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- 1.4 Prozessanalytik (2)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (1)
- 6.3 Strukturanalytik (1)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (1)
Trash to treasure: recovery of transition metal phosphates for (electro-)catalytical applications
(2022)
Wastewaters containing high concentrations of NH4+, PO43- and transition metals are environmentally harmful and toxic pollutants. At the same time phosphorous and transition metals constitute valuable resources. Here, we report the synthesis routes for Co- and Ni-struvites (NH4MPO4∙6H2O, M = Ni2+, Co2+) out of aqueous solutions resembling synthetic/industrial waste water compositions, and allowing for P, ammonia and metal co-precipitation. Furthermore, the as-obtained struvites were further up-cycled. When heated, these transition metal phosphates (TMPs) demonstrate significant changes in the degree of crystallinity/coordination environment involving a high amount of amorphous phases and importantly develop mesoporosity (Figure 1). In this regard, amorphous and mesoporous TMPs are known to be highly promising (electro-)catalysts.
Amorphous phases do not represent a simple “disordered” crystal but more a complex system with a broad range of compositions and physicochemical properties, which remain mostly unknown. Consequently, we investigated the recrystallization and amorphization process during thermal treatment and a resolved the complex amorphous/crystalline structures (Figure 2). As a proof-of-principle for their applicational use, the as-obtained TMPs demonstrate significant proton conductivity properties similar to apatite-like structures from room to high temperatures (>800°C).
Hence, we have developed a promising recycling route in which environmental harmful contaminants like PO43-, NH4+ and 3d metals would be extracted out of waste waters in the form of precursor raw materials. These raw materials can be then further up-cycled through a simple thermal treatment for their specific application in electrocatalysis.
Mit dem zerstörungsfreien Verfahren der nuklear magnetischen Resonanz (NMR) mit Fokus auf 1H-Protonen lässt sich der Feuchtegehalt in porösen Materialien bestimmen und bei einem vollgesättigten Medium eine Porengrößenverteilung ableiten. Für die Ermittlung der Porengrößenverteilung muss die gemessene T2-Relaxationszeitenverteilung mit dem Parameter Oberflächenrelaxivität (OR) umgerechnet werden. Ist dieser Parameter für das zu untersuchende Medium unbekannt, kann dieser mithilfe von Vergleichsverfahren abgeschätzt werden. Dabei kommen z. B. Gassorption, Quecksilberporosimetrie (MIP), Dünnschliff-Mikroskopie oder µ-Computer-Tomographie (µ-CT) zum Einsatz. Da die verschiedenen Verfahren allerdings unterschiedliche Auflösungsgrenzen aufweisen und auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen, können die ermittelten ORs für ein Medium stark variieren. Um ein besseres Verständnis für die OR und die Einflüsse der Vergleichsverfahren zu bekommen, wurden 19 verschiedene Sandsteintypen untersucht. Die OR wurde zum einen basierend auf der spezifischen inneren Oberfläche aus der dynamischen Dampfsorption (DVS) und der Gassorption abgeleitet. Zum anderen wurden die Relaxationszeitenverteilungen durch manuelles Anpassen der OR derart in Porengrößenverteilungen umgerechnet, sodass es eine Übereinstimmung mit den Porengrößenverteilungen aus MIP und/oder µ-CT gibt. Die Umrechnung von Relaxationszeitverteilungen in eine Porengrößenverteilung berücksichtigt dabei sowohl fast- als auch slow-diffusion. Insgesamt ergab sich für die Sandsteine ein breites Spektrum an ORs, bei dem die über die innere spezifische Oberfläche ermittelten ORs andere Größenordnungen aufwiesen (< 10 µm/s), als bei dem Vergleich mit MIP oder µ-CT (bis 600 µm/s). Die mit MIP und µ-CT ermittelten Werten lagen dabei um einen Faktor von 1 bis 30 auseinander. Dieser umfangreiche Datensatz, der vier verschiedene Vergleichsverfahren einbezieht, soll neue Erkenntnisse in der Charakterisierung von porösen Materialien (z. B. bezüglich der Oberflächenrauigkeit) und in der Ursache für die starke Variation der OR ermöglichen. Durch das Berücksichtigen von fast- als auch slow-diffusion, können dabei sogar Daten in eine Porengrößenverteilung umgerechnet werden, bei denen das fast-diffusion-Kriterium nach Brownstein und Tarr nicht erfüllt ist. Außerdem ergibt sich aus der Berücksichtigung des slow-diffusion-Regimes ein neues Verständnis für die obere Auflösungsgrenze von NMR.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Die Ausbreitung von thermischen Wellen von der Wärmequelle zur Inhomogenität und zur Detektionsoberfläche entsprechend der thermischen Diffusionsgleichung führt dazu, dass zwei eng beieinander liegende Defekte fälschlicherweise als ein Defekt im gemessenen Thermogramm erkannt werden können. Um diese räumliche Auflösungsgrenze zu durchbrechen, also eine Super Resolution zu realisieren, kann die Kombination von räumlich strukturierter Erwärmung und numerischen Verfahren des Compressed Sensings verwendet werden.
Für unsere Arbeiten benutzen wir Hochleistungs-Laser im Kilowatt-Bereich um die Probe entweder hochaufgelöst entlang einer Linie (1D) abzurastern oder strukturiert zu erwärmen. Die Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens zur Defekterkennung hängt dann im klassischen Sinne direkt von der Anzahl der Messungen ab. Mithilfe des Compressed Sensings und Vorkenntnissen über das System ist es jedoch möglich die Anzahl der Messungen zu reduzieren und trotzdem Super Resolution zu erzielen. Wie viele Messungen notwendig sind und wie groß der Auflösungsgewinn gegenüber der konventionellen thermografischen Prüfung mit flächiger Erwärmung ist, hängt von einer Reihe von Messparametern, der Messstrategie, Probeneigenschaften und den verwendeten Rekonstruktionsalgorithmen ab.
Unsere Studien befassen sich mit dem Einfluss der experimentellen Parameter, wie z.B. der Pulslänge der Laserbeleuchtung und der Größe des Laserspots. Weiterhin haben wir uns mit der Wahl der Parameter in der Rekonstruktion auseinandergesetzt, die einen Einfluss auf das im Compressed Sensing zugrundeliegende Minimierungsproblem haben. Für jeden getesteten Parametersatz wurde eine Rekonstruktionsqualität berechnet. Schließlich wurden die Defektrekonstruktionen basierend auf den Parameternsätzen verglichen, sodass eine Parameterwahl für hohe Rekonstruktionsqualitäten mit thermografischer Super Resolution empfohlen werden kann.
Im Europäischen EMPIR-Projekt „NanoXSpot“ (Measurement of the focal spot size of Xray tubes with spot sizes down to 100 nm) werden neue Messmethoden für Brennflecke von Röntgenröhren entwickelt. Teil des Projektes ist die Entwicklung eines zur Lochkameramethode äquivalenten Messverfahrens für kleine Brennflecke. ASTM E 1165-20, Annex A, beschreibt die Bestimmung von Brennfleckgrößen aus Kantenprofilen von Lochaufnahmen für Röntgenröhren mit Brennflecken > 50 μm. Es wurde bereits vorgeschlagen über die Analyse der richtungsabhängigen Kantenunschärfe einer Lochblende und anschließender CT-Rekonstruktion die Intensitätsverteilung des Brennflecks äquivalent zur Lochkameraaufnahme zu berechnen. Die Lochkameramethode, wie in EN 12543-2 und ASTM E 1165-20 beschrieben, ist im unteren Größenbereich für Mikrofokusröhren nicht geeignet, da Pinholes < 10 μm schwer zu fertigen sind und lange Belichtungszeiten erwartet werden. Mit Hilfe exakt gefertigter Lochblenden sowie strukturierter Targets mit konvergierenden Strukturen wird der Bereich mit der Single-Shot-CT-Methode auf die Messung von Mikrofokusröhren, alternativ zur Vermessung von Kanten oder Strichgruppenkörpern, erweitert. Die rekonstruierten Brennfleckformen werden mit Kanten und Lochkameraaufnahmen quantitativ verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten. Außerdem werden CNR und Messzeit bestimmt, um die Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu bewerten.
Thermografische Super Resolution ermöglicht die Auflösung von Defekten/Inhomogenitäten unterhalb des klassischen Limits, welches durch die Diffusionseigenschaften der thermischen Wellenausbreitung bestimmt wird. Basierend auf einer Kombination aus der Anwendung spezieller Abtaststrategien und einer anschließenden numerischen Optimierungsschritt bei der Datenauswertung hat sich die thermografische Super Resolution bereits bei der Detektion von 1D-Defekten gegenüber den Standard-Thermografieverfahren als überlegen erwiesen. In unserer Arbeit erweitern wir die Möglichkeiten der Methode zur effizienten Detektion und Auflösung von Defektquerschnitten mit einer vollständig 2D-strukturierten Erwärmung.
Der experimentelle Ansatz basiert auf einer wiederholten räumlich strukturierten Erwärmung durch einen Hochleistungslaser. In einem zweiten Nachbearbeitungsschritt werden mehrere kohärente Messungen mittels mathematischer Optimierung und unter Ausnutzung der (Joint-) Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/ Inhomogenitätskarte erhalten werden. Da die Kombination von räumlich strukturierter Erwärmung und anschließender numerischer Kombination mehrerer kohärenter Messungen nicht nur die Auflösung verbessert, sondern auch die Messkomplexität drastisch erhöht, werden verschiedene Scanstrategien untersucht. Abschließend werden die erhaltenen Ergebnisse mit denen konventioneller thermografischer Prüfverfahren verglichen.
Die luftgekoppelte Ultraschallprüfung (ACUT) ist ein vielfach bewährtes zerstörungsfreies Prüfverfahren, welches von vielen Anwendern jedoch nur am Rande oder gar nicht wahrgenommen wird. Insbesondere, die nach wie vor in der Ultraschallausbildung gelehrten Theorien zur wellenlängenabhängigen minimalen detektierbaren Fehlergröße und die vermeintliche Notwendigkeit der Verwendung von Koppelmittel schrecken viele potentielle Anwender davon ab für ihr
Prüfproblem ACUT in Betracht zu ziehen. Des Weiteren wird ACUT häufig nicht als eigenständiges Prüfverfahren erkannt, sodass versucht wird, flüssigkeitsgekoppelte Ultraschallprüfungen ohne Beachtung der Besonderheiten zu ersetzen.
Regulatory decisions require reliable data and knowledge derived from this. Among stakeholders in nanotechnology, however, there is often uncertainty about the quality of data for regulatory purposes. In addition, the general public often finds itself excluded from nanoregulation and policy decisions. This creates uncertainty in the nanotechnology field and also in other branches of technology and leads to concerns among the society.
To address these issues, NANORIGO elaborates a framework to support decision making as well as data, information and knowledge sharing and use. We refer to “reliability” of data and knowledge as a degree of readiness or maturity. According to these criteria we worked out a 9-level scale in analogy to TRL (technology readiness level), the KaRL system (Knowledge, Data and Information Readiness Level). KaRL allows assessment of knowledge readiness for decision making by applying defined quality criteria for each level. It also provides guidance on how to enhance the readiness level by the help of available tools and procedures. KaRL addresses SEIN[1] principles, circular economy and thus involves the public concerns in regulation. A specialized nanorisk governance council (being under development in NANORIGO) is suggested to perform quality check of an actionable document, thus, aiding in consensus on the reliability (maturity) of knowledge for decision making. Moreover, KaRL facilitates traceability of knowledge before its use in decision making. This enables the transparency demanded by all stakeholders.
Monitoring of reinforced concrete structures to ensure their stability and increase their service-life is a crucial element of a modern infrastructural concept. With classical methods of non-destructive testing and inspection, repeated measurements under comparable conditions are difficult to conduct. Therefore, DFG research unit FOR 2825 CoDA researches the assessment of concrete damage using ultrasound coda wave interferometry and embedded sensors. Embedding the sensors into the monitoring target reduces human and non-human factors influencing repeatability. Using Coda Wave Interferometry (CWI), small velocity changes in the material can be detected by comparison of repeated measurements. The technique is sensitive to damaging changes like cracking as well as to reversible influences like material temperature. The understanding of these different influences on the signal is crucial for the analysis of long-term monitoring data to make an educated assessment of the structure and its integrity. With several laboratory experiments in a climate chamber and a long-term experiment recording an annual cycle in a large model on an outdoor test site in Horstwalde close to Berlin, we try to understand the influence of temperature on the CWI results. The results show that the velocity change calculated by CWI does closely follow the trend of concrete temperature. After one year of data recording with the large model being exposed to environmental variations only, the calculated velocity change resembles the annual temperature curve. The data shows a linear dependency between velocity and temperature change in a range of -0.03 percent per °K to -0.06 percent per °K - regardless of specimen size. An approach to remove temperature influence from the yearly cycle recorded in the large-scale experiment using this linear relation is unable to remove high-frequency variations - especially daily influences. Low-pass filtering the data can eliminate these variations while preserving permanent shifts caused by damages. Although we have shown that the influence of temperature on long term monitoring can be removed to a significant extent, there is still an influence of environmental changes remaining in the data. Possible nonlinear effects and influences not related to temperature need to be investigated in the future.
Die zerstörungsfreie Ermittlung der Materialfeuchte in Baustoffen ist für das Bauwesen von großer Bedeutung, denn ein erhöhter Feuchteeintrag kann zu Schimmelbildung, Alkali-Kieselsäure-Reaktionen, Korrosion etc. führen und somit ein hohes Schadenspotential mit sich bringen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, besteht ein Mangel an quantitativen Verfahren, die auch bei niedrigen Feuchtegehalten sensitiv sind. Eine Methode zur zerstörungsfreien und quantitativen Bestimmung des Feuchtegehaltes und der effektiven Porosität ist die 1H-Kernspinresonzanzmethode (NMR). Da NMR sensitiv für die molekulare Beweglichkeit von Wasserstoffprotonen ist, lassen sich Informationen über die Bindungsform und -stärke sowie der Umgebung (Porengröße und Mineralzusammensetzung) der Wasserstoffprotonen gewinnen. Obwohl es bereits seit über 20 Jahren mobile NMR-Messeräte gibt, wird NMR heutzutage immer noch weitestgehend im Labor eingesetzt. Dies liegt daran, dass sie aufgrund der verwendeten Permanentmagnete schwer sind und nur äußerst geringe Eindringtiefen ermöglichen. In einer derzeit laufenden Forschungsarbeit wird deshalb ein speziell für Bohrkerne entworfener NMR-Tomograph eingesetzt. Mit seiner minimalen Echozeit von 50 µs lässt sich (abhängig von der Oberflächenrelaxivität) Wasser bis in nanometergroßen Poren erfassen. Um die Sensitivität von NMR bei Teilsättigung zu untersuchen, wurden verschiedene Sandsteinproben in Exsikkatoren mit relativen Luftfeuchten im Bereich von 33 % bis 96 % gelagert. Als Referenzen dienen zum einen das NMR-Signal bei Vollsättigung und zum anderen die Porengrößenverteilung aus Quecksilberporosimetriemessungen (MIP). Um die NMR-Sensitivität zu bewerten, wird die Korrelation der NMR-Amplitude mit den gravimetrisch ermittelten Feuchtegehalten sowie ein Vergleich der Porosität aus NMR und MIP betrachtet. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass sowohl die Reduzierung der Wasserfilmdicke als auch die Verkleinerung von Porengrößen zu einer ähnlichen Verkürzung der T2-Relaxationszeit führt. Als Ausblick wird ein Lösungsansatz vorgestellt, bei dem die NMR-Signale mit der Wasserfilmdickenberechnung basierend auf der relativen Luftfeuchte im Material korreliert werden.
Nach Auftreten eines Feuchteschadens in Fußbodenaufbauten sind sowohl die zeitnahe Feststellung als auch Eingrenzung betroffener Bereiche von besonderer Bedeutung. So können erforderliche Renovierungsmaßnahmen effizient geplant und mögliche Folgeschäden vermieden werden. Zur messtechnischen Beantwortung dieser Fragestellungen werden bereits seit vielen Jahren Neutronensonden eingesetzt, welche allerdings keine Tiefenzuordnung des schadensträchtigen Flüssigwassers zulassen. Hierzu müssen mit hohem zeitlichem und finanziellem Aufwand zerstörende Sondierungsbohrungen vorgenommen werden, welche zukünftig durch den parallelen Einsatz des Radarverfahrens vermieden werden könnten. In systematischen Laborstudien wurden gängige Feuchteschäden an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf das Messsignal untersucht. Hierbei kamen Zementund Anhydritestriche, sowie die Dämmmaterialen Styropor, Styrodur, Glaswolle und Perlite-Schüttung mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz, um die vielfältigen Konfigurationen der Praxis abzubilden. Für den gewonnenen Datensatz konnten geeignete Signalmerkmale extrahiert werden, welche mithilfe multivariater Datenauswertung eine Klassifizierung des vorliegenden Schadenfalls zulassen. Zum Ende des Forschungsvorhabens steht besonders die Anwendbarkeit der entwickelten Methoden für die Praxis im Fokus. Hierzu wurden Messungen an realen Schadensfällen durchgeführt und deren Ergebnisse mit den Laboruntersuchungen verglichen. Hierbei stellten sich variierende Schichtdicken, sowie vorkommende Fußbodenheizungen und Armierungsgitter als mögliche Fehlerquellen für eine vollständig automatisierte Auswertung heraus.