<div>Metal-zeolites are promising materials for passive adsorber technologies for the abatement of nitrogen oxides (NOx, x = 1,2) and aldehydes during low-temperature operation in automotive exhaust aftertreatment systems. The aqueous-phase exchange processes used commonly to prepare metal-zeolites typically require mononuclear, transition metal complexes to diffuse within intrazeolite pore networks with their solvation shells and replace extra framework cations of higher chemical potential. When metal complexes are larger than the zeolite pore-limiting diameter, this imposes intracrystalline transport restrictions; thus, complexes and agglomerates tend to preferentially deposit near the surfaces of crystallites, requiring post-synthetic treatments to disperse metal species more uniformly throughout zeolite crystallites via solid-state ion-exchange processes. Here, we address the influence of post-synthetic gas treatments and zeolite material properties on the structural interconversion and exchange of extra framework Pd in CHA zeolites with a focus on the thermodynamic, kinetic, and mechanistic factors that dictate the Pd site structures and spatial distributions that form.<br></div><div><br></div><div>Pd-amine complexes introduced via incipient wetness impregnation on CHA zeolites were found to preferentially site near crystallite surfaces. Post-synthetic treatments in flowing air results in Pd-amine decomposition and agglomeration to metallic Pd0and supersequent oxidation to PdO, before converting to mononuclear Pd²⁺cations through an Ostwald ripening mechanism at high temperatures (>550 K). Progressively higher air treatment temperatures (up to 1023 K) were found to (1) thermodynamically favor the formation of mononu-clear Pd²⁺cations relative to agglomerated PdO particles, (2) increase the apparent rate of structural interconversion to mononuclear Pd²⁺, and (3) facilitate longer-range mobility of molecular intermediates involved in Ostwald ripening processes that allow Pd cations to form deeper within zeolite crystallites to form more uniformly dispersed Pd-zeolite materials. Additionally, the controlled synthetic variation of the atomic arrangement of 1 or 2Al sites in the 6-membered ring of CHA was used to show a thermodynamic preference to form mononuclear Pd2+cations charge-compensated by 2 Al sites over [PdOH]⁺complexes at 1 Al site. Colloidal Pd nanoparticle syntheses and deposition methods were used to prepare monodisperse Pd-CHA materials to isolate the effects of Pd particle size on structuralinterconversion to mononuclear Pd²⁺under a range of external environments. Consistent with computational thermodynamic predictions, smaller Pd particle sizes favor structural interconversion to mononuclear Pd²⁺under high-temperature air treatments (598–973 K),while adding H2O to the air stream inhibits the thermodynamics but not the kinetics of mononuclear Pd²⁺formation, demonstrating that water vapor in exhaust streams may be deleterious to the long-term stability of Pd-zeolite materials for passive NOx adsorption.<br></div><div><br></div><div>The influence of metal-zeolite material properties on the adsorption, desorption, and conversion of formaldehyde, a government-regulated automotive pollutant, under realistic conditions was investigated to identify beneficial material properties for this emerging application in mobile engine pollution abatement. A suite of Beta zeolite materials was synthesized with varied adsorption site identity (Brønsted acid, Lewis acid, silanol groups, and extra framework metal oxide) and bulk site densities. All materials stored formaldehyde and converted a large fraction of formaldehyde to more environmentally benign CO and CO₂, demonstrating the efficacy of silanol defects and zeolitic supports for the storage of formaldehyde. Sn-containing zeotypes, containing either Lewis acidic framework Sn sites or extra framework SnO_x particles, resulted in the greatest selectivity to CO and CO₂ formed during formaldehyde desorption, suggests that Sn species are a beneficial component in metal-zeolite formulations for the abatement of formaldehyde in automotive exhaust streams.<br></div><div><br></div><div>This work demonstrates how combining precise synthesis of metal-zeolites of varied bulk and atomic properties with site-specific characterization and titration methods enables systematically disentangling the influence of separate material properties (e.g., Pd particle size, zeolite framework Al arrangement, silanol density, heteroatom identify) and external environment on changes to metal structure, speciation, and oxidation state. This approach provides thermodynamic, kinetic, and mechanistic insights into the factors that influence metal re-structuring under the practical conditions encountered in automotive exhaust after treatment applications and guidance for materials design and treatment strategies to form desired metal structures during synthesis and after regeneration protocols.<br></div>

Die hypocalcämische Gebärparese, insbesondere die subklinische Hypocalcämie, die oft nicht erkannt wird und Ursache vieler sekundär auftretender Folgeerkrankungen ist, stellt in der intensiven Milchviehhaltung ein bedeutendes Problem dar. Inzwischen gibt es eine Reihe verschiedener Vorbeugungsstrategien, wobei der Einsatz von Zeolith A als Ca-Binder in der Ration gegen Ende der Trächtigkeit eine relativ neue Präventionsmöglichkeit darstellt. Da zu diesem Futterzusatzstoff noch wenige Untersuchungen, insbesondere auf Nebeneffekte vorliegen, war das Ziel dieser Studien, den Einfluss von Zeolith A in verschiedenen Dosierungen auf die Futteraufnahme, den Energiestoffwechsel, die Futterverdaulichkeit und den Ca-, Mg- und P-Stoffwechsel sowie in hohen Dosierungen auch auf den Spurenelement-stoffwechsel zu untersuchen. Des Weiteren sollte untersucht werden, wie sich Zeolith A im Verdauungstrakt hinsichtlich der Freisetzung von Al verhält. In einer ersten Studie an 46 Kühen (≥ 3. Laktation), die in zwei Gruppen unterteilt wurden, wurde Zeolith A in einer Dosierung von 90 g/kg Trockensubstanz (T) in den letzten 2 Wochen der Trächtigkeit bis zum Kalbetag in eine totale Mischration (TMR), welche zur freien Aufnahme vorgelegt wurde, eingemischt. Die Zeolith A-Zulage ante partum zeigte peripartal eine stabilisierende Wirkung auf die Ca-Konzentration im Serum (> 2 mmol/l). Der Rückgang der Häufigkeit der Hypocalcämie (< 2 mmol/l) am Tag der Kalbung lag bei 76 %. Die mittlere Mg-Konzentration im Serum war bei den Kontrolltieren am Tag der Kalbung und 1 Tag post partum signifikant höher im Vergleich zu den Tieren der Versuchsgruppe, lag aber in beiden Gruppen im physiologischen Bereich (0,75-1,30 mmol/l). Auf die Spurenelement-konzentrationen (Cu, Zn, Mn und Fe) im Plasma wurde kein Zeolith A-Effekt festgestellt. Allerdings zeigten die Zeolith A-supplementierten Kühe ante partum einen signifikanten Rückgang in der Futteraufnahme, welche in einer negativen Energiebilanz mit einem signifi-kanten Anstieg der freien Fettsäuren und des Beta-Hydroxybutyrats im Serum resultierte. Dieser Effekt hatte allerdings keine Auswirkung auf die Futteraufnahme post partum und auf die Milchleistung in den ersten 105 Tagen der Folgelaktation. Des weiteren war die mittlere Konzentration des anorganischen Phosphats (Pi) bereits 7 Tage nach Beginn der Zeolith A-Zulage signifikant niedriger im Vergleich zu den Tieren der Kontrollgruppe und lag bis zum Tag der Kalbung deutlich unter der unteren physiologischen Grenze von 1,25 mmol/l. Die zweite Studie war ein Dosis-Wirkungsversuch an 80 Milchkühen (1.-7. Laktation) mit verschiedenen Zeolith A-Dosierungen (0, 12, 23 bzw. 43 g Zeolith A/kg T TMR). Dazu wurden die Tiere ca. 4 Wochen ante partum in 4 Gruppen und für die Untersuchung des Mineralstoffwechsel noch in zwei Untergruppen (1. + 2. Laktation bzw. ≥ 3. Laktation) unterteilt. Die Tiere erhielten eine TMR ad libitum vorgelegt. In den letzten zwei Wochen erhielten die Tiere Zeolith A in die Ration eingemischt. Eine Einmischung von 43 g Zeolith A/kg T TMR zeigte auf den Ca-, Mg- und Pi-Stoffwechsel sowie auf die Futteraufnahme und den Energiestoffwechsel vergleichbare Effekte wie in der ersten Studie bei einer Zulage von 90 g/kg T TMR. Eine Zeolith A-Zulage von 23 g/kg T TMR bei einem Zeolith A/Ca-Verhältnis von 5,6:1 hatte ebenfalls noch einen stabilisierenden Effekt auf den peripartalen Ca-Stoffwechsel (> 2 mmol/l) bei Kühen ≥ 3. Laktation, jedoch ohne markanten Rückgang in der Futteraufnahme. In dieser Tiergruppe war ein Rückgang der Häufigkeit der Hypocalcämie um 71 % zu verzeichnen. Diese Tiere zeigten auch nur eine moderate Hypophosphatämie. Eine Zeolith A-Zulage von 12 g/kg T TMR zeigte dagegen keine Effekte. In einem Stoffwechselversuch an 8 doppelt fistulierten Milchkühen (Pansen und proximales Duodenum) wurde schließlich der Einfluss von Zeolith A auf verdauungsphysiologische Para-meter und den Mineralstoffwechsel, insbesondere des Phosphors im Verdauungstrakt, sowie auf die Freisetzung von Al aus dem Zeolithverband untersucht. Die Tiere erhielten Mais- und Grassilage und Kraftfutter. Es wurde 0, 10 bzw. 20 g Zeolith A/kg T über einen Zeitraum von 3 Wochen mit dem Kraftfutter verabreicht. Eine Zeolith A-Zulage führte zu einer signifikant reduzierten scheinbaren ruminalen Verdaulichkeit der T sowie der ruminal fermentierten organischen Substanz. Allerdings waren in der fäkalen Ausscheidung der Nährstoffe keine signifikanten Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen festzustellen. Es zeigte sich kein Effekt auf die Ca- und Mg-Verdauung. Dagegen korrelierte die Konzentration des löslichen P im Pansen signifikant negativ mit der mittleren Zeolith A-Aufnahme. Des Weiteren hatten die Kühe mit einer Zeolith A-Zulage von 20 g/kg T eine signifikant höhere fäkale Ausscheidung des Gesamtphosphors im Vergleich zu den Tieren der Kontrollgruppe. Die herabgesetzte Bio-verfügbarkeit von P resultierte in einer signifikant erniedrigten Pi-Konzentration im Serum. Gleichzeitig war eine signifikant erhöhte Konzentration des gelösten Al im Pansen und ein signifikant höherer Fluss des gelösten Al im Duodenum festgestellt worden was auf eine Instabilität des Zeolithverbands beruht. Da eine Zeolith A-Dosierung von 12 g/kg T keinen Effekt auf den Ca-Stoffwechsel und eine Dosierung 43 g/kg T unerwünschte Effekte zeigte kann anhand dieser Untersuchungen geschlussfolgert werden, dass eine Einmischung in einem Bereich von 20 bis 30 g Zeolith A/kg T TMR, was bei einer mittleren täglichen T-Aufnahme von 10 kg ca. 200 bis 300 g Zeolith A/Tier/Tag entspricht, bei einem Zeolith A/Ca-Verhältnis von 6 bis 10:1 in der Ration in den letzten 2 Wochen der Trächtigkeit zur Vorbeugung der peripartalen Hypocalcämie zu empfehlen ist, ohne dass negative Effekte auf die Tiergesundheit zu erwarten sind. / Parturient paresis is known to be a frequent problem in high-yielding dairy cows. Subclinical hypocalcemia around calving is especially of particular importance, because it often remains undetected and may cause secondary diseases. In practice different preventive methods have been established, whereas feeding of zeolite A (synthetic sodium-aluminium-silikate) as a calcium binder in the last two weeks of pregnancy is a new strategy to prevent parturient hypocalcemia. However, there exists only little information about side effects of zeolite addition. The aim of this study was to investigate the influence of zeolite A, in several doses, on feed intake, energy metabolism, nutrient digestibility, as well as on calcium (Ca), magnesium (Mg) and phosphorus (P) metabolism, and in high doses on trace element metabolism. Further, it was to investigate the mechanism of zeolite A in the gastrointestinal tract, focused on releasing aluminium (Al). In a first study with 46 cows (≥ 3rd lactation) zeolite A was tested in a dose of 90 g/kg dry matter (DM) in the last two weeks of pregnancy. Therefore the cows were divided in two groups (control and zeolite supplemented group). All cows were fed a total mixed ration (TMR) ad libitum. The supplementation of zeolite A had a stabilising effect on Ca concentration in serum (> 2 mmol/l) around calving. The reduction of the hypocalcemia incidence (< 2 mmol/l) was 76 % on the day of calving. The Mg-concentration in serum was significantly higher for the cows without zeolite A supplementation compared to the cows of the experimental group on the day of calving and on the day after calving. However, the mean serum Mg concentration stayed in the physiological range (0.75-1.30 mmol/l) for both groups. No significant effect of the zeolite A supplementation was observed on the mean plasma concentration of trace elements (copper, zinc, manganese, iron). However, the zeolite A supplementation led to a significantly reduced feed intake ante partum, which resulted in a negative energy balance. Furthermore, non esterified fatty acid and beta-hydroxybutyrate in serum were increased significantly. However, no significant differences were observed in feed intake post partum as well as in milk yield in the first 105 days in the subsequent lactation between the two groups. Furthermore, zeolite A supplementation decreased significantly the concentration of inorganic phosphate (Pi) in serum. Seven days after beginning zeolite A supplementation, on the day of calving, the mean Pi-concentration was considerably below the physiological limit of 1.25 mmol/l. In the second study, zeolite A was tested in several lower doses. Therefore 80 dairy cows (1st – 7th lactation) were divided into four groups in the last 4 weeks of pregnancy. Additionally, the cows of each group were divided in two subgroups (1st + 2nd lactation and ≥ 3rd lactation) to determine the influence of zeolite A on mineral metabolism. All animals were fed a TMR ad libitum. In the last two weeks the cows received a daily dose of 0, 12, 23 and 43 g zeolite A/kg DM. Zeolite A supplementation of 43 g/kg DM showed comparable effects on Ca, Mg, and Pi metabolism, as well as on feed intake and energy metabolism as in the first study. For older cows (> 3rd lactation), supplementation of 23 g zeolite A/kg DM, and a zeolite A-Ca ratio of 5.6:1 resulted also in a stabilising effect on Ca metabolism (> 2 mmol/l) around calving without significant reduction of feed intake. The incidence of hypocalcemia was reduced by 71 %. The cows showed only a moderate hypophosphatemia. A zeolite A supplementation of 12 g did not have any preventive effects. In a metabolic-study with eight double fistulated dairy cows (rumen and proximal duodenum), the influence of zeolite A supplementation on several physiological parameters of digestion and on mineral metabolism, especially P in the rumino-intestinal-tract, was determined. Further releasing of Al from the zeolite structure was investigated. The cows were fed a maize/grass-silage (60:40 % based on DM) and concentrate. Several doses of zeolite A (0, 10 and 20 g/kg DM) were added to the concentrate over a period of three weeks. Zeolite A supplementation resulted in a significantly reduced ruminal digestibility of dry matter (DM) and fermentation of organic matter. No effect was observed on faecal digestion of DM and OM. Digestion of Ca and Mg in the rumino-intestinal tract was not influenced by zeolite A supplementation. However, the concentration of soluble P in rumen fluid correlated negatively with the mean zeolite A intake. The faecal excretion of total P increased significantly for cows with a zeolite A dose of 20 g/kg DM compared to the control group. The reduced bioavailability of P resulted in a significantly decreased concentration of Pi in serum. The zeolite A supplemented cows further showed a significantly higher concentration of soluble Al in rumen fluid as well as a significantly higher flow of soluble Al at the duodenum, which is a consequence of an instability of the zeolite structure. According to these results it can be concluded that a daily amount of 20 to 30 g zeolite A/kg DM, which complies a daily amount of 200 to 300 g zeolite A/cow at a daily DM intake of 10 kg, with a zeolite-Ca ratio of 6–10 to 1, for two weeks ante partum seems to be an adequate dose for reducing subclinical hypocalcemia in older cows without negative side effects on animal health. At an expected daily mean DM intake of 10 kg it is a daily amount of 200 to 300 g zeolite A/cow. A zeolite dose of 12 g/kg DM did not have any effect on Ca metabolism, and a dose of 43g/kg DM showed negative side effects.

Wasserknappheit und verminderte Wasserqualität sind Folgen des Klimawandels und zu-nehmender menschlichen Aktivitäten in der Landwirtschaft. Um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken, ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (hauptsächlich in Form von NH4+) notwendig, um die Qualität und den Ertrag von Nutzpflanzen zu steigern. Eine wachsende Weltbevölkerung macht einen verstärkten Einsatz von Stickstoffdüngern in der Landwirtschaft erforderlich, was zu einem erhöhten Eintrag von reaktivem Stickstoff in den Boden und das Grundwasser führt. Zusammen mit Abwassereinleitungen aus Haus-halten und Industrie in die Umwelt ist die Landwirtschaft Schätzungen zufolge der Hauptverschmutzer von Trinkwasserquellen. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien ist die Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Trinkwasserquellen ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems. Diese Arbeit zeigt die Machbarkeit eines kombinierten Zeolith- und Anammox-Verfahrens zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in einer grundwasserähnlichen Matrix für die Trinkwasseraufbereitung auf. Unter Verwendung von natürlichen Zeolithe (Klinoptilolith) als Sorbentien (für NH4+) und als Biofilmträger (für Anammox Bakterien) in einem Festbett-Biofilter wurde ein hocheffizienter, kostensparender, kompakter und wartungsarmer Prozess für dezentrale Anwendungen demonstriert. Darüber hinaus wurden in einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung die Chancen und Risiken dieses Verfahrens für die Trinkwasseraufbereitung aufgezeigt. Der Einfluss von Schlüsselparametern auf die Sorption von NH4+ an natürlichen Zeolithe ergab eine hohe NH4+-Selektivität (NH4+ > K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+), hohe Sorptionskapazitäten (bis zu 21.3 mg(NH4+)/g) und hohe Entfernungsleistungen (bis zu 99 %). Untersuchungen in Multisorbat- und natürlichen Wassermatrices ergaben, dass die Konzentrationen von K+ und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) den größten Einfluss auf die Sorption von NH4+ haben. Die Gleichgewichtsbeladung wurde dabei um bis zu 8% verringert. Der Einfluss von Anionen kann in Grundwasser typischen Konzentrationen bei pH-Werten oberhalb des pHPZC (Point of Zero Charge) vernachlässigt werden. Der pHPZC konnte zwischen pH 6.24 und pH 6.47 bestimmt werden. Zwischen pH 5 und pH 7 wurde eine maximale NH4+-Entfernungsleistung festgestellt, wohingegen aufgrund eines erhöhten Anteils an nicht sorbierbarem NH3(aq) ab pH ≥ 8 die Entfernungsleistung stark abnahm. Bei einer NH4+-Konzentration von 12.8 mg/L konnte der zugrundeliegende Sorptionsmechanismus auf den Ionenaustausch zurückgeführt werden (R² = 0,997). NH4+ beladene Zeolithe ließen sich am besten mit einer K+-Salzlösung regenerieren. Experimentell ermittelte Durchbruchskurven und eine zweifaktorielle Varianzanalyse bestätigten einen starken Einfluss der K+- und DOC-Konzentrationen auf den Durchbruch von NH4+ in natürlichen Wassermatrices. Bei einem Durchbruch von 50% wurde mit dem Einsatz von Elbewasser die Anzahl der behandelten Bettvolumina (BVs) um 69% reduziert. Darüber hinaus wurden die NH4+-Durchbruchskurven mit und ohne den Einfluss von K+ in Reinstwasser sowohl mit dem Linear Driving Force (LDF)- als auch mit dem Thomas-Modell erfolgreich modelliert und durch experimentelle Daten validiert. Die Verwendung solcher Modelle ist ein vielversprechendes Instrument, um zeitaufwändige und umfangreiche Untersuchungen im Labor und im Feld zu reduzieren. Um das Anammox-Verfahren erfolgreich etablieren zu können ist ein stabiler Betrieb der partiellen Nitritation (PN) zur Regulierung des erforderlichen stöchiometrischen NO2-/NH4+-Verhältnisses (1.32:1) entscheidend. Vorläufige Untersuchungen mit einem Fest-bett-Biofilter und einem Sequencing-Batch-Reaktor (SBR) zeigten, dass die folgenden Faktoren bei der Anwendung einer PN berücksichtigt werden müssen: (1) komplexe Wechselbeziehungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften mit unterschiedlichen Substratanforderungen, synergetische/kompetitive Wechselwirkungen, inhibierende Prozesse, und Stoffwechselprodukte; und (2) die Notwendigkeit, verschiedene Inhibierungsstrategien zu etablieren, um die Aktivität NO2- oxidierender Bakterien (NOB) zu unterdrücken. Es ist entscheidend, einen geschichteten und stabilen Biofilm zu etablieren, bevor eine PN unter Grundwasserbedingungen mit erhöhten Temperaturen und hohen NH4+-Konzentrationen eingesetzt wird. Das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren wurde in einem sequentiellen Zeolith-Anammox-Biofilter untersucht. Trotz weitaus niedrigerer Substratkonzentrationen und einer 8-fach höheren Filtergeschwindigkeit wurden vergleichbare Entfernungsleistungen für NH4+ (86%) und NO2- (76%) wie mit ähnlichen Zeolith- Anammox-Systemen für die Abwasseraufbereitung ermittelt. Die Entfernungsleistungen für NH4+ und NO2- konnten durch einen Vergleich ihrer Halbwertszeiten mit der effektiven hydraulischen Aufenthaltsdauer im Biofilter bestätigt werden. Die Entfernung von NH4+ erfolgte aufgrund der Sorption über Zeolithe und des Anammox-Stoffwechsel wesentlich schneller als für NO2-, deren Entfernung lediglich auf den Anammox-Stoffwechsel zurückführbar ist. Sowohl die ermittelten Halbwertszeiten als auch das von der Filterhöhe abhängige NO2-/NH4+-Verhältnis konnte eine schnellere NH4+-Entfernung bestätigen. Die Grenzwerte für NO2- der Weltgesundheitsorganisation (WHO: 3 mg/L) und der Vereinigten Staaten von Amerika (USA: 3.2 mg/L)) wurden bei Filtergeschwindigkeiten von 0.032 m/h und 0.043 m/h eingehalten. Bei 0.032 m/h und 0.043 m/h wurden die NH4+-Grenzwerte für China (0.6 mg/L) und Deutschland (0.5 mg/L) leicht überschritten. Durch eine Korrelation der NH4+- und NO2--Entfernung mit der elektrischen Leitfähigkeit konnte darüber hinaus bei allen untersuchten Filtergeschwindigkeiten ein vereinfachtes Verfahren zur Prozessüberwachung demonstriert werden. Eine technisch-wirtschaftliche Bewertung ergab die höchste technische Wertigkeit (X) für das Ionenaustauschverfahren mit Zeolithe (X: 0.79), gefolgt vom Nitrifikationsverfahren (X: 0.68) und dem Verfahren der partiellen Nitritation/Anammox (PN/A) (X: 0.52). Das Ionen-austauschverfahren zeichnet sich dabei vor allem durch eine einfache Handhabung und Anpassung hinsichtlich schwankender NH4+-Konzentrationen im Zulauf sowie eine hohe Betriebssicherheit aus. Dagegen sind vergleichsweise lange Etablierungszeiten, eine un-sichere Betriebssicherheit und eine hohe verfahrenstechnische Komplexität für das PN/A-Verfahren zu erwarten. Die Gesamtkosten jedes Verfahrens wurden unter Berücksichtigung der Anlagengröße, lokaler Strompreise und unterschiedlicher NH4+-Konzentrationen im Zulauf über einen Zeitraum von 20 Jahren berechnet. Auf Grundlage dieser Berechnung können die folgenden Empfehlungen für eine dezentrale Trinkwasseraufbereitung ausgesprochen werden: (1) Das Ionenaustauschverfahren kann für NH4+-Konzentrationen bis zu 21 mg/L empfohlen werden; (2) das PN/A-Verfahren wird bei höheren NH4+-Konzentrationen wirtschaftlicher; und (3) das Nitrifikationsverfahren weist ab einer NH4+-Konzentration von ≥ 14 mg/L im Zulauf eine ungünstige Wirtschaftlichkeit auf, da eine zusätzliche Denitrifikationsstufe eingeplant werden muss um den NO3- Grenzwert von 50 mg/L der WHO und von Deutschland einzuhalten. Werden die Berechnungen mit einem niedrigeren KCl-Preis wiederholt, kann das Ionenaustauschverfahren bis zu einer NH4+-Konzentration von 60 mg/L empfohlen werden. Das PN/A-Verfahren stellt bei NH4+-Konzentrationen ≥ 60 mg/L das wirtschaftlichere Verfahren dar. Insgesamt ist das kombinierte Zeolith- und Anammox-Verfahren ein vielversprechendes Verfahren zur Entfernung von Stickstoffverbindungen in dezentralen Anwendungen für die Trinkwasseraufbereitung in Schwellen- und Entwicklungsländern des globalen Südens. Insbesondere dort, wo erhöhte Temperaturen und hohe NH4+-Konzentrationen in Trinkwasserquellen zu finden sind.:1. Introduction ................................................................................................................. 1 2. Topic and Objective of the Thesis ............................................................................. 3 3. Background and Literature Review ........................................................................... 5 3.1 General Aspects about the Global Nitrogen Cycle ............................................ 5 3.1.1 Nitrogen Reservoirs and Anthropogenic Activities ........................................... 5 3.1.2 Nitrogen Cycle in Riverbank Filtration and Groundwater ................................. 7 3.1.3 Ecological Relevance and Physiological Effects of Nitrogen Compounds ..... 10 3.2 Ammonium Removal Processes – Current State of Knowledge .................... 12 3.2.1 Distinction: Drinking Water vs. Wastewater Treatment .................................. 13 3.2.2 Zeolites: Occurrence, Characteristics and Application ................................... 17 3.2.3 Partial Nitritation and Anammox ..................................................................... 20 4. Results and Discussion ............................................................................................ 25 4.1 Publication 1: Granular Natural Zeolites: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 25 4.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Curve Evaluation and Modeling .................................................................................. 48 4.3 Preliminary Investigations to the Partial Nitritation ........................................ 66 4.3.1 Material and Methods .................................................................................... 66 4.3.2 Results and Discussion .................................................................................. 70 4.3.3 Conclusions ................................................................................................... 77 4.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 79 4.5 Technical-Economic Evaluation ........................................................................ 99 4.5.1 Material and Methods .................................................................................... 99 4.5.2 Results and Discussion ................................................................................ 103 4.5.3 Conclusions ................................................................................................. 114 5. Summary and General Conclusions ...................................................................... 116 6. Outlook ..................................................................................................................... 119 References ..................................................................................................................... 122 List of Tables ................................................................................................................. 139 List of Figures ................................................................................................................ 141 List of Abbreviations ..................................................................................................... 144 List of Formular ............................................................................................................. 146 Appendix ........................................................................................................................ 147 A-1 Supporting Information: Section 3 .................................................................. 147 A-2 Supporting Information: Section 4 .................................................................. 149 A-2.1 Publication 1: Granular Natural Zeolite: Cost-Effective Adsorbents for the Removal of Ammonium from Drinking Water ............................................................ 149 A-2.2 Publication 2: Natural Zeolites for the Sorption of Ammonium: Breakthrough Evaluation and its Modeling ...................................................................................... 157 A-2.3 Preliminary Investigations to Partial Nitritation ............................................. 162 A-2.4 Publication 3: A Sequential Anammox Zeolite-Biofilter for the Removal of Nitrogen Compounds from Drinking Water ............................................................... 168 A-2.5 Technical-Economic Evaluation ................................................................... 179 Journal Articles and Conference Contributions ......................................................... 200 Acknowledgements ....................................................................................................... 201 Declaration ..................................................................................................................... 202

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L'adsorption de CO dans la faujasite échangée au CuI et au Na+ a été modélisée à l'aide des approches quantiques (DFT) et classiques (Monte Carlo). Grâce à l'approche DFT, la surface d'énergie potentielle de la faujasite a été explorée. Différents types d'interactions de CO avec les cations ont été identifiés, pour chacune les effets induits par l'adsorption de CO aux niveaux structural et énergétique ont été analysés, et le calcul de la fréquence de vibration de CO a été réalisé. Grâce aux valeurs obtenues, une nouvelle attribution des spectres d'adsorption de CO dans CuY et NaY a été établie. D'un autre côté, grâce aux simulations Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique, les propriétés d'adsorption (isothermes et enthalpies) de la faujasite vis-à-vis de CO ont été modélisées, et le mécanisme microscopique d'adsorption de CO a été établi. La mise en œuvre de ces simulations a nécessité de paramétrer un nouveau champ de force destiné à décrire les interactions CO/faujasite et CO/CO. / CO adsorption in CuI and Na+ exchanged faujasite has been modeled by mean of quantum (DFT) and classical (Monte Carlo) approaches. By mean of the DFT calculations, faujasite potential energy surface has been explored. Different types of CO interactions with the cations have been highlighted, for each one of them CO adsorption effects on the structural and energetic parameters have been analyzed, and calculations of the CO stretching frequency have been performed. Thanks to our calculated values, a new attribution of CO adsorption spectra in CuY and NaY has been established. On another side, by mean of Monte Carlo simulations in the Grand Canonical ensemble, faujasite adsorption properties regarding CO (isotherms and enthalpies) have been modeled, and the CO adsorption mechanism has been established at the microscopic level. The implementation of these simulations has required the derivation of a new force field describing the CO/faujasite and CO/CO interactions.

L'utilisation de membranes pour la séparation/purification de mélanges de gaz permet d'envisager la mise en œuvre de procédés continus et faiblement énergivores. Les performances des membranes étant directement reliées à la méthode utilisée pour leur synthèse/modification, une nouvelle génération de membranes est attendue à partir de la méthode originale de dépôt « dynamique » développée et mise au point dans ce travail, en milieu CO2 supercritique (CO2SC). Les propriétés des fluides supercritiques, intermédiaires entre celles d'un liquide et d'un gaz (densité et diffusivité élevées, viscosité faible), laissent en effet présager la formation de microstructures originales. Les précurseurs sont solubilisés dans le CO2 sous pression puis transportés jusqu'au support membranaire. Cette méthode a été explorée pour : i) la synthèse directe de membranes à base de silice sur des supports macroporeux et ii) la modification de membranes zéolithiques MFI par des alcoxydes (MDES, TEOS) ou par des oligomères fluorés. Dans le premier cas, l'étude des paramètres de dépôt montre que la maîtrise des phénomènes chimiques de la transition sol-gel (contrôlés principalement par la température) dicte la microstructure du matériau final, au travers du degré de condensation/réticulation des clusters déposés. La modification des membranes zéolithiques MFI par un alcoxyde permet de doubler la permsélectivité He/SF6 initiale, sans forte baisse de perméance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). Dans ce cas, la force, la nature et la disponibilité des sites acides de la charpente MFI sont des critères clés pour la fixation de l'alcoxyde. Les membranes MFI modifiées par un oligomère fluoré sont imperméables au SF6 et la permsélectivé He/N2 peut atteindre une valeur de 136 à 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). Cette nouvelle méthode dynamique de dépôt/modification développée dans ce travail apparaît comme une approche très versatile qui permet de contrôler la structure du matériau déposé en ajustant les paramètres du procédé. / Using membranes for the separation/purification of gas mixtures makes possible the implementation of continuous processes with low energy consumption. Membrane performance being directly related to their synthesis/modification method, a new membrane generation is expected from the original "dynamic" deposition method which has been designed and developed in this work, in supercritical CO2 (scCO2) media. Indeed, the properties of supercritical fluids are intermediate between those of liquids and gases (high density and diffusivity, low viscosity), original membrane microstructures are expected to be derived from this process. The selected precursors are solubilized in compressed CO2 and then transported to the membrane support. This method has been explored for both: i) the synthesis of silica-based membranes on macroporous supports and ii) the modification of MFI zeolite membranes by either alkoxides (MDES, TEOS) or fluorinated oligomers. In the first case, an investigation of the deposition parameters demonstates that the sol-gel chemistry (controlled mainly by temperature) masters the final material microstructure, through the degree of condensation/crosslinking of the deposited clusters. Modification of MFI zeolite membranes with alkoxides can double their initial He/SF6 permselectivity without lowering too much their permeance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). In this case, the alkoxide fixation is monitored by the strength, nature and availability of acid sites in the MFI network. MFI membranes modified with fluorinated oligomers are SF6-tight and their He/N2 permselectivity can reach 136 at 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). This new dynamic deposition/modification method developed in this work appears as a versatile approach in which the final material structure can be controlled by adjusting the process parameters.

Atualmente, o tipo de propelente para produtos em aerossol mais usado no mundo é uma mistura de hidrocarbonetos leves (butano e propano - sendo o primeiro em maior proporção). Parte de seu processo de produção é a dessulfurização do butano líquido, através de adsorção em leito fixo usando peneiras moleculares 13X. A literatura científica não apresenta muitas publicações sobre o tema e considerando que a técnica de adsorção é fortemente dependente de dados experimentais para seu maior entendimento, é objetivo deste trabalho estudar este processo através do equilíbrio de adsorção, das curvas de ruptura e do desenvolvimento de um modelo matemático que represente o funcionamento de uma coluna de adsorção de leito fixo a temperatura constante. Obtiveram-se dados sobre o equilíbrio de adsorção por meio de ensaios em banho finito comparando-se a interação de diferentes compostos de enxofre com a peneira molecular 13X e o efeito da temperatura. Utilizou-se a técnica de cromatografia gasosa como método analítico para obtenção dos teores de compostos sulfurados e de hidrocarbonetos. O modelo de Langmuir apresentou bom ajuste aos dados experimentais. Avaliando-se a interação dos componentes sulfurados com a zeólita 13X, identificou-se diferenças significativas, sendo a maior em ordem decrescente: etil-mercaptana, n-propil-mercaptana e terc-butil-mercaptana, respectivamente. A dinâmica do processo de adsorção foi estudada através da obtenção das curvas de ruptura em leitos em escala laboratorial e piloto. Avaliaram-se as influências da variação da concentração de entrada da n-propil-mercaptana e da velocidade do fluido em leito fixo recheado com zeólitas 13X, mantendo os demais parâmetros constantes. Conforme esperado o aumento da concentração inicial reduz o tempo de ruptura, aumenta a quantidade total adsorvida pelo leito e não altera o comportamento da zona de transferência de massa (ZTM). Analisando-se a elevação da velocidade, nota-se também uma diminuição no tempo de ruptura e um aumento da ZTM. O modelo matemático apresentado considera os balanços de massa microscópicos aplicados ao leito, os fenômenos de transporte de massa com modelo de dispersão axial e transporte por convecção da fase líquida para a superfície da partícula e as isotermas de adsorção. As equações diferenciais parciais resultantes foram adimensionalizadas e resolvidas empregando-se o método de diferenças finitas, implementado por código Matlab®. A partir da simulação matemática das condições experimentais obtiveram-se os parâmetros de dispersão axial e de transferência de massa que possibilitaram uma boa reprodução do tempo de ruptura quanto do perfil da zona de transferência de massa para os experimentos em escala laboratorial e piloto. / Currently, the kind of propellant for aerosol products most widely used in the world is a blend of light hydrocarbons (butane and propane - the first in greater proportion). Part of the production of propellant is the desulfurization of liquid-phase butane by molecular sieves 13X in a fixed bed. The scientific literature concerning the adsorption of the mercaptans using zeolite are scarce and considering that the adsorption technique is strongly dependent on experimental data for its better knowlegde, the aim of this work was to study this process by adsorption equilibrium, the breakthrough curves and the development of a mathematic model, simulation and comparison with the operation of a fixed-bed pilot and laboratory-scale column. Adsorption equilibrium parameters were obtained using finite bath experiment and comparing the interaction of different sulfur compounds with molecular sieve 13X and the temperature effect. It was used the gas chromatography as an analytical method in order to obtain the levels of hydrocarbons and sulfur compounds. The Langmuir model well fit the experimental data. Significant differences were identified in the interaction of the sulfur components with zeolite 13X. The major interactions of the sulfur components are in decreasing order: ethyl-mercaptan, n-propyl-mercaptan and terc-butyl-mercaptan. The dynamic of the adsorption process was studied by obtaining the breakthrough curves in laboratory and pilot scale. It was investigated the influence of the initial concentration of n-propyl mercaptan and the fluid velocity in a fixed bed packed with zeolite 13X keeping the other parameters constant. As it was expected, as the inlet sulfur concentration increases the break point time decrease, and enhances the total amount adsorbed by the bed. Analyzing the increase in velocity on the breakthroug profile, it was noted that also decreases the break point time and causes a greater decline of the curve resulting in greater ZTM and anticipating the bed saturation time. The model equations account the mass balance applied in the flowing liquid phase in the column, transport phenomena as the effect of axial dispersion and convection from liquid phase to the adsorbent surface and adsorption isotherm. Finite difference method was used to solve the dimensionless general partial differential equations and it was implemented by Matlab® software. From mathematical simulation of experimental conditions it were obtained the axial dispersion parameters and mass transfer coefficient which allowed a fair agreement in predicting break point time and the mass transfer zone profile.

A integração de diferentes processos de tratamento na degradação de efluente têxtil foi avaliada utilizando-se a técnica de precipitação, processos oxidativos avançados (POA) e tratamento biológico aeróbio. Os POAs (Ozônio/UV e reagente de Fenton/UV) foram avaliados com experimentos em bateladas de acordo com um planejamento fatorial L18 (Método Tagushi) em função da vazão de ozônio, concentração de reagente Fenton, radiação UV, pH e temperatura. No tratamento microbiológico por processo contínuo, foi utilizado um reator de leito fluidizado com células imobilizadas de zeólitas e avaliados parâmetros como pré-tratamento com POAs, vazão de aeração, taxa de diluição. Concluiu-se que com o pré-tratamento físico-químico obteve-se resultados bastante satisfatórios na redução da DQO e COT, porém gerou uma quantidade desnecessária de lodo. A integração lodo ativado/Reagente Fenton mostrou-se bastante adequada, principalmente na remoção da cor e turbidez; a variedade e freqüência dos microrganismos observados durante o monitoramento biológico foram condizentes com os sistemas de lodo ativado operando eficientemente e o emprego de zeólitas como suporte mostrou-se significativo, alcançando 63,3 % de imobilização do microrganismo no suporte. / The integration of different treatment processes in the degradation of textile wastewater was evaluated using precipitation technique, advanced oxidation processes (AOP) and aerobic biological treatment. AOPs (Ozone/UV and reagent of Fenton/UV) were evaluated in batch experiments according to a factorial planning L18 (Tagushi Method) in function of the flow of ozone, concentration of reagent Fenton, UV radiation, pH and temperature. In the microbiological treatment for continuous process, a reactor of bed fluidized was used with immobilized cells of zeolites some parameters were evaluated such as pre-treatment with AOPs, aeration flow, diluition rate. Satisfactory results were obtained with the physical-chemistry pre-treatment in the reduction of COD and TOC, however it generated an unnecessary amount of sludge. The integration activated sludge/Reagent Fenton was shown quite appropriate, mainly in the removal of the color and turbidity; the variety and frequency of the microorganisms observed during the biological monitorament were suitable with the systems of activated sludge operating efficiently and the use of zeolites as support was shown significant, reaching 63,3 % of immobilization of the microorganism in the support.

Le couple zéolite/H2O, qui présente une densité énergétique importante et remplit les conditions d’innocuité requises pour un système de stockage de chaleur pour l’habitat, est mis en œuvre dans réacteur modulaire à lit fixe. Un modèle monodimensionnel de transferts couplés de masse et de chaleur dans un lit fixe de grains de zéolite parcourus par un flux d'air humide été élaboré. Ce dernier a été conçu de façon à pouvoir intégrer rapidement des données sur de nouvelles générations de matériaux et coupler le réacteur à d’autres modèles : bâtiment/sous-station/quartier. L'étape de validation expérimentale montre que le modèle permet une estimation satisfaisante de l'autonomie, la durée d'amorçage et la puissance moyenne fournie en phase de décharge ainsi que la durée de charge. Ce modèle est donc un bon outil de dimensionnement et de pilotage du réacteur. L'analyse de sensibilité a montré que l'amélioration des prévisions du modèle requiert une évaluation plus précise de la chaleur complémentaire de sorption et de la porosité du lit. Après avoir estimé les besoins de chauffage d'une maison BBC deux dimensionnements ont été proposés afin d'effacer soit l'hyper-pointe de 18h - 20h soit la semaine la plus froide. Si la première stratégie aboutit à un système de stockage plus compact, la seconde permet de réduire le nombre de cycles marche/arrêt. Pour un îlot de 50 maisons BBC, la notion de foisonnement est considérée lors de l'estimation des besoins en chauffage pendant la semaine la plus froide. La phase de charge du système de stockage se ferait par le biais de la chaleur fatale récupérée dans l'industrie. Pour des stratégies d'effacement similaires (semaine la plus froide en hiver), un volume équivalent de 544 litres par maison dans l'îlot suffit pour répondre aux besoins de chauffage à Nancy contre 580 litres pour une maison BBC seule. / Heat storage systems for residential house heating could contribute to smoothing the load curve and would help prevent the use of the most polluting power plants or electricity imports during consumption peaks. Thermochemical heat storage systems are suitable for the intended application since they have high energy densities and low thermal losses. This thesis focuses on the design of an adsorption heat storage system that would be used to shed the load curve of the heating device of a house or residential district during the winter peak consumption periods. The zeolite/H2O pair, which has interesting features such as a high energy density and meets the conditions of safety required for a heat storage system for housing, is implemented in a modular fixed bed reactor. A 1D pseudo-homogeneous model was developed in order to simulate the performance of a fixed bed of zeolite during the adsorption and desorption of water. The latter was designed so as to facilitate the integration of data on new generations of materials and model couplings. The need to obtain data on the sorption properties of the zeolite/H2O pair to have reliable simulation results has been demonstrated, particularly at low partial pressures of water vapor and under the operating conditions selected. The experimental validation phase shows that the pseudo-homogeneous model provides a satisfactory estimate of criteria such as the autonomy, the responsiveness and the average power delivered during the discharging phase and the charging time. The model is thus a good sizing and management tool of the reactor. A sensitivity analysis, with the method of Morris, showed that improved model estimates require a more accurate assessment of the additional heat of sorption and porosity of the bed. After assessing the heating needs of the LEB house with a thermal model of the latter in cold climate conditions, two heat storage reactors were sized in order to shed the heating system's load curve either between 6 and 8pm or during the coldest week of the year. While the first strategy results in a more compact storage system, the second makes it possible to reduce the number of on/off cycles. The need for predictive control for monitoring the storage system was highlighted. As for the residential district of 50 LEB houses, diversity is considered when estimating the heating needs of the latter during the coldest week in Nancy. The heat source during the charging phase of the container would be industrial waste heat. During the coldest week, two sizings are suggested. For similar load shedding strategies, the comparison of the equivalent storage volume per house in the district with the storage volume for a single house serves highlights the importance of taking into account diversity. In order to meet the heating needs in Nancy, an equivalent volume of 544 liters per house in the district is sufficient whereas 580 liters are needed for a LEB house.