L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'effet de l'hétérogénéité du milieu poreux et de la stratification sur l'écoulement et le transfert colloïdal par des expériences de traçage non réactif et d'injection d'une suspension colloïdale en colonnes de laboratoire. Cette étude a été appliquée à des milieux à double porosité naturelle (milieu granulaire) et artificielle (sable avec macropore artificiel) en conditions saturées et non saturées. L'effet de la stratification de deux milieux a été étudié par amendement avec un géotextile. La modélisation numérique a été utilisée pour proposer et valider un modèle conceptuel d'écoulement et de transfert dans un milieu sableux rendu hétérogène par introduction d'un macropore artificiel ainsi qu'un modèle d'influence de la stratification. Les résultats expérimentaux et la modélisation ont permi de mettre en évidence l'effet de la stratification comme réducteur du rôle joué par la macroporosité. Alors qu'en conditions non saturées, la stratification n'induit aucune modification de l'écoulement, en saturé, elle réduit les écoulements et les transferts préférentiels au sein de la macroporosité en favorisant la redistribution de l'eau et des solutés de la macroporosité vers la microporosité au droit de la strate. Une des applications pratiques de ce travail concerne la réduction du transfert colloïdal, potentiellement vecteur de pollution, par l'introduction de géotextiles dans le sol des bassins d'infiltration.

Durch Biotemplating mit bakteriellen Oberflächenproteinen, sogenannten S-Layer Proteinen können Metallcluster mit einer definierten Größe und Verteilung auf verschiedensten Oberflächen abgeschieden werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit der gezielten Präparation heterogener Katalysatoren. Mit der Kalorimetrie sollen die katalytischen Eigenschaften von mit Platin belegten S-Layer Präparationen am Beispiel der Kohlenmonoxidoxidation vorgestellt werden. Es werden geträgerte Katalysatoren und katalytisch aktive Schichten untersucht. Der Fokus liegt bei den Katalysatorschüttungen auf der Charakterisierung der katalytischen Eigenschaften und resultierend daraus auf einer Optimierung der Präparation. Für die Untersuchungen der katalytisch aktiven Schichten muss im Unterschied zu den Katalysatorschüttungen eine neuartige miniaturisierte Anordnung auf der Basis von Pt 1000 Widerstandsthermometern entwickelt werden. Dabei werden auch Parameter, die für eine spätere sensorische Applikation von Bedeutung sind, untersucht.

In vorliegender Arbeit wurden Katalysatoren für die heterogen katalysierte Selektivhydrierung von kurzkettigen alpha,beta-ungesättigten Aldehyden, im besonderen Crotonaldehyd, zu den ungesättigten Alkoholen entwickelt und optimiert. Dabei erwiesen sich SMSI-Katalysatoren (Pt/TiO2, Ir/TiO2) und bimetallische Katalysatoren (Pt-Sn/TiO2, Pt-Sn/Al2O3, Pt-Fe/TiO2) als am geeignetsten. Diese Katalysatoren wurden durch Ionenaustausch-, Incipient-Wetness-, Controlled-Surface-Reaction-Methode bzw. Immobilisierung von Pt- und Pt/Sn-Kolloiden als Präparationstechniken hergestellt. Als Einflußgrößen auf die Hydrierung wurden Metallgehalt, Dispersität, Gehalt und Oxidationsstufe des Zweitmetalls, die Titandioxid-Modifikation der Träger sowie das Desaktivierungsverhalten untersucht. Als Charakterisierungsmethoden für die Katalysatoren wurden hauptsächlich ICP-AES, N2-Physisorption, XRD, ESR, HRTEM, H2- und CO-Chemisorption sowie XPS genutzt. Die höchste Ausbeute an Crotylalkohol wurde mit 40% an einem 1,20Pt/TiO2(P*)-Kolloidkatalysator im SMSI-Zustand erreicht.

Die Nutzung von Kraftstoffen auf der Basis von Biodiesel erlaubt es, konventionelle, etablierte Antriebstechniken mit Nachhaltigkeit zu kombinieren. Daher kann in den nächsten Jahren mit einer weiteren weltweiten Steigerung der Biodieselproduktion gerechnet werden. Damit verbunden ist jedoch auch ein Anstieg der anfallenden Menge an Glycerol, das bei der Herstellung von Biodiesel als Koppelprodukt entsteht. Da traditionelle Märkte für Glycerol kaum mehr Wachstum zeigen, müssen neue Wege zur effizienten Verwertung von Glycerol gefunden werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der heterogen-katalysierten Umsetzung von Glycerol zu Acrolein. Unter Verwendung von ZSM-5-Katalysatorproben mit unterschiedlichem Si/Al-Verhältnis und phosphorsäure-modifizierten Katalysatorproben konnte die Existenz von Synergieeffekten zwischen den texturellen, strukturellen und aciden Eigenschaften in der heterogen-katalysierten Glyceroldehydratisierung zu Gunsten der Acroleinselektivität eindeutig nachgewiesen werden. Eine selektive Umsetzung von Glycerol zu Acrolein wird daher an solchen Katalysatorproben ermöglicht, die ausgewogene texturelle, strukturelle und acide Eigenschaften aufweisen.

This paper examines the distributional effects of international trade in a general equilibrium model with heterogeneous agents and a welfare state redistributing income. The redistribution scheme is financed by a progressive income tax and gives the same absolute transfer to all individuals. Ceteris paribus, international trade leads to an increase in income per capita but also to higher income inequality on two fronts. Inter-group inequality between managers and workers increases, and intra-group inequality within the group of managers goes up as well. We show that for constant tax rates, there is an endogenous increase in the size of the welfare state that works against the increase in inequality, yet cannot offset it. The paper also sheds light on the conditions under which trade can actually lead to a Pareto improvement.

This paper investigates the effects of international trade in a general equilibrium model with heterogeneous firms where a welfare state redistributes income. We look at a very stylised progressive non-distortionary redistribution scheme. We show that for a given tax rate international trade increases income per capita, but also leads to higher income inequality. Two aspects of income inequality are examined. First, inter-group inequality between managers and workers is considered. Second, intra-group inequality within the group of managers is investigated. For a given tax rate the size of the welfare state and therefore the transfer per capita increases when going from autarky to trade. This second-round effect counteracts the primary increase in inequality, yet cannot outweigh it. Since the redistribution scheme is non-distortionary, it is possible to decrease trade-induced inequality by increasing the tax rate without jeopardising the gains from trade.

This paper examines the effects of a unilateral reform of the redistribution policy in an economy open to international trade. We set up a general equilibrium trade model with heterogeneous agents allowing for country asymmetries. We show that under international trade compared to autarky, a unilateral tax increase leads to a less pronounced decline in aggregate real income in the reforming country, while income inequality is reduced to a larger extent for sufficiently small initial tax rates. We highlight as a key mechanism a tax-induced reduction in the market size of the reforming country relative to its trading partner, resulting in a firm selection effect towards exporting. From the perspective of a non-reforming trading partner, the unilateral redistribution policy reform resembles a unilateral increase in trade costs leading to a deterioration of terms-of-trade and a decline in both aggregate real income and inequality.

Ice formation largely influences the properties of clouds and hence it has an important impact on weather and climate. Primary ice formation is a consequence of either homogeneous or heterogeneous ice nucleation. The latter process is catalyzed by a foreign substance called Ice Nucleating Particle (INP). Mineral dust particles were found to contribute to atmospheric INPs. Most types of mineral dust are ice active below -20 °C. In contrast, atmospheric observations indicate that immersion freezing as one of the most important heterogeneous ice nucleation processes can occur at temperatures higher than -15 °C. One possible explanation for cloud glaciation at high temperatures might be the presence of biological material (e.g. bacteria) inducing ice nucleation. Our fundamental process and even qualitative understanding concerning atmospheric heterogeneous ice nucleation is limited. In the framework of the present thesis, experimental and theoretical work was carried out to improve the basic understanding of the immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs. On the basis of model simulations immersion freezing experiments were designed at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS). The immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs was studied in dependence of temperature and particle surface area/number at LACIS. As a results of the present thesis, it was found that the immersion freezing behavior of kaolinite being a proxy of mineral dust INPs does not depend on the droplet volume, but on the particle surface area. The kaolinite particles investigated caused freezing below -30 °C. In contrast, Ice Nucleation Active (INA) protein complexes that are attributed to bacterial INPs were found to induce freezing at -7 °C. Furthermore, it was shown that the ice nucleation activity of protein complexes is very similar regardless of whether the INA protein complex is attached to the outer cell membrane of intact bacteria or to cell membrane fragments. The immersion freezing ability depends on the number and type of INA protein complexes present in the droplet ensemble. The immersion freezing ability of mineral dust and bacterial INPs was parameterized accounting for the time effect. With this, results from literature could be reproduced for both INP types. These parameterizations can be used in e.g. cloud resolving atmospheric models.

The following work examines the hydrogenation of p-nitrotoluene in the liquid phase and the partial hydrogenation of acroleine in the gas phase. For both reactions a microchannel reactor (MCR) with catalytically active walls and fixed bed catalysts have been prepared and applicated. In case of the hydrogenation of p-nitrotoluene using the MCR the aim was to prepare a catalytically active wall coating. To achieve this the inner surface of the MCR was anodically oxidized and followed by a deposition of palladium in the resulting oxide layer by means of electrochemical and wetchemical reduction. The resulting coating was modified by promoting it with lanthane. The maximum space time yield of p-toluidine was 7 mols per liter and hour. This is significantly more than the state-of-the-art today which is limited by heat transfer and enables a space time yield in the range of 0.15 to 1.5 mol per liter and hour. Thus, the MCR could be profitably used for this reaction. In case of the partial hydrogenation of acroleine with allyl alcohol as the desired product silver based real and model catalysts have been used. The aim was to identify correlations between the chosen catalyst support and immobilization procedure on one side and the catalytical properties of the resulting catalyst on the other. Aluminum and silicon dioxide have been used as catalyst support. The catalytically active component silver was deposited using conventional wet impregnation procedures as well as electrochemical silver deposition and sputtering of silver. It was possible to discriminate between effects due to the choice of the support material and effects due to the choice of the immobilization procedure. For this reaction, the MCR could not be used profitably. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Hydrierung von p-Nitrotoluol in der Flüssigphase und die partielle Hydrierung von Acrolein in der Gasphase untersucht. Für beide Reaktionen wurden Mikrostrukturreaktoren (MSR) mit katalytisch aktiven Wänden sowie Schüttgutkatalysatoren präpariert und eingesetzt. Im Fall der Hydrierung von p-Nitrotoluol im MSR bestand das Ziel in der Präparation einer geeigneten katalytisch aktiven Wandbeschichtung. Dazu wurde die innere Oberfläche des MSR anodisch oxidiert und in der resultierenden Oxidschicht Palladium durch elektrochemische und nasschemische Reduktion abgeschieden. Modifiziert wurden die erhaltenen Beschichtungen durch Lanthanpromotierung. Es wurde eine maximale Raumzeitausbeute an p-Toluidin im MSR von 7 mol pro Liter und Stunde erreicht. Dies ist deutlich höher als der durch die Grenzen des Wärmetransportes limitierte Stand der Technik, der für konventionelle Rührkesselreaktoren im Bereich von 0,15 bis 1,5 mol pro Liter und Stunde liegt. Der MSR konnte damit gewinnbringend für diese Reaktion eingesetzt werden. Für die Hydrierung von Acrolein mit dem Zielprodukt Allylalkohol wurden auf Silber basierende reale und Modellkatalysatoren eingesetzt. Ziel war es, Zusammenhänge zu finden zwischen der Wahl des Katalysatorträgers und der Techniken zur Silberimmobilisierung auf der einen Seite und den katalytischen Eigenschaften des resultierenden Katalysators auf der anderen. Als Trägermaterialien wurden Aluminium und Siliziumdioxid verwendet. Die Aktivkomponente Silber wurde konventionell nasschemisch, elektrochemisch und durch Sputtern abgeschieden. Einflüsse des Trägermaterials auf Aktivität und Selektivität des Katalysators konnten deutlich von den Einflüssen der verschiedenen Techniken der Silberimmobilisierung unterschieden werden. Der Mikrostrukturreaktor konnte für diese Reaktion nicht gewinnbringend eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten zu Maleinsäureanhydrid (MSA) eingesetzt. Diese stark exotherme, heterogen katalysierte Umsetzung fand hierbei in Stapeln mikrostrukturierter Aluminiumfolien statt, welche durch parallele Strömungskanäle mit katalytisch wirksamen Oberflächenschichten charakterisiert sind. Als Aktivkomponenten kamen Vanadium-, Phosphor- und Titanoxide zur Anwendung. Ein Vergleich von drei kompakten Mikrostrukturreaktoren mit Kanaldurchmessern der Mikrokanäle von 0,08, 0,2 bzw. 0,4 mm mit einem Schüttgutreaktor wurde durchgeführt. Vorausgehend war die Entwicklung von 3 verschiedenen Methoden zur Immobilisierung von V2O5 und P2O5 auf dem Katalysatorträger bei jeweils unterschiedlichen Katalysatorvorläufern. Die Herstellungsparameter der geeignetsten Immobilisierungsmethode wurden, entsprechend einem Screening in Schüttgutreaktoren, systematisch variiert. Die katalytische Aktivierung der Folien erfolgte nach der gleichen Präparationsvorschrift die zur Herstellung des „besten“ Katalysator-Schüttguts führte. Bei der partiellen Oxidation von 1-Buten außerhalb des Explosionsbereiches bestanden nur geringfügige Unterschiede zwischen den MSA-Selektivitäten im Schüttgut bzw. in der Mikrostruktur (33%). In letzterer wurden hingegen um den Faktor 3 bis 5 höhere Raum-Zeit-Ausbeuten als im Schüttgut erzielt. Des weiteren konnte die partielle Oxidation von 1-Buten innerhalb des Explosionsbereiches ausschließlich in den Mikrostrukturreaktoren explosionssicher - und ohne Anzeichen auf instabile Betriebspunkte – gehandhabt werden. Begleitend dazu fand die Entwicklung und der Einsatz dreier modularer Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten statt. Praktische Ergebnisse wurden anhand eines entwickelten Reaktormodells bestätigt.