Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die ausgekoppelten Rückstände einer stoffgeführten Veredelungskette zur stofflichen Nutzung von Braunkohle charakterisiert, welche aus den Wandlungsstufen Extraktion mit Toluol, Niedertemperaturkonversion (katalytische Pyrolyse und Reaktivextraktion mit superkritischen Lösungsmitteln) und Vergasung besteht. Schwerpunktmäßig wurde die Vergasungsreaktivität der Rückstände untersucht, da sie in der letzten Prozessstufe der Vergasung zugeführt werden. Die Variabilität der Reaktivität der Ausgangsstoffe diente hierzu als Maßstab zur Bewertung der Vergasungsreaktivität der Rückstände der Prozesskette. Im Rahmen der Charakterisierung wurden charakteristische Stoffeigenschaften identifiziert, welche die Vergasungsreaktivität der betrachteten Rohstoffe primär beeinflussen. Dazu zählen die Aromatizität und die Aschezusammensetzung. Auf dieser Basis wurden die Rückstände der Prozesskette bewertet und interpretiert. Es wurden verschiedene experimentelle Methoden (zwei Thermowaagen und ein Festbettverssuchstand) verwendet und gegenseitig validiert. Daneben wurde geprüft, ob die Reaktivität einer Mischung, bestehend aus den Rückständen der Prozesskette, aus den Reaktivitäten der Einzelkomponenten vorausberechnet werden kann und drei Grenzfälle abgeleitet. Basierend auf den im Rahmen der Arbeit generierten konsistenten Datensätzen wurde ein halbempirisches Modell zur Vorausberechnung der Vergasungsreaktivität von Braunkohlen und deren Veredelungsprodukten hergeleitet. Das Modell berücksichtigt die Zusammensetzung der organischen Substanz sowie die Zusammensetzung der anorganischen Substanz einer Kohleprobe und wurde unter Einbezug weiterer Kohleproben erfolgreich validiert.

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.

The primary purpose of this thesis is to find out the mechanism of cracking formation during filtration as well as improve the dewatering efficiency of Limestone and Vietnam coal. They are both fine materials, which negatively affect the filtration process. Experiments are executed by changing parameters like solid volume fraction of initial suspension, the height of filter cake and the applied pressure difference using the conventional pressure filtration. Permeability ratio is used as the relevance output parameter to quantify the degree of cracking. Otherwise, saturation and residual moisture content on filter cake are also calculated to evaluate the extent of dewatering. Almost the mechanism of cracking is assumpted and proved. Countermeasures are suggested to prevent the probability and degree of cracking on filter cake. Otherwise, steam pressure filtration is applied as a new method allow improve the dewatering efficiency and reduce the cracking.:Contents Abstract iii Acknowledgment v Contents vi List of Figure viii List of Tables xvi List of Symbols xvii Abbreviation xix 1. Background 1 1.1. The Filtration process 1 1.2. Conventional pressure filtration and steam pressure filtration 3 1.3. Filtration theory 6 1.4. Cake deliquoring - immiscible fluid displacement in porous media 16 1.5. Tensile stress between particles 20 1.6. Coal processing/ washing 24 2. Literature review 34 2.1. Cracking on filter cake and the dewatering process with and without cracking 34 2.2. Summary and focus of research 47 3. Material, methods and the result of capillary pressure curve and tensile stress versus saturation 51 3.1. Material used 51 3.1.1. Limestone 51 3.1.2. Vietnam Coal 52 3.2. Conventional filtration rig and steam pressure filtration rig 55 3.2.1. Conventional filtration rig 55 3.2.2. Steam pressure filtration rig 57 3.3. Filtration experimental 58 3.4. Relevant parameter 59 3.5. Analyze technique 65 3.6. Tensile stresses depend on saturation during deliquoring 66 4. The influence of operating parameters on cracks formation in case of limestone 69 4.1. Capillary pressure curve and tensile stress during the filtration in the case of limestone 69 4.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 76 4.2.1. Particle size distribution effect 76 4.2.2. The solid volume fraction of suspension effect 82 4.2.3. Height of filter cake (filter cake deep/ filter cake thickness) effect 92 4.2.4. Pressure difference effect 101 4.3. The difference in the crack formation by using steam pressure filtration 111 4.4. General conclusion 116 5. The influence of operating parameters on cracks formation in the case of Vietnam coal 118 5.1. Capillary pressure curve and tensile stress during filtration in case of Vietnam coal 118 5.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 122 5.2.1. The influence of the solid volume fraction on crack formation and saturation 122 5.2.2. The influence of the height of filter cake on crack formation and saturation 127 5.2.3. The influence of pressure difference on crack formation and saturation 134 5.3. Estimate the efficiency dewatering as well as the crack formation using steam pressure filtration 139 5.4. General conclusion 146 6. Overall conclusion and recommendation 148 6.1. Overall conclusion 148 6.2. Recommendation 150 References 152 Appendices 156 Appendix A: Data from CCWP. 156 Appendix B: Data from the crack formation with various operation parameters using conventional pressure filtration (CPF). 159 Appendix C: Data from steam pressure filtration. 167 Appendix D: Miscellaneous Information. 177

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.

Microporous membranes act as selective barriers and play an important role in industrial gas separation and water purification. The permeability of such membranes is inversely proportional to their thickness. Synthetic two-dimensional materials (2DMs), with a thickness of one to a few atoms or monomer-units are ideal candidates for developing separation membranes. In this Progress Report, we present groundbreaking advances in the design, synthesis, processing, and application of 2DMs for gas and ion separations, as well as water desalination. After the introduction in Section 1, this report describes the syntheses, structures, and mechanical properties of 2DMs in Section 2. In Section 3, we will discuss the established methods for processing 2DMs into selective permeation membranes and address the separation mechanism and their performances. Finally, current challenges and emerging research directions, which need to be addressed for developing next generation separation membranes, are summarized in the Conclusion and Perspective.

The possibility of direct preforming in the near net shape of final component structure with load- and shape-conforming fiber orientations is highly essential in composite production, not only to reduce costs but also to attain better mechanical properties and form stability. Based on the concept of varying the reinforcement yarn lengths during the feed-in (warp yarn delivery) and segmented doffing, synchronous working numerically controlled warp yarn delivery and doffing machine modules have been newly developed for multiaxial warp knitting machines to create a resource efficient textile process chain by a single-step, large-scale oriented production of load- and form-conforming warp knitted three-dimensional shell preforms with free-form geometrical surfaces. Such customized preforms in the near component net shape offer higher material utilization and increased lightweight potential.

Multifunctional batteries with enhanced safety performance have received considerable attention for their applications at extreme conditions. However, few batteries can endure a mix‐up of battery polarity during charging, a common wrong operation of rechargeable batteries. Herein, a polarity‐switchable battery based on the switchable intercalation feature of graphite is demonstrated. The unique redox‐amphoteric intercalation behavior of graphite allows a reversible switching of graphite between anode and cathode, thus enabling polarity‐switchable symmetric graphite batteries. The large potential gap between anion and cation intercalation delivers a high midpoint device voltage (≈average voltage) of ≈4.5 V. Further, both the graphite anode and cathode are kinetically activated during the polarity switching. Consequently, polarity‐switchable symmetric graphite batteries exhibit a remarkable cycling stability (96% capacity retention after 500 cycles), a high power density of 8.66 kW kg−1, and a high energy density of 227 Wh kg−1 (calculated based on the total weight of active materials in both anode and cathode), which are superior to other symmetric batteries and recently reported dual‐graphite or dual‐carbon batteries. This work will inspire the development of new multifunctional energy‐storage devices based on novel materials and electrolyte systems.

Eine kompakte und effiziente Wasserstofferzeugung aus verfügbaren Energieträgern ist für die Marktfähigkeit von Brennstoffzellenheizgeräten essentiell. Der Auslegung von Reformern für PEM-Brennstoffzellen kommt eine große Bedeutung zu, da bei diesem Brennstoffzellentyp keine interne Reformierung möglich ist. In dieser Arbeit werden die mathematische Modellierung der Dampfreformierung von Erdgas, die Rolle der eingesetzten Katalysatoren und die Problematik von Wärme- und Stofftransportprozessen untersucht. Für fünf kommerzielle Nickel- und einen Rhodiumkatalysator werden die Kinetik, die effektive Wärmeleitfähigkeit und der Diffusionskoeffizient ermittelt. Unter Verwendung dieser Werte wird in einem Einzelpartikelmodell die Existenz und Signifikanz von intra- und extrapartikulären Stoff- und Temperaturgradienten evaluiert. Daraus werden für ein quasihomogenes Reaktormodell Modellparameter abgeleitet, die eine exakte Simulation unter Berücksichtigung der relevanten Phänomene zulassen. Schließlich wird ein Reaktormodell erstellt, welches mit Messwerten aus einem Versuchsreaktor validiert und für eine Sensitivitätsanalyse verwendet wird.

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.:Contents Chapter I Introduction 1 Chapter II Removal or inactivation of microorganisms, in particular viruses, for drinking water purposes with focus on small-scale, decentralised systems: A literature review 7 II. I Physical and chemical treatments 8 II. II Filtration processes 10 II. III Conclusions 15 Chapter III Mechanisms of adsorption in depth filtration 17 III.I Surface charge and the electrical double layer 18 III.II van der Waals interactions 22 III.III DLVO theory 23 III.IV Non-DLVO forces 25 III.V Extended DLVO Theory 27 Chapter IV Virus adsorption studies 29 IV.I A literature review 30 IV.I.I Virus concentration by adsorption-elution 33 IV.I.II Improved virus adsorption in filtration 35 IV.II The electrostatic enhanced adsorption approach 37 Chapter V Viruses 39 V.I Literature review 40 V.I.I Structure and morphology 40 V.I.II The viral life cycle 41 V.I.III Human pathogenic viruses in the aquatic environment 42 V.II Experimental 46 V.II.I The choice of viruses for adsorption studies 46 V.II.II Propagation and enumeration of the bacteriophages 48 V.II.III Characterisation of bacteriophages 51 V.III Results and discussion 54 V.III.I Production of high-titre and high-purity phage stocks 54 V.III.II Characteristics of bacteriophages 59 V.III.III Detection of a viral contaminant - the ‘Siphophage’ 64 Chapter VI The diatomaceous earth-based depth filter 69 VI.I Literature review 70 VI.I.I Diatomaceous earth 70 VI.I.II Retention of microorganisms in the DE-based depth filter 71 VI.II Experimental 73 VI.II.I Manufacturing the depth filter 73 VI.II.II Physical characterisation 74 VI.II.III Performing filter retention tests 75 VI.II.IV Latex retention test 76 VI.II.V Studying adsorption kinetics in a batch experiment 79 VI.II.VI Applying (X-)DLVO theory 80 VI.III Results and discussion 83 VI.III.I Characterisation of the depth filter 83 VI.III.II Latex removal in the depth filter 86 VI.III.III Filter performance on virus removal 94 VI.III.IV Batch-sorption experiments 99 VI.IV Summary and conclusions 102 Chapter VII The magnesium oxide modified depth filter 103 VII.I Experimental 104 VII.I.I Choice of the adsorbent material 104 VII.I.II Manufacturing the MgO-modified filter and characterisation methods 105 VII.II Results and discussion 106 VII.II.I The adsorbent: Magnesium oxide powder 106 VII.II.II Physical characterisation of modified depth filters 108 VII.II.III Virus removal in depth filters containing MgO 113 VII.II.IV Ageing behaviour of MgO modified filters 118 VII.II.V Discussion on the removal mechanisms 130 VII.III Summary and conclusions 134 Chapter VIII Summary, conclusions and outlook 135 VIII.I Summary and conclusions 136 VIII.II Outlook 137 Abbreviations, symbols and physical constants 139 Reference list 142

Vergasungsprozesse, bei denen kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe in ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas umgewandelt werden, stellen eine Schlüsseltechnologie für eine zukünftige nachhaltige Rohstoffnutzung dar. Der Grund für den Einsatz von Hochdruckverfahren liegt in der Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Die numerische Simulation der Hochdruckvergasung hat große Schnittmengen mit der Verbrennungssimulation. So kann die Flammenzone mit Hilfe von Verbrennungsmodellen beschrieben werden. In der Arbeit wurden Simulationen einer Versuchsanlage für Hochdruckvergasung mit Hilfe kommerzieller CFD-Codes und mit Hilfe des quelloffenen Codes OpenFOAM durchgeführt. Eine Analyse des Verbrennungsmodells ergab, dass die wesentlichen Reaktionen im Reformierungsbereich, wo kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, nur unzureichend abgebildet wurden. Durch die Verwendung eines alternativen Ansatzes konnte der Modellierungsfehler deutlich reduziert werden.