To meet the continuously rising demand for natural resources and high-value compounds, the development of new and more efficient separation technologies is important from both an economic and environmental point of view. Moreover, the detailed knowledge of adsorption phenomena can be beneficial for the development of task-specific adsorbents for gas separation processes. However, new or supplementary measurement techniques are needed to broaden the understanding of the underlying molecular mechanisms and to characterize promising materials with a fast and reliable method. Raman spectroscopy holds the potential to advance the state-of-the-art in thermophysical property research for CCS technologies in multiple ways. It can not only be utilized for fundamental research on adsorption on quasi non-porous materials due to the possibility to monitor the composition of fluid mixtures but also for the characterization of newly developed porous adsorbents. In this context, Raman spectroscopy was explored in this work to characterize the sorption capacity of translucent porous materials and to investigate the underlying mechanisms that govern sorption processes.:1 Introduction 2 Motivation 3 Experimental Background 4 Adsorption on Quasi Non-Porous Materials 5 Adsorption on Translucent Porous Materials 6 Gas Solubility in Liquids 7 Conclusion and Outlook 8 References Appendix: A Determined Peak Intensities for Adsorption Measurements B Determined Peak Intensities for Solubility Measurements C Results for Absorption Measurements D Results for Solubility Measurements E Propagation of Error / Um den ständig steigenden Bedarf an natürlichen Ressourcen und hochwertigen Verbindungen zu decken, ist die Entwicklung neuer und effizienterer Trenntechnologien sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht wichtig. Darüber hinaus kann die detaillierte Kenntnis von Adsorptionsphänomenen für die Entwicklung aufgabenspezifischer Adsorbentien für Gastrennverfahren von Nutzen sein. Es werden jedoch neue oder ergänzende Messverfahren benötigt, um das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu erweitern und vielversprechende Materialien mit einer schnellen und zuverlässigen Methode zu charakterisieren. Die Raman Spektroskopie hat das Potenzial, den aktuellen Stand der Technik bei der Erforschung thermophysikalischer Eigenschaften für CCS-Technologien in mehrfacher Hinsicht zu verbessern. Sie kann nicht nur für die Grundlagenforschung zur Adsorption an quasi nicht-porösen Materialien genutzt werden, da mit ihr Zusammensetzung von Fluidgemischen bestimmt werden kann, sondern auch für die Charakterisierung neu entwickelter poröser Adsorptionsmittel. In diesem Kontext wurde die Raman-Spektroskopie in dieser Arbeit eingesetzt, um die Sorptionskapazität von transluzenten porösen Materialien zu charakterisieren und die zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen, welche die Sorptionsprozesse steuern.:1 Introduction 2 Motivation 3 Experimental Background 4 Adsorption on Quasi Non-Porous Materials 5 Adsorption on Translucent Porous Materials 6 Gas Solubility in Liquids 7 Conclusion and Outlook 8 References Appendix: A Determined Peak Intensities for Adsorption Measurements B Determined Peak Intensities for Solubility Measurements C Results for Absorption Measurements D Results for Solubility Measurements E Propagation of Error

Der Magnesiabaustoff, dessen Bindemittelphasen basische Magnesiumsalz-Hydrate sind, wird aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber salinaren Lösungszusammensetzungen zur Errichtung geotechnischer Barrieren im Salzgestein eingesetzt. Der Nachweis der Langzeitstabilität kann über das thermodynamische Gleichgewicht zwischen potentieller Zutrittslösung und vorliegender Bindemittelphase(n) im Baustoff erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum einen Löslichkeitsdaten im quaternären System Mg2+ / Cl-, OH-, SO42- // H2O bei 25 °C und 40 °C experimentell ermittelt. Zum anderen wurde der Bindemittelphasenbestand nach Abschluss der Abbindereaktion bestimmt. Dazu wurde der Phasenbestand rezeptur- und temperaturabhängig (unterschiedliche Tmax) mittels Röntgenpulverdiffraktometrie über den gesamten Abbindeprozess hinweg analysiert, über die RIETVELD-Methode quantifiziert sowie die Gefüge- und Volumenentwicklung verfolgt. Sowohl die nunmehr verfügbaren Löslichkeitsdaten im quaternären System Mg2+ / Cl-, OH-, SO42- // H2O als auch der erhaltene Kenntnisstand zum rezepturtypbedingten Abbindeverhalten und resultierende(n) Bindemittelphase(n) erlauben eine sichere Bewertung der Langzeitbeständigkeit des Magnesiabaustoffes unter salinaren Bedingungen.

Basische Magnesiumsalz-Hydrate, insbesondere die Chloride, stellen die Bindemittelphasen des Magnesiabaustoffs (auch Sorelbaustoff genannt) dar. Eine besondere Anwendung findet dieser Baustoff aufgrund seiner empirisch bekannten Beständigkeit gegenüber Salz bzw. salzhaltigen Lösungen zur Errichtung geotechnischer Barrieren in tiefen geologischen Formationen des Salinars. Die Bewertung der Langzeitbeständigkeit von Sorel-basierten Baustoffen in salinarer Umgebung erfordert Kenntnisse zu den Löslichkeitsgleichgewichten ausgehend vom ternären Grundsystem Mg(OH)2-MgCl2-H2O bis hin zu komplexeren Systemen bei NaCl-Sättigung und Anwesenheit von Sulfaten. Zielstellung dieser Arbeit war daher die experimentelle Bestimmung von Löslichkeitsdaten basischer Magnesiumchlorid- und Magnesiumsulfat-Hydrate im Temperaturbereich von 25 °C bis 120 °C. Der Einfluss von NaCl-Sättigung auf die Löslichkeit der basischen Magnesiumchlorid-Hydrate wurde im quaternären System Na+, Mg2+ / Cl-, OH- // H2O bei 25 °C untersucht. Anhand dieser Ergebnisse wurden PITZER-Parameter angepasst und erstellt, um thermodynamische Modellierungen auf Basis des Aktivitätskoeffizientenmodells nach PITZER für diese Systeme durchführen zu können.

Eine grundlegende Herausforderung bei der Gewinnung von Lithiumsalzen aus den Brines der südamerikanischen Salzseen stellt die Trennung von Lithium- und Magnesiumsalzen dar. Bei der klassischen salaren Eindunstung fallen schwer zu trennende Salzgemische und Doppelsalze an. Eine effektive Möglichkeit zur Abtrennung von Magnesiumsalzen kann die fraktionierte Kristallisation von Salar-Brines bei tiefen Temperaturen sein. Die vorliegende Arbeit untersucht die Lösegleichgewichte und Prozesse im System 2Li+ , Mg2+ || 2Cl - , SO42- – H2O bei Temperaturen zwischen 25°C und -30°C experimentell und stellt thermodynamische Modelle (Ionenwechselwirkungsmodell nach Pitzer und modifiziertes BET-Modell) zu deren Beschreibung zur Verfügung. Diese Modelle bieten eine Grundlage für die Simulation und Umsetzung von Tieftemperatur-Prozessschritten zur Gewinnung reiner Lithiumsalze. Ein möglicher Prozess zur Abreicherung von Magnesium aus hochkonzentrierten Lithiumchlorid-Lösungen durch Tiefkühlung wurde experimentell im Pilotmaßstab und modell-rechnerisch nachvollzogen.

The general temperature range for THEREDA is currently limited to 0 to about 110°C. For the important electrolyte NaCl there are thermodynamic data available to 200°C and above. To cover this larger temperature range for the Pitzer coefficients, a refit of the temperature functions of Greenberg, J. P. and Møller, N. (Geochim. Cosmochim. Acta 53 (1989) 2503-2518) is presented. A corresponding function for the solubility constant of NaCl is deduced from IUPAC recommended data. The data set for NaCl, thus extended in its range of validity up to 200°C, is implemented in THEREDA.

Das THEREDA-Journal ist die Zeitschrift zur „Thermodynamischen Referenz-Datenbasis“ (THEREDA). Die Datenbasis erlaubt in Verbindung mit geeigneten Programmen die Berechnung von Löslichkeiten und Mineralumwandlungen in wässrigen Elektrolytlösungen bis zu hohen Konzentrationen. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen geochemische Randbedingungen, wie sie für die Bewertung von Nah- und Fernfeldprozessen in verschiedenen Gesteinsformationen, welche als potenzielle Endlager für radioaktive Abfälle in der Diskussion stehen, relevant sind. THEREDA stellt derzeit für das Wirtsgestein Salz die weltweit einzige polytherme Datenbasis dar. Sie wird mit dem Stand von Wissenschaft und Technik kontinuierlich von etablierten Forschungsinstitutionen, welche auf dem Gebiet der Endlagerung von radioaktiven Abfällen bzw. den potenziellen Wirtsgesteinen arbeiten, weiterentwickelt. Das THEREDA-Journal beinhaltet Beiträge zu Datensituation und Datenbestand, Neuanpassungen, Weiterentwicklungen sowie auch Bewertungen zur Anwendbarkeit. Alle Beiträge durchlaufen einen Review-Prozess innerhalb des THEREDA-Verbundes. Auch Gastbeiträge externer THEREDA-Nutzer sind willkommen. Die Datenbasis ist frei zugänglich unter www.thereda.de.

In the ternary system CsCl – NaCl – H2O, at a temperature of 298.15 K, a double salt with the stoichiometric formula CsCl∙2NaCl∙2H2O(cr) is known to be formed. This double salt and the anhydrous CsCl(cr) are the end-members of a solid solution. For the pure double salt, the solubility constant was determined. The obtained value was applied to calculate the solubility diagram also of the quaternary system CsCl – NaCl – KCl – H2O and the quaternary-reciprocal system Cs+, Na+ || Cl−, SO42− – H2O. The solubility constant together with a solid solution between CsCl·2NaCl·2H2O(cr) and CsCl(cr) were implemented in THEREDA, which extends the applicability of the existing cesium dataset.

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Gegenstand dieser Arbeit war das Stabilitätsverhalten von binären kolloidalen Suspensionen mit hohen Feststoffkonzentrationen (z. B. keramische Suspensionen). Dabei wurde die Stabilität mit Hilfe des Sedimentationsverhaltens bewertet und mit dem Grenzflächenzustand korreliert, der als effektives Zetapotenzial erfasst wurde. Die Untersuchungen erfolgten an drei Oxiden mit unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften, wobei die Suspensionszusammensetzung und der pH-Wert über weite Bereiche variiert wurden. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit besteht im Nachweis, dass die Löslichkeit der einzelnen partikulären Komponenten in den binären Suspensionen zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Grenzflächeneigenschaften führt und dadurch das Stabilitätsverhalten des gesamten Systems maßgeblich bestimmt. Von Relevanz ist zudem das Mischungsverhältnis, von dem zum einen das Löse- und Adsorptionsverhalten und zum anderen die Morphologie von Heteroaggregaten abhängt und das auf diese Weise auch für das makroskopische Verhalten entscheidend ist. Die Arbeit zeigt deutlich, dass das Reich der Kolloide neben universellen Mechanismen von stoffspezifischen Phänomenen beherrscht wird. Daraus folgt, dass eine allumfassende Behandlung der Stabilität nicht möglich ist. Vielmehr kann nur an Beispielen demonstriert werden, welche Art von Phänomenen auftreten und wie sie genutzt oder vermieden werden können.:Vorwort i Inhaltsverzeichnis iii Nomenklatur vii 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Zielstellung 3 1.3 Vorgehen 3 2 Grundlagen kolloidaler Suspensionen 4 2.1 Charakteristik kolloidaler Systeme 4 2.2 Grenzflächen in Suspensionen 5 2.2.1 Elektrochemische Doppelschicht 5 2.2.2 Wechselwirkung zwischen Ionen und Grenzflächen 9 2.2.3 Veränderung der Grenzflächen durch das Lösen der Partikel 12 2.3 Wechselwirkungen zwischen kolloidalen Partikeln 14 2.3.1 Doppelschichtwechselwirkung 14 2.3.2 Van-der-Waals-Wechselwirkung 16 2.3.3 Bornsche Abstoßung 17 2.3.4 DLVO-Theorie 18 2.3.5 Nicht-DLVO-Effekte 19 2.4 Stabilität binärer Suspensionen 20 2.4.1 Partikelkoagulation in binären Systemen 21 2.4.2 Wechselwirkungen zwischen beschichteten Partikeln 28 2.5 Sedimentation konzentrierter Suspensionen 30 2.5.1 Sedimentationstypen 30 2.5.2 Sedimentation und Stabilität 33 2.6 Stand des Wissens 34 3 Eigenschaften der ausgewählten Oxide 35 3.1 Amorphes SiO2 35 3.1.1 Oberfläche von amorphen SiO2 36 3.1.2 Verhalten vom SiO2 in Wasser 36 3.1.3 Lösen von SiO2 37 3.2 -Al2O3 39 3.3 TiO2 42 4 Experimentelle Untersuchungen 43 4.1 Versuchsübersicht 43 4.2 Verwendete Partikelsysteme 44 4.2.1 Allgemeine Eigenschaften der verwendeten Partikelsysteme 44 4.2.2 Strukturelle Partikeleigenschaften 45 4.3 Verwendete Geräte 47 4.3.1 Elektroakustisches Spektrometer DT 1200 47 4.3.2 Analytische Photozentrifuge – LUMiFuge 116 49 4.4 Zubereitung und Handhabung der Suspensionen 51 4.4.1 Ansatz und Vorbehandlung der Suspensionsproben 52 4.4.2 Durchführung der Messungen 52 4.5 Bestimmung des effektiven Zetapotenzials 53 4.5.1 Auswertung für fraktale Partikel 53 4.5.2 Auswertung für binäre Systeme 55 4.6 Bestimmung der Probenstabilität 55 4.6.1 Durchführung der Sedimentationsanalysen 56 4.6.2 Deutung der Transmissionsprofile 56 4.6.3 Phänomenologische Bewertung der Transmissionsprofile 57 4.6.4 Quantitative Analyse der Transmissionsprofile 62 4.7 Bestimmung des gelösten SiO2 68 4.8 Bewertung der experimentellen Methodik 70 5 Ergebnisse 72 5.1 Wässrige Suspensionen einer partikulären Komponente 72 5.1.1 Einfluss von Art und Konzentration des Hintergrundelektrolyten auf den Zetapotenzial-pH-Verlauf am Beispiel von SiO2 72 5.1.2 Vergleich der Oxide bei standardmäßiger Probenvorbereitung 76 5.1.3 Bewertung der Ergebnisse für die Einstoffsuspensionen 87 5.2 Wässrige Suspensionen zweier unterschiedlicher partikulärer Komponenten 88 5.3 Binäre Suspensionen aus TiO2 und Al2O3 89 5.3.1 Zetapotenzialverläufe der TiO2/Al2O3-Suspensionen 89 5.3.2 Sedimentationsverhalten der TiO2/Al2O3-Suspensionen 91 5.3.3 Stabilität der Suspensionen aus TiO2 und Al2O3 98 5.4 Binäre Suspensionen aus TiO2 und SiO2 99 5.4.1 Zetapotenzialverläufe der TiO2/SiO2-Suspensionen 99 5.4.2 Sedimentationsverhalten der TiO2/SiO2-Suspensionen 100 5.4.3 Lösen und Ausfällung des SiO2 109 5.4.4 Einfluss des gelösten SiO2 auf die Grenzflächen der TiO2/SiO2-Suspensionen 118 5.4.5 Einfluss des gelösten SiO2 auf die Stabilität der TiO2/SiO2-Suspensionen 122 5.4.6 Stabilität der Suspensionen aus TiO2 und SiO2 128 5.5 Binäre Suspensionen aus Al2O3 und SiO2 129 5.5.1 Zetapotenzialverläufe der Al2O3/SiO2-Suspensionen 129 5.5.2 Sedimentationsverhalten der Al2O3/SiO2-Suspensionen 130 5.5.3 Einfluss der Löslichkeit von Al2O3 und SiO2 auf die Eigenschaften der binären Suspensionen 139 5.5.4 Stabilität der Suspensionen aus Al2O3 und SiO2 149 6 Zusammenfassung und Diskussion 150 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 152 6.2 Diskussion und Ausblick 154 6.3 Fazit 157 7 Literaturverzeichnis 159 8 Abbildungsverzeichnis 180 9 Tabellenverzeichnis 188 Anhang A Hamaker-Funktion 191 Anhang B Berechnung der Stabilitätsverhältnisse 195 Anhang C Experimentelle Versuche 198 Anhang D Reproduzierbarkeit der Stabilitätsversuche 200 Anhang E Laborgeräte, Analysentechnik und Chemikalien 204 Anhang F Bestimmung von gelöstem SiO2 206