Die dynamische Schätzung der Fahrzeugposition durch Sensordatenfusion ist eine der grundlegenden Aufgaben für moderne Verkehrsanwendungen wie zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme oder Pre-Crash-Sicherheitssysteme. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur dezentralen kooperativen Fahrzeuglokalisierung vorgestellt, das auf einer allgemeinen Methode zur Fusion von Informationen mehrerer Teilnehmer beruht. Sowohl die lokale als auch die übertragene Schätzung wird durch Partikel dargestellt. Innerhalb einer Simulation wird gezeigt, dass sich die Positionsschätzung der einzelnen Teilnehmer im Netzwerk im Vergleich zu einer reinen GPS-basierten Lösung verbessert.

Oily wastewater produced from petroleum and petrochemical refining processes is one of the gravest environmental threats. Oil waste ending up in sewers and dumps each year is equal to 25 times the amount of crude oil spilled in the Exxon Valdez accident (1989). Oil/Water separation covers a broad spectrum of industrial process operations. There are many techniques employed depending on each situation. The byproduct of water recovery from oily wastewater is a sludge rich in oil, surfactants and particles (oily sludge). The oily sludge still contains significant amounts of waters, which need to be recovered prior to its disposal. The use of polyelectrolytes for the flocculation of the emulsified oil and its separation from the aqueous phase is usually one of the steps of the wastewater as well as oily sludge treatment process. The efficiency of polyelectrolytes as floculants is quite often evaluated via trial and error and the appropriate polymer is selected according to the case. Even in scientific investigations it is rather common to use industrial oily sludge samples. The industrial oily sludge is characterized and treated by polyelectrolytes. Nevertheless industrial oily sludge is quite complicated and variable to be approximated by a model. For the systematic study of polyelectrolytes efficiency a stable, realistic and well-defined oily sludge model is necessary. In the present work an oily sludge model was successfully developed and characterized. The model consists on water, oil (kerosene), surfactant (sodium dodecyl sulphate, SDS) and clay particles (Blauton). The emulsifying efficiency of the surfactant and the clay were studied independently. The interactions between the surfactant and the clay including adsorption of the former on the later and cation exchange reactions were investigated. The four components were finally combined to form a series of emulsions varying the relative amounts of the emulsifiers for the highest stability to be encountered. Having concluded on the composition of the oily sludge model the efficiency of various polyelectrolytes was evaluated. Commercial natural (chitosans), synthetic (PolyDADMACs) polyelectrolytes and oilbreaks as well as lab-scale semi-synthetic polymers (modified chitosans) were tested. The flocculation efficiency was determined based on the amount and quality of water that was recovered as well as on the floc stability, size and sedimentation speed. The recovered water was characterized according to the environmental protection agency (EPA). The analysis included measurements on: total organic carbon (TOC), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD5), total suspended solids (TSS) and pH. Selection of the appropriate flocculant also depends on the type of flocs formed in combination to the treatment following the flocculation. When filtration or centrifugation is used as a post-flocculation process the appropriate polymers are those that form large and porous flocs, as the case of the modified chitosans AG95 and AG97. Clarification devices on the other hand require dense flocs as these produced by the use of PolyDADMACs, commercial chitosans, oilbreaks and modified chitosans GA35, GA41 and AG79. Regarding the water quality, some of the polymers used that have low values of COD, TOC and BOD5, may not need the secondary treatment (biological) prior to discharge, such as P187K (PolyDADMAC) and GA41 (modified chitosan). The others require a biological treatment for the regulation limits to be reached. The pH values of modified chitosans (except of AG97), lab-scale PolyDADMACs and an oilbreak (OCAA) are all in range of the regulation limits. The applicability of biopolymers as flocculants for oil sludge dewatering is a relatively new field of investigation. As a consequence of the growing demand for environmentally friendly technologies as well as renewable resources the interest on natural flocculants has increased. The aminopolysaccharide chitosan and its modified derivatives have outstanding properties such as biocompability, biodegradability, hydrophilicity, adsorption, flocculating ability and antibacterial properties. These natural polymers derived from the sea-food industry waste products would be very useful as residue oil adsorbents in any oily wastewater and can be among the most promising candidates as a replacement of the synthetic flocculants. / Ölhaltiges Abwasser, das bei Erdöl- und petrolchemischen Raffinierungsprozessen entsteht, ist eine der größten Umweltgefahren. Dieses Altöl landet jedes Jahr in der Kanalisation und in Deponien. Es handelt sich dabei um die 25-fache Menge an Rohöl, die beim Unfall der Exxon Valdez (1989) ausgeflossen ist. Die Öl/Wasser-Trennung überspannt ein breites Spektrum industrieller Prozesse. Es gibt viele Techniken, die abhängig von jeder Situation eingesetzt werden. Das Nebenprodukt bei der Abtrennung von Wasser aus ölhaltigen Abwässern ist ein Schlamm (Ölschlamm), der reich an Öl, Tensiden und Partikeln ist. Der Ölschlamm enthält noch bedeutende Mengen an Wasser, die vor ihrer Entsorgung verwertet werden müssen. Die Verwendung von Polyelektrolyten zur Ausflockung des emulgierten Öls und seine Trennung von der wässrigen Phase ist in der Regel einer der Schritte zur Behandlung von Abwässern sowie ölhaltigen Schlämmen. Die Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel wird ganz häufig über Versuch und Fehler bewertet, und das passende Polymer wird entsprechend dem jeweiligen Fall ausgewählt. Sogar in wissenschaftlichen Untersuchungen ist es eher üblich, industrielle Ölschlamm-Proben zu verwenden. Der industrielle Ölschlamm wird charakterisiert und mit Polyelektrolyten behandelt. Dennoch ist der industrielle Ölschlamm ziemlich kompliziert und variabel und muss durch ein Modell angenähert werden. Für die systematische Untersuchung der Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel ist ein stabiles, realistisches und klar definiertes Ölschlamm-Modell notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ölschlamm-Modell erfolgreich entwickelt und charakterisiert. Das Modell besteht aus Wasser, Öl (Kerosin), Tensid (Natriumdodecylsulfat, SDS) und Tonteilchen (Blauton). Die Emulgiereffizienz des Tensids und des Tons wurden unabhängig voneinander untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und dem Ton, die sowohl die Adsorption des Ersteren auf dem Letzteren einschließen als auch einen Kationenaustausch, wurden untersucht. Die vier Komponenten des Ölschlamm-Modells wurden schließlich kombiniert und es wurde eine Reihe von Emulsionen hergestellt, bei denen die relativen Mengen der Emulsionsmittel verändert wurden, um eine möglichst hohe Stabilität zu erreichen. Nachdem ein geeignetes Ölschlamm-Modell zur Verfügung stand, wurde die Effizienz der verschiedenen Polyelektrolyte als Flockungsmittel bewertet. Kommerzielle natürliche (Chitosane), synthetische (PolyDADMACs) Polyelektrolyte und Oilbreaks sowie Labor-semi-synthetische Polymere (modifizierte Chitosane) wurden getestet. Die Flockungseffizienz wurde sowohl basierend auf der Menge und Qualität des Wassers, das zurückgewonnen wurde, als auch bezogen auf die Flockenstabilität, die Flockengröße und die Sedimentationsgeschwindigkeit bestimmt. Das zurückgewonnene Wasser wurde entsprechend der Vorschriften der Behörde für Umweltschutz (EPA) charakterisiert. Die Analysen enthielten die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), des chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB5), des Gesamtgehalts an suspendierten Partikeln (TSS) und die Bestimmung des pH. Die Auswahl geeigneter Flockungsmittel hängt auch von der Art der gebildeten Flocken, in Kombination mit der Behandlung, die den Flockungsprozess folgt, ab. Wenn als Postflockungsprozess Filtration oder Zentrifugation folgen, sollten Polymere verwendet werden, die große und poröse Flöckchen bilden, wie im Fall der modifizierten Chitosane AG95 und AG97. Andererseits verlangen Geräte zur Klärung von Abwässern dichte Flocken, wie solche, die beim Einsatz von PolyDADMACs, kommerziellen Chitosanen, Oilbreaks und den modifizierten Chitosanen GA35, GA41 und AG79 entstehen. In Bezug auf die Wasserqualität erhält man mit einigen der verwendeten Polymere so niedrige Werte von CSB, TOC und BSB5, dass wie im Falle von P187K (PolyDADMAC) und GA41 (modifiziertes Chitosan) keine biologische Sekundärbehandlung notwendig ist. Im Falle der anderen Polymere ist eine biologische Behandlung nötig, um die vorgeschriebenen Grenzen zu erreichen. Die pH-Werte der modifizierten Chitosane (außer der AG97), der im Labor hergestellten PolyDADMACs und des Oilbreak OCAA sind alle in Bereich der vorgeschriebenen Grenzen. Die Anwendbarkeit von Biopolymeren als Flockungsmittel für die Ölschlammentwässerung ist ein relativ neuer Forschungsbereich. Als Folge der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien sowie erneuerbarer Ressourcen hat das Interesse an natürlichen Flockungsmitteln zugenommen. Das Aminopolysaccharidchitosan und dessen modifizierte Produkte haben hervorragende Eigenschaften wie Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit, Hydrophilie, Adsorption, die Fähigkeit zur Flockung und antibakterielle Eigenschaften. Diese natürlichen Polymere, die aus Meeresfrüchte-Industrieabfallprodukten gewonnen werden, sollten als Restöl-Adsorbentien bei der Aufarbeitung jedes ölhaltigen Abwassers sehr nützlich sein und können zu den vielversprechendsten Kandidaten als Ersatz der synthetischen Flockungsmittel werden.

In the numerical simulation of fluid flow and solute transport in porous media, finite element method (FEM) has long been utilized and has been proven to be efficient. In this work, an alternative approach called random walk particle tracking (RWPT) method is proposed. In this method, a finite number of particles represent the distribution of a solute mass. Each particle carries a certain fraction of the total mass and moves in the porous media according to the velocity field. The proposed RWPT model is established on a scientific software platform OpenGeoSys (OGS), which is an open source initiative for numerical simulation of thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes in porous media. The flow equation is solved using finite element method in OGS. The obtained hydraulic heads are numerically differentiated to obtain the velocity field. The particle tracking method does not solve the transport equation directly but deals with it in a physically stochastic manner by using the velocity field. Parallel computing concept is included in the model implementation to promote computational efficiency. Several benchmarks are developed for the particle tracking method in OGS to simulate solute transport in porous media and pore space. The simulation results are compared to analytical solutions and other numerical methods to test the presented method. The particle tracking method can accommodate Darcy flow as it is the main consideration in groundwater flow. Furthermore, other flow processes such as Forchheimer flow or Richards flow can be combined with as well. Two applications indicate the capability of the method to handle theoretical real-world problems. This method can be applied as a tool to elicit and discern the detailed structure of evolving contaminant plumes. / Bei der numerischen Simulation von Strömung und Stofftransport in porösen Medien hat die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM) eine lange Tradition und wird sich als effizient erweisen. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz, die random walk particle tracking (RWPT) Methode vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren stellt eine endliche Anzahl von Partikeln die Verteilung eines gelösten Stoffes dar. Jedes Teilchen trägt einen bestimmten Bruchteil der Gesamtmasse und bewegt sich in den porösen Medien gemäß des Geschwindigkeitsfeldes. Das vorgeschlagene RWPT Modell basiert auf der wissenschaftlichen Softwareplattform OpenGeoSys (OGS), die eine Open-Source-Initiative für die numerische Simulation thermo-hydro-mechanisch-chemischen (THMC) in porösen Medien darstellt. Die Strömungsgleichung wird in OGS mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Der Grundwasserstand wird numerisch berechnet, um das Geschwindigkeitsfeld zu erhalten. Die Partikel-Tracking-Methode löst die Transportgleichung nicht direkt, sondern befasst sich mit ihr in einer physikalisch stochastische Weise unter Nutzung des Geschwindigkeitsfeldes. Zur Berücksichtigung der Recheneffizienz ist ein Parallel Computing-Konzept in der Modell-Implementierung enthalten. Zur Simulation des Stofftransports in porösen Medien und im Porenraum wurden mehrere Benchmarks für die Partikel-Tracking-Methode in OGS entwickelt. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Lösungen und andere numerische Methoden verglichen, um die Aussagefähigkeit des vorgestellten Verfahrens zu bestätigen. Mit der Partikel-Tracking-Methode kann die Darcy-Strömung gelöst werden, die das wichtigste Kriterium in der Grundwasserströmung ist. Außerdem bewältigt die Methode auch andere Strömungsprozesse, wie die Forchheimer-Strömung und die Richards-Strömung. Zwei Anwendungen zeigen die Leistungsfähigkeit der Methode bei der prinzipiellen Handhabung von Problemen der realen Welt. Die Methode kann als ein Instrument zur Aufdeckung Erkennung der detaillierte Struktur von sich entwickelnden Schadstofffahnenangewendet werden.

The iron ore mining industry makes use of various processes that result in the release of airborne dust into the surrounding atmosphere where workers are exposed, to produce a final product. The deposition in the lung and toxicological influences of airborne dust can be determined by their physical- and chemical characteristics. The Occupational Health and Safety Act (OHSA) regulations for hazardous chemical substances have no current system of how the physical- and chemical properties of particulates originating from specific areas will influence a worker‘s exposure and health, especially for ultrafine particles (UFP). It is therefore imperative to characterise airborne dust containing micrometer and UFP size particles originating from specific areas to determine if there are physical- and chemical characteristics that may or may not have an influence on the workers‘ health. Aim: This pilot study is aimed at the physical- and chemical characterisation of the airborne iron ore dust generated at the process areas of an opencast iron ore mine. Method: Sampled areas included the Primary-secondary crusher, Tertiary crusher, Quaternary crusher and Sifting house. Gravimetric sampling was conducted through the use of static inhalable- and respirable samplers in conjunction with optical- and condensation particle counters that were placed near airborne dust- emitting sources. Physical- and chemical characterisation was done with the use of scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Results: The results found in the study indicate high mass concentration levels of inhalable dust at all four process areas, as well as high levels of respirable dust found at the primary- secondary crusher area. Particle size distribution optical particle counter (OPC) results indicate that the majority of particles at all four process areas are in the region of 0.3 μm in size. Condensation particle counter (CPC) results integrated with OPC results indicate that at the primarysecondary and Tertiary crushers the majority of particles are found to be in the size fraction <0.3 μm. SEM analysis indicates that particle agglomeration largely occurs in the airborne iron ore dust. Particle splinters originating from larger particle collisions and breakages are present in the airborne dust. EDS analysis indicates that the elemental majority of the airborne iron ore dust consists of iron, oxygen, carbon, aluminium, silicon, potassium and calcium. The elemental percentages differ from each process area where an increase in iron and decrease in impurities can be seen as the ore moves through the beneficiation process from the Primary-secondary crusher to the Sifting house. Conclusion: The results obtained from the physical- and chemical properties of the airborne iron ore dust indicate high risk of over-exposure to the respiratory system, as well as possible ultrafine particle systemic exposure, that may overwhelm the physiological defense mechanisms of the human body and lead to reactive oxygen species (ROS) formation and the development of pathologies such as siderosis, silicasiderosis and lung cancer. / MSc (Occupational Hygiene), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

Aerosol particles interact with sunlight through scattering and absorption and have therefore a direct radiative effect. Hygroscopic aerosol particles take up water and are able to grow in size below 100% relative humidity, which involves the change of optical properties and the direct radiative effect. The change of aerosol optical properties for aerosol mixtures under humidification is presently not well understood, especially for the largest particle sources worldwide. The present PhD-thesis quantifies wavelength- and humidity-dependent aerosol optical properties for a mixture of Saharan mineral dust and marine aerosol. For quantification, an aerosol model was developed, which based on in-situ measurements of microphysical and optical properties at Cape Verde. With this model, aerosol optical properties were calculated from the dry state up to 90% relative humidity. To validate the model, a measure of the total extenuated light from particles under ambient conditions was used. Finally, the humidity dependence of aerosol optical properties for marine aerosol, Saharan dust aerosol, and a mixture of both species was described by two empirical equations. With the wavelength of the incident visible solar radiation, relative humidity, and dry dust volume fraction, the humidity dependence of optical properties can be calculated from tabulated values. To calculate radiative effects, aerosol optical properties were used as input parameters for global circulation models including radiative transfer. Due to the complexity of aerosol related processes, they have been treated implicitly, meaning in parameterized form. For modelling purposes, the present PhD-thesis provides a solution to include humidity effects of aerosol optical properties. / Aerosolpartikel wechselwirken durch Streu- und Absorptionsprozesse mit der einfallenden Sonnenstrahlung und haben somit einen direkten Strahlungseffekt. Bei relativen Feuchten bis 100% können Aerosolpartikel aufquellen und somit ihre Größe ändern. Im Zuge des Aufquellens, ändern sich die optischen Eigenschaften und somit auch der direkte Strahlungseffekt der Aerosolpartikel. Speziell für Mischungen von verschiedenen Aerosolspezies ist die Änderung der optischen Eigenschaften des Aerosols durch Feuchte Einfuss noch nicht ausreichend verstanden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist daher die Quantifizierung der wellenlängen- und feuchteabhängigen optischen Eigenschaften einer Mischung von Saharastaub- und marinen Aerosol. Die zur Quantifizierung notwendigen Daten wurden im Rahmen einer Feldmessung von mikrophysikalischen- und optischen Aerosol-Eigenschaften auf den Kapverdischen Inseln gesammelt. Auf Grundlage dieser Messungen wurde ein Aerosol-Modell entwickelt. Dieses Modell wurde daraufhin verwendet, um Berechnungen von optischen Aerosol-Eigenschaften bei relativen Feuchten bis 90% durchzuführen. Eine Messung der Lichtschwächung durch Aerosolpartikel unter Umgebungsbedingungen wurde verwandt, um das Modell bei Umgebungsfeuchten zu validieren. Die Wellenlängen- und Feuchteabhängigkeit der optischen Eigenschaften des Aerosols wurde parametrisiert und konnte anhand von zwei Parametergleichungen bestimmt werden. Unter Benutzung von tabellierten Werten und der Wellenlänge des einfallenden sichtbaren Sonnenlichtes, der relativen Feuchte, sowie der Staubvolumenfraktion, kann die Feuchteabhängigkeit von wichtigen Aerosol-optischen Eigenschaften für Saharastaub, marinen Aerosol und einer Mischung aus beiden Komponenten bestimmt werden. Globale Zirkulationsmodelle, die auch eine Berechnung von Strahlungseffekten durch Aerosolpartikel beinhalten, nutzen Aerosol-optische Eigenschaften als Eingabeparameter. Durch zunehmende Komplexitiät zur Beschreibung von Wechselwirkungen in der Atmosphäre, sind einfache Parametrisierungen unabdingbar. Die vorliegende Arbeit liefert daher einen wichtigen Beitrag für die Modellierung von Strahlungseffekten durch Aerosolpartikel und somit zum Verständnis des Strahlungshaushaltes der Erde.

Thesis (doctoral)--Universität des Saarlandes, Saarbrücken, 2009. / Includes bibliographical references.

Triebwerkskomponenten in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen unterliegen im Einsatz erosivem Verschleiß. Feine Stäube und Partikel wie Sand, Vulkanasche und Eiskristalle führen bei einer Wechselwirkung mit den Triebwerksschaufeln zum Materialabtrag. Auswirkungen reichen von einer erhöhten Oberflächenrauheit der Schaufel bis hin zu einer Veränderung der Bauteilgeometrie. Im Bereich des Verdichters treffen z. B. angesaugte Partikel senkrecht auf die Schaufelvorderkanten auf, wodurch sich die Profilsehnen verkürzen. Im Bereich der Schaufelhinterkanten erfolgt aufgrund des flachen Auftreffwinkels des Abrasivmittels ein flächiger Materialabtrag, der die Schaufeldicke reduziert. Durch eine Beschichtung von Bauteiloberflächen eröffnet sich eine Möglichkeit, Triebwerksschaufeln effektiv vor Partikelerosion zu schützen. Im Vordergrund der Entwicklung von Erosionsschutzschichten steht ihre verschleißreduzierende Wirkung, die durch das bestmögliche Verhältnis von Schichtzähigkeit und –härte zum Grundwerkstoff erreicht wird. Diese Arbeit liefert Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen Beschichtungen und Grundwerkstoff als Gesamtsystem und den daraus resultierenden Einfluss auf das Partikelerosionsverhalten des Bauteils. Ziel der Untersuchungen ist es, eine bestmögliche Auswahl qualifizierter Schichtsysteme für den Erosionsschutz zu gewährleisten. Dafür wurden verschiedene Kombinationen aus PVD-Beschichtungen (konventionelle Hartstoffschichten, Cr2AlC MAX-Phase, DLC ta-C) und Grundwerkstoffen (Inconel 718 lösungsgeglüht, Inconel 718 ausscheidungsgehärtet, WC-Co) hinsichtlich ihres Partikelerosionsverhaltens getestet und ihre Schichtverbundeigenschaften charakterisiert, um relevante Einflussgrößen auf die Partikelerosion zu eruieren. Die dabei ablaufenden verschiedenen Erosionsmechanismen wurden analysiert und in grundlegende Modelle überführt. Abgerundet wurden diese experimentellen Untersuchungen mit theoretischen Betrachtungen zum mechanischen Verhalten unterschiedlicher Kombinationen von Beschichtung und Grundwerkstoff bei Partikelimpakt. Die vorliegende Arbeit leistet einen essentiellen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Schicht-Grundwerkstoff-Verbundeigenschaften auf das Partikelerosionsverhalten. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Deformationsverhalten des Substrats einen erheblichen Einfluss auf das Erosionsverhalten des Schicht-Grundwerkstoff-Systems hat. Im Falle eines duktilen Substrats ist eine entsprechend gute Schichthaftung von wesentlicher Bedeutung. Die Erosionsversuche auf hartem WCCo Grundwerkstoff zeigen, dass bei Vorhandensein identischer mechanischer Eigenschaften von Substrat und Beschichtung die Schichthaftung nicht in dem Maße erforderlich ist, wie bei plastisch verformbaren Grundwerkstoffen. Erstmalig wird in dieser Arbeit das schadenstolerante Erosionsverhalten der superharten DLC ta-C-Beschichtung auf duktilem Inconel 718 aufgezeigt. Der hohe elastische Verformungsanteil der DLC-Beschichtung in Kombination mit einer guten Schichthaftung resultiert in einem hohen Erosionswiderstand des Schicht-Grundwerkstoff-Verbunds, wobei im Versuch keine plastische Verformung des Grundwerkstoffs nachgewiesen wird.

Ice formation largely influences the properties of clouds and hence it has an important impact on weather and climate. Primary ice formation is a consequence of either homogeneous or heterogeneous ice nucleation. The latter process is catalyzed by a foreign substance called Ice Nucleating Particle (INP). Mineral dust particles were found to contribute to atmospheric INPs. Most types of mineral dust are ice active below -20 °C. In contrast, atmospheric observations indicate that immersion freezing as one of the most important heterogeneous ice nucleation processes can occur at temperatures higher than -15 °C. One possible explanation for cloud glaciation at high temperatures might be the presence of biological material (e.g. bacteria) inducing ice nucleation. Our fundamental process and even qualitative understanding concerning atmospheric heterogeneous ice nucleation is limited. In the framework of the present thesis, experimental and theoretical work was carried out to improve the basic understanding of the immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs. On the basis of model simulations immersion freezing experiments were designed at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS). The immersion freezing behavior of mineral dust and bacterial INPs was studied in dependence of temperature and particle surface area/number at LACIS. As a results of the present thesis, it was found that the immersion freezing behavior of kaolinite being a proxy of mineral dust INPs does not depend on the droplet volume, but on the particle surface area. The kaolinite particles investigated caused freezing below -30 °C. In contrast, Ice Nucleation Active (INA) protein complexes that are attributed to bacterial INPs were found to induce freezing at -7 °C. Furthermore, it was shown that the ice nucleation activity of protein complexes is very similar regardless of whether the INA protein complex is attached to the outer cell membrane of intact bacteria or to cell membrane fragments. The immersion freezing ability depends on the number and type of INA protein complexes present in the droplet ensemble. The immersion freezing ability of mineral dust and bacterial INPs was parameterized accounting for the time effect. With this, results from literature could be reproduced for both INP types. These parameterizations can be used in e.g. cloud resolving atmospheric models.

Membrane-based filtration and separation processes are widely used in various fields, such as for clean drinking water, food, dairy industry, medical, biotechnology, and environmental applications. Providing clean and safe drinking water has been regarded as one of the global biggest challenges because of increasing world population, impacts of climate changes, increased wastewater production, and increased contamination of surface and groundwater. The most important technologies contributing substantially in this field are based on pressure-driven membrane technologies such as microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, and reverse osmosis. Recently, in situ synthesis of nanoparticles based on molecular level design and tailoring in the membrane matrix have been reported to prepare next generation nano-enhanced membranes. In this work similar technique was utilized to construct PSF-Silica nanocomposite membranes in which hydrolysis and condensation of silica precursor (TEOS, APTES, and TPAPS) and phase inversion of polymer film was achieved simultaneously in one step under acidic condition. This unique process has led to the formation of extremely small silica nanoparticles with high dispersion in every region of the membrane. Such type of distribution of silica nanoparticles is very difficult to achieve using conventional silica nanoparticle blending with polymer solution. The prepared membranes were extensively characterized for their morphology, surface properties, nanoparticle distribution, fouling and permeation properties. Finally, the membranes were tested with rejection experiments with protein and dye solutions to assess their usefulness for water filtration and separation applications. The silica nanoparticles were mostly generated during the phase inversion under acidic condition by hydrolysis and polycondensation reaction of silica precursors mixed with PSF solution. The properties and structure of membranes were characterized by different analytic and physicochemical techniques. The prepared membranes exhibit an asymmetric nature with a dense skin layer, followed by finger-like porous structure at the bottom. The microscopic and elemental analysis confirmed the presence and homogeneous distribution of nanoscopic small silica particles throughout the membrane matrix. Hydrophilic SiO2, SiO2-NH2, SO2-NH-SO3H nanoparticles were respectively formed in situ within PSF membrane matrix during the phase inversion under acidic condition by hydrolysis and polycondensation reaction of corresponding silica precursors mixed with PSF solution. Because the nanosize and good distribution of the pores, the presence and well distribution of silica nanoparticles, the presence and exposure of the hydrophilic charged functional groups form a hydrate layer on the membranes and provide hydration repulsion and electrostatic repulsion against solutes from feed under aqueous medium, the PSF-TEOS, PSF-APTES, PSF-TPAPS membranes respectively with SiO2, SiO2-NH2, and SO2-NH-SO3H nanoparticles exhibited high hydrophilicity, stability, water permeation, rejection, and antifouling performance as compared to the neat PSF membrane for water purification application. The overall membrane properties were highly dependent on the concentration of the silica nanoparticles and can be tuned by adjusting the concentration of initial silica precursors during membrane formation. The low protein fouling, high water permeation, protein rejection, and flux recovery results make those membranes attractive for separation and filtration applications. Thus, the prepared membranes can be used in different applications ranging from separation of biomolecules, desalination/purification of water, and for other charge and size-based separation processes.

Lab-on-a-chip systems for point-of-care testing demonstrate a promising development towards more accurate diagnostic tests that are of extreme importance for the future global health. This work presents an agglutination assay performed in micrometer sized well using Janus PS/Ag/AgCl micromotors to enhance the interactions between goat anti-human IgM functionalized particles and Human IgM. The fabricated microwell chips are a suitable platform to analyze the interaction between different particles and to perform the agglutination assays. The interaction between active Janus particles and passive and functionalized particles is studied, as well as the influence of ions on the motion of the Janus particles. Agglutination assays are performed with and without the presence of Janus particles, and in different PBS concentrations. Once illuminated with blue light, passive SiO2 particles were effectively excluded from Janus particles, while SiO2 NH2 particles revealed attraction. In contrast, functionalized SiO2 NH2 Ab particles suspended in PBS did not show any interaction. It was found that the optimal working conditions for antibodies and Janus particles differed and, as a result, the Janus particles did not reveal a desirable interaction between the functionalized particles and IgM. Further experiments should be performed to find the proper conditions in which the antibodies and the Janus particles maintain their activities. It is believed that an effective interaction between the functionalized and Janus particles could be achieved by modifying the parameters that affect their interaction such as the zeta potential and the medium in which the assay is being performed. This preliminary work provides the first steps towards the development of a fully integrated lab on a chip system for point of care testing.:Abstract ........................................................................................................................ iii Acknowledgments.......................................................................................................... v Table of Contents .......................................................................................................... vi List of Tables ............................................................................................................. viii List of Figures ............................................................................................................... ix Abbreviations ................................................................................................................. x 1. Introduction ............................................................................................................ 1 1.1 In vitro diagnostic tests ........................................................................................ 1 1.1.1 Point-of-care tests ......................................................................................... 2 1.2 Agglutination assay .............................................................................................. 2 1.3 Lab-on-a-chip ....................................................................................................... 5 1.4 Self-propelled particles ........................................................................................ 6 1.4.1 Light-driven Ag/AgCl micromotors ............................................................. 6 1.5 Aim ...................................................................................................................... 9 2. Materials and Methods ......................................................................................... 11 2.1 Microwell fabrication .................................................................................... 11 2.2 Microswimmers fabrication .......................................................................... 12 2.3 Functionalization of particles ........................................................................ 12 2.4.1 Scanning electron microscope ............................................................... 14 2.4.2 UV-vis spectroscopy .............................................................................. 14 2.4.3 Zeta potential ......................................................................................... 14 2.4.4 Optical microscopy ................................................................................ 15 2.5 Motion Experiments ...................................................................................... 15 2.6 Agglutination assay ....................................................................................... 16 2.7 Effect of PBS ................................................................................................. 16 2.7.1 Janus particles ........................................................................................ 16 2.7.2 Agglutination assay ................................................................................ 17 2.7.3 Exclusion of functionalized particles ..................................................... 17 3. Results and Discussion ........................................................................................ 18 3.1 Microwell chip with integrated Janus particles ................................................. 18 3.2 Characterization of particles .............................................................................. 19 3.2.1 UV-vis spectroscopy ................................................................................... 19 3.2.2 Zeta potential .............................................................................................. 21 3.2.3 Agglutination assay in PEG-covered glass slides ....................................... 22 3.3 Motion experiments ........................................................................................... 23 3.3.1 Exclusion time ............................................................................................ 23 3.3.2 On/off light cycles....................................................................................... 26 3.4 Agglutination assay ............................................................................................ 28 3.4.1 Assay performed in wells............................................................................ 28 3.4.2 Assay performed in wells with Janus particles ........................................... 29 3.5 Effect of PBS concentration............................................................................... 30 3.5.1 Janus particles ............................................................................................. 30 3.5.2 Agglutination assay ..................................................................................... 32 3.5.3 Exclusion of functionalized particles .......................................................... 33 4. Conclusions .......................................................................................................... 35 References .................................................................................................................... 37 Declaration of Research Integrity and Good Scientific Practice ................................. 42