Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.

Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.:1 Einleitung 6 2 Stand der Technik 8 2.1 Werkstoffeigenschaften von Polypropylen-Kompositen 8 2.1.1 Polypropylen 8 2.1.2 Füll- und Verstärkungsstoffe 10 2.1.3 Phasengrenze und Phasenmorphologie 12 2.1.3.1 Füllstoffmodifizierung 15 2.1.3.2 PP-Modifizierung 16 2.1.3.3 Mehrkomponentensysteme 17 2.1.3.4 Ansätze aus anderen Werkstoffsystemen 18 2.2 Reaktive Aufbereitung 19 2.3 Polymermodifizierung mit energiereichen Elektronen 22 2.3.1 Einordnung und Wechselwirkungsmechanismen 22 2.3.2 Einfluss von Polymerstruktur und G-Wert 25 2.3.3 Steuerparameter 26 2.3.3.1 Parameter der chemischen Umgebung 26 2.3.3.2 Parameter der Elektronenmodifizierung 28 2.3.4 Bestrahlung von Polypropylen 32 2.3.5 Bestrahlung von partikelgefüllten Thermoplastkompositen 33 2.3.6 Bestrahlung von Füll- und Verstärkungsstoffen 33 2.4 Zusammenfassung Stand Technik 34 3 Zielstellung 37 4 Aufgabenstellung 39 5 Experimentelles 40 5.1 Anlagentechnik 40 5.1.1 Stationäre Behandlung 40 5.1.2 Elektronen induzierte reaktive Aufbereitung 41 5.1.2.1 Aufbau u. Funktionsweise 41 5.1.2.2 Parameter der Elektronen induzierten reaktiven Aufbereitung 42 5.1.2.3 Dosimetrie 44 5.2 Probenherstellung 45 5.2.1 Materialien 45 5.2.2 Aufbereitung 45 5.2.3 Prüfkörperherstellung 46 5.3 Modifizierungsparameter 47 5.4 Vorgehensweise 49 5.5 Analytische Methoden 51 5.5.1 Zugversuch 51 5.5.2 Schlagbiegeversuch (nach Charpy) 52 5.5.3 Größenausschlusschromatographie (SEC) 54 5.5.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 55 5.5.5 Laserbeugungsspektrometrie 57 5.5.6 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 58 5.5.7 Fourier-Transmissions-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) 58 5.5.8 Dynamische Kontaktwinkelmessung 59 5.5.9 Schmelzerheologische Untersuchungen von Polymerschmelzen 60 5.5.9.1 Ungefüllte Polymerschmelzen 62 5.5.9.2 Partikelgefüllte Polymerschmelzen 63 6 Ergebnisse 68 6.1 Mechanische Kompositeigenschaften 68 6.2 Matrixpolymersysteme PP und PPTAC 69 6.3 Partikelgröße und -verteilung 75 6.4 Kompatibilität 77 6.5 Phasenkopplung 82 6.6 Inhomogenität 86 6.7 Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften 87 6.7.1 Dosis 88 6.7.2 Elektronenenergie 90 6.7.3 Bestrahlungsdauer 91 6.7.4 Aufbereitungszeit 93 6.7.5 Dosisleistung im Modifizierungsvolumen 96 7 Zusammenfassung 98 8 Ausblick 100 9 Anhang 104 10 Literaturverzeichnis 112 11 Abkürzungsverzeichnis 115

Bei der klinischen Beschreibung einer Sepsis sind Symptome vorhanden, die allesamt auf eine endotheliale Beteiligung schließen lassen. Hierzu zählt die Infektion an sich, die Regulation der Gefäßpermeabilität, der Gerinnung, der Interaktion mit zirkulierenden Zellen, des Gefäßtonus und des Sauerstoffverbrauchs. In systematischer Weise werden die Einflüße reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffderivate für diese endothelialen Funktionen beschrieben. Beide Molekülgruppen können toxische Wirkungen als unspezifisch im Sinne der Onkose induzieren, die komplex von den jeweiligen Produktionsraten und Umgebungsbedingungen abhängig sind. Es scheint bei einer NO. induzierten Toxizität eine kooperative Wirkung mit reaktiven Sauerstoffderivaten zu geben, wohingegen eine primär durch reaktive Sauerstoffderivate induzierte Toxizität von niedrig dosiertem NO. inhibiert werden kann. Daneben kann der Tod einer Zelle auch als eine teleologisch sinnvolle Form geregelt eintreten. Dieser sogenannte programmierte Zelltod, die Apoptose, scheint durch exogene Zufuhr reaktiver Sauerstoff- oder Stickstoffderivate eher wenig wahrscheinlich. Dagegen scheint die endogene Produktion reaktiver Sauerstoffderivate enger mit proapoptotischen Veränderungen assoziiert zu sein. Die endogene endotheliale Produktion von NO. hat in bisherigen Untersuchungen widersprüchliche Bedeutung für die Apoptose und muß weiteren Untersuchungen vorbehalten bleiben. Ob eine durch Sepsis induzierte endotheliale Apoptose oder Onkose bei Menschen vorliegt wird diskutiert. Unabhängig von der Induktion zum Sterbeprozeß haben reaktive Sauerstoff- und Stickstoffderivate eine signalgebende Funktion in Endothelzellen, die nach exogener Zugabe aber auch durch eine endogene Produktion systematisch zusammengefaßt werden. Zahlreiche Sepsiserreger, oder deren Sekretions-, bzw. Abbauprodukte können primär mit Endothelzellen interagieren. Bereits diese frühen Interaktion gehen mit einer Dysregulation reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffderivate einher. Vor allem im Rahmen eines früh auftretenden septischen Schocks wird eine enorm erhöhte Gefäßpermeabilität deutlich. Untersuchungen zur endothelialen Permeabilität legen zumindest in vitro eine Dysregulation reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffderivate nahe. Die Regulation des Gefäßtonus ist ganz offensichtlich bei septischen Patienten gestört. Welcher Beitrag hierfür auf eine gestörte Endothelfunktion zurückzuführen ist wurde in zahlreichen tierexperimentellen Modellen untersucht. Endothelzellen sind in der Lage, den Sauerstoffverbrauch ganzer Organe zu regeln und Implikationen für die Pathophysiologie der Sepsis werden diskutiert. Endotheliale Dysfunktionen bei septischen Patienten scheinen aufgrund tierexperimenteller Modellvorstellungen naheliegend, sind aber nur ansatzweise bei Menschen belegt. Es ist unklar, welche endothelialen Funktionsdefizite bei septischen gut definierten Patienten überhaupt sicher zu quantifizieren sind, oder wie lange sie anhalten und sich über die Zeit ändern. Auch ist nicht belegt, ob lösliche Marker ein Funktionsdefizit anzeigen, oder lediglich Ausdruck einer allgemeinen Schädigung eines Organismus sind. Eine Dysbalance der endothelialen Produktion reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffderivate liegt allerdings sehr wahrscheinlich vor. / The definition of sepsis includes clinical signs which all are related to endothelial dysfunctions. Infections agents can primarily target endothelial cells. The regulation of vascular permeability and coagulation, the interaction with circulating cells, vasoregulation and oxygen consumption are endothelial dependent. Systematically it is described how reactive oxygen species and reactive nitrogen species act as mediators for these diverse functions. Both reactive oxygen and nitrogen species are well known for their toxic potencies leading to oncosis. Their interaction is very complex. Nitric oxide induced toxic reactions increase in the presence of reactive oxygen species, whereas reactive oxygen species induced toxicity is decreased by low doses of nitric oxide. Apoptosis as opposed to oncosis hardly is induced by exogeneous reactive oxygen or nitrogen species in endothelial cells. However, endogeneous production of reactive oxygen species is more likely to serve proapoptotic functions. Whether patients suffering from sepsis show increased signs of apoptotic endothelium is discussed. Signalling events by low doses of exogeneous reactive oxygen and nitrogen species as well as by endogeneous production in endothelial cells unrelated to death signals are summarized. The known signalling pathways are integrated into specific dysregulated endothelial functions of septic patients. Early interactions of endothelium with infectious agents involve reactive oxygen and nitrogen species. Clinically apparent early signs of septic shock include increased vascular permeability and vasoregulatory disturbance. The involvement of endothelium and reactive oxygen and nitrogen species in these functions is summarized. New data have become available showing that endothelium is able to regulate whole organ oxygen consumption in which reactive oxygen and nitrogen species are involved. These data are discussed. From these in vitro and animal studies it seems evident that endothelial dysfunctions are central features of sepsis. However it remains to be clearly shown that definite endothelial dysfunctions are present and measurable in well defined patient groups, how long these suggested dysfunctions are present or change along the course of septic episodes. The involvement of dysregulated production of reactive oxygen and nitrogen species is most likely.

Heute kennt man weit über 100 klinische Erkrankungen, bei denen Sauerstoffradikale am pathogenetischen Mechanismus beteiligt sind. Sauerstoffradikalbildung wird als Initiator oder Promotor des Alterungsprozesses, der Arteriosklerose, der postischemischen Organschäden, des Diabetes mellitus oder verschiedener neurologischer sowie dermatologischer Erkrankungen diskutiert. Besonderes Interesse gilt hierbei den Superoxidradikalen (O2-.), da ihre Bildung den Initialschritt des oxidativen Stresses, nämlich die Übertragung eines Elektrons auf das Sauerstoffmolekül, darstellt. Obwohl für den Nachweis der Superoxidradikalbildung eine Vielzahl verschiedener Methoden angewendet wird, gibt es zunehmend quantitative und qualitative Widersprüche bezüglich O2-. -Radikale in biologischen Systemen. Dies ist auf die mangelnde Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Nachweismethoden zurückzuführen. Die vorliegende Untersuchung wurde zur Überprüfung der Eignung in der Praxis angewandter Superoxid-Nachweismethoden wie Photometrie (Cytochrom c , Epinephrin, Nitrotetrazolium blau), Chemilumineszenz (Luminol, Lucigenin) und ESR-Spintrapping (DMPO, DEPMPO) für biologische Fragestellungen unternommen. Als biologische O2-.-Quellen wurden submitochondriale Partikeln, Mitochondrien und polymorphkernige Neutrophile untersucht. Es wurde gezeigt, daß bei Anwendung eines standardisierten O2-. -generierenden Enzymsystems (Xanthin/Xantinoxidase) je nach Methode Wiederfidungsraten erhalten werden, die weniger bis sehr stark von den realen O2-. -Bildungsraten abweichen. Der Nachweis der Superoxidbildung über die Chemilumineszenz des Luminols und des Lucigenins hat gezeigt, daß die Intensität des ausgestrahlten Lichtes nicht nur durch die Bildungsrate der O2-.-Radikale bestimmt wird, sondern auch durch unspezifische Wechselwirkungen der Nachweissysteme mit den zu untersuchenden Objekten. Da vielen Nachweismethoden die Oxidation oder Reduktion der jeweiligen Nachweissubstanz durch Superoxidradikale zugrundeliegt, können die Nachweisreaktionen auch durch andere reduzierende oder oxidierende biologische Komponenten in Gang gesetzt werden. Eine Überprüfung der Selektivität einer Nachweismethode durch die Zugabe des O2-.-eliminierenden Enzyms SOD ist nicht immer möglich, da Superoxidradikale oft auch als Zwischenprodukte der Nachweisreaktionen auftreten und/oder SOD nicht immer den Zugang zur O2-.-Bildungsquelle hat. Spintrapping der Superoxidradikale mit DEPMPO kann hingegen als sicherer Beweis der Superoxidbildung betrachtet werden. Für einen quantitativen Nachweis der Superoxidradikale mittels Spintrapping sind jedoch Kenntnisse über die Stabilität des Spinadduktes in jedem konkreten System erforderlich. Ein mathematisches Modell für die Berechnung der Superoxidbildung in verschiedenen Nachweisystemen wurde erarbeitet. / Imbalanced production of oxygen-centered radicals is generally considered to play a major role in the pathogenesis of a great number of clinical diseases. Metabolic disorders and other derangements of homeostasis affect O2-salvage in a way which may trigger O2- radical formation. Inversely, if O2- radicals are formed in excess, a great variety of functional and structural alterations are expected to occur. It follows that an evaluation of the ranking of O2- radicals in the pathophysiological cascade of the various diseases requires reliable methods allowing identification of the respective reactive oxygen species (ROS), localization of the generation site and the analysis of the conditions required for O2- radical formation. Superoxide radicals (O2-.) are of major interest in this respect as this univalent reduction product is the starting molecule of all ROS possibly occurring in biological systems. Controversial reports on the existence, the sites and formation conditions of O2-.-radicals in the tissue may be due to the application of inadequate methods. The aim of this study was therefore to critically evaluate current O2-.-detection methods for their suitability and comparability. O2-.-radical release from xanthine/xanthine oxidase was assessed and used as a standardized O2-.-source. Spectrophotometric (cytochrom c, epinephrin, nitroblue tetrazolium), chemiluminescence (luminol, lucigenin) and ESR-spin trapping (DMPO, DEPMPO) detection methods were exposed to this O2-.-radical generating system and analyzed with respect to their selectivity and quantitative yield. In a second step the influence of the biological O2-.-generating systems such as submitochondrial particles, mitochondria and polymorphnuclear neutrophils on the available detection methods was tested. The results revealed great variations between the detection methods used both with respect to their selectivity for O2-.-registration and the quantitative analysis of the rates formed. All conventional O2-.-detection methods were found to be directly affected by the biological systems studied, spin trapping with DEPMPO being the most reliable method for qualitative O2-.-detection. Quantitative O2-.-detection requires knowledge about the stability of the respective adduct. A mathematical model for the calculation of O2-.-formation rate in various detection systems is worked out.

Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

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Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Validierung eines reaktiven Kraftfelds (ReaxFF) für die Strukturbildungsprozesse der Zwillingspolymerisation (ZP). Die ZP ist eine neue Synthesemethode zur Herstellung nanostrukturierter Hybridmaterialien, wie beispielsweise nanostrukturierter Kohlenstoffe als Gasspeichermedium. Die ZP beruht dabei auf der Verwendung geeigneter Zwillingsmonomere, die kovalent gebundene organische und anorganische Strukturkomponenten aufweisen. Innerhalb der Polymerisation werden die Komponenten neu verknüpft, sodass mehrere ineinander verwobene Teilpolymere - zum Beispiel Phenolharz und Siliziumdioxid - als organisch-anorganische Mischung entstehen. Die Nanostrukturierung innerhalb des Prozesses liegt dabei an dem gekoppelten Wachstum durch die anfängliche kovalente Bindung im Zwillingsmonomer. Ein Überblick über die chemischen Details wird im zweiten Kapitel gegeben. Weiterhin werden für die Modellbildung genutzte reduzierte Testsysteme vorgestellt. Basierend auf dieser komplexen Strukturbildung wird im dritten Kapitel die gewählte Modellierungsmethode der reaktiven Molekulardynamik mit dem Kraftfeld ReaxFF vorgestellt. Für die Modellierung mit ReaxFF werden Referenzdaten benötigt um einen Parametersatz für das Kraftfeld zu entwickeln, welcher das chemische Modell darstellen kann. Dazu wird im vierten Kapitel eine Übersicht über die benutzten Methoden zur Referenzdatenerzeugung gegeben. Im fünften Kapitel fokussiert sich die Arbeit auf die anfänglich als Referenz zur Verfügung gestellte Theorie und ihre Erweiterung zur Unterstützung der Kraftfeldmodellierung. Ausgehend von den erhaltenen Referenzdaten werden die Kraftfeldresultate für die erste Parametrisierung (TP-a) vorgestellt. Diese zeigte eine ungünstige Mittelung aus aromatischen Ringeigenschaften und nichtaromatischen Brückeneigenschaften, welche dann mit einer erweiterte Kraftfelddefinition (TP-b) aufgehoben werden konnte. In den Simulationen konnten damit alle definierte Schritte der ZP nachgewiesen werden, allerdings mit verbleibenden Problemen aufgrund der Charakteristik des geladenen Gesamtsystems. Für das sechste Kapitel wird daher die Implementierung eines Kraftfeldes für die vollständige Darstellung einer Säure durchgeführt. Ein weiterer wichtiger Aspekt für diese Erweiterung ist die damit verbundene Aufklärung der Rolle des Anions in der Strukturbildung. Das siebte Kapitel fasst die Arbeit zusammen und erlaubt den Ausblick auf zukünftige Verbesserung der Modellierung. Weiterhin werden Aussagen zur Transferierbarkeit der Ergebnisse innerhalb der Zwillingspolymerisierung getroffen.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.

The transport of contaminants in groundwater system is strongly influenced by various aquifer heterogeneity factors such as spatial aquifer heterogeneity of hydraulic conductivity and reactive substances distribution. The contaminants transport can be simulated by using numerical reactive transport models, and their fate can be possibly even predicted. Furthermore, reactive transport modeling is an essential tool to get a profound understanding of hydrological-geochemical complex processes and to make plausible predictions of assessment. The goal of this work is to improve our understanding of the groundwater contaminants fate and transport processes in heterogeneous aquifer systems, with a focus on nitrate problems. A large body of knowledge of the fate and transport of nitrogen species has been achieved by previous works, however, most previous models typically neglect the interrelation of physical and chemical aquifer heterogeneities on the contaminant fate and redox transformation, which is required for predicting the movement and behavior of nitrate and quantifying the impact of uncertainty of numerical groundwater simulation, and which motivates this study. The main research questions which are answered in this work are how aquifer heterogeneity influences on the nitrate fate and transport and then, what is the most influential aquifer heterogeneity factor must be considered. Among the various type of aquifer heterogeneity, physical and chemical aquifer heterogeneities are considered. The first part of the work describes groundwater flow system and hydrochemical characteristics of the study area (Hessian Ried, Germany). Especially, data analyses are performed with the hydrochemical data to identify the major driving force for nitrate reduction in the study area. The second part of the work introduces a kinetic model describing nitrate removal by using numerical simulation. The resulting model reproduces nitrate reduction processes and captures the sequence of redox reactions. The third and fourth parts show the influence of physical and chemical aquifer heterogeneity with varying variance, correlation length scale, and anisotropy ratio. Heterogeneous aquifer systems are realized by using stochastic approach. Results, in short, show that the most influential aquifer heterogeneity factors could change over time. With abundant requisite electron donors, physical aquifer heterogeneity significantly influences the nitrate reduction while chemical aquifer heterogeneity plays a minor role. Increasing the spatial variability of the hydraulic conductivity increases the nitrate removal efficiency of the system in addition. If these conditions are reversed, nitrate removal efficiency varies by the spatial heterogeneity of the available initial electron donor. The results indicate that an appropriate characterization of the physical and chemical properties can be of significant importance to predict redox contamination transport and design long-term remediation strategies and risk assessment.

Investigations on pulsed reactive magnetron sputtering processes for the deposition of thin oxide films are presented by means of time-resolved and time-integrated measurements. The pulsed process can be successfully described in terms of a model of Berg et al. for reactive sputtering processes. Time-resolved Langmuir double probe measurements are confirmed using time-resolved optical emission spectroscopy. Combining the results leads to an insight into elementary processes governing the discharge. / Mit Hilfe zeitlaufgelöster und zeitlich mittelnder Methoden wird eine gepulste Magnetronentladung zur reaktiven Abscheidung von Oxidschichten untersucht. Das Modell von Berg et al. zur Beschreibung des Abscheideprozesses lässt sich dabei erfolgreich auf die reaktive Abscheidung mit einem gepulsten Prozess anwenden. Mittels zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie können die Ergebnisse zeitaufgelöster Langmuir-Doppelsondenmessungen bestätigt werden. In Kombination ermöglichen diese Verfahren die Untersuchung von Elementarprozessen in der Entladung.