The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

Der integrierte Gas-Dampf (GiD-) Prozess mit Wasserrückgewinnung ist ein flexibler Kraft-Wärme-Kopplungsprozess, der die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme teilweise entkoppeln kann. Der effiziente und sparsame Einsatz von fossilen Brennstoffen ist aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht geboten. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, ist eine Möglichkeit dafür. Allerdings erfordert die KWK auch eine gleichzeitige Abnahme von Strom und Wärme beziehungsweise deren Speicherung. Sowohl Strom als auch Prozessdampf lassen sich nur aufwendig und damit relativ teuer speichern, weshalb Alternativen gefragt sind. Der GiD-Prozess besteht aus einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abhitzedampfkessel. Die Gasturbine verfügt als Besonderheit über eine Dampfinjektion, die vor, nach oder direkt in die Brennkammer erfolgen kann. Der Abhitzekessel hat zusätzliche Wärmeübertragerflächen um das Abgas bis unter den Taupunkt abzukühlen. Somit kann ein Teil des injizierten Dampfes aus dem Abgas zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Der in die Gasturbine injizierte Dampf führt dieser weitere Energie zu. Diese kann entweder zur Leistungssteigerung der Anlage oder zur Reduzierung des fossilen Brennstoffbedarfes genutzt werden. Die erste Option der Leistungssteigerung ist auch als Cheng-Prozess bekannt. Diese Arbeit widmet sich der weniger untersuchten zweiten Möglichkeit der Brennstoffreduzierung. Beim Vergleich des GiD-Prozesses mit verschiedenen anderen Kraftwerks-Prozessen zeigt sich, dass dieser besonders gut für industrielle Anlagen mit Prozessdampfbedarf und einer elektrischen Leistung kleiner 20 MW el geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GiD-Prozess mittels einer Versuchsanlage auf Basis einer Industriegasturbine mit 650 kW el untersucht. Die Arbeit dokumentiert verschiedene Versuchsfahrten und Untersuchungen an dieser Anlage. Die Injektion von Dampf reduziert die Schadstoffemissionen in den zulässigen Bereich und kann sehr flexibel zu einer Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von bis zu zwei Prozent führen. Dabei wird der Dampf sehr gleichmäßig in die Versuchsanlage eingebracht, so dass keine signifikanten Änderungen der Abgastemperaturverteilung erkennbar sind. Die Überhitzung des Dampfes kann zu einer weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades führen. Die Rückgewinnung des eingebrachten Dampfes ist mit den entsprechenden Wärmeübertragern möglich. Das zurückgewonnene Wasser ist durch die Stickoxide des Abgases verunreinigt und muss entsprechend aufbereitet werden.

In ariden Gebieten tritt Schwefelwasserstoff häufig im Grundwasser auf, wodurch dessen Nutzung für die Trinkwassergewinnung aufgrund des störenden Geruchs und Geschmacks stark beeinträchtigt wird. Die in der Praxis oft eingesetzte Belüftung erweist sich zumeist als ineffizient und führt zu Geruchsbelästigungen in der Umgebungsluft. Das Ziel der Arbeit, die im Rahmen eines deutsch-israelischen Forschungsprojekts angefertigt wurde, bestand darin, einen wirksamen und für den praktischen Einsatz bei der Wasseraufbereitung geeigneten Katalysator zur Entfernung von Schwefelwasserstoff zu entwickeln, hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter und relevanter Randbedingungen durch systematische Batch- und Säulenversuche zu erproben und zu optimieren. Wichtige Kriterien zur Charakterisierung der Katalysatoren waren die Kinetik des Sulfidumsatzes, die Langzeitstabilität und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte. Die Nachahmung natürlich vorkommender Strukturen (z. B. Häm-Gruppe) und deren Anpassung an eine katalytische Sulfidoxidation war der Grundgedanke am Anfang der Arbeit. Entsprechende Materialien, organische Metallkomplexe (Porphyrine) auf Kohlenstoffträgern (Acetylen Black), wurden bereits erfolgreich bei der Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen eingesetzt. Cobalttetraphenylporphyrin (CoTPP) zeigte von allen getesteten Materialien die beste katalytische Wirksamkeit zur Sulfidoxidation. Die Sulfidumsetzung lief sowohl bei höheren pH-Werten als auch mit zunehmender Temperatur schneller ab. Anhand von Untersuchungen zum Einfluss des pH-Werts konnte bestätigt werden, dass eine katalytische Wirksamkeit nur für die Oxidation der Sulfid-Spezies HS- und S2- besteht. Mit Aktivkohle konnte ebenfalls eine katalytische Sulfidumsetzung erzielt werden, jedoch lag die Aktivität hier im Vergleich zum CoTPP deutlich niedriger. Bei allen getesteten katalytisch wirksamen Materialien entstand als vorrangiges Reaktionsprodukt Schwefel, gebildete Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen wie Sulfat und Thiosulfat waren von untergeordneter Bedeutung. Die Untersuchungen zeigten, dass Acetylen Black aufgrund der sehr geringen Teilchengröße technisch kaum einsetzbar ist, weshalb weitere Trägermaterialien erprobt wurden. Im Gegensatz zu Aktivkohle oder Anthrazit erwiesen sich Weichfilze, insbesondere der Sigratherm Kohlenstoff-Weichfilz (KFA-Filz), als sehr gut geeignete Trägermaterialien. Beim Einsatz von Aktivkohle lagerte sich der gebildete Schwefel in den Porenräumen ab, was zu einer erheblichen Verringerung der katalytischen Aktivität führte. Dagegen wurde unter Verwendung des modifizierten Filzmaterials auch bei sehr langen Laufzeiten (bis 3000 Stunden) keine Abnahme der katalytischen Wirksamkeit beobachtet. Durch diese Katalysatormatrix konnte somit die Deaktivierung des Katalysators durch elementaren Schwefel verhindert werden. Bei abschließenden Versuchen unter Verwendung einer kleintechnischen Versuchsanlage konnte gezeigt werden, dass der Katalysator für den großtechnischen Einsatz geeignet ist. Im Vergleich zur Aktivkohle sind zwar größere Investitionskosten notwendig, andererseits können mit dem CoTPP-Material deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Aufgrund seiner guten technischen Handhabbarkeit ist der modifizierte KFA-Filz sowohl in kleinen dezentralen Anlagen (ländliche Siedlungen) als auch in größeren Wasserwerken einsetzbar. Zusätzliche Chemikalien sind für den Betrieb eines solchen Filters nicht erforderlich. Eine weitere Verbesserung der Sulfidentfernung wird bei langen Filterlaufzeiten durch sulfidoxidierende Bakterien bewirkt. Das Ziel, einen effizienten, technisch einsetzbaren Katalysator zur oxidativen Sulfidentfernung aus Wässern zu entwickeln, wurde somit erreicht. / Hydrogen sulfide often occurs in groundwater of arid areas. Because of its malodour, H2S containing water cannot be used as drinking water without treatment. Aeration as the most common treatment technique is less effective and leads to nasty odour of ambient air. Catalytic oxidation could be an alternative. The aim of this work was to develop and to optimize a technically applicable oxidation catalyst as well as to test its applicability under practical conditions. Various N4-chelates (e. g. porphyrins), which are frequently used for the reduction of oxygen in fuel cells, were evaluated for catalytic oxidation of sulfide at selected boundary conditions and process parameters using batch and column experiments. The new catalysts should be characterized in comparison with other materials. The oxidation kinetics, the long-time stability of the catalyst and the composition of oxidation products were the main criteria used for catalyst assessment. Cobalt tetraphenylporphyrin (CoTPP) showed the highest catalytic activity of all tested materials. The rate of sulfide transformation increased significantly with increasing temperature and at pH values higher than 6. A catalyst suitable for technical use in fixed-bed reactors was obtained by coating of a supporting material (carbon felt KFA) with the active substance. For all investigated materials, sulfur was found to be the main reaction product of the sulfide oxidation. In contrast to activated carbon, which showed catalytic activity for sulfide oxidation too, modified KFA felt materials were not blocked and deactivated by formed sulfur, even after long-term use. The new catalyst is well qualified for a stable oxidation of sulfide in water. In comparison to activated carbon, higher investment costs are required, but the carbon felt supported porphyrin has a significant longer lifetime. Because of its easy use, modified KFA felt is applicable both in small local plants and in large waterworks. There is no necessity to add chemicals or to install complex control equipment. As a positive side-effect, further improvement of sulfide elimination caused by sulfide-oxidizing bacteria was found during long filter run times.

Through progressive industrialization and the relentless consumption of natural raw materials, man is exerting a negative influence on his habitat. In particular, water as the basis of life and almost all processes of our economy is contaminated by various pollutants due to excessive use and insufficient purification. Here, oxyanions, heavy metal ions and organic pollutants pose a high risk to aquatic habitats and ultimately to humans. Due to insufficient removal, they also contribute to the loss of non-renewable raw materials for industrial cycles. Due to a mostly low effect concentration and potential interactions with diverse living organisms, the removal of many contaminants is extremely important to avoid further altering existing ecosystems. Adsorption represents an energy-efficient method of removal using adsorbents suitable for this purpose. Highly cross-linked resin polymers such as poly(melamine-co-formaldehyde) (PMF) with its excellent chemical resistance, high number of functional groups and ease of preparation, represent promising starting points for adsorbents. This dissertation describes the colloidal aqueous synthesis of nanoporous resin particles (e.g. PMF) by templating with SiO2 nanoparticles (SiO2 NPs), which are subsequently used to adsorb water pollutants. An overall goal of this work consists of elucidating the mechanism for particle and pore formation by systematically varying various synthesis parameters. Electron microscopy, N2-soprtion and particle size measurement are used to analyze the morphology, size and pore structure of the particles. Comprehensive investigations thus allow to determine the influence of each tested synthesis parameter on these properties. A very important goal, especially for future large-scale applicability, is the colloidal production of uniform particles, which have both a high ordered porosity and particle diameters in the range of a few micrometers. This enables an application as a fixed-bed adsorber that can be flowed through. This goal is closely linked to the mechanistic elucidation of pore and particle formation in the synthesis. The prepared nanoporous PMF particles were tested for various adsorption applications after their characterization. In order to obtain a comprehensive picture of the applicability of PMF particles, experiments with oxyanions, with pharmaceuticals as representatives of organic pollutants and with heavy metal ions will be carried out respectively. On the one hand, these experiments will focus on investigating the adsorption performance and mechanism of PMF with the respective pollutant. On the other hand, the influence of the changed porosity on the adsorption mechanism is investigated by using different particles of a varied synthesis parameter. Sulfate and phosphate ions were investigated in the oxyanion class. Extremely high separation rates were demonstrated for both ions, significantly outperforming previous commercially available materials. In experiments concerning a potential selective adsorption and thus separation of both species, the PMF/SiO2 hybrid particles, in which the template had not yet been removed, showed a selective sulfate adsorption. The immobilization of heavy metal ions was analyzed with special focus on the simultaneous separation of the Cu2+ ions and respective anions used here. Investigations of the adsorbent after the adsorption experiments by means of electron microscopy, X-ray scattering and electron spin resonance spectroscopy elucidated the adsorption mechanism, which had been insufficiently analyzed so far. Here, adsorption and surface-induced precipitation were identified as partially separate subprocesses, both of which are responsible for the separation of both metal and anions from solution. In adsorption experiments with the monovalent ions nitrate and chloride, a two-step uptake process was identified, which was mathematically described for the first time via a new adsorption isotherm. In the scope of organic water pollutants, the separation of the pharmaceutical diclofenac is being tested. In particular, the adsorption of pharmaceuticals is an urgent issue due to their low effect concentration and ubiquity in surface and tap waters. Pharmaceutical separation using PMF has hardly been investigated worldwide despite its promising properties. In these experiments, particles templated with SiO2 NPs of different sizes and stabilized in different ways were tested. This resulted in pore systems that varied from each other especially in their accessibility of the pore system and in the diameter of the connecting channels between the main cavities. These characteristics significantly affected the adsorption capacity and separation rates in low concentration range. A final goal is to synthesize a resin network that uses an equally highly functional triazine-based monomer instead of melamine. The monomer 2,4,6-tris(2,4,6-trihydroxyphenyl)-1,3,5-triazine (3PT) possesses nine hydroxyl groups each, whereby a polymer based on it should exhibit strongly modified adsorption properties compared to PMF. This monomer was used in an aqueous polymerization analogous to PMF to produce a previously unknown polymer network, which was designated P(3PT-F). Here, templating was omitted because the newly prepared material already exhibited intrinsic nanoporosity due to the size of the 3PT monomer. In subsequent adsorption experiments, very high separation rates were demonstrated for the toxic metal ions Pb2+, Cd2+ and Ni2+. In realistic initial concentrations, the contamination was reduced to drinking water quality in each case. P(3PT-F) also showed highly selective removal of Pb2+ over the common ions Ca2+, Mg2+, K+ and Fe2+. As fundamental evidence, reusability was also demonstrated by complete desorption with dilute HCl and subsequent re-adsorption without significant reduction in capacity. Overall, starting from the fundamental study of PMF particle synthesis, a more general understanding of aqueous dispersion polymerization of hydrophobic resins was first derived and templating with hydrophilic SiO2 NPs was implemented. With the help of understanding the particle growth processes and interactions responsible for templating, the properties of the resulting particles could be controlled. Subsequently, the influence of the changed porosity in particular on the separation performance could be investigated in the adsorption studies. In addition, it was possible to analyze which interactions PMF enters into with the respective pollutant types. By replacing the monomer melamine with a hydroxyl-containing monomer, a novel resin polymer could be produced. With its altered porosity and reactivity, this can now serve as a new starting point for adsorption experiments with strongly altered adsorption performance, e.g. towards heavy metal ions.:Abstract 1 Kurzfassung 5 List of Publications 9 First-Author Publications 9 Co-Author Publications 10 Patent 12 Conference Proceedings 12 Oral Presentations 12 Poster 12 List of Figures 13 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal: 14 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal: 15 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles: 16 SiO2 Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles: 18 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions: 19 List of Tables 21 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal: 21 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal: 21 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles: 22 SiO2 Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles: 22 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions: 23 Abbreviations 25 Symbols 26 1. Introduction 1 2. Objectives and Experimental Design 5 3. Scientific Background 11 3.1. Poly(melamine-co-formaldehyde) 11 3.1.1. Polymerization Mechanism 11 3.1.2. Synthesis Strategies for the Preparation of Porous PMF Particles. 13 3.1.3. Fields of Application of PMF 13 3.2. Adsorption 15 3.2.1. Adsorption Isotherms and Mathematical Modeling 16 3.3. Surface Precipitation 20 4. Fundamentals of Instrumental Analytics 23 4.1. Gas Sorption Measurements 23 4.1.1. Determination of Pore Sizes 26 4.1.2. Determination of Specific Surface Area 27 4.2. Transmission Electron Microscopy 29 4.3. Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy 31 Results and Discussion 33 Chapter Overview 33 5. Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal 37 Graphical Abstract 37 Abstract 37 1. Introduction 38 2. Results and Discussion 39 2.1. Synthesis and Characterization of the PMF Particles 40 2.2. Sorption Experiments 47 3. Materials and Methods 54 3.1. Materials 54 3.2. Methods 54 3.3. Synthesis of the PMF Particles 56 3.4. Water Treatment Experiments 57 4. Conclusions 59 6. Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal 65 Graphical Abstract 65 Abstract 65 1. Introduction 66 2. Materials 68 3. Methods 68 3.1. Synthesis of the PMF particles 70 3.2. Water treatment experiments with diclofenac solution 72 3.3. Theoretical model 72 3. Results and Discussion 73 3.1. Synthesis and characterization of the PMF particles 74 3.2. Adsorption of Pharmaceutics 80 4. Conclusion 84 7. Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles 89 Graphical Abstract 89 Abstract 89 1. Introduction 90 2. Materials and methods 91 2.1. Materials 91 2.2. Synthesis of the Poly(melamine-co-formaldehyde) particles 92 2.3. Methods 93 2.4. Water treatment experiments 96 3. Results and discussion 97 3.1. Synthesis and characterization of the PMF particles 98 3.2. Cu2+ uptake experiments 102 3.3. Mechanism for Cu2+ and Anion Removal 115 3.4. Investigation of other heavy metal salts 116 4. Conclusions 117 8. SiO₂ Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles 121 Graphical Abstract 121 Abstract 121 1. Introduction 122 2. Materials and methods 123 2.1. Materials 123 2.2. Methods 124 2.3. Synthesis of the PMF particles 125 2.4. Water treatment experiments 128 2.5. Theoretical model 129 3. Results and Discussion 132 3.1. PMF-Std 133 3.2. Influence of the reaction mixture composition 136 3.3. Variation of the process parameters 140 3.4. Conclusion on the templating mechanism for PMF-Std 146 3.5. Acquiring µm-sized porous PMF particles for adsorption application 149 3.6. Adsorption experiments with K2Cr2O7 solution 151 4. Conclusion 155 9. Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions 161 Graphical Abstract 161 Abstract 161 1. Introduction 162 2. Materials and methods 163 2.1. Materials 163 2.2. Synthesis 164 2.3. Characterization 166 2.4. Batch adsorption experiments 169 2.5. Calculation and theoretical models 170 3. Results and discussion 172 3.1. Synthesis and characterization of the polymer particles 172 3.2. Adsorption experiments with Ni2+, Cd2+, and Pb2+ onto P(3PT-F)-3L 178 4. Conclusions 184 10. Conclusion and Outlook 191 Contribution to Publications 197 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal 197 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal 198 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles 199 SiO₂ Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles 200 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions 201 Danksagung 203 Appendix 205 References 207 Eidesstattliche Versicherung 217 / Durch fortschreitende Industrialisierung und den schonungslosen Verbrauch natürlicher Rohstoffe übt der Mensch negativen Einfluss auf seinen Lebensraum aus. Insbesondere Wasser als Grundlage des Lebens und fast aller Prozesse unserer Wirtschaft wird durch eine übermäßige Nutzung und unzureichende Reinigung mit diversen Schadstoffen kontaminiert. Hierbei stellen Oxyanionen, Schwermetallionen und organische Schadstoffe ein hohes Risiko für aquatische Lebensräume und letztendlich auch den Menschen dar. Durch unzureichende Entfernung tragen sie außerdem zum Verlust nicht-erneuerbarer Rohstoffe für industrielle Kreisläufe bei. Durch eine meist geringe Effektkonzentration und potentielle Wechselwirkungen mit diversen Lebewesen ist die Entfernung vieler Verunreinigungen extrem wichtig, um bestehende Ökosysteme nicht weiter zu verändern. Adsorption stellt eine energieeffiziente Methode zur Entfernung dieser Schadstoffe durch hierfür geeignete Adsorbentien dar. Hochgradig vernetzte Harzpolymere wie Poly(melamin-co-formaldehyd) (PMF) stellen mit ihrer sehr hohen chemischen Beständigkeit, einer hohen Zahl funktioneller Gruppen und einfachen Herstellbarkeit einen vielversprechenden Ausgangspunkt für Adsorbentien dar. Diese Dissertation beschreibt die kolloidale, wässrige Synthese nanoporöser Harzpartikel (z. B. PMF) durch eine Templatierung mit SiO2 Nanopartikeln (SiO2 NPs), welche anschließend zur Adsorption von Wasserschadstoffen eingesetzt werden. Ein übergeordnetes Ziel dieser Arbeit besteht aus der Aufklärung des Mechanismus zur Partikel- und Porenbildung durch systematische Variation verschiedener Syntheseparameter. Mittels Elektronenmikroskopie, N2-Sorption und Partikelgrößenmessung wird die Morphologie, Größe und Porenstruktur der Partikel analysiert. Umfassende Untersuchungen ermöglichen somit, den Einfluss der einzelnen getesteten Syntheseparameter auf diese Eigenschaften zu bestimmen. Ein sehr wichtiges Ziel, besonders für eine zukünftige großtechnische Anwendbarkeit, ist dabei die kolloidale Herstellung uniformer Partikel, welche sowohl eine hohe geordnete Porosität als auch Partikeldurchmesser im Bereich einiger Mikrometer aufweisen. Dies ermöglicht einen Einsatz als durchströmbaren Festbett-Adsorber. Dieses Ziel ist eng mit der mechanistischen Aufklärung der Poren- und Partikelbildung in der Synthese verknüpft. Die hergestellten nanoporösen PMF-Partikel wurden nach ihrer Charakterisierung für verschiedene Adsorptionsanwendungen getestet. Um ein umfassendes Bild über die Einsetzbarkeit von PMF-Partikeln zu erhalten, sollen jeweils Versuche mit Oxyanionen, mit Schwermetallionen und mit Pharmazeutika als Vertreter organischer Schadstoffe durchgeführt werden. Bei diesen Versuchen steht zum einen die Untersuchung der Adsorptionsleistung und des Adsorptionsmechanismus des jeweiligen Schadstoffes an PMF im Vordergrund. Zum anderen wird durch die Verwendung verschiedener Partikel, bei welchen ein einzelner Syntheseparameter variiert wurde, der Einfluss der veränderten Porosität auf den Adsorptionsmechanismus untersucht. Sulfat- und Phosphationen wurden in der Klasse der Oxyanionen untersucht. Für beide Ionen wurden extrem hohe Abtrennraten nachgewiesen, welche bisherige kommerziell erhältliche Materialien signifikant übertraf. In Versuchen hinsichtlich einer potentiellen selektiven Adsorption und somit Trennung beider Spezies, zeigten die PMF/SiO2-Hybridpartikel, bei welchen das Templat noch nicht entfernt wurde, eine selektive Sulfatadsorption. Die Immobilisierung von Schwermetallionen wurde mit besonderem Fokus auf die gleichzeitig auftretende Abtrennung der dafür verwendeten Cu2+-Ionen und jeweiliger Anionen analysiert. Durch Untersuchungen des Adsorbens nach den Adsorptionsversuchen mittels Elektronenmikroskopie, Röntgenstreuung und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie wurde der bisher unzureichend analysierte Adsorptionsmechanismus aufgeklärt. Hierbei wurden Adsorption und oberflächeninduzierte Fällung als separate Teilprozesse identifiziert, welche beide jeweils für die Abscheidung von sowohl Metall- als auch Anionen aus der Lösung verantwortlich sind. Bei Adsorptionsversuchen mit den einwertigen Ionen Nitrat und Chlorid wurde ein zweistufiger Prozess identifiziert, welcher erstmals über eine neue Adsorptionsisotherme mathematisch beschrieben wurde. Im Bereich organischer Wasserschadstoffe wird die Abtrennung des Pharmazeutikums Diclofenac getestet. Insbesondere die Adsorption von Pharmazeutika stellt aufgrund von deren geringen Effektkonzentration und Allgegenwärtigkeit in Oberflächen- und Leitungswässern ein dringliches Thema dar. Die Pharmazeutika-Abtrennung mittels PMF wurde trotz seiner vielversprechenden Eigenschaften weltweit bisher kaum untersucht. Im Rahmen dieser Versuche wurden Partikel getestet, welche mit unterschiedlich großen und unterschiedlich stabilisierten SiO2 NPs templatiert wurden. Dadurch entstanden Porensysteme, die besonders in derer Zugänglichkeit ihres Porensystems und in dem Durchmesser der Verbindungskanäle zwischen den Hauptkavitäten voneinander variierten. Diese Eigenschaften wirkten sich signifikant auf die Adsorptionskapazität und die Abtrennraten im niedrigen Konzentrationsbereich aus. Ein abschließendes Ziel ist die Synthese eines Harznetzwerkes, welches statt Melamin auf einem ebenso hochfunktionellen, triazinbasierten Monomer basiert. Das Monomer 2,4,6-Tris(2,4,6-trihydroxyphenyl)-1,3,5-triazin (3PT) besitzt jeweils neun Hydroxylgruppen, wodurch ein darauf basierendes Polymer stark veränderte Adsorptionseigenschaften gegenüber PMF aufweisen soll. Mit diesem Monomer wurde in einer analog zu PMF durchgeführten wässrigen Polymerisation ein bisher unbekanntes Polymernetzwerk hergestellt, welches als P(3PT-F) bezeichnet wurde. Hierbei wurde auf Templatierung verzichtet, da das neu hergestellte Material bereits intrinsische Nanoporosität durch die Größe des verwendeten 3PT-Monomers aufwies. In anschließenden Adsorptionsversuchen wurden sehr hohe Abtrennraten für die toxischen Metallion Pb2+, Cd2+ und Ni2+ nachgewiesen. In realistischen Ausgangskonzentrationen wurde die Kontamination mit diesen Ionen jeweils auf Trinkwasserqualität reduziert. P(3PT-F) zeigte außerdem eine sehr selektive Abtrennung von Pb2+ gegenüber den häufig vorkommenden Ionen Ca2+, Mg2+, K+ und Fe2+. Als grundlegender Beweis konnte eine Wiederverwendbarkeit durch die vollständige Desorption mit verdünnter HCl gezeigt werden und eine anschließende erneute Adsorption ohne signifikante Verringerung der Kapazität. Insgesamt wurde ausgehend von der grundlegenden Untersuchung der PMF-Partikelsynthese erst ein generelleres Verständnis der wässrigen Dispersionspolymerisation hydrophober Harze abgeleitet und die Templatierung mit hydrophilen SiO2 NPs implementiert. Mithilfe des Verständnisses der Partikelwachstumsprozesse und der Wechselwirkungen, welche für die Templatierung verantwortlich sind, konnten die Eigenschaften der entstehenden Partikel gesteuert werden. Im Rahmen der Adsorptionsuntersuchungen konnte anschließend der Einfluss insbesondere der veränderten Porosität auf die Abtrennleistung untersucht werden. Außerdem konnte analysiert werden, welche Wechselwirkungen PMF mit den jeweiligen Schadstoffarten eingeht. Durch den Austausch des Monomers Melamin gegen das hydroxylhaltiges Monomer 3PT konnte ein neuartiges Harzpolymer hergestellt werden. Dieses kann mit seiner veränderten Porosität und Reaktivität nun als neuer Ausgangspunkt für Adsorptionsexperimente mit stark veränderter Adsorptionsleistung z. B. gegenüber Schwermetallionen dienen.:Abstract 1 Kurzfassung 5 List of Publications 9 First-Author Publications 9 Co-Author Publications 10 Patent 12 Conference Proceedings 12 Oral Presentations 12 Poster 12 List of Figures 13 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal: 14 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal: 15 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles: 16 SiO2 Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles: 18 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions: 19 List of Tables 21 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal: 21 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal: 21 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles: 22 SiO2 Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles: 22 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions: 23 Abbreviations 25 Symbols 26 1. Introduction 1 2. Objectives and Experimental Design 5 3. Scientific Background 11 3.1. Poly(melamine-co-formaldehyde) 11 3.1.1. Polymerization Mechanism 11 3.1.2. Synthesis Strategies for the Preparation of Porous PMF Particles. 13 3.1.3. Fields of Application of PMF 13 3.2. Adsorption 15 3.2.1. Adsorption Isotherms and Mathematical Modeling 16 3.3. Surface Precipitation 20 4. Fundamentals of Instrumental Analytics 23 4.1. Gas Sorption Measurements 23 4.1.1. Determination of Pore Sizes 26 4.1.2. Determination of Specific Surface Area 27 4.2. Transmission Electron Microscopy 29 4.3. Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy 31 Results and Discussion 33 Chapter Overview 33 5. Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal 37 Graphical Abstract 37 Abstract 37 1. Introduction 38 2. Results and Discussion 39 2.1. Synthesis and Characterization of the PMF Particles 40 2.2. Sorption Experiments 47 3. Materials and Methods 54 3.1. Materials 54 3.2. Methods 54 3.3. Synthesis of the PMF Particles 56 3.4. Water Treatment Experiments 57 4. Conclusions 59 6. Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal 65 Graphical Abstract 65 Abstract 65 1. Introduction 66 2. Materials 68 3. Methods 68 3.1. Synthesis of the PMF particles 70 3.2. Water treatment experiments with diclofenac solution 72 3.3. Theoretical model 72 3. Results and Discussion 73 3.1. Synthesis and characterization of the PMF particles 74 3.2. Adsorption of Pharmaceutics 80 4. Conclusion 84 7. Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles 89 Graphical Abstract 89 Abstract 89 1. Introduction 90 2. Materials and methods 91 2.1. Materials 91 2.2. Synthesis of the Poly(melamine-co-formaldehyde) particles 92 2.3. Methods 93 2.4. Water treatment experiments 96 3. Results and discussion 97 3.1. Synthesis and characterization of the PMF particles 98 3.2. Cu2+ uptake experiments 102 3.3. Mechanism for Cu2+ and Anion Removal 115 3.4. Investigation of other heavy metal salts 116 4. Conclusions 117 8. SiO₂ Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles 121 Graphical Abstract 121 Abstract 121 1. Introduction 122 2. Materials and methods 123 2.1. Materials 123 2.2. Methods 124 2.3. Synthesis of the PMF particles 125 2.4. Water treatment experiments 128 2.5. Theoretical model 129 3. Results and Discussion 132 3.1. PMF-Std 133 3.2. Influence of the reaction mixture composition 136 3.3. Variation of the process parameters 140 3.4. Conclusion on the templating mechanism for PMF-Std 146 3.5. Acquiring µm-sized porous PMF particles for adsorption application 149 3.6. Adsorption experiments with K2Cr2O7 solution 151 4. Conclusion 155 9. Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions 161 Graphical Abstract 161 Abstract 161 1. Introduction 162 2. Materials and methods 163 2.1. Materials 163 2.2. Synthesis 164 2.3. Characterization 166 2.4. Batch adsorption experiments 169 2.5. Calculation and theoretical models 170 3. Results and discussion 172 3.1. Synthesis and characterization of the polymer particles 172 3.2. Adsorption experiments with Ni2+, Cd2+, and Pb2+ onto P(3PT-F)-3L 178 4. Conclusions 184 10. Conclusion and Outlook 191 Contribution to Publications 197 Mesoporous Poly(Melamine-co-Formaldehyde) Particles for Efficient and Selective Phosphate and Sulfate Removal 197 Tuning the Pore Structure of Templated Mesoporous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles toward Diclofenac Removal 198 Adsorption vs. Surface Precipitation of Cu²+ onto Porous Poly(melamine-co-formaldehyde) Particles 199 SiO₂ Nanospheres as Surfactant and Template in Aqueous Dispersion Polymerizations Yielding Nanoporous Resin Particles 200 Waterborne Phenolic, Triazine-Based Porous Polymer Particles for the Removal of Nickel, Cadmium, and Lead Ions 201 Danksagung 203 Appendix 205 References 207 Eidesstattliche Versicherung 217

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten der Stabilisierung und die photokatalytische Aktivität von Polymorphen des Bismut(III)-oxids, synthetisiert ausgehend von nanoskaligen, polynuklearen Bismutoxidoclustern, beschrieben. Hydrolyse- und Kondensationsstudien werden mit dem Ziel der Aufklärung von Bildungsprozessen von Bismutoxidoclustern ausgehend von bismutnitrat- und bismutsilanolathaltigen Lösungen durchgeführt. Basierend auf polynuklearen Modellverbindungen wird durch deren Hydrolyse und anschließende thermische Behandlung die Darstellung von Nanopartikeln von verschiedenen Polymorphen des Bismut(III)-oxids erreicht. Die Reaktivität der synthetisierten β Bi2O3 Nanopartikel wird zur Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp ausgenutzt. Diese Verbindungen sind isostrukturell zum metastabilen γ-Bi2O3. Die isolierten oxidischen Materialien weisen eine hohe photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Rhodamin B Lösungen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf. Für die β Bi2O3 Nanopartikel wird ebenso die photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Farbstofflösungen von Indigokarmin, Orange G, Methylorange und Methylenblau sowie wässrigen Schadstofflösungen von Phenol, 4-Chlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 4-Nitrophenol, Triclosan und Ethinylestradiol beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte unter anderem mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, FTICR-ESI-Massenspektrometrie, UV/Vis-, Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden. / The present essay describes the stabilization and photocatalytic activity of different polymorphs of bismuth(III) oxide which were prepared starting from nanoscaled, polynuclear bismuth oxido clusters. Hydrolysis and condensation processes of bismuth nitrate as well as bismuth silanolates in solution were performed to provide an insight into the formation process of bismuth oxido clusters. Nanoparticles of different polymorphs of bismuth(III) oxide were obtained by hydrolysis, followed by annealing steps at temperatures of 370 °C and 600 °C starting from polynuclear bismuth compounds, respectively. The high reactivity of the as-prepared β-Bi2O3 nanoparticles was used to synthesize sillenite-type compounds at rather low temperatures which are isostructural to metastable γ-Bi2O3. The isolated oxidic materials show promising photocatalytic activities exemplified by the degradation of aqueous Rhodamine B solutions under visible light irradiation. Additionally, the β- Bi2O3 nanoparticles were tested in photodegradation processes of aqueous solutions containing different dyes such as indigo carmine, orange G, methyl orange and methylene blue as well as typical organic pollutants such as phenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 4-nitrophenol, triclosan and ethinyl estradiol. The characterization of the as-prepared materials was performed using single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy, FTICR- electrospray ionization mass spectrometry, UV/Vis-, IR- and Raman spectroscopy, electron microscopy, nitrogen physisorption as well as thermal analyses.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten der Stabilisierung und die photokatalytische Aktivität von Polymorphen des Bismut(III)-oxids, synthetisiert ausgehend von nanoskaligen, polynuklearen Bismutoxidoclustern, beschrieben. Hydrolyse- und Kondensationsstudien werden mit dem Ziel der Aufklärung von Bildungsprozessen von Bismutoxidoclustern ausgehend von bismutnitrat- und bismutsilanolathaltigen Lösungen durchgeführt. Basierend auf polynuklearen Modellverbindungen wird durch deren Hydrolyse und anschließende thermische Behandlung die Darstellung von Nanopartikeln von verschiedenen Polymorphen des Bismut(III)-oxids erreicht. Die Reaktivität der synthetisierten β Bi2O3 Nanopartikel wird zur Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp ausgenutzt. Diese Verbindungen sind isostrukturell zum metastabilen γ-Bi2O3. Die isolierten oxidischen Materialien weisen eine hohe photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Rhodamin B Lösungen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf. Für die β Bi2O3 Nanopartikel wird ebenso die photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Farbstofflösungen von Indigokarmin, Orange G, Methylorange und Methylenblau sowie wässrigen Schadstofflösungen von Phenol, 4-Chlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 4-Nitrophenol, Triclosan und Ethinylestradiol beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte unter anderem mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, FTICR-ESI-Massenspektrometrie, UV/Vis-, Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257 / The present essay describes the stabilization and photocatalytic activity of different polymorphs of bismuth(III) oxide which were prepared starting from nanoscaled, polynuclear bismuth oxido clusters. Hydrolysis and condensation processes of bismuth nitrate as well as bismuth silanolates in solution were performed to provide an insight into the formation process of bismuth oxido clusters. Nanoparticles of different polymorphs of bismuth(III) oxide were obtained by hydrolysis, followed by annealing steps at temperatures of 370 °C and 600 °C starting from polynuclear bismuth compounds, respectively. The high reactivity of the as-prepared β-Bi2O3 nanoparticles was used to synthesize sillenite-type compounds at rather low temperatures which are isostructural to metastable γ-Bi2O3. The isolated oxidic materials show promising photocatalytic activities exemplified by the degradation of aqueous Rhodamine B solutions under visible light irradiation. Additionally, the β- Bi2O3 nanoparticles were tested in photodegradation processes of aqueous solutions containing different dyes such as indigo carmine, orange G, methyl orange and methylene blue as well as typical organic pollutants such as phenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 4-nitrophenol, triclosan and ethinyl estradiol. The characterization of the as-prepared materials was performed using single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy, FTICR- electrospray ionization mass spectrometry, UV/Vis-, IR- and Raman spectroscopy, electron microscopy, nitrogen physisorption as well as thermal analyses.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257

Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendung tomographischer und bildverarbeitender Methoden an Partikelabscheidungen in Filterschüttungen. Im betrachteten Tiefenfilter wird dabei der besonders praxisrelevante Fall abstoßender Wechselwirkung zwischen der Filterkorn-Oberfläche und Kolloid realisiert. Die durch Röntgentomographie erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze werden unter Zuhilfenahme eines einfachen geometrischen Modells ausgewertet, wodurch Aussagen zur lokalen Position der Kolloidabscheidungen an einem repräsentativen Filterkorn getroffen werden können. Die experimentellen Ergebnisse werden hinsichtlich der derzeit bekannten Filtertheorie diskutiert.

Im industriellen Bereich erfolgt die Energiebereitstellung auf thermischer, wie elektrischer Seite zunehmend mittels hocheffizienter Kraft-Wärme-Koppelung (KWK). Konventionelle KWK-Anlagen ohne Dampfturbine (DT) verfügen technologiebedingt über eine relativ starre, lastabhängige Stromkennzahl. Damit kann eine wärme- und/oder stromseitige Volatilität schlecht kompensiert werden ohne die jeweils gekoppelte Größe zu beeinflussen. Der integrierte Gas-Dampf-Prozess (GiD-Prozess) zeichnet sich aufgrund der halboffenen Prozessgestaltung durch eine anlagentechnisch sehr einfache Bauweise und damit gegenüber einer klassischen Gas und Dampf-Prozess (GuD)-Anlage geringeren Investitions- und Wartungskosten aus. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse des lastabhängigen Betriebsverhaltens des integrierter Gas-Dampf-Prozess (GiD)-Prozesses unter Berücksichtigung der Teillastfähigkeit und erreichbarer Lastgradienten. Hierzu werden umfangreiche Versuchsfahrten des Versuchskraftwerks am Zentrum für Energietechnik (ZET) der TU Dresden dargelegt und analysiert. Die Versuche werden durch transiente Systemsimulationen auf Komponentenebene der Kraftwerksanlage nachvollzogen und Erkenntnisse zu dem Effekt der Lastgradienten auf heißgasbeaufschlagte Bauteile gewonnen.

Micro-pollutants such as 17β-estradiol (E2) have been detected in different water resources and their negative effects on the environment and organisms have been demonstrated. It is essential to confirm the presence of micro-pollutants in different environments by biosensors and to remove these compounds. In this thesis, E2-binding target structures were used to investigate the underlying binding properties. E2-binding protein, DNA-, and PNA-aptamere (peptide nucleic acid) structures were used as targets to determine physicochemical interactions. The protein dataset consist of 35 publicly accessible three-dimensional structures of E2-protein complexes, from which six representative binding sites could be selected. There is no three-dimensional structure information for an E2-specific DNA aptamer, thus it was modeled using a coarse-grained modeling method. Using sequence information additional DNA aptamers were modeled. The E2 ligand was positioned close to the potential binding area of the aptamer structures, the underlying complexes were investigated by a molecular dynamics simulation, and the interactions were examined by an interaction profiler tool for each time step. A PNA generator was developed that can convert DNA and RNA in silico to more robust, but chemically equivalent PNA. This generator was used to transform the E2-specific DNA aptamer into PNA for binding studies with E2. All formed complexes were investigated with respect to the following non-covalent interaction types: hydrogen bonds, water-mediated hydrogen bonds, π-stacking, and hydrophobic interactions. Ten functional groups could be derived which formed the conserved interactions to E2. The study contributes to the understanding of the behavior of ligands that bind through different target structures in an aqueous solution and to the identification of binding specific interaction partners. The results of this thesis can be used to design novel synthetic receptor and filter systems.

Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendung tomographischer und bildverarbeitender Methoden an Partikelabscheidungen in Filterschüttungen. Im betrachteten Tiefenfilter wird dabei der besonders praxisrelevante Fall abstoßender Wechselwirkung zwischen der Filterkorn-Oberfläche und Kolloid realisiert. Die durch Röntgentomographie erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze werden unter Zuhilfenahme eines einfachen geometrischen Modells ausgewertet, wodurch Aussagen zur lokalen Position der Kolloidabscheidungen an einem repräsentativen Filterkorn getroffen werden können. Die experimentellen Ergebnisse werden hinsichtlich der derzeit bekannten Filtertheorie diskutiert.