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.

Major accidents in the process industries occurred mostly as an outcome of multiple failures in different safety barriers and their interrelation with unsafe acts by frontline operators. This has become the reason why safety analyses in terms of plant technical aspects cannot be performed independently from analysing human response to the changing technology. Unsafe acts and errors by operators must be seen as a symptom of system insufficiencies and underlying problems, rather than as the cause of an accident. With this paradigm, the need to optimally configure the system and the whole working condition to understand human’s limitation and requirements becomes very evident. It is too naive to desire that human operators make zero error by asking them to change their behaviour and to perfectly adapt to the system. Human Factors (HF) attempts to cope with the need to understand the interrelation between human operators, the technology they are working with and the management system, with the aim to increase safety and efficiency. In achieving this goal, HF must be incorporated into the whole plant lifecycle, from the earliest design stage to plant operation and modifications. Moreover, HF analysis must comprise all kinds of operators’ activities and responsibilities in operating process plants, which can include manual works in field and supervisory control conducted remotely from a control centre/room. This work has developed techniques that provide systematic way to incorporate HF into process plant lifecycle. The new HF analysis technique, PITOPA-Design, in a combination with the classic PITOPA, is applicable for an implementation during design and operation of a plant. With the awareness that safety analysis and HF cannot be performed separately, an interconnection with HAZOPs is made possible by means of this new technique. Moreover, to provide a systematic analysis of operators’ work in control room, an additional technique, the PITOPA-CR was also developed. This HF technique can as well be integrated into a general HF analysis both during design phase and plant operation. In addition to it, results coming from PITOPA-CR will provide information required to optimally configure control and alarm system, as well as the whole alarm management system to better understand the limitation and requirements of control room operators. The structure of the development can be described as follows: i) Development of HAZOPA (the Hazards and Operator Actions Analysis), which provides the interconnection between HF analysis and HAZOPs, ii) Development of PITOPA-Design, a technique to incorporate HF consideration into design phase, which is differentiated into 3 stages to comprise the conceptual design, the basic engineering and the detail engineering phase, iii) Development of PITOPA-CR, a technique for HF analysis in control room, iv) Integration of PITOPA-CR into alarm management system, development of a technique for alarm prioritization.:ACKNOWLEDGEMENT i ABSTRACT iii ZUSAMMENFASSUNG iv CONTENTS v TABLE OF FIGURES viii LIST OF TABLES x NOMENCLATURE xi ACRONYMS AND ABBREVIATIONS xii CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 2 1.3 Scope of Work 3 CHAPTER 2 5 THEORETICAL BACKGROUND 5 2.1 Fundamentals of Human Error 5 2.2 Human Factors (HF) 8 2.3 Motivations to Consider HF in Process Safety 9 2. 3. 1 Accidents that Address HF in Process Safety 11 2. 3. 2 Regulation and Legal Requirements 16 2. 3. 3 Business Value 19 2.4 Work of Operators in Complex Systems 19 2. 4. 1 Role of Operators in Complex Systems 20 2. 4. 2 Problems with Computerisation and Automation 24 2. 4. 3 Allocation of Functions and Levels of Automation 25 2.5 Performance Influencing Factors (PIFs) 27 2.6 Distributed Control System (DCS) and Alarm Systems 29 2. 6. 1 Alarm, Alarm System and Alarm Management 30 2. 6. 2 Most Common Alarm Problems 33 2. 6. 3 Improving Alarm Performance through Prioritization 34 2.7 Safety Analysis Methods 38 2.7.1 Qualitative Safety Analysis 39 2.7.2 Quantitative Safety Analysis 43 2.8 Mathematical Algorithms 44 2.8.1 Techniques for Multi-Criteria Decision Making (MCDM) 44 2.8.2 Classification Methods 47 CHAPTER 3 50 RECENT DEVELOPMENTS IN HF STUDIES 50 3. 1 Methods for HF analysis 50 A. Task Analysis 50 B. Techniques for Operators Actions Analysis 51 3. 2 Human Reliability Analyses (HRA) 52 3. 3 Consideration of Human Error in HAZOP 53 3. 4 HF in Process Plant Design 54 3. 5 HF in Alarm Management and DCS-Design 55 3. 6 The Need for Further Development of HF Methods 57 CHAPTER 4 58 MOTIVATION OF THE WORK 58 CHAPTER 5 61 PROCESS INDUSTRY TOOL FOR OPERATOR ACTIONS ANALYSIS (PITOPA) 61 5.1 The New Technique for Operator Actions Analysis (OAA) 64 5.2 Technique for Performance Influencing Factors (PIFs) Evaluation 65 5.3 Validation of PITOPA in the Process Industry 67 CHAPTER 6 71 EXTENDING HAZOP TO INTEGRATE HF INTO 71 GENERAL SAFETY ANALYSIS 71 6.1 Development of HAZOPA (The Hazard, Operability and Operator Actions Analysis) 72 6.2 Case Study 75 CHAPTER 7 85 APPROACH TO INCORPORATING HF CONSIDERATION 85 INTO PLANT DESIGN 85 7.1 Development of an Approach for HF Analysis in Design – The PITOPA-Design 85 7.1.1 HF Analysis in Conceptual Design Phase (HFAD–Conceptual) 88 7.1.2 HF Analysis in Basic Engineering (HFAD – Basic) 93 7.1.3 HF Analysis in Detail Engineering (HFAD-Detail) 107 7.2 Technique for HF-Design Parameters Evaluation 109 7.3 Intermediate Summary 114 CHAPTER 8 115 IMPLEMENTATION OF THE NEW PITOPA-DESIGN: 115 A CASE-STUDY 115 8.1 Conceptual Design 115 8.2 Basic Engineering 123 8.3 Detail Engineering 127 CHAPTER 9 132 APPROACH FOR IMPROVING OPERATOR PERFORMANCE 132 IN CONTROL ROOM 132 9.1 Performance Influencing Factors (PIFs) for Supervisory & Monitoring Tasks 134 9.2 Development of PITOPA-Control Room (PITOPA-CR) 140 9.2.1 Analysis of Normal Operation 142 9.2.2 Analysis of Abnormal Operation 150 9.3 Alarm Prioritization 156 9.3.1 A survey on Alarm Prioritization 156 9.3.2 Incorporation of CROAA into Alarm Prioritization 157 9.4 Intermediate Summary 165 CHAPTER 10 167 INCORPORATION OF OPERATOR ACTIONS ANALYSIS INTO ALARM MANAGEMENT 167 CHAPTER 11 171 RESULTS AND FUTURE WORKS 171 11. 1 Results 171 11. 2 Future Works 172 BIBLIOGRAPHY 174 APPENDIX A A-1 APPENDIX B B-1 / Schwere Unfälle in der Prozessindustrie erfolgen meist aus einem Zusammenspiel mehrerer verschiedener Fehler und der gleichzeitigen Wechselwirkung mit falschem menschlichem Handeln. Dabei sind diese Fehlhandlungen nicht als Unfallursache anzusehen, sondern sie resultieren aus Fehlern, die in dem System selbst zu finden sind. Aus diesem Grund kann bei der Sicherheitsanalyse die technische Analyse nicht unabhängig von der Betrachtung des Human Factors (HF) durchgeführt werden. Um eine Reduzierung der Fehlhandlungen zu erreichen, müssen das Anlagendesign, die Bedienbarkeit und die Arbeitsumgebung an die menschlichen Fähigkeiten angepasst werden. Human Factors (HF) betrachtet die Interaktion zwischen menschlichen, technischen und organisatorischen Aspekten einer Anlage, mit dem Ziel die Sicherheit und Effektivität der Anlage zu optimieren. Dafür ist eine Einbindung von HF in den gesamten Lebenszyklus einer Anlage notwendig. So müssen HF- Analysen nicht nur während des Betriebs einer Anlage und bei Prozessmodifikationen durchgeführt werden, sondern auch während des gesamten Design- Prozesses, da gerade in den frühen Design-Phasen das Optimierungspotential besonders hoch ist. Eine solche Analysemethode muss alle Aufgaben eines Operators erfassen, so dass zwischen manueller Arbeit und der Arbeit in der Leitwarte unterschieden werden muss. In dieser Arbeit wurden Analysentechniken entwickelt, die einen systematischen Ansatz zur Berücksichtigung des HF über den gesamten Lebenszyklus einer verfahrenstechnischen Anlage darstellen. Mit Hilfe der neuen Analysemethode, PITOPA-Design, können Untersuchungen sowohl während der Designphase als auch während des Betriebs einer Anlage durchgeführt werden. Da solche HF-Analyse immer in Verbindung mit einer klassischen Sicherheitsanalyse erfolgen muss, bindet die neue Methode die HAZOP-Analyse direkt ein. Darüber hinaus wurde ein weiterer Ansatz für die Analyse von Operatorhandlungen in einer Messwartenarbeit entwickelt. Diese neue Analysentechnik, PITOPA-CR, bildet die Grundlage für Verbesserungen im Alarmsystem und wird in das Alarmmanagementsystem eingebunden. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: i) Entwicklung von HAZOPA (the Hazards and Operator Actions Analysis). Diese Methode stellt die Einbindung der HF-Analyse in HAZOP dar. ii) Entwicklung von PITOPA-Design, zur HF-Analyse während des gesamten Designprozesses einer verfahrenstechnischen Anlage. Die Methode wurde in 3 Teile eingeteilt, um die drei Designsphasen Conceptual-, Basic-, und Detail-Design zu erfassen. iii) Entwicklung von PITOPA-CR, zur HF-Analyse in der Messwarte. iv) Einbindung von PITOPA-CR in das Alarmmanagementsystem und Entwicklung einer Technik zur Alarmpriorisierung.:ACKNOWLEDGEMENT i ABSTRACT iii ZUSAMMENFASSUNG iv CONTENTS v TABLE OF FIGURES viii LIST OF TABLES x NOMENCLATURE xi ACRONYMS AND ABBREVIATIONS xii CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 2 1.3 Scope of Work 3 CHAPTER 2 5 THEORETICAL BACKGROUND 5 2.1 Fundamentals of Human Error 5 2.2 Human Factors (HF) 8 2.3 Motivations to Consider HF in Process Safety 9 2. 3. 1 Accidents that Address HF in Process Safety 11 2. 3. 2 Regulation and Legal Requirements 16 2. 3. 3 Business Value 19 2.4 Work of Operators in Complex Systems 19 2. 4. 1 Role of Operators in Complex Systems 20 2. 4. 2 Problems with Computerisation and Automation 24 2. 4. 3 Allocation of Functions and Levels of Automation 25 2.5 Performance Influencing Factors (PIFs) 27 2.6 Distributed Control System (DCS) and Alarm Systems 29 2. 6. 1 Alarm, Alarm System and Alarm Management 30 2. 6. 2 Most Common Alarm Problems 33 2. 6. 3 Improving Alarm Performance through Prioritization 34 2.7 Safety Analysis Methods 38 2.7.1 Qualitative Safety Analysis 39 2.7.2 Quantitative Safety Analysis 43 2.8 Mathematical Algorithms 44 2.8.1 Techniques for Multi-Criteria Decision Making (MCDM) 44 2.8.2 Classification Methods 47 CHAPTER 3 50 RECENT DEVELOPMENTS IN HF STUDIES 50 3. 1 Methods for HF analysis 50 A. Task Analysis 50 B. Techniques for Operators Actions Analysis 51 3. 2 Human Reliability Analyses (HRA) 52 3. 3 Consideration of Human Error in HAZOP 53 3. 4 HF in Process Plant Design 54 3. 5 HF in Alarm Management and DCS-Design 55 3. 6 The Need for Further Development of HF Methods 57 CHAPTER 4 58 MOTIVATION OF THE WORK 58 CHAPTER 5 61 PROCESS INDUSTRY TOOL FOR OPERATOR ACTIONS ANALYSIS (PITOPA) 61 5.1 The New Technique for Operator Actions Analysis (OAA) 64 5.2 Technique for Performance Influencing Factors (PIFs) Evaluation 65 5.3 Validation of PITOPA in the Process Industry 67 CHAPTER 6 71 EXTENDING HAZOP TO INTEGRATE HF INTO 71 GENERAL SAFETY ANALYSIS 71 6.1 Development of HAZOPA (The Hazard, Operability and Operator Actions Analysis) 72 6.2 Case Study 75 CHAPTER 7 85 APPROACH TO INCORPORATING HF CONSIDERATION 85 INTO PLANT DESIGN 85 7.1 Development of an Approach for HF Analysis in Design – The PITOPA-Design 85 7.1.1 HF Analysis in Conceptual Design Phase (HFAD–Conceptual) 88 7.1.2 HF Analysis in Basic Engineering (HFAD – Basic) 93 7.1.3 HF Analysis in Detail Engineering (HFAD-Detail) 107 7.2 Technique for HF-Design Parameters Evaluation 109 7.3 Intermediate Summary 114 CHAPTER 8 115 IMPLEMENTATION OF THE NEW PITOPA-DESIGN: 115 A CASE-STUDY 115 8.1 Conceptual Design 115 8.2 Basic Engineering 123 8.3 Detail Engineering 127 CHAPTER 9 132 APPROACH FOR IMPROVING OPERATOR PERFORMANCE 132 IN CONTROL ROOM 132 9.1 Performance Influencing Factors (PIFs) for Supervisory & Monitoring Tasks 134 9.2 Development of PITOPA-Control Room (PITOPA-CR) 140 9.2.1 Analysis of Normal Operation 142 9.2.2 Analysis of Abnormal Operation 150 9.3 Alarm Prioritization 156 9.3.1 A survey on Alarm Prioritization 156 9.3.2 Incorporation of CROAA into Alarm Prioritization 157 9.4 Intermediate Summary 165 CHAPTER 10 167 INCORPORATION OF OPERATOR ACTIONS ANALYSIS INTO ALARM MANAGEMENT 167 CHAPTER 11 171 RESULTS AND FUTURE WORKS 171 11. 1 Results 171 11. 2 Future Works 172 BIBLIOGRAPHY 174 APPENDIX A A-1 APPENDIX B B-1

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

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.