Reactive transport modeling is an important approach to understand water dynamics, mass transport and biogeochemical processes from the hillslope to the catchment scale. It has a wide range of applications in the fields of e.g. water resource management, contaminanted site remediation and geotechnical engineering. To simulate reactive transport processes at a hillslope or larger scales is a challenging task, which involves interactions of complex physical and biogeochemical processes, huge computational expenses as well as difficulties in numerical precision and stability. The primary goal of the work is to develop a practical, accurate and efficient tool to facilitate the simulation techniques for reactive transport problems towards hillslope or larger scales. The first part of the work deals with the simulation of water flow in saturated and unsaturated porous media. The capability and accuracy of different numerical approaches were analyzed and compared by using benchmark tests. The second part of the work introduces the coupling of the scientific software packages OpenGeoSys and IPhreeqc by using a character-string-based interface. The accuracy and computational efficiency of the coupled tool were discussed based on three benchmarks. It shows that OGS#IPhreeqc provides sufficient numerical accuracy to simulate reactive transport problems for both equilibrium and kinetic reactions in variably saturated porous media. The third part of the work describes the algorithm of a parallelization scheme using MPI (Message Passing Interface) grouping concept, which enables a flexible allocation of computational resources for calculating geochemical reaction and the physical processes such as groundwater flow and transport. The parallel performance of the approach was tested by three examples. It shows that the new approach has more advantages than the conventional ones for the calculation of geochemically-dominated problems, especially when only limited benefit can be obtained through parallelization for solving flow or solute transport. The comparison between the character-string-based and the file-based coupling shows, that the former approach produces less computational overhead in a distributed-memory system such as a computing cluster. The last part of the work shows the application of OGS#IPhreeqc for the simulation of the water dynamic and denitrification process in the groundwater aquifer of a study site in Northern Germany. It demonstrates that OGS#IPhreeqc is able to simulate heterogeneous reactive transport problems at a hillslope scale within an acceptable time span. The model results shows the importance of functional zones for natural attenuation process. / Modellierung des reaktiven Stofftranports ist ein wichtiger Ansatz um die Wasserströmung, den Stofftransport und die biogeochemischen Prozesse von der Hang- bis zur Einzugsgebietsskala zu verstehen. Es gibt umfangreiche Anwendungsgebiete, z.B. in der Wasserwirtschaft, Umweltsanierung und Geotechnik. Die Simulation der reaktiven Stofftransportprozesse auf der Hangskala oder auf größeren Maßstäbe ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da es sich um die Wechselwirkungen komplexer physikalischer und biogeochemischen Prozesse handelt, die riesigen Berechnungsaufwand sowie numerischen Schwierigkeiten bezogen auf die Genauigkeit und die Stabilität nach sich ziehen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein praktisches, genaues und effizientes Werkzeug zu entwickeln, um die Simulationstechnik für reaktiven Stofftransport auf der Hangskala und auf größeren Skalen zu verbessern. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Simulation der Wasserströmung in gesättigten und ungesättigten porösen Medien. Das Anwendungspotential und die Genauigkeit verschiedener numerischer Ansätze wurden mittels einiger Benchmarks analysiert und miteinander verglichen. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Kopplung der wissenschaftlichen Softwarepakete OpenGeoSys und IPhreeqc mit einer stringbasierten Schnittstelle dar. Die Genauigkeit und die Recheneffizienz des gekoppelten Tools OGS#IPhreeqc wurden basierend auf drei Benchmark-Tests diskutiert. Das Ergebnis zeigt, dass OGS#IPhreeqc die ausreichende numerische Genauigkeit für die Simulation reaktiven Stofftransports liefert, welcher sich sowohl auf die Gleichgewichtsreaktion als auch auf die kinetische Reaktion in variabel gesättigten porösen Medien beziehen. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt zuerst den Algorithmus der Parallelisierung des OGS#IPhreeqc basierend auf dem MPI (Message Passing Interface) Gruppierungskonzept, welcher eine flexible Verteilung der Rechenressourcen für die Berechnung der geochemischen Reaktion und der physikalischen Prozesse wie z.B. Wasserströmung oder Stofftransport ermöglicht. Danach wurde die Leistungsfähigkeit des Algorithmus anhand von drei Beispielen getestet. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz Vorteile gegenüber die konventionellen Ansätzen für die Berechnung von geochemisch dominierten Problemen bringt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nur eingeschränkter Nutzen aus der Parallelisierung für die Berechnung der Wasserströmung oder des Stofftransportes gezogen werden kann. Der Vergleich zwischen der string- und der dateibasierten Kopplung zeigt, dass die erstere weniger Rechenoverhead in einem verteilten Rechnersystem, wie z.B. Cluster erzeugt. Der letzte Teil der Arbeit zeigt die Anwendung von OGS#IPhreeqc für die Simulation der Wasserdynamik und der Denitrifikation im Grundwasserleiter eines Untersuchungsgebietes in NordDeutschland. Es beweist, dass OGS#IPhreeqc in der Lage ist, reaktiven Stofftransport auf der Hangskala innerhalb akzeptabler Zeitspanne zu simulieren. Die Simulationsergebnisse zeigen die Bedeutung der funktionalen Zonen für die natürlichen Selbstreinigungsprozesse.

Reactive transport modeling is an important approach to understand water dynamics, mass transport and biogeochemical processes from the hillslope to the catchment scale. It has a wide range of applications in the fields of e.g. water resource management, contaminanted site remediation and geotechnical engineering. To simulate reactive transport processes at a hillslope or larger scales is a challenging task, which involves interactions of complex physical and biogeochemical processes, huge computational expenses as well as difficulties in numerical precision and stability. The primary goal of the work is to develop a practical, accurate and efficient tool to facilitate the simulation techniques for reactive transport problems towards hillslope or larger scales. The first part of the work deals with the simulation of water flow in saturated and unsaturated porous media. The capability and accuracy of different numerical approaches were analyzed and compared by using benchmark tests. The second part of the work introduces the coupling of the scientific software packages OpenGeoSys and IPhreeqc by using a character-string-based interface. The accuracy and computational efficiency of the coupled tool were discussed based on three benchmarks. It shows that OGS#IPhreeqc provides sufficient numerical accuracy to simulate reactive transport problems for both equilibrium and kinetic reactions in variably saturated porous media. The third part of the work describes the algorithm of a parallelization scheme using MPI (Message Passing Interface) grouping concept, which enables a flexible allocation of computational resources for calculating geochemical reaction and the physical processes such as groundwater flow and transport. The parallel performance of the approach was tested by three examples. It shows that the new approach has more advantages than the conventional ones for the calculation of geochemically-dominated problems, especially when only limited benefit can be obtained through parallelization for solving flow or solute transport. The comparison between the character-string-based and the file-based coupling shows, that the former approach produces less computational overhead in a distributed-memory system such as a computing cluster. The last part of the work shows the application of OGS#IPhreeqc for the simulation of the water dynamic and denitrification process in the groundwater aquifer of a study site in Northern Germany. It demonstrates that OGS#IPhreeqc is able to simulate heterogeneous reactive transport problems at a hillslope scale within an acceptable time span. The model results shows the importance of functional zones for natural attenuation process. / Modellierung des reaktiven Stofftranports ist ein wichtiger Ansatz um die Wasserströmung, den Stofftransport und die biogeochemischen Prozesse von der Hang- bis zur Einzugsgebietsskala zu verstehen. Es gibt umfangreiche Anwendungsgebiete, z.B. in der Wasserwirtschaft, Umweltsanierung und Geotechnik. Die Simulation der reaktiven Stofftransportprozesse auf der Hangskala oder auf größeren Maßstäbe ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da es sich um die Wechselwirkungen komplexer physikalischer und biogeochemischen Prozesse handelt, die riesigen Berechnungsaufwand sowie numerischen Schwierigkeiten bezogen auf die Genauigkeit und die Stabilität nach sich ziehen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein praktisches, genaues und effizientes Werkzeug zu entwickeln, um die Simulationstechnik für reaktiven Stofftransport auf der Hangskala und auf größeren Skalen zu verbessern. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Simulation der Wasserströmung in gesättigten und ungesättigten porösen Medien. Das Anwendungspotential und die Genauigkeit verschiedener numerischer Ansätze wurden mittels einiger Benchmarks analysiert und miteinander verglichen. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Kopplung der wissenschaftlichen Softwarepakete OpenGeoSys und IPhreeqc mit einer stringbasierten Schnittstelle dar. Die Genauigkeit und die Recheneffizienz des gekoppelten Tools OGS#IPhreeqc wurden basierend auf drei Benchmark-Tests diskutiert. Das Ergebnis zeigt, dass OGS#IPhreeqc die ausreichende numerische Genauigkeit für die Simulation reaktiven Stofftransports liefert, welcher sich sowohl auf die Gleichgewichtsreaktion als auch auf die kinetische Reaktion in variabel gesättigten porösen Medien beziehen. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt zuerst den Algorithmus der Parallelisierung des OGS#IPhreeqc basierend auf dem MPI (Message Passing Interface) Gruppierungskonzept, welcher eine flexible Verteilung der Rechenressourcen für die Berechnung der geochemischen Reaktion und der physikalischen Prozesse wie z.B. Wasserströmung oder Stofftransport ermöglicht. Danach wurde die Leistungsfähigkeit des Algorithmus anhand von drei Beispielen getestet. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz Vorteile gegenüber die konventionellen Ansätzen für die Berechnung von geochemisch dominierten Problemen bringt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nur eingeschränkter Nutzen aus der Parallelisierung für die Berechnung der Wasserströmung oder des Stofftransportes gezogen werden kann. Der Vergleich zwischen der string- und der dateibasierten Kopplung zeigt, dass die erstere weniger Rechenoverhead in einem verteilten Rechnersystem, wie z.B. Cluster erzeugt. Der letzte Teil der Arbeit zeigt die Anwendung von OGS#IPhreeqc für die Simulation der Wasserdynamik und der Denitrifikation im Grundwasserleiter eines Untersuchungsgebietes in NordDeutschland. Es beweist, dass OGS#IPhreeqc in der Lage ist, reaktiven Stofftransport auf der Hangskala innerhalb akzeptabler Zeitspanne zu simulieren. Die Simulationsergebnisse zeigen die Bedeutung der funktionalen Zonen für die natürlichen Selbstreinigungsprozesse.

Die selektive Funktionalisierung nicht aktivierter C−H-Bindungen und die Disauerstoffreduktionsreaktion (ORR) sind extrem wichtig bei der Beschäftigung mit verschiedenen technologischen Problemstellungen wie der Energiekrise, der Synthese kommerziell relevanter organischer Verbindungen usw. Die Nutzung molekularen Sauerstoffs als reichlich vorhandenes und umweltverträgliches Oxidationsmittel ist von großem Interesse in der Entwicklung bioinspirierter synthetischer Oxidationskatalysatoren. Die katalytische Vier-Elektronen-Reduktion von Disauerstoff zu Wasser erlangte auch immer größere Aufmerksamkeit wegen ihrer Bedeutung in der Brennstoffzellentechnologie. Natürlich vorkommende Metalloenzyme aktivieren Disauerstoff durch die Nutzung günstiger Übergangsmetalle (z.B. Eisen, Nickel, Mangan und Kupfer) und weisen diverse oxidative Reaktivitäten auf. Des Weiteren werden solche Reaktionen unter Umgebungsbedingungen mit hoher Effizienz und Stereoselektivität durchgeführt. Deshalb kann die Isolierung und Charakterisierung hochvalenter Metall-Disauerstoff-Intermediate (wie Metall-Superoxo-, Metall-Peroxo-, Metall-Hydroperoxo- und Metall-Oxo-Verbindungen) eine Menge nützlicher Informationen über die Reaktionsmechanismen liefern und daher hilfreich für die zukünftige Entwicklung effizienterer Katalysatoren sein. Diese Arbeit hat die Chemie verschiedener Metall-Disauerstoff-Intermediate von end-on-1,2-Peroxo-dicobalt(III)-Spezies bis zu Superoxo-nickel(II)-Kernen erforscht. Detaillierte spektroskopische Untersuchungen sowie Reaktivitätsstudien der Intermediate wurden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen ihrer elektronischen Struktur und ihren Reaktivitätsmustern aufzuklären. In meiner Arbeit untersuchte ich den Effekt der ‚Struktur-Aktivität-Beziehung‘ verschiedener Metall-Disauerstoff-Intermediate gegenüber exogener Substrate. Diese Arbeit zeigte auch den Einfluss des Designs geeigneter Liganden auf das Verhalten eines gegebenen reaktiven Metall-Disauerstoff-Systems. / Selective functionalization of unactivated C−H bonds and dioxygen reduction reaction (ORR) are extremely important in the context of addressing various technological issues such as energy-crisis, synthesis of commercially important organic compounds, etc. The utilization of molecular oxygen as an abundant and environmentally benign oxidant is of great interest in the design of bioinspired synthetic oxidation catalysts. The catalytic four-electron reduction of dioxygen to water has also merited increasing attention because of its relevance to fuel cell technology. Naturally occurring metalloenzymes activate dioxygen by employing cheap transition metals (e.g. iron, nickel, manganese, and copper) and exhibit diverse oxidative reactivities. Moreover, such reactions are carried out under ambient conditions with high efficiency and stereospecificity. Therefore, the isolation and characterization of the high-valent metal-dioxygen intermediates (such as metal-superoxo, -peroxo, -hydroperoxo, and -oxo can provide a lot of useful information about the reaction mechanisms and is therefore helpful for the future design of more efficient catalysts. This thesis has explored the chemistry of different metal-dioxygen intermediates ranging from bridging end-on μ-1,2-peroxo-dicobalt(III) species to nickel(II)-superoxo cores. Detailed spectroscopic and reactivity studies of the intermediates have been performed to reveal the correlations between their electronic structures and reactivity patterns. In my present thesis, I investigated the effect of the ‘structure-activity relationship’ of different metal-dioxygen intermediates towards exogenous substrates. This thesis also demonstrated the impact of suitable ligand design on the behaviour of a given metal-dioxygen reactive system.