With the objective of understanding the relationship between NO2 photolysis and solar global radiation in the Amazon region, and studying the concentration of the gases NO, NO2 and O3, the data collected from July 02 to 28th, 2001, as part of the campaign from the experiment LBA/CLAIRE-2001 (Large Scale Biosphere- Atmosphere / Cooperative LBA Airborne Regional Experiment - 2001) were analyzed. The photolytic reactions have a critical role controlling the abundance of many atmospherical pollutants, decomposing trace gases (that affect the terrestrial radiation balance) and contributing for their removal from the atmosphere. A significant increase of the NO concentration in the beginning of the morning was observed, whereas the NO2 concentration proved to be higher at night. The O3 concentration increases with the sunrise, with its peak at approximately 14h. The curve of NO2 photolysis (J(NO2)) showed similarity to the Rg curve, with the influence of cloudiness. When the NO2 photolysis begins, an inversion of the magnitude of the NO and NO2 with O3 concentration occurs. The NO2 concentration of varied greatly when analyzing the differences between the clear, partially cloudy and cloudy days. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Com o objetivo de entender as relações entre fotólise de NO2 e radiação solar global na região amazônica, e estudar a concentração dos gases NO, NO2 e O3, analisouse os dados coletados durante o período de 02 a 28 de julho de 2001, como parte da campanha do experimento LBA/CLAIRE-2001 (Large Scale Biosphere-Atmosphere / Cooperative LBA Airborne Regional Experiment - 2001). As reações fotolíticas têm um papel crítico no controle da abundância de muitos poluentes atmosféricos, decompondo gases-traço (que afetam o balanço de radiação terrestre) e contribuindo para sua remoção da atmosfera. Observou-se um aumento significativo da concentração de NO no início da manhã, enquanto a de NO2 apresentou-se mais elevada durante a noite. A concentração de O3 aumenta a partir do nascer do sol, diminuindo a partir de aproximadamente, 14h. A curva de J(NO2) apresentou-se semelhante à Rg, com influência da nebulosidade. Quando a fotólise de NO2 se inicia, ocorre uma inversão da grandeza das concentrações do NO e NO2 com a do O3. A concentração de NO2 variou bastante quando analisadas as diferenças entre os dias claro, parcialmente nublado e nublado.

Les travaux exposés dans ce manuscrit concernent le développement de spectromètres laser pour la mesure in-situ de CH4, CO2 et H2O dans l'atmosphère moyenne ainsi que la spectroscopie associée, l'inversion des données atmosphériques et les premières campagnes ballon. La première partie de ce manuscrit décrit le contexte scientifique qui a conduit au développement des spectromètres laser et donne un état de l'art en matière instrumentale. La seconde partie décrit deux études spectroscopiques portant sur le multiplet R(6) du méthane à 3.24µm et sur les transitions R18e et R20e du dioxyde de carbone à 2.68µm pour l'inversion des mesures atmosphériques. La troisième partie de ce manuscrit porte sur le développement des spectromètres PicoSDLA-CH4 dédié à la mesure de CH4 dans l'atmosphère à 3.24µm, utilisant une source laser à différence de fréquence, et PicoSDLA-CO2 dédié à la mesure de CO2 à 2.68µm avec une diode à antimoniure. Ces spectromètres ont réalisé plusieurs vols sous ballons stratosphériques en 2010, 2011 et 2012. Les résultats de ces campagnes sont exposés dans la quatrième partie du manuscrit. / This thesis reports the development of laser spectrometers dedicated to in-situ measurements of CH4, CO2 et H2O in the middle atmosphere. It includes the development of the prototypes, the associated spectroscopy, the concentration data retrieval as well as the first balloon campaigns. The first part of the thesis describes the scientific framework and it further gives a state of art of the instrumental field. The second part gives the results from a spectroscopic study on the R(6) manifold of CH4 at 3.24µm and on the R18e and R20e lines of CO2 at 2.68µm in order to allow an accurate concentration retrieval. The third part details the development of the PicoSDLA-CH4 spectrometer dedicated to the in-situ measurements of CH4 at 3.24µm, using a difference frequency generation (DFG) laser source, and the development of PicoSDLA-CO2, a sensor dedicated to measurements of CO2 at 2.68µm using antimonide laser diodes. Both spectrometers were involved in three balloon campaigns in 2010, 2011 and 2012; the results are presented in the fourth part of the thesis.

Obwohl Böden des Kronendachs (canopy soils) deutlich zur oberiridischen labilen Biomasse beitragen können, werden sie oft in Studien über Nährstoffkreisläufe übersehen. In Wäldern mit einem großen Vorkommen an Böden im Kronendach, wie beispielsweise jene in tropischen Bergregionen, könnte dies zu einem unvollständigen Verständnis der Gesamt-Nährstoffprozesse des Waldes beitragen. Böden im Kronendach sind Ansammlungen organischen Materials, welche gewöhnlich auf Zweigen von Bäumen tropischer Wälder zu finden sind. Sie bestehen in erster Linie aus zersetztem epiphytischen Material aber umfassen auch herunterfallendes Laub, Staub, wirbellose Tiere, Pilze und Mikroorganismen. Es gibt nur eine Handvoll Studien, die Stickstoff (N) Kreisläufe und/oder Treibhausgas (THG) Flüsse in Böden des Kronendachs untersucht haben und keine hat versucht die tatsächlichen Feldraten zu bestimmen oder herauszufinden, wie sich diese Böden – welche besonders sensibel gegenüber atmosphärischen Prozessen sind – mit Nährstoffdeposition ändern könnten. Diese Dissertation stellt die Ergebnisse einer Forschungsstudie dar, welche N-Umsatzraten und THG Flüsse von Böden des Kronendachs quantifiziert und untersucht, wie diese Raten durch zunehmende Mengen an N und Phosphor (P) im Boden verändert werden. In Gebieten mit atmosphärischer N- und P-Deposition, erhalten Böden des Kronendaches sowohl direkte als auch indirekte Nährstoffeinträge auf Grund von angereichertem Bestandsniederschlag und Pflanzenstreu. Es wurden folgende Umsatzraten in Böden des Kronendachs tropische Bergwälder entlang eines Höhengradienten (1000 m , 2000 m , 3000 m) gemessen: (1) asymbiotische biologische N2-Fixierung, (2) Netto- und Brutto-N-Transformation, und (3) Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) Flüsse. Zudem wurden indirekte Auswirkungen von N-und P-Gaben, die auf dem Waldboden ausgebracht wurden, untersucht. Umsatzraten der N2-Fixierung, des N Kreislaufes und von THG Flüssen, welche in Böden des Kronendachs gemessen wurden, wurden mit denen vom Waldboden verglichen (entweder als Teil dieser Arbeit oder in parallelen Studien von zwei anderen Mitgliedern unserer Arbeitsgruppe), um die Aktivität von Böden des Kronendachs in den Kontext des gesamten Waldes zu stellen. N2-Fixierung wurde mit der Acetylenreduktionsmethode, Netto-N-Umsatzraten wurden mittels in situ Inkubationen (buried bag method) und Brutto-N-Umsatzraten wurden mit der 15N-Verdünnungsmethode (15N pool dilution technique) bestimmt. Gasflüsse wurden sowohl unter Verwendung statischer Kammern gemessen, deren Sockel permanent im Boden angebracht waren, als auch unter Verwendung regelmäßig entfernter intakter Bodenproben, die zur Gasmessung in luftdichten Einweckgläsern inkubiert wurden. Messungen der N2-Fixierung und des N Kreislaufes erfolgten während der Regen- und Trockenzeit im Feld unter Verwendung intakter Bodenproben. THG Messungen wurden fünf Mal während des Zeitraumes von einem Jahr durchgeführt. Der Waldboden unserer Standorte war 4 Jahre lang zweimal im Jahr mit moderaten Mengen an N ( 50 kg N ha-1 Jahr-1) und P (10 kg P ha-1 Jahr-1) gedüngt worden und umfasste folgende Behandlungen: Kontrolle, N-, P- und N+P-Zugaben. Das Kronendach trug 7-13 % zur gesamten Boden N2-Fixierung (Kronendach + Waldboden) bei, welche zwischen 0,8 und 1,5 kg N ha-1 Jahr-1 lag. N2-Fixierungsraten veränderten sich nur geringfüging mit der Höhenstufe, waren aber in der Trockenzeit deutlich höher als in der Regenzeit. N2-Fixierung im Waldboden wurde in N-Parzellen im Vergleich zu Kontroll- und P-Parzellen gehemmt, währen sie in Böden des Kronendachs in P-Parzellen im Vergleich zu Kontrollparzellen stimuliert wurde. Böden des Kronendachs trugen bis zu 23% zur gesamten mineralischen N-Produktion (Kronendach + Waldboden) bei; Brutto-N-Mineralisierung in Böden des Kronendachs lag zwischen 1,2 und 2,0 mg N kg-1 d-1. In Kontrollparzellen nahmen Brutto-Umsatzraten von Ammonium (NH4+) mit zunehmender Höhe ab, wohingegen Brutto-Umsatzraten von Nitrat (NO3-) keinen klaren Trend mit der Höhenstufe aufwiesen, aber signifikant durch die Saison beeinflusst wurden. Effekte durch Nährstoff-Zugabe unterschieden sich je nach Höhenstufe, aber kombinierte N+P-Zugabe erhöhte in der Regel auf allen Höhenstufen die N-Umsatzraten. CO2 Emissionsraten von Böden des Kronendachs berechnet auf der Basis der Fläche von Gaskammern (10,5 bis 109,5 mg CO2-C m-2 h-1) waren ähnlich denen vom Waldboden ähnlich und nahmen mit zunehmender Höhenstufe ab. Emissionen vom Kronendach, berechnet auf der Basis der Waldfläche (0,15 bis 0,51 Mg CO2-C m-2 h-1), machten jedoch nur 5-11% der gesamten Boden-CO2 Emissionen (Kronendach + Waldboden) aus. CH4 Flüsse (-0,07 bis 0,02 kg CH4-C ha-1 Jahr-1) und N2O Flüsse (0,00 bis 0,01 kg N2O-N ha-1 Jahr-1) von Böden des Kronendachs machten weniger als 5% der Gesamtflüsse von Böden aus. P-Zugabe reduzierte CH4 Emissionen in allen Höhenstufen, so dass Böden des Kronendachs als leichte CH4 Senken agierten (-10,8 bis -2,94 μg CH4-C m-2 h-1). Nur in 2000 m wurden Böden des Kronendachs unter N Zugabe zu leichten N2O Quellen (2,43 ± 3,72 μg N2O-N m-2 h-1), wohingegen P Zugabe die CO2 emissionen um ungefähr 50% reduzierte. Die Ergebnisse zeigen, dass Böden des Kronendachs eine aktive Mikrobengemeinschaft besitzen, welche wertvolle Dienstleistungen hinsichtlich von Nährstoffkreisläufen für das Ökosystem des Kronendachs erbringt. Zusätzlich, war der Nährstoffkreislauf der Böden des Kronendachs in unseren Wäldern eindeutig an die Nährstoffverfügbarkeit des Waldbodens gekoppelt, was im Gegensatz zu Theorien steht, die besagen dass Böden des Kronendachs vom Nährstoffkreislauf der Waldböden entkoppelt seien. Wir haben festgestellt, dass Böden des Kronendachs in höheren Lagen eher einen wesentlichen Anteil des gesamten Wald-Nährstoffkreislaufes ausmachen; dies sollte in Studien berücksichtigt werden, die sich mit Nährstoffkreisläufen solcher Gegenden beschäftigen. Langfristige atmosphärische N- und P-Deposition verfügt über das Potenzial, die Dynamik von Nährstoffflüssen im Kronendach erheblich zu verändern. N-Deposition könnte die N2-Fixierung hemmen, wobei “hotspots“ weiterhin in Bereichen mit großen Mengen an P vorkommen. Interne N-Kreisläufe in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich durch N -und P-Deposition stimuliert werden, aber chronischen Nährstoffzugabe könnte auch zu erhöhten mineralischen N-Verlusten aus dem Bodensystem des Kronendachs führen. THG-relevante Prozesse in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich auch auf N- und P-Deposition reagieren, aber mit Ausnahme von CO2-Emissionen ist es unwahrscheinlich, dass Gasflüsse von Böden des Kronendachs wesentlich zum gesamten THG-Budget des Waldes beitragen.

A chemical ionisation mass spectrometer (CIMS) was developed and utilised for measurements onboard the Facility for Atmospheric Airborne Measurements (FAAM) BAe-146 aircraft. The I- ionisation scheme was implemented to detect nitric acid (HNO3), formic acid (HC(O)OH), hydrogen cyanide (HCN) and dinitrogen pentoxide (N2O5) simultaneously at a sampling frequency of 1 Hz. Sensitivities ranged from 35±6 ion counts pptv-1 s-1 for HC(O)OH to 4±0.9 ion counts pptv-1 s-1 for HCN and limits of detection from 37 ppt for HNO3 and 5 ppt for HCN. Trace gas concentrations of species such as HC(O)OH are currently under predicted in global models. In order to understand their role in controlling air quality, it is crucial that their production pathways and abundance are accurately measured and constrained. To date, airborne measurements of these trace gases have been difficult as a result of instrumental limitations on an aircraft such as limit of detection and sampling frequency. The first UK airborne measurements of HC(O)OH and HNO3 confirmed that HC(O)OH is under predicted by up to a factor of 2 in a trajectory model that implements the full Master Chemical Mechanism (MCM) and Common Representative Intermediate Scheme (CRI). The inclusion of a primary vehicle source enabled the model to reproduce the concentrations observed; verifying that direct sources are under represented. Secondary formation of HC(O)OH was observed through its correlation with HNO3 and ozone (O3), indicating a strong photochemical production source. Hydroxyl (OH) concentrations were estimated for the first time in a flight around the UK using the HC(O)OH and HNO3 measurements. A biomass burning (BB) plume identification technique is applied to data obtained from Canadian biomass fires using HCN as a marker. A 6 sigma above background approach to defining a plume resulted in a higher R2 correlating value for the normalised excess mixing ratio (NEMR) to carbon monoxide (CO) when compared to current methods in the literature. The NEMR obtained from this work; 3.76±0.02 pptv ppbv-1, lies within the range found in the literature. This NEMR is then used to calculate a global emission total for HCN of 0.92 Tg (N) yr-1 when incorporated into the global tropospheric model STOCHEM CRI. The first direct N2O5 airborne measurements on an aircraft at night are compared to indirect measurements taken by a broadband cavity enhancement absorption spectrometer. An average R2 correlation coefficient of 0.87 observed over 8 flights for 1 Hz measurements indicates the selectiveness of the I- ionisation scheme to detect N2O5 directly, without nitrate (NO3) interference.

Potentiometrisch betriebene Festelektrolytsensoren auf der Basis von Yttriumoxid-stabilisiertem Zirconium(IV)-oxid als festem Oxidionenleiter weisen einen für elektrochemische Sensoren ungewöhnlich breiten Messbereich von über 30 Zehnerpotenzen sowie eine vergleichsweise hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität auf. Dadurch konnten sich diese Sensoren in einem sehr weiten Applikationsbereich etablieren, der hauptsächlich die Abgaskontrolle von Verbrennungsprozessen betrifft. In der vorliegenden Arbeit wird der Frage nachgegangen, ob mit Festelektrolytsensoren (FES) bei coulometrischer oder potentiodynamischer Betriebsweise, die gegenüber dem potentiometrischen Prinzip Vorteile im Hinblick auf Sensitivität beziehungsweise Selektivität bieten, weitere Applikationsfelder erschlossen werden können. Dazu durchgeführte Untersuchungen, Weiterentwicklungen und Optimierungen an coulometrisch betriebenen Festelektrolytsensoren sowie deren Einbindung in ein chromatographisches Messsystem zielten auf die Applikation zur Bestimmung von Spurenbestandteilen in Gasen und Flüssigkeiten ab. Mit den Ergebnissen wird beispielhaft ein neues Anwendungsfeld für FES bei der kontinuierlichen Überwachung von Biogasprozessen eröffnet. Zur Erreichung der Ziele wird zunächst gezeigt, wie der Messbereich potentiostatisch betriebener coulometrischer FES hin zu Spurenkonzentrationen im Vol.-ppb-Bereich erweitert werden kann. Hierfür werden Fehlereinflüsse untersucht, die die Nachweisgrenze dieser Sensoren beeinflussen. Durch die Entwicklung rauscharmer elektronischer Sensoransteuerungen, durch die Optimierung von Betriebsparametern sowie durch die Bestimmung der elektronischen Leitfähigkeit wird die Nachweisgrenze von FES verglichen mit dem bisherigen Forschungsstand um vier Zehnerpotenzen verringert. Als Ergebnis dieser Weiterentwicklungen liegen die Nachweisgrenzen für den FES im Durchflussbetrieb nun bei unter 5 Vol.-ppb für die Analyte H2, O2 und CH4. Zur Steigerung der Selektivität von FES werden zwei Möglichkeiten aufgezeigt. Einerseits werden bei cyclovoltammetrischer Betriebsweise für H2-, O2- oder CO-haltige Messgase im Konzentrationsbereich unterhalb von 10^2 Vol.-ppm lineare Zusammenhänge zwischen den Konzentrationen und den Peakeigenschaften Höhe und Fläche gefunden. Auf diese Weise konnte H2 an einer katalytisch hochaktiven Pt-Elektrode in Anwesenheit eines Überschusses an Sauerstoff mit hoher Selektivität erfasst werden. Andererseits wird die Selektivität potentiostatisch betriebener coulometrischer FES drastisch gesteigert, indem diese einer gaschromatographischen Trenneinheit nachgeschaltet werden. Im Konzentrationsbereich von 10^−1 bis 10^4 Vol.-ppm zeigte sich für H2 und CH4 ein lineares Ansprechverhalten, die Nachweisgrenzen des chromatographischen Messsystems lagen für diese Gase bei 55 bzw. 40 Vol.-ppb. Mit einem neuartigen In-situ-Messsystem, das auf dem Prinzip der kontinuierlichen membranfreien Gasextraktion und anschließender intervallmäßiger chromatographischer Trennung und Detektion mit einem potentiostatisch betriebenen coulometrischen FES basiert, wurden im Gärmedium von Biogasanlagen Spuren von gelöstem H2 und O2 sowie das vielfach höher konzentrierte CH4 parallel erfasst. Es wird gezeigt, dass Instabilitäten im Biogas-Entstehungsprozess, die durch Überfütterung des Fermenters hervorgerufen werden, anhand des Verlaufs des gelösten H2 deutlich früher erkannt werden, als es durch die H2-Bestimmung im Biogas durch kommerziell verfügbare Gassensoren möglich ist. Auf diese Weise ließ sich mit dem FES ein praxistaugliches langzeitstabiles, robustes und wartungsarmes Messsystem für diese Kenngrößen entwickeln. Bei der coulometrischen Bestimmung von Essigsäure mit dem FES kommt es zur Blockierung der Platinelektroden. Infrarotspektroskopische Untersuchungen des Abgases aus dem FES belegen die thermische Zersetzung dieses Analyts bei 750 °C, die mit der Bildung eines Kohlenstofffilms auf der messgasseitigen Pt-Elektrode einhergeht. Diese Blockierung führt zur Peakverbreiterung und verhindert so die Detektion der Carbonsäuren mit zwei bis fünf Kohlenstoffatomen im Molekül. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dieser ungünstige thermische Zerfall durch die Einbringung einer beheizbaren Katalyseeinheit in die Gasleitung zwischen Gaschromatograph und FES verhindert werden kann. Die Säuren zerfallen dann an der Pt-Oberfläche des Katalysators bei 800 °C, so dass nur die gasförmigen Zerfallsprodukte in den FES gelangen, wo sie ohne die Bildung von Pyrolyseprodukten an den Elektroden coulometrisch umgesetzt werden. Mittels Austausch des FES durch einen Flammenionisationsdetektor konnte mit dem In-situ-Messsystem gelöste Essigsäure über einen Zeitraum von achtzehn Tagen im Gärmedium einer Biogasanlage mit hinreichender Langzeitstabilität erfasst werden. Damit werden in der vorliegenden Arbeit wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung von coulometrischen Festelektrolytsensoren im Hinblick auf die Erniedrigung der Nachweisgrenze, die Erhöhung der Selektivität und die Verbreiterung des Anwendungsspektrums geleistet.:Symbolverzeichnis 5 1 Einleitung 7 2 Grundlagen der Systemkomponenten 9 2.1 Feste Elektrolyte 9 2.1.1 Überblick 9 2.1.2 YSZ 10 2.1.2.1 Stabile Phasen von ZrO 2 10 2.1.2.2 Kristallstruktur von YSZ 12 2.1.2.3 Eigenschaften von YSZ 12 2.1.3 Leitungsprinzipien in festen Elektrolyten 13 2.1.3.1 Ladungstransport 13 2.1.3.2 Ionische Leitfähigkeit 14 2.1.3.3 Elektronische Leitfähigkeit 16 2.1.3.4 Zellströme 17 2.2 Elektrodenprozesse und -materialien 20 2.2.1 Zielstellung 20 2.2.2 Elektrodenprozesse 20 2.2.2.1 Sauerstoffreduktion 20 2.2.2.2 Wasserstoffoxidation 22 2.2.3 Katalytische Aktivität 22 2.2.4 Elektrodenmaterialien 24 2.3 Ausgewählte Messprinzipien elektrochemischer Zellen 25 2.3.1 Potentiometrie 25 2.3.2 Coulometrie 25 2.3.2.1 Betriebsweisen 25 2.3.2.2 Festelektrolyt-Coulometrie 26 2.3.2.3 Aufbau coulometrischer Festelektrolytsensoren 27 2.3.2.4 Nachweisgrenze und Fehlereinflüsse coulometrischer Festelek- trolytsensoren 28 2.3.3 Voltammetrie 35 2.3.3.1 Definition 35 2.3.3.2 Cyclovoltammetrie an Zellen mit wässrigem Elektrolyt 35 2.3.3.3 Cyclovoltammetrie an Festelektrolytzellen 37 2.3.3.4 Gepulste voltammetrische Methoden 38 2.4 Selektivität von Festelektrolytsensoren 40 2.4.1 Definition 40 2.4.2 Möglichkeiten zur Selektivitätserhöhung bei Festelektrolytsensoren 40 2.4.3 Dynamische Messmethoden 41 2.4.4 Kombination mit Gaschromatographie 41 2.5 Messung von Schlüsselparametern in Biogasmedien 43 2.5.1 Zum Biogasentstehungsprozess 43 2.5.2 Zustandsgrößen in Biogasprozessen 43 2.5.3 Stand der Literatur zur Online-Analyse in Biogasprozessen 44 2.5.4 Membranfreie Gasextraktion 46 3 Materialien und Methoden 49 4 Ergebnisse und Diskussion 53 4.1 Untersuchungen zur Nachweisgrenze coulometrischer Festelektrolytsensoren 53 4.1.1 Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses 53 4.1.1.1 Auswahl der elektronischen Sensorbeschaltung 53 4.1.1.2 Sensor mit erhöhter Temperaturstabilität 54 4.1.2 Bestimmung der elektronischen Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials 55 4.1.3 Zusammenfassung der Resultate zur Nachweisgrenze 56 4.2 Hochselektive Gasbestimmung mit YSZ-Sensoren 58 4.2.1 Zielstellung 58 4.2.2 Potentiodynamische Messmethoden 58 4.2.2.1 I-U-Kennlinien von Festelektrolytzellen 58 4.2.2.2 Untersuchungen zur Peakausbildung bei redoxaktiven Substanzen 60 4.2.2.3 Sensitivität auf oxidierbare und reduzierbare Gase 67 4.2.2.4 Zusammenfassung der voltammetrisch erlangten Resultate 75 4.2.3 Kombination des Festelektrolytsensors mit einem Gaschromatographen 77 4.2.3.1 Aufbau des Messsystems und Entstehung von Chromatogrammen 77 4.2.3.2 Qualitative Peakauswertung 78 4.2.3.3 Quantitative Peakauswertung 78 4.2.3.4 Dichtheit des Messsystems 78 4.2.3.5 Sensitivität 79 4.2.3.6 Nachweisgrenze und Langzeitstabilität 81 4.2.3.7 Wiederholgenauigkeit 84 4.2.3.8 Zusammenfassung der mit GC und coulometrischem Festelek- trolytdetektor erzielten Ergebnisse 85 4.3 Gelöstgasbestimmung mit Festelektrolytsensoren 87 4.3.1 Messprinzip 87 4.3.1.1 Herausforderung bei der Gasbestimmung in biogenen Medien 87 4.3.1.2 Membranfreie Gasextraktion 87 4.3.1.3 Trennung der extrahierten Komponenten 88 4.3.1.4 Detektion 88 4.3.2 Gelöst-H 2 -Bestimmung 89 4.3.2.1 Ziele der Entwicklung 89 4.3.2.2 Sensitivität 89 4.3.2.3 Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität 90 4.3.2.4 Temperaturabhängigkeit 91 4.3.2.5 Einfluss des Extraktionsgasvolumenstromes 92 4.3.2.6 Praxistest: Gelöst-H 2 -Bestimmung in einer Biogas-Laboranlage 93 4.3.3 Weiterentwicklung des Messsystems für die Bestimmung flüchtiger Carb- onsäuren in Flüssigkeiten 94 4.3.3.1 Ziele der Weiterentwicklung 94 4.3.3.2 Anpassung der chromatographischen Leistungsparameter 94 4.3.3.3 Vermeidung von Probenverlust durch Sorptionseffekte 95 4.3.3.4 Anreicherung der Säuren im Probengasstrom 96 4.3.3.5 Extraktionsuntersuchungen in Modellmedien 99 4.3.3.6 Praxistest: Extraktion von Essigsäure aus dem Gärmedium einer Biogas-Laboranlage 102 4.3.3.7 Weiterentwicklung des Festelektrolytsensors zur Detektion von Carbonsäuren 104 4.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Gelöstgasmessungen 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 5.1 Zusammenfassung 111 5.2 Ausblick 113 Literaturverzeichnis 115 Publikationen 125 Danksagung 127 / Potentiometric solid electrolyte sensors made of the solid oxygen ion conductor 'yttria stabilized zirconia' exhibit a very broad measuring range of more than 30 orders of magnitude as well as comparatively high chemical, thermal and mechanical stability. Therefore, these sensors were established in a large application range which covers mainly the field of exhaust gas control of combustion processes. This work tries to answer the question if it is possible to address new fields of application with coulometrically or potentiodynamically operated solid electrolyte sensors (ses) because of their generally higher sensitivity and selectivity compared to potentiometrically operated ses. Investigations, advancements and optimizations executed for this aim on coulometrically operated ses as well as the integration of these sensors into a chromatographic measuring system were directed on the detection of traces of analytes in gas mixtures and liquids. The results of this work unlock a new field of application for ses in the continuous monitoring of biogas processes. For the achievement of these goals it is firstly demonstrated how the measuring range of potentiostatically operated coulometric ses can be expanded in the direction of trace concentrations in the range of some vol.-ppb. Therefore, error sources influencing the detection limit are investigated. Compared to the current state of research, this limit is decreased by four orders of magnitute by developing low-noise sensor controllers, by optimizing operation conditions and by determining the electronic conductivity of the solid electrolyte material. As a result, the detection limits of the sensor operating in continuous flow-through mode range now below 5 vol.-ppb for the analytes H2, O2 and CH4. Furthermore, two approaches for the increasement of the selectivity of ses are presented. One of them concerns an optimized cyclovoltammetric operation of these sensors, resulting in a linear increase of peak height and peak area with increasing concentrations up to 10^2 vol.-ppm for H2, O2 or CO in nitrogen based gas mixtures. Thus, hydrogen could be detected on a Pt electrode with high catalytic activity in presence of an excess of oxygen in the measuring gas. The second approach is directed on the significant improvement of selectivity by operating coulometric ses in potentiostatic mode downstream of a gas chromatographic separation unit. For H2 and CH4 this chromatographic measuring system exhibited linear operation in the concentration range from 10^-1 - 10^4 vol.-ppm and offered detection limits of 55 and 40 vol.-ppb respectively. A novel in-situ measuring system is based on continuous membrane-free extraction, followed by periodic chromatographic separation and subsequent coulometric detection by a potentiostatically operated coulometric ses. With this measuring system, traces of H2 and O2 as well as the much larger amount of generated CH4 were determined simultaneously in the digestion medium of biogas plants. It is shown that instabilities in the microbial biogas process which are caused by fermenter overfeeding can be realized on the basis of the course of dissolved hydrogen. The novel measuring system indicates these instabilities much earlier than commercially available hydrogen sensors positioned in the biogas stream. Thus, a practicable longterm-stable, robust and low-maintenance measuring system could be developed for these parameters with the use of ses. The ses equipped with platinum electrodes shows electrode blocking during the coulometric measurement of acetic acid. Infrared spectrometric investigations of the ses exhaust gas clearly indicate thermal decomposition of this analyte at 750 °C, which is accompanied with carbon film formation on the Pt electrode surface. This blockage leads to peak broadening and therefore prevents appropriate detection of carboxylic acids containing between 2 and 5 carbon atoms. It could be demonstated in this work that this detrimental thermal decomposition on the ses electrodes could be circumvented by integrating a heated Pt catalyst between separation column and ses detector. The acids decompose then at the Pt surfaces of the catalyst at 800 °C and the decomposition products are detected by ses immediatly without formation of pyrolysis products on the electrodes. By replacing the ses in the measuring system with a flame ionization detector, acetic acid could be measured with appropriate long-term stability in the digestion medium of a biogas plant over a period of eighteen days. In summary this work presents substancial contributions to the advancement of coulometric solid electrolyte sensors by lowering their detection limits, increasing their selectivity and thus broadening their application spectrum significantly.:Symbolverzeichnis 5 1 Einleitung 7 2 Grundlagen der Systemkomponenten 9 2.1 Feste Elektrolyte 9 2.1.1 Überblick 9 2.1.2 YSZ 10 2.1.2.1 Stabile Phasen von ZrO 2 10 2.1.2.2 Kristallstruktur von YSZ 12 2.1.2.3 Eigenschaften von YSZ 12 2.1.3 Leitungsprinzipien in festen Elektrolyten 13 2.1.3.1 Ladungstransport 13 2.1.3.2 Ionische Leitfähigkeit 14 2.1.3.3 Elektronische Leitfähigkeit 16 2.1.3.4 Zellströme 17 2.2 Elektrodenprozesse und -materialien 20 2.2.1 Zielstellung 20 2.2.2 Elektrodenprozesse 20 2.2.2.1 Sauerstoffreduktion 20 2.2.2.2 Wasserstoffoxidation 22 2.2.3 Katalytische Aktivität 22 2.2.4 Elektrodenmaterialien 24 2.3 Ausgewählte Messprinzipien elektrochemischer Zellen 25 2.3.1 Potentiometrie 25 2.3.2 Coulometrie 25 2.3.2.1 Betriebsweisen 25 2.3.2.2 Festelektrolyt-Coulometrie 26 2.3.2.3 Aufbau coulometrischer Festelektrolytsensoren 27 2.3.2.4 Nachweisgrenze und Fehlereinflüsse coulometrischer Festelek- trolytsensoren 28 2.3.3 Voltammetrie 35 2.3.3.1 Definition 35 2.3.3.2 Cyclovoltammetrie an Zellen mit wässrigem Elektrolyt 35 2.3.3.3 Cyclovoltammetrie an Festelektrolytzellen 37 2.3.3.4 Gepulste voltammetrische Methoden 38 2.4 Selektivität von Festelektrolytsensoren 40 2.4.1 Definition 40 2.4.2 Möglichkeiten zur Selektivitätserhöhung bei Festelektrolytsensoren 40 2.4.3 Dynamische Messmethoden 41 2.4.4 Kombination mit Gaschromatographie 41 2.5 Messung von Schlüsselparametern in Biogasmedien 43 2.5.1 Zum Biogasentstehungsprozess 43 2.5.2 Zustandsgrößen in Biogasprozessen 43 2.5.3 Stand der Literatur zur Online-Analyse in Biogasprozessen 44 2.5.4 Membranfreie Gasextraktion 46 3 Materialien und Methoden 49 4 Ergebnisse und Diskussion 53 4.1 Untersuchungen zur Nachweisgrenze coulometrischer Festelektrolytsensoren 53 4.1.1 Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses 53 4.1.1.1 Auswahl der elektronischen Sensorbeschaltung 53 4.1.1.2 Sensor mit erhöhter Temperaturstabilität 54 4.1.2 Bestimmung der elektronischen Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials 55 4.1.3 Zusammenfassung der Resultate zur Nachweisgrenze 56 4.2 Hochselektive Gasbestimmung mit YSZ-Sensoren 58 4.2.1 Zielstellung 58 4.2.2 Potentiodynamische Messmethoden 58 4.2.2.1 I-U-Kennlinien von Festelektrolytzellen 58 4.2.2.2 Untersuchungen zur Peakausbildung bei redoxaktiven Substanzen 60 4.2.2.3 Sensitivität auf oxidierbare und reduzierbare Gase 67 4.2.2.4 Zusammenfassung der voltammetrisch erlangten Resultate 75 4.2.3 Kombination des Festelektrolytsensors mit einem Gaschromatographen 77 4.2.3.1 Aufbau des Messsystems und Entstehung von Chromatogrammen 77 4.2.3.2 Qualitative Peakauswertung 78 4.2.3.3 Quantitative Peakauswertung 78 4.2.3.4 Dichtheit des Messsystems 78 4.2.3.5 Sensitivität 79 4.2.3.6 Nachweisgrenze und Langzeitstabilität 81 4.2.3.7 Wiederholgenauigkeit 84 4.2.3.8 Zusammenfassung der mit GC und coulometrischem Festelek- trolytdetektor erzielten Ergebnisse 85 4.3 Gelöstgasbestimmung mit Festelektrolytsensoren 87 4.3.1 Messprinzip 87 4.3.1.1 Herausforderung bei der Gasbestimmung in biogenen Medien 87 4.3.1.2 Membranfreie Gasextraktion 87 4.3.1.3 Trennung der extrahierten Komponenten 88 4.3.1.4 Detektion 88 4.3.2 Gelöst-H 2 -Bestimmung 89 4.3.2.1 Ziele der Entwicklung 89 4.3.2.2 Sensitivität 89 4.3.2.3 Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität 90 4.3.2.4 Temperaturabhängigkeit 91 4.3.2.5 Einfluss des Extraktionsgasvolumenstromes 92 4.3.2.6 Praxistest: Gelöst-H 2 -Bestimmung in einer Biogas-Laboranlage 93 4.3.3 Weiterentwicklung des Messsystems für die Bestimmung flüchtiger Carb- onsäuren in Flüssigkeiten 94 4.3.3.1 Ziele der Weiterentwicklung 94 4.3.3.2 Anpassung der chromatographischen Leistungsparameter 94 4.3.3.3 Vermeidung von Probenverlust durch Sorptionseffekte 95 4.3.3.4 Anreicherung der Säuren im Probengasstrom 96 4.3.3.5 Extraktionsuntersuchungen in Modellmedien 99 4.3.3.6 Praxistest: Extraktion von Essigsäure aus dem Gärmedium einer Biogas-Laboranlage 102 4.3.3.7 Weiterentwicklung des Festelektrolytsensors zur Detektion von Carbonsäuren 104 4.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse von Gelöstgasmessungen 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 5.1 Zusammenfassung 111 5.2 Ausblick 113 Literaturverzeichnis 115 Publikationen 125 Danksagung 127

Atmospheric fine particulate matter (PM2.5), which is mostly formed in the atmosphere from precursor gases, contributes to numerous environmental and health concerns. Quantifying the ambient concentrations of PM2.5 and precursor gases can be challenging. Hence, many scientific questions about the formation, chemical composition, and gas/particle partitioning of PM2.5 remain unanswered. Ambient Ion Monitor - Ion Chromatography (AIM-IC) was characterized and utilized to measure the water-soluble composition of PM2.5 (dominated by pNH4+, pSO42-, and pNO3-) and associated precursor gases (dominated by NH3(g), SO2(g), and HNO3(g)) during two field campaigns. The AIM-IC detection limits for hourly sampling were determined to be 3 - 45 ng m-3. The response time for “sticky” gases was significantly improved with a nylon denuder membrane. A novel inlet configuration for the AIM-IC, which minimizes sampling inlet losses and carryover in sample analyses, was implemented. Measurements from the BAQS-Met 2007 campaign were utilized to assess the accuracy of the AURAMS model and investigate gas/particle partitioning in SW Ontario. Due to high sulphate levels, NH3(g) was the limiting chemical factor in the formation and gas/particle partitioning of PM2.5. The errors in the predictions of relative humidity and free ammonia were responsible for the poor agreement iii between modelled and measured pNO3- values. The AIM-IC measurements from the CalNex 2010 study were compared to the CMAQ model and utilized to investigate the gas/particle partitioning in Bakersfield, CA. Very high NH3(g) concentrations were observed, and the formation and partitioning of PM2.5 was limited by HNO3(g) and H2SO4. Evidence of rapid removal of HNO3(g) by interactions with super-micron dust particles, and possibly with the alkaline surface was found. CMAQ exhibited significant biases in the predicted concentrations of pSO42-, NH3(g) and HNO3(g).

Atmospheric fine particulate matter (PM2.5), which is mostly formed in the atmosphere from precursor gases, contributes to numerous environmental and health concerns. Quantifying the ambient concentrations of PM2.5 and precursor gases can be challenging. Hence, many scientific questions about the formation, chemical composition, and gas/particle partitioning of PM2.5 remain unanswered. Ambient Ion Monitor - Ion Chromatography (AIM-IC) was characterized and utilized to measure the water-soluble composition of PM2.5 (dominated by pNH4+, pSO42-, and pNO3-) and associated precursor gases (dominated by NH3(g), SO2(g), and HNO3(g)) during two field campaigns. The AIM-IC detection limits for hourly sampling were determined to be 3 - 45 ng m-3. The response time for “sticky” gases was significantly improved with a nylon denuder membrane. A novel inlet configuration for the AIM-IC, which minimizes sampling inlet losses and carryover in sample analyses, was implemented. Measurements from the BAQS-Met 2007 campaign were utilized to assess the accuracy of the AURAMS model and investigate gas/particle partitioning in SW Ontario. Due to high sulphate levels, NH3(g) was the limiting chemical factor in the formation and gas/particle partitioning of PM2.5. The errors in the predictions of relative humidity and free ammonia were responsible for the poor agreement iii between modelled and measured pNO3- values. The AIM-IC measurements from the CalNex 2010 study were compared to the CMAQ model and utilized to investigate the gas/particle partitioning in Bakersfield, CA. Very high NH3(g) concentrations were observed, and the formation and partitioning of PM2.5 was limited by HNO3(g) and H2SO4. Evidence of rapid removal of HNO3(g) by interactions with super-micron dust particles, and possibly with the alkaline surface was found. CMAQ exhibited significant biases in the predicted concentrations of pSO42-, NH3(g) and HNO3(g).

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L’étude de la pollution troposphérique inclut l’étude des gaz traces provenant de sources anthropiquesdiverses, dont l’impact varie de l’échelle locale à globale. Pour caractériser cette pollution, il est nécessairede mesurer avec précision les concentrations en polluants. Dans le cadre de projets européens, troiscampagnes aéroportées ont été conduites, dans le bassin méditerranéen, en Afrique de l’ouest et enMalaisie, pour mesurer différents types de polluants grâce, entre autres, à un spectromètre à lasersinfrarouges, SPIRIT, capable de mesurer rapidement en ligne de faibles variations de NO2 et CO. Les jeuxde données de ces gaz traces (et d’autres) ont été combinés avec un modèle lagrangien de dispersion departicules, FLEXPART, pour identifier différentes sources de pollution locales et régionales de l’air. Cettethèse présente ainsi les mesures et le travail de modélisation entrepris afin de définir les sources depollution de chaque région. Il a été montré que le bassin méditerranéen a été impacté, de la moyenne à lahaute troposphère pendant l’été, par des émissions de feux de biomasse venant de Sibérie et du continentnord-américain. Les régions ouest-africaine et malaisienne sont aussi impactées par des émissions de feuxde biomasse transportées depuis l’Afrique centrale dans le premier cas, et de feux locaux dans le second.En outre, ces régions sont influencées par des émissions provenant de l’exploitation du pétrole et du traficmaritime. FLEXPART a été utilisé afin d’identifier l’origine des pics de pollution mesurés au cours descampagnes. Nous avons ainsi montré que les conditions atmosphériques, qui définissent la hauteurd’injection du panache de la plateforme pétrolière, ainsi que le flux d’émission sont des paramètres clésdans la caractérisation des mesures par le modèle. / The study of tropospheric pollution includes the study of trace gases coming from various anthropogenicsources that can impact scales ranging from local to global. To characterise this pollution, it is necessary tobe able to measure with precision pollutant concentrations. Within the frame of European projects, threeairborne campaigns in the Mediterranean Basin, in West Africa and in Malaysia were conducted to measuredifferent types of pollutants thanks to, among others, an infrared laser spectrometer, SPIRIT, able to rapidlymeasure on-line small variations in NO2 and CO. The data sets of these trace gases (and others) have beencombined with a Lagrangian model of particle dispersion, FLEXPART, to fingerprint different sources of localand regional air pollution. Thus, this thesis presents the measurements and the modelling work undertakenin order to define the sources of pollution of each region. It has been shown that the Mediterranean Basinwas impacted, in the mid to upper troposphere during summer, by biomass burning emissions coming fromSiberia and the Northern American continent. West African and Malaysian regions are also impacted bybiomass burning emissions transported from central Africa in the first case, and from local fires in thesecond. In addition, those regions are influenced by emissions coming from oil exploitation and maritimetraffic. FLEXPART was used in order to identify the origin of the pollution peaks measured during thecampaigns. It has been shown that atmospheric conditions, which define the injection height of the oilplatform plume, and also the emission flux are key parameters in the characterisation of the measurementsby the model.