This thesis consists of two parts discussing modelling of heterogeneous catalytic reactors. In the first one, an industrial prototype of a fluidized bed reactor serving as a hydrogen generator based on endothermic decomposition of formic acid is studied. After initial determination of the main reactor characteristics a system of nine con- stituents is derived and, consequently, reduced to a three phase flow. The solid and bubble particles immersed in a liquid are modelled by the Basset-Boussinesq- Ossen equation. Furthermore, an averaging technique is used to derive a three phase Euler-Euler model. Finally, numerical computations with a verification towards the measurements and a CFD analysis are proceeded. The second part discusses interfacial transport phenomena between a bulk and catalytic surfaces of a reactor mediated via the boundary conditions. The constitu- tive relations, that by construction comply with the second law of thermodynamics, follow from the specification of suitable thermodynamic potentials together with an identification of the bulk and surface entropy productions. The derived model is suitable for further analysis providing clear guidelines for the incorporation of the Langmuir-type adsorption model as well as other sorption models. Keywords: Heterogeneous catalysis, multi-phase...

Sewage exfiltration from a sanitary and combined sewer systems and its percolation into porous medium results in a clogged or colmation layer in the nearby soil. In order to develop a comprehensive understanding of raw sewage transport mechanisms in porous media, investigations were carried out on the micro-scale properties of the multiphase system. In our laboratory experiments, the role of surfactants as a major organic chemical compound in wastewater was evaluated by using a surfactant solution as an artificial wastewater percolating into a porous media, represented by using columns and Plexiglas model. We studied flows of water and surfactants solution in saturated porous medium to detect the dynamic effects by means of measuring pressure and permeability as well as by visualization of flow regions and consequence for porosity along interfaces between water and surfactants solution. The tests revealed that mechanisms at interfaces between fluids and solids as well as between water and surfactants solution (i.e. wastewater) are significantly influencing the flow behavior. At the interfaces surfactant molecules are adsorbed or accumulate, respectively, and subsequently inducing electrical charges to those layers, altering the properties of fluids and these interfaces. Depending on the conditions, channels might be narrowed and thus decreasing the flow rate with a later erosion and increase of flow rates, or the flow and thus the erosive capacity might become intensified along the interface between surfactants solution and neighbouring water. In conclusion, the results of tests proved the surfactants to be an important controlling factor in the hydraulic properties of wastewater percolating into soil.

Für die Untersuchung von Luft/Wasser-Strömungen wurde ein horizontaler Acrylglas-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebaut. Der Kanal ermöglicht Gleich- und Gegenstrom-Versuche bei Atmosphärendruck, insbesondere die Untersuchung der Schwallströmung. Es wurden optische Messungen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt, die durch synchronisierte dynamische Druckmessungen ergänzt wurden. Für die Analyse der Bilder wurde eine Methode zur Erfassung der Phasengrenze entwickelt und diese anhand möglicher Anwendungen getestet. Die Druckmessungen zeigten, dass der Druck bei Schwallströmungen um einige Kilopascal ansteigt und wieder abfällt, sobald der Schwall aus dem Kanal austritt. Zudem wurden Geschwindigkeiten in der flüssigen Phase mittels nicht invasiver Verfahren gemessen. Das durchschnittliche Geschwindigkeits-Profil am Kanaleintritt wurde mit Ultraschall-Köpfen bestimmt. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall erfolgte mit PIV (Particle Image Velocimetry).

Es werden die Gleichgewichtskonstanten der Zinkextraktion ermittelt. Das Wilson-Modell und das erweiterte Debye-Hückel-Gesetz werden zur Beschreibung der Aktivitäten verwendet. Die tensiometrischen Untersuchungen erfolgen am hängenden Tropfen. Die Modellauswahl zur Beschreibung der Gleichgewichtsgrenzflächenspannung erfolgt im submizellaren Konzentrationsbereich. Die pseudo-nichtionische Modellierung auf der Basis der Langmuir-Isothermen der Mehrkomponentenadsorption bei Verwendung der Stern-Isothermen für die Gegenionenanreicherung liefert die beste Datenanpassung. Durch ein einfaches Modell zur Mizell- und Aggregatbildung gelingt die Modellerweiterung. Die gemessenen dynamischen Grenzflächenspannungskurven werden sorptionskinetisch und durch diffusive Approximationen angepasst. Es zeigt sich, dass der Stofftransport diffusionsdirigiert ist. Am oszillierenden Tropfen werden die Ergebnisse bestätigt. Für das Kationenaustauscheranion wird die Gültigkeit des Maxwell-Modells zur Beschreibung der Grenzflächendilatationsrheologie nachgewiesen.

A functional nanometer-scale hybrid coating layer with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and/or nanoclays, as mechanical enhancement to ‘heal’ surface microcracks and environmental barrier layer is applied to alkaliresistant glass (ARG) fibres. The nanostructured and functionalised traditional glass fibres show both significantly improved mechanical properties and environmental corrosion resistance. Early warning material damage can be achieved by carbon nanotubes concentrated interphases in the composites. / Eine funktionale nanometerskalige Hybridbeschichtung mit multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) und/oder Nanoclay wurde als mechanische Verbesserung des „Ausheilens“ von Oberflächen-Mikrorissen und Barriereschicht gegenüber Umwelteinflüssen auf alkaliresistente Glasfasern (ARG) appliziert. Die nanostrukturierten und funktionalisierten traditionellen Glasfasern zeigen signifikant verbesserte mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Die Frühwarnung des Materialversagens kann durch Carbon Nanotubes, konzentriert in der Grenzschicht der Composites, erreicht werden.

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Esta tesis es un estudio profundo de las propiedades interfaciales Metal|líquido iónico (LI), y como estas influyen en las primeras etapas de formación de electrodepósito metálico. Dos líquidos iónicos, de dos familias diferentes, se han escogido para el análisis: un Room Temperature Ionic Liquid (RTIL): [Emmim][Tf2N]; y un Deep Eutectic Solvent (DES): 1ChCl:2urea. Para estudiar la influencia superficial en los distintos procesos, se empleó monocristales de platino (Pt(111)) y de oro Au(hkl), principalmente. El análisis inicial de las propiedades interfaciales M(hkl)|LI se realizó utilizando, entre otras técnicas, la técnica de salto de temperatura con láser pulsante, técnica que además permitió estimar el valor de potencial de carga (valor característico de la interfase metal|electrolito) en cada caso. Una vez caracterizados electroquímicamente estos sistemas, ambos LIs se utilizaron para estudiar el depósito metálico en distintas superficies tanto orientadas como poliorientadas. En concreto, se investigó el depósito de Ag y Cu en DES y sobre carbono vítreo, obteniendo que el DES influenciaba el mecanismo de nucleación y crecimiento y permitía modular el tamaño de grano. Se analizó la formación de ad-capas UPD de Cu en Au(hkl) y en DES, observándose dependencia del proceso con la orientación del sustrato y el tipo de electrolito. Finalmente, se evaluó la aplicabilidad de estos dos solventes para modificar un sustrato orientado de platino (Pt(111)) con Ni, y la sensibilidad superficial del proceso, para ello combinando técnicas clásicas como voltametría cíclica y cronoamperometría con técnicas ex-situ como SEM y AFM (para recubrimientos de baja cobertura). El presente trabajo doctoral muestra el potencial de estos solventes para modificar una superficie con distinto metales y de forma sencilla, a través de la técnica formación de depósito electroquímico, abriendo la posibilidad de utilizar estos novedosos solventes para el diseño de nuevos materiales.

<p>  </p> <p>Cavitation, liquid slosh, and splashes are ubiquitous in science and engineering. However, these phenomena are not fully understood. Yet to date, we do not understand when or why sometimes the splash seals, and other times does not. Regarding cavitation, a high temporal resolution method is needed to characterize this phenomenon. The low temporal resolution of experimental data suggests a model-based analysis of this problem. However, high-fidelity models are not always available, and even for these models, the sensitivity of the model outputs to the initial input parameters makes this method less reliable since some initial inputs are not experimentally measurable. As for sloshing, the air-liquid interface area and hydrodynamic stress for the liquid slosh inside a confined accelerating cylinder have not been experimentally measured due to the challenges for direct measurement.</p>

Le développement d’agents interfaciaux pour des matériaux composites renforcés de fibres est nécessaire afin d’obtenir des matériaux performants notamment pour l’industrie automobile. Le projet se concentre sur la synthèse d’oligomères à séquences contrôlées préparés par synthèse en phase solide par réaction d’amidification et de cycloaddition assistée par le cuivre entre un azoture et un alcyne pour introduire précisément des unités de phénylalanine et des groupes aliphatiques. Ces oligomères ont été testés comme agents interfaciaux pour des matériaux composites à base de polypropylène renforcés de fibres de Kevlar. Leur capacité à s’adsorber sur les fibres a été étudiée de façon qualitative par microscopie électronique à balayage et quantitative par analyse gravimétrique. Des expériences préliminaires sur des fibres de Kevlar traitées avec des oligomères synthétisés dans une matrice de polypropylène ont été réalisées pour estimer leur potentielle utilisation dans des matériaux composites. / The development of interfacial agents for fibre-reinforced composite materials is needed to obtain performant materials especially for the automotive industry. The project focused on the synthesis of sequence-controlled oligomers prepared by solid phase synthesis using amidation and copper-assisted alkyne-azide cycloaddition reactions to introduce precisely phenylalanine and aliphatic building blocks. These oligomers were evaluated as potential interfacial agents for Kevlar fibre-reinforced polypropylene composite materials. Their ability to adsorb on the fibres was investigated qualitatively by scanning electron microscopy and quantitatively by gravimetric analysis. Some preliminary experiments on the Kevlar fibres treated with some of the synthesised oligomers in a polypropylene matrix were conducted to estimate their potential use in composite materials.

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