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Advances and Applications of Molecular Absorption Spectrometry: from Non-Metals to Isotope Analysis
(2019)
The present work covers two main aspects of high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS), an analytical technique for elemental trace analysis.
First, a comprehensive mechanistic study of molecule formation in graphite furnaces is presented, which is a key step into the recovery of analytical signals. For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in HR-CS-GFMAS. A zirconium coating catalyzes the CaF formation, and its structure was investigated. The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), and Raman microspectroscopy. Here a mechanism is proposed, where ZrO2 works as a heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, an intermediate state of ZrO(OCaF) is activated, and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface.
Second, analytical methods were developed by using HR-CS-MAS as detector for non-metals and isotope analysis. Therefore, the determination of organic absorbable chlorine in water, the quantification of fluorine in consume care products with declared perfluorinated ingredients, and the determination of sulfur content in crude oils were investigated. Finally, the high resolution of the instrumentation allows to measure isotopic shifts with high precision in some observed molecular spectra. Consequently, the molecular spectra of enriched isotopes of boron and magnesium were investigated, establishing so the potential of HR-CS-MAS for the accurate and precise determination of isotopic amount ratios.
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei zentralen Aspekten der High-Resolution-Continuum-Source-Molekülabsorptionsspektrometrie mit Graphitrohrtechnik (HR-CS-GFMAS), einer Analysetechnik für elementare Spurenanalyse.
Der erste Teil der Arbeit umfasst eine mechanistische Studie zur Molekülbildung auf Graphitoberflächen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um analytische Signale zu entdecken. Dazu wurde die Molekülbildung von CaF analysiert, welches für die indirekte, analytische Bestimmung von Fluor in HR-CS-GFMAS genutzt wird. Die CaF Bildung wurde mittels einer Beschichtung aus Zirconium katalysiert und deren Struktur analysiert. Die Kinetik dieser Reaktion wurde durch Beobachtung des jeweiligen Molekülspektrums bei verschiedenen Atomisierungstemperaturen beobachtet. Ein Arrheniusplot zeigte für Fluor (n = 1) eine Reaktion Pseudo-erster Ordnung. Ein Übergangszustand wurde über die mit Zirconium überzogene Grafitoberfläche isoliert und seine Struktur mittels spektroskopischer Methoden Energiedispersive Rasterelektronenmikroskopie / Röntgenspektroskopie (REM-EDX), Röntgenphoto¬elektronenspektroskopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und Raman Spektroskopie untersucht. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Mechanismus vorgeschlagen, bei dem ZrO2 als heterogener Katalysator fungiert; in Folge einer Pyrolysestufe wird ein Übergangszustand des ZrO(OCaF) aktiviert, welcher bei höheren Temperaturen CaF(g) an der Zirconium-Graphitoberfläche freisetzt.
Im zweiten Teil der Arbeit werden Analysemethoden entwickelt, in dem HR-CS-MAS als Detektor für Nichtmetalle und Isotopanalyse angewandt wird. Hierfür wurde organisch gebundenes Chlor im Wasser bestimmt, der Fluorgehalt in Pflegeprodukten mit perfluorierten Inhaltsstoffen quantifiziert und der Schwefelgehalt in Erdöl untersucht. Weiterhin ermöglicht die hohe Auflösung der Messgeräte eine präzise Bestimmung der Isotopenverschiebung einiger untersuchter Molekülspektren. Daher wurden die Molekülspektren angereicherter Bor- und Magnesiumisotope untersucht. Auf diese Weise wurde das Potential von HR-CS-MAS für die akkurate und präzise Bestimmung von Isotop-Mengenverhältnissen nachgewiesen.
A fast and simple method for sulfur quantification in crude oils was developed by using high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). For this, heavy crude oil samples were prepared as microemulsion (shake) and injected into a graphite furnace (shut). Finally, the concentration of sulfur was determined by monitoring in situ the transient molecular spectrum of GeS at wavelength 295.205nm after adding a germanium solution as molecular forming agent (and go). Zirconium dioxide in the form of nanoparticles (45–55nm) was employed as a permanent modifier of the graphite furnace. Calibration was done with an aqueous solution standard of ammonium sulfate, and a characteristic mass (m0) of 7.5ng was achieved. The effectiveness of the proposed method was evaluated analizing, ten heavy crude oil samples with Sulfur amounts ranging between 0.3 and 4.5% as well as two NIST standard reference materials, 1620c and 1622e. Results were compared with those obtained by routine ICP-OES analysis, and no statistical relevant differences were found.
Black microcolonial fungi (MCF) are persistent inhabitants of rock surfaces in hostile desert environments. In these niches, MCF have evolved mineral-weathering and symbiotic capabilities as well as mechanisms to cope with multiple stresses such as solar irradiation, temperature extremes and low water activity. Due to their stress tolerance these ascomycetes are prominent in modern terrestrial ecosystems – like man-made material surfaces from roof to solar panels. MCF interactive capabilities support their facultative symbiotic relationships with cyanobacteria and ensure their rock-weathering geochemical activity.
Using the rock-inhabiting fungus K. petricola A95 (Chaetothyriales), we developed transformation protocols and deleted genes responsible for production of the protective pigments melanins and carotenoids. To confirm that the mutant phenotypes were not due to hidden mutations, melanin synthesis was restored by complementing the mutants with the respective wild type genes. Strains of K. petricola carrying gene variants for fluorescent proteins EGFP and DsRed are available. We successfully labelled the cytoplasm, nuclei, peroxisomes and mitochondria. Targeted and ectopic integrations result in stable transformants suitable for further phenotypical characterization. As K. petricola is a non-pathogenic fungus with all characteristic features of MCF, including meristematic growth, melanized cell-walls, extracellular polymeric substances and extensive pigment production, our results will shed light on protective role of pigments during cell wall maturation and oxidative stress defence in rock-inhabiting MCF. Genes involved in environmental sensing or substrate and phototroph interactions are currently targeted. With the help of a mutant collection and fluorescently labelled K. petricola we will be able to investigate interactions of MCF with environmental stressors, mineral substrates, soil matrices and phototrophic symbionts.
The explosion regions of 1-propanol, 2-propanol, acetone and 1-butanol in air were measured in the presence of CO2, He, N2 and Ar in accordance with EN1839 method T at high temperatures and at atmospheric pressure. The experimental results show that 1-propanol, 2-propanol and acetone have very similar lower explosion limits (LELs). 1-Butanol shows a slightly wider explosion area near the LEL line. In addition, the explosion regions of all combustible/inert gas/air mixtures were calculated with the method of constant adiabatic flame temperature profiles (CAFTP), using the flame temperature profile along the explosion region boundary curve of each combustible/N2/air mixture as a reference to determine the explosion regions of combustible/inert gas/air mixtures with inert gases other than N2 at different initial temperatures. To calculate the explosion regions for systems containing He, the calculation method was modified to include the very different physical transport properties of He. Moreover, the procedure for calculating the apexes in the ternary explosion diagrams was modified. The calculation results show good agreement with the experimental results.
Trialkoxysilane haben sich in den vergangenen Jahren als vielseitig einsetzbare Organosilane erwiesen. Die Einsatzgebiete erstrecken sich vom Witterungsschutz von Bauwerken über haftvermittelnde Eigenschaften in der Glasfaserindustrie, bei Dicht- und Klebstoffen, in Farben und Lacken bis hin zur Modifizierung von polymeren Werkstoffen.
Kommerzielle Benchtop-NMR-Spektrometer haben das Potential auch im Bereich der Silanchemie als Online-Methode zur Reaktionsüberwachung und für die Qualitätskontrolle eingesetzt zu werden. Interessante NMR-Kerne für die oben genanntem Produkte sind 1H und 29Si. In einer gemeinsamen Forschungskooperation zwischen EVONIK und BAM wurde anhand verschiedener Fallstudien die Anwendbarkeit der Niederfeld-NMR-Spektroskopie zur chemischen Analyse von Silanen evaluiert. Im Zuge der Fallstudien wurde gezeigt, wie Niederfeld-NMR-Spektroskopie die Möglichkeiten der Konzentrationsmessung auf neue Anwendungsgebiete erweitert, in denen bestehende Technologien wie z. B. NIR, Raman, UV/VIS, etc. mangels Referenzdaten nicht quantitativ eingesetzt werden können.
Fallstudie 1: Oligomerisierung
Eine Fallstudie setzte dazu an, den Hydrolyse- und Kondensationsverlauf mit einer geeigneten Online-NMR-Analytik zu beobachten, den Reaktionsfortschritt der Hydrolyse und Kondensation auf dieser Basis besser zu verstehen und zu optimieren. Zu diesem Zweck werden durch Zugabe von Wasser zunächst die Alkoxysubstituenten eines Trialkoxysilans hydrolysiert und entsprechende Silanole gebildet. Diese können dann über eine SiOH-Funktion an den zu modifizierenden Werkstoff anbinden und über weitere Silanolgruppen unter Ausbildung von Siloxaneinheiten vernetzen.
Fallstudie 2: Spaltung von cyclischen Silanverbindungen
In einer weiteren Fallstudie wurde die Kinetik der Aufspaltungen einer cyclischen Silanverbindung untersucht. Die Online-NMR-Analytik kam hierbei sowohl im Labor als auch in der industriellen Produktionsanlage zum Einsatz. Hierfür wurde eine vollständig automatisierte Einhausung verwendet, welche den Einsatz eines kommerziellen NMR-Spektrometers in explosionsgeschützten Bereichen ermöglicht.
Fallstudie 3: Qualitätskontrolle für Produktmischungen von Trialkoxysilanen
Für Produktmischungen eines Trialkoxysilans und weiteren Bestandteilen wie u. a. org. Stabilisatoren, Organozinnverbindungen, eines aromatischen Amins und org. Peroxide wurden quantitative 1H-Spektren akquiriert und eine automatische Auswertungsmethode basierend auf Indirect Hard Modeling (IHM) entwickelt. Für die Nebenkomponenten, deren Stoffmengenanteile bis zu 3 Mol-% betragen, wurden durch die zugrunde gelegte Methode typischerweise korrekte experimentelle Stoffmengenanteile gefunden, die weniger als 0,2 Mol-% vom Referenzwert abweichen.
Fatigue is one of the most prevalent issues, which directly influences the service life expectancy of concrete structures. Fatigue has been investigated for years for steel structures. However, recent findings suggest that concrete structures may also be significantly subjected to fatigue phenomena that could lead to premature failure of certain structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. Knowledge on the influence factors and durability/capacity effects on this material should be improved. Current technological means to measure fatigue in civil structures like bridges and wind turbines (both onshore and offshore) are outdated, imprecise and inappropriate.
Meanwhile, this topic has got much more attention as time-variant loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, and for wind turbines for renewable energy production, e.g. for offshore wind turbine support structures affected by wind and waves.
The European Innovative Training Networks (ITN) Marie Skłodowska-Curie Actions project INFRASTAR (Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk) provides research training for 12 PhD students. The project aims to improve knowledge for optimizing the design of new structures as well as for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of the remaining fatigue lifetime of existing concrete structures.
First, the INFRASTAR research framework is detailed. Then it will be exemplified through the presentation of the major results of the four PhD students involved in the work package dealing with auscultation and monitoring. This includes the development and improvement of Fiber Optics (FO) and Coda Wave Interferometry (CWI) for crack sizing and imagery, new sensor technologies and integration, information management, monitoring strategy for fatigue damage investigation and lifetime prediction.
Modeling of silicon surface topographies induced by single nanosecond laser pulse induced melt-flows
(2019)
Irradiation with a single nanosecond laser pulse in the melting regime can result in a characteristic change in the surface morphology of crystalline silicon. This has been verified experimentally in a variety of situations, where dimple-shaped surface topographies are produced. In this work, the dimple height, depth, and width are modeled following and extending in a more rigorous manner the approach of Wood and Giles [Phys. Rev. B 23, 2923–2942 (1981)] and that of Schwarz-Selinger and coworkers [Phys. Rev. B 64, 155323 (2001)], upon varying the laser irradiation parameters such as peak energy density, pulse duration, and wavelength. This is achieved with numerical simulations of one-dimensional heat flow as input to the analytical fluid-flow equations.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
Carbonfasern sind äußerst stabil und werden auch in Anlagen zur Verbrennung von Sondermüll kaum zerstört. Beim Handling carbonfaserhaltiger Abfälle können Gesundheitsrisken auftreten (Abgabe von WHO-Fasern). Es werden Methoden der Verwertung carbonfaserhaltiger Reststoffe in der Pyrometallurgie diskutiert.