Mit dem Aufkommen natürlicher Benutzerschnittstellen zum Erreichen einer möglichst intuitiven Interaktion mit Computern wird auch über die Bedeutung der Gestaltungsaspekte LOOK und FEEL der darzustellenden Benutzeroberflächen neu verhandelt. Dies bedeutet für den Entwurf und die Entwicklung neuer Anwendungen, die bisherigen Vorgehensmodelle, Werkzeuge und Interaktionen zu überdenken und hinsichtlich der neuen Herausforderungen zu überprüfen. Als Leitmotiv der vorliegenden Arbeit dient der Ansatz: Ähnliches wird durch Ähnliches entwickelt, der sich am Beispielfall der Multi-Touch-Technologie konkret mit dem Forschungsraum der natürlichen Benutzerschnittstellen auseinandersetzt. Anhand der drei aufeinander aufbauenden Aspekte Modell, Werkzeug und Interaktion wird die besondere Stellung des FEELs betont und diskutiert. Die Arbeit konzentriert sich dabei besonders auf die Phase des Prototypings, in der neue Ideen entworfen und später (weiter-) entwickelt werden. Die Arbeit nähert sich dabei dem Thema schrittweise an, vom Abstrakten hin zum Konkreten. Hierzu wird zunächst ein neu entwickeltes Vorgehensmodell vorgestellt, um auf die Besonderheiten des FEELs im Entwicklungsprozess natürlicher Benutzerschnittstellen eingehen zu können. Das Modell verbindet Ansätze agiler und klassischer Modelle, wobei die Iteration und die Entwicklung von Prototypen eine besondere Stellung einnehmen. Ausgehend vom neu vorgestellten Modell werden zwei Einsatzbereiche abgeleitet, die entsprechend des Leitmotivs der Arbeit mit zu konzipierenden Multi-Touch-Werkzeugen besetzt werden. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, den Entwickler in die Rolle des Nutzers zu versetzen, indem die beiden Aktivitäten Umsetzung und Evaluation am selben Gerät stattfinden und fließend ineinander übergehen. Während das für den Entwurf erstellte Konzept TIQUID die Nachbildung von Verhalten und Abhängigkeiten mittels gestengesteuerter Animation ermöglicht, stellt das Konzept LIQUID dem Entwickler eine visuelle Programmiersprache zur Umsetzung des FEELs zur Verfügung. Die Bewertungen der beiden Werkzeuge erfolgte durch drei unabhängige Anwendungstests, welche die Einordnung im Entwicklungsprozess, den Vergleich mit alternativen Werkzeugen sowie die bevorzugte Interaktionsart untersuchten. Die Resultate der Evaluationen zeigen, dass die vorab gesteckten Zielstellungen einer einfachen Verwendung, der schnellen und umgehenden Darstellung des FEELs sowie die gute Bedienbarkeit mittels der Multi-Touch-Eingabe erfüllt und übertroffen werden konnten. Den Abschluss der Arbeit bildet die konkrete Auseinandersetzung mit der Multi-Touch-Interaktion, die für Entwickler und Nutzer die Schnittstelle zum FEEL der Anwendung ist. Die bisher auf die mittels Berührung beschränkte Interaktion mit dem Multi-Touch-Gerät wird im letzten Abschnitt der Arbeit mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes um einen räumlichen Aspekt erweitert. Aus dieser Position heraus ergeben sich weitere Sichtweisen, die einen neuen Aspekt zum Verständnis von nutzerorientierten Aktivitäten beitragen. Diese, anhand einer technischen Umsetzung erprobte Vision neuer Interaktionskonzepte dient als Ansporn und Ausgangspunkt zur zukünftigen Erweiterung des zuvor entwickelten Vorgehensmodells und der konzipierten Werkzeuge. Der mit dieser Arbeit erreichte Stand bietet einen gesicherten Ausgangspunkt für die weitere Untersuchung des Fachgebietes natürlicher Benutzerschnittstellen. Neben zahlreichen Ansätzen, die zur vertiefenden Erforschung motivieren, bietet die Arbeit mit den sehr konkreten Umsetzungen TIQUID und LIQUID sowie der Erweiterung des Interaktionsraumes Schnittstellen an, um die erzielten Forschungsergebnisse in die Praxis zu übertragen. Eine fortführende Untersuchung des Forschungsraumes mit Hilfe alternativer Ansätze ist dabei ebenso denkbar wie der Einsatz einer zu Multi-Touch alternativen Eingabetechnologie.

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The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

Over millions of years evolution has optimized the properties of materials via natural selection for many specific purposes. Indeed, natural materials have unique properties which come very close to perfection. Cells, for instance, are able to carry out intricate sequences of chemical reactions that are difficult or impossible to carry out ex vivo, cell membranes are the most complex selective and responsive semipermeable membranes that exist, and animal shells exhibit a clever nanostructure that renders them hard and tough at the same time. In short, materials scientists can learn a lot from nature’s materials. The perfection and performance of nature’s materials not only spark fascination, but also trigger the question as to why certain structures or surfaces exhibit outstanding properties and inspire research towards new materials. While the materials of living nature impressively serve dedicated purposes, they are formed under restricted conditions. For instance, they have to be designed to function under a narrowly defined set of physiological conditions, and can only be composed of building blocks an organism has available. Without these restrictions, material scientists can design entirely new materials or surfaces.

The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

Dendritic cells (DCs) are professional antigen-presenting cells, which display an extraordinary capacity to induce T-cell responses. Recent findings revealed that DCs also play a crucial role in the activation of natural killer (NK) cells representing important effectors in the innate immune defense against viruses and tumors. Here, we summarize various studies investigating the bidirectional crosstalk between human DCs and NK cells. In this context, it has been reported that DCs efficiently enhance CD69 expression, proliferation, interferon (IFN)-γ secretion and cytotoxic activity of NK cells. Cell membrane-associated molecules as well as soluble factors such as interleukin-12, tumor necrosis factor-α and type I IFNs contributed to DC-mediated NK cell activation. Reciprocally, the ability of human NK cells to enhance the immunostimulatory capacity of DCs was shown. Thus, NK cells promoted the maturation of DCs and markedly augmented their capacity to produce proinflammatory cytokines and to stimulate T-cell responses. The NK cell-mediated effects on DCs were dependent on cell membrane-associated molecules such as NKp30 and soluble factors such as tumor necrosis factor-α and IFN-γ. In conclusion, the reciprocal activating interaction between human DCs and NK cells may play a pivotal role in the immune defense against viruses and tumors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Natural language is a remarkable example of a complex dynamical system which combines variation and universal structure emerging from the interaction of millions of individuals. Understanding statistical properties of texts is not only crucial in applications of information retrieval and natural language processing, e.g. search engines, but also allow deeper insights into the organization of knowledge in the form of written text. In this thesis, we investigate the statistical and dynamical processes underlying the co-existence of universality and variability in word statistics. We combine a careful statistical analysis of large empirical databases on language usage with analytical and numerical studies of stochastic models. We find that the fat-tailed distribution of word frequencies is best described by a generalized Zipf’s law characterized by two scaling regimes, in which the values of the parameters are extremely robust with respect to time as well as the type and the size of the database under consideration depending only on the particular language. We provide an interpretation of the two regimes in terms of a distinction of words into a finite core vocabulary and a (virtually) infinite noncore vocabulary. Proposing a simple generative process of language usage, we can establish the connection to the problem of the vocabulary growth, i.e. how the number of different words scale with the database size, from which we obtain a unified perspective on different universal scaling laws simultaneously appearing in the statistics of natural language. On the one hand, our stochastic model accurately predicts the expected number of different items as measured in empirical data spanning hundreds of years and 9 orders of magnitude in size showing that the supposed vocabulary growth over time is mainly driven by database size and not by a change in vocabulary richness. On the other hand, analysis of the variation around the expected size of the vocabulary shows anomalous fluctuation scaling, i.e. the vocabulary is a nonself-averaging quantity, and therefore, fluctuations are much larger than expected. We derive how this results from topical variations in a collection of texts coming from different authors, disciplines, or times manifest in the form of correlations of frequencies of different words due to their semantic relation. We explore the consequences of topical variation in applications to language change and topic models emphasizing the difficulties (and presenting possible solutions) due to the fact that the statistics of word frequencies are characterized by a fat-tailed distribution. First, we propose an information-theoretic measure based on the Shannon-Gibbs entropy and suitable generalizations quantifying the similarity between different texts which allows us to determine how fast the vocabulary of a language changes over time. Second, we combine topic models from machine learning with concepts from community detection in complex networks in order to infer large-scale (mesoscopic) structures in a collection of texts. Finally, we study language change of individual words on historical time scales, i.e. how a linguistic innovation spreads through a community of speakers, providing a framework to quantitatively combine microscopic models of language change with empirical data that is only available on a macroscopic level (i.e. averaged over the population of speakers).

0 VORWORT Bei der maschinellen Übersetzung natürlicher Sprache dominieren mehrere Probleme. Man hat es immer mit sehr großen Datenmengen zu tun. Auch wenn man nur einen kleinen Text übersetzen will, ist diese Aufgabe in umfänglichen Kontext eingebettet, d.h. alles Wissen über Quell- und Zielsprache muß - in möglichst formalisierter Form - zur Verfügung stehen. Handelt es sich um gesprochenes Wort treten Spracherkennungs- und Sprachausgabeaufgaben sowie harte Echtzeitforderungen hinzu. Die Komplexität des Problems ist - auch unter Benutzung moderner Softwareentwicklungskonzepte - für jeden, der eine Implementation versucht, eine nicht zu unterschätzende Herausforderung. Ansätze, die die Arbeitsprinzipien und Methoden der Informatik konsequent nutzen, stellen ihre Ergebnisse meist nur prototyisch für einen sehr kleinen Teil der Sprache -etwa eine Phrase, einen Satz bzw. mehrere Beispielsätze- heraus und folgern mehr oder weniger induktiv, daß die entwickelte Lösung auch auf die ganze Sprache erfolgreich angewendet werden kann, wenn man nur genügend „Lemminge“ hat, die nach allen Seiten ausschwärmend, die „noch notwendigen Routinearbeiten“ schnell und bienenfleißig ausführen könnten.:0 Vorwort S. 2 1 Allgemeiner Ablauf der Generierung S. 3 1.1 AUFGABE DER GENERIERUNG S. 3 1.2 EINORDNUNG DER GENERIERUNG IN DIE MASCHINELLE ÜBERSETZUNG S.4 1.3 REALISIERUNG S. 4 1.4 MORPHOLOGISCHE GENERIERUNG S.6 2 Strukturen und Abbildungen S. 8 2.1 UNIVERSELLE STRUKTUR: DEFINITION VON GRAPHEN S.8 2.2 FORMALISIERUNG SPEZIELLER SEMANTISCHER STRUKTUREN ALS GRAPHEN S.9 2.3 ABBILDUNG VON STRUKTUREN S.11 2.3.1 Strukturtyperhaltende Funktionen S. 12 2.3.2 Strukturtypverändernde Funktionen S. 19 2.3.3 Komplexe Funktionen S. 20 2.3.4 Abbildung eines gesamten Generierungsprozesses S. 21 4 Beispiel: Generierung von Texten aus prädikatenlogischen Ausdrücken (inkrementeller Algorithmus) S. 23 4.1 ABLAUF S.23 4.2 BEISPIELE VON REGELSTRUKTUREN S.27 5 Zusammenfassung S. 28 6 Quellenverzeichnis S. 30

The distinction between institution types and institution tokens plays an important role in Francesco Guala’s philosophy of institutions. In this commentary, I argue that this distinction faces a number of difficulties that are not sufficiently addressed in Understanding Institutions. In particular, I critically discuss Guala’s comparison between the taxonomy of organisms and the taxonomy of institutions, consider the semantics of institution terms on different levels in this taxonomy, and argue for an alternative solution to the problem of how to reconcile reformism and realism about institutions like marriage.

Der intersektorale Wasserkonflikt zwischen urbaner und agrarischer Wassernutzung in Hyderabad und die Konkurrenz zwischen den Bedürfnissen der Stadt und den Ansprüchen der Landwirtschaft werden verschärft durch willkürliche Verteilungspraktiken, die den offiziellen Zuteilungsrichtlinien oft widersprechen. Übersetzt in die Sprache von Ostrom, gilt die vorliegende Untersuchung der Kernfrage, warum bestimmte praktizierte Regeln (rules-in-use) fortbestehen, obwohl formale Regeln (rules-in-form) im Bereich der Nutzungsrechte an Wasser vorhanden sind. Die Arbeit versucht dementsprechend zu erklären, wie bestehende Institutionen und Governancestrukturen die Interaktionen beteiligter Akteure und deren Verhalten beeinflussen und wie daraus eine durch Willkür gekennzeichnete Umverteilung erwächst. Knights Verteilungstheorie institutionellen Wandels und sein Ansatz über Machtressourcen vermögen zu erklären, wie menschliche Interaktionen in Zusammenhang mit solchen Konflikten über begrenzte Ressourcen zustande kommen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen ebenfalls, welche Wirkungen die Charakteristika verschiedener Gruppen von Wassernutzern und deren spezifische Abhängigkeit von Wasserressourcen auf ihre Fähigkeit zur politischen Einflussnahme ausüben. Solche Ausprägungen von Ressourcenabhängigkeiten bedingen Machtasymmetrien und erhöhen das Ausmaß willkürlicher Umverteilungen von Wasser. Die Untersuchung identifiziert eine Literaturlücke im Bereich der Politik der Wassergovernance, indem sie den Wählereinfluss als Machtressource im Land-Stadt-Konflikt um Wasserressourcen empirisch belegt. Die Arbeit zielt insgesamt darauf, das Erklärungspotential von Eigentumsrechtstheorien zu nutzen und anhand von Wasserkonflikten in Hyderabad ein Beispiel zur Anwendbarkeit aktueller Theorien institutionellen Wandels zu geben. / Hyderabad’s inter-sectoral water conflict and competition between the city’s urban needs and the agricultural sector have been fueled by persistent arbitrary water reallocations against the prescribed allocation guidelines. To translate the key question into Ostrom’s language; this study seeks to unravel the persistence of rules-in-use, despite the rules-in-form already in place within the realms of property rights. Ostrom’s Institutional Analysis and Development framework identifies exogenous variables and its influences on the role of institutions which shapes human interaction and decision making processes. It attempts to explain how the existing water-allocation mechanism has propagated the way rules and actors currently interact to influence such arbitrary water re-allocation. Knight’s distributional theory of institutional change and his concept of power resources provide good explanations of human interaction in the context of such conflicts over limited resources. The study results also reveal how the characteristics of water-user groups and its dependence on water resource have the ability to exert political influence over water allocation. Such attributes of resource dependence characterizes power asymmetry, thereby increasing the scale of arbitrary water reallocations. Henceforth, this study addresses the gap in ‘politics of water governance’ in existing literature by empirically deriving ‘political electorate’ as a power resource in rural-urban water contestation. Overall, this study seeks to employ the theoretical explanations of property rights and attempts to provide a case on the applicability of contemporary theories of institutional change by taking the case study of Hyderabad’s water contestation.