekularer Strukturen ausgezeichnet geeignet ist. Insbesonders hat sich die Rezonanz-Raman-Spektroskopie als eine nützliche Methode zum Erhalt von Informationen über die anfängliche Dynamik und die Struktur des angeregten Zustandes der photochemisch-aktiven Systeme erwiesen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--München.

Zugl.: Bonn, Univ., Diss., 2009

Zementklinker ist der Hauptbestandteil von Zement und verbraucht zu dessen Herstellung signifikante Mengen von natürlichen Ressourcen und trägt gleichzeitig zu seiner sehr ungünstigen Treibhausgasbilanz bei. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Zementersatzstoffe mit spezifischen Eigenschaften aus Abfallstoffen wie Kieswaschschlämmen, Strassenwaschschlämmen und Gipskartonplatten ohne Leistungseinbußen auf Produktseite, bei geringeren Temperaturen und geringerer CO2 Emission hergestellt werden können. Entsprechend den angestrebten Eigenschaften solcher zum Teil anthropogener Zementbestandteile wurden lokal verfügbare geeignete Abfallstoffe ausgewählt und thermisch aktiviert. Eine industriell anwendbare Methode zur Aktivierung solcher Stoffe bei Temperaturen von 700 °C – 850 °C wurde entwickelt und patentiert. Es basiert auf einem neu entwickelten Trocknungsverfahren und der Kombination von zwei Produktionslinien, um durch die Verknüpfung der Gasströme beider Systeme eine energieeffiziente thermische Behandlung von Abfallstoffen zu ermöglichen sowie auf umweltfreundliche Weise einen Zementersatzstoff herzustellen.:Table of Contents List of Tables List of Figures List of Abbreviations Glossary Chapter 1: Introduction 1.1 Motivation 1.2 Research hypotheses and objectives 1.3 Research methodology 1.4 Thesis outline Chapter 2: State of the art in SCM production 2.1 Supplementary cementitious materials 2.2 Classification of SCMs 2.2.1 Classification according to origin 2.2.2 Classification according to reaction behaviour 2.3 Chemical composition of SCMs 2.4 Formation of hydraulic or pozzolanic minerals in thermal processes 2.4.1 Cement clinker 2.4.2 Burnt oil shale 2.4.3 Fly ash 2.4.4 Calcined clay 2.5 Performance of composite cements 2.6 Calcining technologies 2.6.1 Flash calciner 2.6.2 Rotary calciner 2.7 Comparison of process technologies 2.8 Summary of Chapter 2 Chapter 3: Alternative SCMs and a new method for activation 3.1 Introduction 3.2 Target of alternative SCM 3.3 Waste materials 3.3.1 Aggregate washing sludge 3.3.2 Road cleaning sludge 3.3.3 Deconstruction gypsum 3.4 Producing alternative SCMs 3.5 Thermal activation of alternative SCMs 3.6 Limitations in current calcining technology 3.6.1 Difficult emission control 3.6.1.1 Particulate emission 3.6.1.2 Gaseous emission 3.6.2 Challenging material preparation 3.6.3 Demand for noble fuels 3.6.4 Difficult colour control 3.6.5 Strict temperature control 3.6.6 CO2 footprint of calciners 3.7 Proposed new method of calcination 3.7.1 Feed material handling 3.7.2 Thermal heat-exchange system 3.7.3 Clay calciner design 3.7.4 Grinding 3.8 Summary Chapter 3 Chapter 4: Theoretical Considerations 4.1 Material considerations 4.1.1 Composition of alternative SCM 4.1.2 Anticipated products and characteristics 4.2 Process considerations 4.2.1 System capacity 4.2.2 Material characteristics 4.2.3 Material receiving, crushing and handling 4.2.4 Thermodynamic modelling 4.2.4.1 Mass balance 4.2.4.2 Drying and cooling heat balance 4.2.4.3 Calcination heat balance 4.2.4.4 Gas balance 4.2.4.5 Impact on clinker kiln line 4.2.4.6 Impact of calcite on the gas balance 4.2.5 Calciner design 4.2.6 Colour control 4.2.7 Emission prediction 4.2.7.1 Emission during drying 4.2.7.2 Emission during calcination 4.2.8 CO2 footprint of produced material 4.2.9 Grinding requirements 4.3 Summary of Chapter 4 Chapter 5: Experimental tests and proof of concept 5.1 Introduction 5.2 Sampling and characterization 5.2.1 Kaolinitic AWS from France 5.2.2 Non-kaolinitic AWS from Switzerland 5.2.3 Road cleaning sludges from Switzerland 5.2.4 Deconstruction gypsum from Switzerland 5.2.5 Sample preparation and shipping 5.3 Drying screw conveyor testing 5.4 Calcination testing 5.4.1 Mineralogy of activated products 5.4.1.1 Non-kaolinitic SCM 5.4.1.2 Kaolinitic AWS from France 5.4.2 Colour 5.5 Crushing tests 5.6 Grinding tests 5.7 Mortar compressive strength testing 5.8 Water demand testing 5.9 Summary of Chapter 5 Chapter 6: Experimental results 6.1 Characteristics of activated materials 6.2 Concrete performance and colour 6.2.1 Thermally activated kaolinitic AWS from France 6.2.2 Thermally activated non-kaolinitic alternative SCM from Switzerland 6.3 Equipment dimensioning 6.3.1 Process mass flow 6.3.2 Heat-exchanging screws and thermal oil system 6.3.3 Rotary calciner dimensioning 6.3.4 Ball mill dimensioning 6.4 CO2 reduction 6.5 Summary of Chapter 6 Chapter 7: Conclusion and outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook. Literature