Gas injection into saturated porous media has a high practical relevance. It is applied in groundwater remediation (air sparging), in CO2 sequestration into saline aquifers, and in enhanced oil recovery of petroleum reservoirs. This wide range of application necessitates a comprehensive understanding of gas flow patterns that may develop within the porous media and required modeling of multi-phase flow. There is an ongoing controversy in literature, if continuum models are able to describe the complex flow pattern observed in heterogeneous porous media, especially the channelized stochastic flow pattern. Based on Selker’s stochastic hypothesis, a gas channel is caused by a Brownian-motion process during gas injection. Therefore, the pore-scale heterogeneity will determine the shape of the single stochastic gas channels. On the other hand there are many studies on air sparging, which are based on continuum modeling. Up to date it is not clear under which conditions a continuum model can describe the essential features of the complex gas flow pattern. The aim of this study is to investigate the gas flow pattern on bench-scale and field scale using the continuum model TOUGH2. Based on a comprehensive data set of bench-scale experiments and field-scale experiments, we conduct for the first time a systematic study and evaluate the prediction ability of the continuum model. A second focus of this study is the development of a “real world”-continuum model, since on all scales – pore-scale, bench scale, field scale – heterogeneity is a key driver for the stochastic gas flow pattern. Therefore, we use different geostatistical programs to include stochastic conditioned and unconditioned parameter fields. Our main conclusion from bench-scale experiments is that a continuum model, which is calibrated by different independent measurements, has excellent prediction ability for the average flow behavior (e.g. the gas volume-injection rate relation). Moreover, we investigate the impact of both weak and strong heterogeneous parameter fields (permeability and capillary pressure) on gas flow pattern. The results show that a continuum model with weak stochastic heterogeneity cannot represent the essential features of the experimental gas flow pattern (e.g., the single stochastic gas channels). Contrary, applying a strong heterogeneity the continuum model can represent the channelized flow. This observation supports Stauffer’s statement that a so-called subscale continuum model with strong heterogeneity is able to describe the channelized flow behavior. On the other hand, we compare the theoretical integral gas volumes with our experiments and found that strong heterogeneity always yields too large gas volumes. At field-scale the 3D continuum model is used to design and optimize the direct gas injection technology. The field-scale study is based on the working hypotheses that the key parameters are the same as at bench-scale. Therefore, we assume that grain size and injection rate will determine whether coherent channelized flow or incoherent bubbly flow will develop at field-scale. The results of four different injection regimes were compared with the data of the corresponding field experiments. The main conclusion is that because of the buoyancy driven gas flow the vertical permeability has a crucial impact. Hence, the vertical and horizontal permeability should be implemented independently in numerical modeling by conditioned parameter fields.

Increasing of the oil recovery is an essential task of the reservoir engineers. Many highly fractured carbonate reservoirs with low matrix porosity and low matrix permeability in the world have been depleted with low ultimate recovery due to the improper management. To obtain higher oil recovery and an optimum oil production, a three dimensional geological model for the reservoir is needed. The reservoir model should be calibrated via the history matching process which makes the model reliable for forecasting and development planning. An investigation has been carried out to find the most sensitive parameter which affects the matching between the real production data and the simulated production data. After the calibration of the model, some prediction scenarios have been run to realize the future performance of the reservoir. Three wells have been suggested and included in the simulation as producers in some prediction cases and as gas injectors in another other case. The results show that the three producers with low production rate will assist in increasing the recovery and by converting those to gas injectors will assist more especially when the oil production rate is higher. An oil field in Kurdistan region has been selected for this research.

Die Durchströmungswäsche von Filterkuchen aus innenporösen Partikeln wird anhand von makro- und mesoporösen Kieselgelen untersucht. Die Filterkuchenbildung der KCl-haltigen Suspensionen erfolgt in einer Drucknutsche nach VDI-2762-2. Die Filterkuchen werden über einen perforierten Stempel mit entionisiertem Wasser durchströmt und der Wascherfolg über die Bilanzierung der K+-Ionen ermittelt. Die Porosität der Kieselgel-Filterkuchen beträgt 80 %, wobei sich 50 % der gesamten Mutterlauge in den Innenporen befindet. Dennoch zeigen sich mit 1 % Restbeladung ähnliche Waschergebnisse wie für unporöse Feststoffe (Quarz und Glas). Die Innenporen werden gereinigt, der in der Literatur postulierte ausgeprägte Diffusionsbereich in der Waschkurve wird nicht sichtbar. Berechnungen nach CARMAN-KOZENY, FICK und mittels dimensionsloser Kennzahlen verdeutlichen, dass Perfusion und Diffusion die Wäsche poröser Systeme beeinflussen. Die vorgestellten Modelle eignen sich auch für die Anwendung in der Praxis. / The displacement washing of filter cakes consisting of porous particles is investigated using macro- and mesoporous silica gels. The filter cakes of KCl-containing suspensions are formed in a pressure filter device according to VDI-2762-2. The filter cakes are flown through with deionized water via a perforated piston and the washing success is determined by balancing the K+ ions. The porosity of the silica gel filter cakes is 80 % and 50 % of the mother liquor is trapped in the inner pores. Nevertheless, with 1 % residual loading, washing results are similar to those for non-porous solids (quartz, glass). The inner pores are cleaned, the distinct diffusion region in the washing curve postulated in the literature is not visible. Calculations according to CARMAN-KOZENY, FICK and by means of dimensionless quantities illustrate that both perfusion and diffusion influence the washing of porous systems. The presented models are also suitable for practical applications.

Gas injection into saturated porous media has a high practical relevance. It is applied in groundwater remediation (air sparging), in CO2 sequestration into saline aquifers, and in enhanced oil recovery of petroleum reservoirs. This wide range of application necessitates a comprehensive understanding of gas flow patterns that may develop within the porous media and required modeling of multi-phase flow. There is an ongoing controversy in literature, if continuum models are able to describe the complex flow pattern observed in heterogeneous porous media, especially the channelized stochastic flow pattern. Based on Selker’s stochastic hypothesis, a gas channel is caused by a Brownian-motion process during gas injection. Therefore, the pore-scale heterogeneity will determine the shape of the single stochastic gas channels. On the other hand there are many studies on air sparging, which are based on continuum modeling. Up to date it is not clear under which conditions a continuum model can describe the essential features of the complex gas flow pattern. The aim of this study is to investigate the gas flow pattern on bench-scale and field scale using the continuum model TOUGH2. Based on a comprehensive data set of bench-scale experiments and field-scale experiments, we conduct for the first time a systematic study and evaluate the prediction ability of the continuum model. A second focus of this study is the development of a “real world”-continuum model, since on all scales – pore-scale, bench scale, field scale – heterogeneity is a key driver for the stochastic gas flow pattern. Therefore, we use different geostatistical programs to include stochastic conditioned and unconditioned parameter fields. Our main conclusion from bench-scale experiments is that a continuum model, which is calibrated by different independent measurements, has excellent prediction ability for the average flow behavior (e.g. the gas volume-injection rate relation). Moreover, we investigate the impact of both weak and strong heterogeneous parameter fields (permeability and capillary pressure) on gas flow pattern. The results show that a continuum model with weak stochastic heterogeneity cannot represent the essential features of the experimental gas flow pattern (e.g., the single stochastic gas channels). Contrary, applying a strong heterogeneity the continuum model can represent the channelized flow. This observation supports Stauffer’s statement that a so-called subscale continuum model with strong heterogeneity is able to describe the channelized flow behavior. On the other hand, we compare the theoretical integral gas volumes with our experiments and found that strong heterogeneity always yields too large gas volumes. At field-scale the 3D continuum model is used to design and optimize the direct gas injection technology. The field-scale study is based on the working hypotheses that the key parameters are the same as at bench-scale. Therefore, we assume that grain size and injection rate will determine whether coherent channelized flow or incoherent bubbly flow will develop at field-scale. The results of four different injection regimes were compared with the data of the corresponding field experiments. The main conclusion is that because of the buoyancy driven gas flow the vertical permeability has a crucial impact. Hence, the vertical and horizontal permeability should be implemented independently in numerical modeling by conditioned parameter fields.

Metal-organic Frameworks (MOFs) sind eine neue Klasse poröser und kristalliner Feststoffe, die durch ihren modularen Aufbau aus organischen und anorganischen Einheiten einzigartige Eigenschaften unter den porösen Materialien besitzen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht ihre Anwendung im Bereich der Gaschromatographie, die bislang nur wenig erforscht ist. Dazu werden drei verschiedene MOFs aus der Reihe der „Pillared Paddle-Wheel Frameworks“ (PPFs) in GC Kapillarsäulen abgeschieden und untersucht. Durch systematische Messungen kann gezeigt werden, dass PPFs nicht nur zur Analyse flüchtiger organischer Verbindungen, sondern auch für spezielle Anwendungen wie Größenausschlusschromatographie und Enantiomerentrennungen anwendbar sind. Weiterhin wurden Adsorptionsenthalpien und -entropien sowie Diffusionskonstanten und Massenübergangskoeffizienten für ein breites Analytenspektrum bestimmt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Deponierte Abfälle emittieren auch Dekaden nach dem Ende der Einlagerung am Standort eine Vielzahl von Schadstoffen. Durch verantwortungsvollen Aufbau und Betrieb oder eine nachträgliche Sanierung kann das Gewicht von unkontrollierten Emissionen hin zu kontrollierten verschoben werden, die wiederum einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden können. Neben dem Deponiesickerwasser spielt das Deponiegas mit den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid auf Grund des lokalen und globalen (anthropogener Treibhauseffekt) Gefährdungspotentials eine wichtige Rolle. Sowohl die Gasmenge als auch der Gehalt an brennbaren Methan verringern sich mit zunehmender Standzeit der Deponie. Für Stark- und Mittelgase (ca. 25-60 Vol.-% Methan) ist eine entsprechende Nutzungs- und Entsorgungstechnik etabliert. Für den Schwachgasbereich ist die Entsorgung durch Verbrennung auf Grund der schlechten Verbrennungseigenschaften problematisch. Es existieren einige Lösungsansätze, von denen sich jedoch angesichts verschiedener technologiebedingter Nachteile noch keiner für die Schwachgasentsorgung über den gesamten relevanten Bereich an Methangehalten etablieren konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen neuen Ansatz für eine einfache, kostengünstige und robuste Technologie zu erarbeiten, die eine vollständige Eliminierung des Methans und weiterer schädlicher Bestandteile gewährleistet. Im Weiteren sollen Methangehalte im Deponiegas von 5-11 Vol.-% bzw. Modellgemische mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,3-0,5 betrachtet werden. Dieser Bereich erweist sich als besonders problematisch hinsichtlich einer stabilen Entsorgung. Bei Grubengasen und methanbeladener Abluft sind unter Umständen ähnliche Fragestellungen anzutreffen. Neben experimentellen Arbeiten in Labor und Technikum liefern vor allem numerische Simulationen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Durchdringung der ablaufenden Prozesse und der Vorausberechnung technischen Reaktoren und Brennern. Für hier behandelte Problemstellung bietet sich die Software Ansys Fluent® an. Für die Entsorgung von Schwachgasen bieten sich mehrere grundsätzliche Herangehensweisen an. Für diese Arbeit wurde sich auf die Oxidation des Methans in porösen Medien, z.B. Füllkörperschüttungen oder offenzellige SiC-Schaumkeramiken, konzentriert. In einem ersten Ansatz wurde eine katalytische Funktionalisierung von SiC-Schaumkeramik mit Manganoxid dotierter Calciumaluminat-Beschichtung durchgeführt, um so die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliciumcarbids mit der Oxidationsaktivität eines Katalysators zu kombinieren. Nach der Evaluierung einer optimalen hochtemperaturfesten Katalysatorkombination und experimentellen Erarbeitung kinetischer Parameter bilden Modellrechnungen im einfach durchströmten Monolith (1D) die Basis für eine Beurteilung dieser Variante. Der zweite Ansatz verfolgt eine nicht-katalytische, rein thermische Umsetzung des Methans. Eine Verbesserung der Verbrennungseigenschaften durch Vorwärmung des Brenngases erfolgt über interne Rekuperation ohne externen Abgaswärmeübertrager. Auf Basis von theoretischen Überlegungen und Simulationsrechnungen wurde eine entsprechende Technikumsanlage mit einer aus Alumina-Raschig-Ringen bestehenden porösen Matrix entworfen und aufgebaut. Ausgewählte Versuchsreihen dienten zur Demonstration der Funktionalität und zur Validierung des CFD-Modells. Mit Hilfe des Modells sind eine Variation der Eigenschaften der porösen Matrix und ein Upscaling auf einen technischen Maßstab möglich. Die Berechnung des Einsatzbereiches erfolgt beispielhaft mit einem Vorschlag für eine technisch relevante Größe an einem typischen Deponie-Schwachgas. Für die Modellierung von Oxidationsprozessen in porösen Strukturen ist die Implementierung des Wärmetransports ein wesentlicher Baustein. Ein entscheidender Parameter hierin ist die effektive Wärmeleitfähigkeit der porösen Matrix. Insbesondere für keramische Schäume ist die Anzahl der publizierten Arbeiten gering. Durch Vermessung der SiC-Keramikschäume mit Hilfe der Hot-Disk-Methode (Raumtemperatur) und mit dem Plattenmessverfahren (300-1000 °C) konnte auch an dieser Stelle ein Beitrag erbracht werden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese neuer heterocyclischer Hydroxyl-funktionalisierter Tekton-Moleküle, die über ein sperriges Grundgerüst verfügen und zur Bildung von porösen organischen Netzwerken sowie Koordinationspolymeren befähigt sind. Um die Sperrigkeit der Zielverbindungen und die Koordinationsfähigkeit bezüglich Metallionen zu gewährleisten, wurden durch Anknüpfung der Heterocyclen Pyridin, Thiophen und Benzo[b]thiophen an Spacer-Elemente, bestehend aus Benzen- und Alkin-Einheiten, entsprechende Derivate hergestellt und umfassend charakterisiert. Die synthetisierten Moleküle liefern eine Vielzahl von Einschlussverbindungen mit Neutralmolekülen, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Stabilität sowie Struktur untersucht wurden. Weiterhin konnte das Potenzial der Zielverbindungen als Sensormaterial gegenüber Neutralmolekülen in der Gasphase und unter Ausnutzung der Fluoreszenzeigenschaften gegenüber Metallionen in Lösung betrachtet sowie die Eignung als Linker-Moleküle zum Aufbau von Koordinationspolymeren überprüft werden.

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.