Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

This diploma thesis dealt with the study of interactions of soil organic matter, specifically humic acids with a pollutant, where the surfactant Septonex was used. Humic acids were isolated from two different soils in the work, namely black earth and cambium. The theoretical part describes the formation of humic acids as such, their possible interactions with substances and the characterization of surfactants. The experimental part is devoted to the characteristics of humic acids using elemental analysis, thermogravimetry and then the most important part of the thesis, namely the monitoring of interactions using isothermal titration calorimetry. The experiment showed that the sample of isolated black earth at the surfactant concentration of 0,075 molâdm3 had the best interaction with the surfactant.

In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren und verschiedenen Dispergierreagenzien anhand der Photolumineszenz (PL) der (6,5)-Nanoröhren untersucht. Um den Einfluss der verschiedenen Reagenzien auf die exzitonischen Eigenschaften und die PL-Emission zu quantifizieren, wurden die Dispergierreagenzien ausgetauscht, die Temperaturabhängigkeit bestimmt und die Konzentration der Reagenzien variiert. Die Dispergierreagenzien eines immobilisierten, SC-stabilisierten (6,5)-SWNT-Ensembles wurden im Mikrofluidikkanal ausgetauscht. Wird der Kanal mit Wasser gespült, verringern sich die PL-Intensität und die Emissionsenergie, da der Wasserfluss die Tensidmoleküle von der Oberfläche entfernt. Beim Austausch einer DOC-Umgebung gegen Wasser nimmt die PL-Intensität ebenfalls ab und die PL-Emissionsenergie verringert sich. Die Austauschexperimente verlaufen reversibel und der instantane Anstieg der Emissionsenergie bei der Tensidadsorption weist auf eine kooperative Anlagerung hin. Deshalb ist anzunehmen, dass sich Tensid-SWNT-Heteromizellen ausbilden. Anschließend werden die Emissionsenergie und die PL-Intensität in verschiedenen Dispergierreagenzien und in Wasser verglichen. Die größte Emissionsenergie und PL-Intensität werden während des Wechsels von einer SDS- zu einer (GT)16-Lösung gemessen. Dies kann auf die lückenlose Bedeckung der SWNT-Oberfläche mit einer heterogenen Schicht aus SDS-Molekülen und (GT)16-Strängen zurückgeführt werden. In reiner SDS-Umgebung emittieren die Nanoröhren Licht mit der zweithöchsten Energie, aber die PL-Intensität liegt unter der in einer SC-Umgebung. Die Emissionsenergie in der SC-Umgebung ist geringer und davon abhängig, ob die SWNTs bereits mit (GT)16-Strängen stabilisiert waren, da dies eine permanente Rotverschiebung der Emissionsenergie in der SC-Umgebung sowie eine verringerte PL-Intensität verursacht. In wässriger Umgebung verringert sich nach erfolgtem (GT)16-Kontakt die PL-Intensität dauerhaft. Danach wurde die Anlagerung von Tensidmolekülen an die (6,5)-SWNT-Oberfläche in Suspensionen mit der Temperatursprungmethode untersucht. Die Temperatur im Mikrofluidikkanal wurde anhand der linearen Abnahme der Emissionsenergie SC- und DOC-stabilisierter SWNTs mit steigender Temperatur bestimmt. Die Suspensionstemperatur ist in den verschiedenen Temperatursprungexperimenten unabhängig von der Messposition im Mikrofluidikkanal und wird durch die absolute Position auf den Peltier-Elementen bestimmt. Zudem stimmen die im Kanal gemessenen Temperaturen für SC- und DOC-stabilisierte (6,5)-SWNTs überein, weshalb in diesem Experiment nicht die erwartete Einstellung eines Gleichgewichts wie in einem Temperatursprungexperiment der Fall, sondern die Momentantemperatur gemessen wird. Die schnelle Gleichgewichtseinstellung zwischen freien und auf der SWNT-Oberfläche adsorbierten Tensidmolekülen beim Temperatursprung zeigt, dass die SC- und DOC-(6,5)-SWNT-Suspensionen thermochrome Farbstoffe sind. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Emissionsenergie ist es bei wissenschaftlichen Arbeiten wichtig, neben dem verwendeten Dispergierreagenz auch die Temperatur der SWNT-Suspension anzugeben. Abschließend wurden die kritischen Mizellenkonzentrationen von Tensid-SWNT-Suspensionen in Verdünnungsexperimenten und daraus die thermodynamischen Bildungsparameter der Tensid-SWNT-Heteromizellen ermittelt. In der temperaturabhängigen Analyse der SC-SWNT-Mizellenbildung wird ein konstanter Hill-Koeffizient erhalten, der die Mizellenbildung als positiv kooperativ klassifiziert. Für die Bestimmung der Freien Mizellierungsenthalpie wurden nur die CMCs aus den Verdünnungsexperimenten verwendet, da die Mizellenbildung bei der Aufkonzentration teils kinetisch gehemmt ist. Da die Freie Mizellierungsenthalpie bei allen Temperaturen negativ ist, stabilisiert die Bildung der Heteromizellen das System. Die Triebkraft für die Mizellenbildung ist über 322 K die Enthalpie, während unterhalb von 316 K der Entropiegewinn dominiert. Die Verdünnung einer DOC-SWNT-Suspension zeigt keine Änderung der Emissionsenergie, obwohl dabei sowohl die primäre als auch die sekundäre CMC von DOC unterschritten werden. Zuletzt wurden die Verdünnungsexperimente mit einer SDS-SWNT-Suspension durchgeführt und die thermodynamischen Parameter der Mizellenbildung bestimmt. Da auf die Auflösung der Mizellenstruktur direkt die Aggregation der SWNTs folgt, wurde für die Ermittlung der CMC näherungsweise die Konzentration am Maximum der Emissionsenergie verwendet. Daraus ergibt sich bei jeder Temperatur eine negative Freie Mizellierungsenthalpie, deren Beiträge analog zu SC bei kleineren Temperaturen als 323 K entropisch und bei höheren Temperaturen enthalpisch dominiert werden. Somit ermöglichen die Experimente mit SC- und SDS-SWNT-Suspensionen die temperaturabhängige Bestimmung der CMC und damit die Berechnung der Freien Mizellierungsenthalpie sowie der zugehörigen enthalpischen und entropischen Beiträge. / The goal of this thesis is to study the interplay between the SWNT surface and various dispersion agents. The influence of different surfactants on photoluminescence (PL) intensity and emission energy of (6,5)-SWNTs was quantified experimentally. The experiments are separated into three categories: surfactant exchange, determination of the temperature dependency of the PL, and the variaton of surfactant concentration. The dispersion agents of immobilized (6,5)-SWNT ensembles, that are placed in a microfluidic channel, are exchanged. Purging water through the microfluidic channel diminishes the PL intensity and red shifts PL emission energy, as the surfactants either SC or DOC are removed from the SWNT surface. The decrease of the PL intensity and emission energy are also observed if solution is exchanged for water. The surfactant exchange is reversible and the surfactant adsorption shows cooperativity features, which provide evidence for the formation of a surfactant SWNT hetero micelle. Afterwards the PL intensity and PL emission energy of the SWNTs are compared in different dispersing agents and water. The peak values for PL emission energy and PL intensity are measured when exchanging the SDS surfactant for (GT)16 ssDNA. They are caused by a complete coverage of the SWNT surface with a hetero-layer consisting of both species. The second highest PL emission energy is emitted in pure SDS environment followed by SC environment. Regarding the PL intensity the opposite effect is observed. A SC shell yields higher PL intensities than the SDS shell. If the SWNTs had previously been in contact with the (GT)16 ssDNA, the PL intensity was permanently reduced in the SC environment and was accompanied by a permanent red shift of the PL emission energy. The decreased PL intensity renders the water environment indistinguishable from the (GT)16 ssDNA covered SWNTs because they now show the same emission energy and equally low intensities. Subsequently the attachment of surfactant molecules to the surface of colloidally stabilized SWNTs is analyzed by using a temperature jump method. The temperature in the microfluidic channel was measured using the linear relationship between the temperature increase and the decrease of the PL emission energy of SC- and DOC-SWNT solutions. The solution temperature in the temperature jump experiments is independent of the channel position but determined by the absolute position on the Peltier element. In addition, the use of DOC instead of SC as surfactant showed no difference in temperature development, which leads to the conclusion that instead of the equilibration process, the actual liquid temperature is measured since the former is too fast for this experimental approach. The instantaneous equilibration of free and adsorbed surfactant molecules allows to deduce the solution temperature. Thus, SC- and DOC-SWNT solutions can be used as thermochromic dyes. More importantly, the correlation of PL intensity and PL emission energy with temperature emphasizes the importance of providing solution temperatures alongside the dispersing agents and their respective concentrations in scientific studies. Critical micelle concentrations (CMC) of surfactant SWNT solutions are determined in dilution experiments. Afterwards, thermodynamic parameters of the SWNT surfactant heteromicelle formation process are calculated. Hill analysis was used to identify the CMC at the inflection point of the sigmoidal PL emission energy decrease and to determine the Hill coefficient, classifying the micelle formation to be cooperative. Only the CMCs of the dilution experiments were used to calculate the micellar Gibbs energies since the micelle formation in the titration experiments is kinetically hindered at lower temperatures. Since the micellar Gibbs energy is negative at all temperatures, the micelle formation stabilizes the system. At temperatures above 322 K the micellar Gibbs Energy is dominated by the enthalpic contribution while the micelle formation is driven entropically below 316 K. The same experiment was conducted using DOC as dispersion agent, but showed no difference in the PL emission energy passing both the primary and the secondary CMCs of a pure DOC solution. Further experiments feature the dilution of SDS-SWNT solutions and the calculation of the thermodynamic parameters. As the breakup of the micellar structure is directly followed by SWNT aggregation, the CMC is approximately defined as concentration at the PL emission energy maximum. As the micellar Gibbs energy is always negative, the micelle formation provides a stabilization of the SDS-SWNT System, which is driven entropically below 323 K and dominated by enthalpy at higher temperatures. In conclusion, dilution experiments allow for the temperature dependent determination of CMCs and calculation of micellar Gibbs Energy with corresponding entropic and enthalpic contributions.

Zugl.: Kaiserslautern, Techn. Universiẗat, Diss., 2008.

Techn. Universiẗat, Diss., 1999--Darmstadt.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

<P> Amphiphilic molecules contain a hydrophilic headgroup and a hydrophobic tail. The headgroup is polar or ionic and likes water, the tail is typically an aliphatic chain that cannot be accommodated in a polar environment. The prevailing molecular asymmetry leads to a spontaneous adsorption of amphiphiles at the air/water or oil/water interfaces. As a result, the surface tension and the surface rheology is changed. Amphiphiles are important tools to deliberately modify the interfacial properties of liquid interfaces and enable new phenomena such as foams which cannot be formed in a pure liquid.</P> <P> In this thesis we investigate the static and dynamic properties of adsorption layers of soluble amphiphiles at the air/water interface, the so called Gibbs monolayers. The classical way for an investigation of these systems is based on a thermodynamic analysis of the equilibrium surface tension as a function of the bulk composition in the framework of Gibbs theory. However, thermodynamics does not provide any structural information and several recent publications challenge even fundamental text book concepts.</P> <P>The experimental investigation faces difficulties imposed by the low surface coverage and the presence of dissolved amphiphiles in the adjacent bulk phase. In this thesis we used a suite of techniques with the sensitivity to detect less than a monolayer of molecules at the air-water interface. Some of these techniques are extremely complex such as infrared visible sum frequency generation (IR-VIS SFG) spectroscopy or second harmonic generation (SHG). Others are traditional techniques, such as ellipsometry employed in new ways and pushed to new limits. Each technique probes selectively different parts of the interface and the combination provides a profound picture of the interfacial architecture. </P> <P>The first part of the thesis is dedicated to the distribution of ions at interfaces. Adsorption layers of ionic amphiphiles serve as model systems allowing to produce a defined surface charge. The charge of the monolayer is compensated by the counterions. As a result of a complex zoo of interactions there will be a defined distribution of ions at the interface, however, its experimental determination is a big scientific challenge. We could demonstrate that a combination of linear and nonlinear techniques gives direct insights in the prevailing ion distribution. Our investigations reveal specific ion effects which cannot be described by classical Poisson-Boltzmann mean field type theories.</P> <P>Adsorption layer and bulk phase are in thermodynamic equilibrium, however, it is important to stress that there is a constant molecular exchange between adsorbed and dissolved species. This exchange process is a key element for the understanding of some of the thermodynamic properties. An excellent way to study Gibbs monolayers is to follow the relaxation from a non-equilibrium to an equilibrium state. Upon compression amphiphiles must leave the adsorption layer and dissolve in the adjacent bulk phase. Upon expansion amphiphiles must adsorb at the interface to restore the equilibrium coverage. Obviously the frequency of the expansion and compression cycles must match the molecular exchange processes. At too low frequencies the equilibrium is maintained at all times. If the frequency is too fast the system behaves as a monolayer of insoluble surfactants. In this thesis we describe an unique variant of an oscillating bubble technique that measures precisely the real and imaginary part of the complex dilational modulus E in a frequency range up to 500 Hz. The extension of about two decades in the time domain in comparison to the conventional method of an oscillating drop is a tremendous achievement. The imaginary part of the complex dilational modulus E is a consequence of a dissipative process which is interpreted as an intrinsic surface dilational viscosity. The IR-VIS SFG spectra of the interfacial water provide a molecular interpretation of the underlying dissipative process.</P> / <P>Amphiphile Moleküle vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente. Sie bestehen aus einer polaren oder ionischen Kopfgruppe und einem unpolaren Molekülteil, häufig einer Kohlenwasserstoffkette. Die vorliegende molekulare Asymmetrie bewirkt eine spontane Adsorption der Amphiphile an der Wasser/Luft Grenzschicht. Als Folge verändern sich Oberflächenspannung und Grenzflächenrheologie. Amphiphile Moleküle werden benutzt, um die Eigenschaften flüssiger Grenzflächen zu verändern und begegnen uns z.B. in Form von Seifen oder anderen waschaktiven Substanzen im täglichen Leben.</P> <P>Der erste Teil dieser Doktorarbeit widmet sich der Verteilung von Ionen an geladenen flüssigen Grenzflächen. Adsorbtionsschichten ionischer Amphiphile bieten Modellsysteme zur Untersuchung dieses klassischen Bereiches der Kolloid- und Grenzflächenforschung. Durch die Adsorption der Amphiphile in der Grenzschicht werden definierte Oberflächenladungen erzeugt, welche durch die angrenzenden Gegenionen in der Sublage kompensiert werden.</P> <P>In dieser Arbeit wird gezeigt, dass eine Kombination aus linearen und komplexen nichtlinearen optischen Methoden, die experimentelle Bestimmung der Verteilung der Gegenionen an geladenen Grenzflächen ermöglicht. Unsere Messungen zeigen ionenspezifische Effekte, die sich nicht in Reihenfolge des Periodensystems ordnen lassen. Insbesondere wurde ein Phasenübergang in der Verteilung der Gegenionen von einem Zustand, in dem sich die Ionen in der Sublage befinden, zu einem Zustand bestehend aus direkt kondensierten Ionen beobachtet. Dieser Phasenübergang geschieht innerhalb einer geringen Erhöhung der Oberflächenladung und lässt sich nicht mit klassischen Theorien beschreiben.</P> <P>Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Stabilität von Schaumlamellen. Eine Schaumlamelle ist ein dünner Wasserfilm, der durch die Adsorption von oberflächenaktiven Molekülen an beiden Seiten stabilisiert wird. In Zusammenhang von Schäumen muss zwischen zwei Prozessen unterschieden werden: Der Schaumbildung und der Schaumstabilität. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Schaumbildung sind weitestgehend verstanden, die der Schaumstabilität jedoch noch nicht.</P> <P>Um die Stabilität von Schäumen zu untersuchen, müssen Nichtgleichgewichtszustände erzeugt und die anschließende Relaxation in das Gleichgewicht beobachtet werden. In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, das Elastizitätsmodul von Grenzflächen in einem Frequenzbereich von 1-500 Hz zu bestimmen. Dies bedeutet eine Erweiterung um zwei Dekaden gegenüber herkömmlichen Methoden. Die Idee ist denkbar einfach: In einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer wird über die Bewegung eines Piezos eine Luftblase in Schwingung versetzt und mit einem in der Kammer befindlichen Drucksensor die Schwingungsantwort der Blase aufgezeichnet. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Voraussetzung für die Ausbildung einer stabilen Schaumlamelle das Vorkommen einer intrinsischen Oberflächenviskosität ist. Eine anschauliche Erklärung verdeutlicht dies: Eine viskose Oberfläche ist in der Lage, eine eingehende Störung lokal zu dämpfen, im Gegensatz zu einer komplett elastischen Oberfläche, wo sich die Störung über die gesamte Schaumlamelle verbreiten kann.</P> <P> Untersuchungen mittels der IR-VIS SFG Spektroskopie ergaben, dass die Struktur des Wassers bei der Beschreibung der Schaumstabilität auf molekularer Ebene eine entscheidende Rolle spielt: Die Oberflächenviskosität ist mit einem dissipativen Vorgang innerhalb der Grenzschicht verbunden. Dieser dissipative Vorgang konnte auf molekularer Ebene durch das Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen identifiziert werden. Ausschlaggebend war dabei der Austausch der adsorbierten Amphiphile in der Grenzfläche und der angrenzenden Sublage.</P>

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Adsorptionsschichten auf die Fließfähigkeit feuchter kohäsiver Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte. Ziel ist der Nachweis einer Ver- bzw. Behinderung der Feuchteadsorption durch eine Hydrophobierung der Partikeloberfläche und die Untersuchung der Abhängigkeit des Feuchteaufnahmevermögens von Zusatzstoff, Substratmaterial und Oberflächeneigenschaften. Dazu wurden Kalksteinpulver und Mikroglaskugeln unterschiedlicher Kornform und Korngrößenverteilung mit oberflächenaktiven Substanzen beschichtet und die erfolgreiche Oberflächenmodifikation u.a über Randwinkelmessungen und Scherversuche belegt. Es konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung der Oberfläche und die daraus resultierenden veränderten Oberflächen- sowie Benetzungseigenschaften zusatzstoffspezifisch sind und somit eine gezielte Verbesserung der Fließeigenschaften erreicht werden kann. Beschichtete Schüttgüter können je nach Art des Zusatzstoffes weniger Feuchtigkeit als unbehandelte Pulver adsorbieren, bilden geringere Haftkräfte im Partikelkontakt aus und besitzen ein günstigeres Fließverhalten. Weiterhin wird ein mathematisch-physikalisches Modell zur Abschätzung der Fließfähigkeit feiner Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und einer Oberflächenmodifikation unter Verwendung charakteristischer Schüttgutparameter entwickelt.

Die vorliegende Arbeit widmete sich unter grundlagenorientierten und praxisrelevanten Aspekten der Entwicklung maßgeschneiderter, multifunktionalisierter Tenside mit potenziellen Sammler- und Filmbildungseigenschaften im Zusammenhang mit der mineralischen Flotation. Auf der Basis supramolekularer Konstruktionsprinzipien gelang die Synthese dendritisch verzweigter Amphiphile, die relevante Unterschiede in der Hydrophilie-Hydrophobie-Balance aufweisen und in der Flexibilität des Spacersegmentes sowie der peripheren Alkylkettenlänge im hydrophoben Molekülbereich variieren. Im Hinblick auf die Struktur-Wirkungs-Beziehungen der neuartigen Amphiphile fanden Versuche zur Ermittlung der tensidchemischen Parameter sowie Untersuchungen zu ihrem Filmbildungsverhalten statt. Des Weiteren wurden die synthetisierten Tenside im Mikroflotationsversuch auf ihre Eignung als Sammlerkomponenten am Modellmineral Fluorit getestet. Generell führt eine Erweiterung der polaren Haftgruppen zu einer wesentlich besseren Fixierung der amphiphilen Moleküle sowohl an der Phasengrenzfläche Wasser/Luft als auch an der mineralischen Fluoritoberfläche. Darüber hinaus begünstigt eine starre Geometrie die Ausbildung stabilerer monomolekularer Adsorptionsschichten. Im Flotationsprozess bewirken die präorganisierten, dendritisch verzweigten Sammlermoleküle gegenüber konventionellen Reagenzien eine deutliche Effizienzsteigerung.