Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Renewable resources become more and more relevant to maintain energy demands for an increasing global population. Biosynthetic fuels like biodiesel might replace conventional petrochemical fuels. In this study the influence of microbial growth on biodiesel and diesel on the storage tank systems were investigated. Polymeric fuel storage tanks for diesel and biodiesel provide suitable environmental conditions for a broad spectrum of fungi and various bacteria, including cyanobacteria and aerobic heterotrophic, and even anaerobic, fermentative Bacteria. However, the questions whether and how ageing of the materials is affected by biofouling processes have not been answered so far. Therefore, a model system for biofilm formation was established to study the initial attachment phase of bacteria in dependency of ageing, quality and surface modification of thermoplastic polymers used for storage tank systems. The microbial survey is closely connected with a detailed characterization of the material’s properties and its ageing processes.
A widely applied plastic used for fuel storage tanks is high-density polyethylene (PE-HD), which is available with various additives to increase UV-light stability and even for the storage of biodiesel. These materials were aged under UV-light and temperature using a defined climate chamber set-up. Further, the repeated filling of fuels was mimicked for such storage tanks, as this has an important impact on the life-cycle length for the storage Container. The aged polymers showed a significant change in the material’s characteristics, including surface characteristics (e.g. hydrophobicity) and carbonyl groups. The effect of the changed material properties on the biofilm formation are studied using bacterial isolates, previously obtained from a “dieselpest”, and as a model-reference E. coli. The unaged polymers showed already some significant differences for the initial attachment of E. coli K12. Polyethylene with additives was colonized faster than the reference material (without additives) although the final biofilm coverage was not impaired. Likewise, the settlement of a kerosene-isolated Bacillus species on the unaged materials independently of additives was only minor interfered.
In future, our results should give stakeholders in industry and public authorities a better estimation of the life-cycle security for fuel storage tank systems and on the fuel quality. Further, our results could help to test and develop new materials or additives to prevent biofouling processes.
Sustainable energy and clean engine fuels receive more and more attention. Petrodiesel could be substituted by biofuels such as biodiesel produced from renewable resources. Biodiesel is derived by transesterification of oils with alcohols for example vegetable oils, animal fats or food waste. Its chemical composition of unsaturated fatty methyl acids causes biodiesels susceptibility to oxidation. Especially, the polymer-biodiesel performance under long-term conditions has been considered only in few researches.
Our study addresses a long-term storage scenario of a polymeric fuel tank containing biodiesel or diesel.
In den letzten 15 Jahren hat im deutschen Autobahnnetz die Anzahl von Schäden an Betonfahrbahnen, die vor 2005 er-richtet wurden zugenommen. Dies führt oft zu einer Vermin-derung der Lebensdauer von 30 auf 10 bis 15 Jahre. Trotz umfassender Untersuchungen wurde die Ursache bis jetzt nicht eindeutig geklärt, jedoch scheint die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) hierbei eine Rolle zu spielen. Vor diesem Hintergrund wurden AKR-Performance-Tests entwickelt, die jedoch die mechanischen Einwirkungen aus Klima und Ver-kehr nicht berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde eine AKR-Forschergruppe von der Deutschen Forschungsgemein-schaft ins Leben gerufen, welche sich experimentell und auf Simulationsebene mit diesem Thema befasst. Inhalt dieses Beitrages sind ausgewählte Ergebnisse des an der BAM bear-beiteten experimentellen Projektteils, welche in eine auf die Auswirkung einer mechanischen Degradation fokussierte Promotionsarbeit einfließen.
Ziel der ausgewählten Untersuchung ist es, den Einfluss einer mechanisch induzierten Betondegradation auf den Stofftrans-port herauszuarbeiten. Hierzu wird ein großformatiger Balken einem zyklischen Vier-Punkt Biegezugversuch mit einer Anzahl von 5 Mio. Lastwechseln unterzogen. Während des Versuches findet ein Schadensmonitoring mit verschiedenen zerstörungsfreien Prüftechniken statt. Hierzu zählen Deh-nungsmessungen, Schallemissionsanalyse und Ultraschall-messungen. Nach dem zyklischen Belastungs-versuch werden kleinformatige Probekörper aus dem belasteten Balken entnommen. Als Referenz dienen unbelas-tete Probekörper aus der gleichen Herstellungscharge. Die Oberflächen der entnommenen Probekörper werden in einem kapillaren Saugversuch zum einen mit deionisiertem Wasser und zum anderen mit einer 3,6 %igen NaCl-Lösung beauf-schlagt. Während der Saugversuche dienen verschiedene zerstörungsfreie bzw. -arme Messmethoden dazu, die Feuch-teaufnahme bzw. -verteilung in den Probekörpern zu messen. Hierzu gehören neben der Gravimetrie die Messung mit NMR (Nuclear-Magnetic-Resonance) sowie TDR (Time-Domain-Reflectometry). Nach den Saugversuchen wird die Na- und Cl-Verteilung an den mit NaCl-Lösung beaufschlagten Pro-bekörpern zerstörend mittels LIBS (Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy) ermittelt. Erste Ergebnisse zeigen, dass die zyklische Ermüdungsdegradation den Stofftransport tendenziell verstärkt.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.
At BAM, which is the federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes the assessment of the service lifetime of elastomeric seals that are part of the container lid system with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) up to 1.5 years. In order to assess sealability, O-rings are aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings are aged as well. Further methods characterising seal performance are compression stress relaxation (CSR) reflecting the loss of sealing force of a compressed seal over time, and compression set (CS) which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression. Additionally, hardness is measured for information about the change of mechanical properties. The experimental results indicate that while hardness, CSR and CS show considerable degradation effects, the leakage rate stays relatively constant or even decreases until shrinkage combined with the loss of resilience of the aged seal leads to leakage. This demonstrates that static leakage rate, which is the only available direct seal performance criterion, has only limited sensitivity towards the degradation of the seal material. CS data is extrapolated using time-temperature shifts and Arrhenius graphs. An exemplary CS of 50 % would be reached after approx. 1.2, 17 and 29 years at 60 °C for HNBR, EPDM and FKM respectively.
The application range of CPV (composite pressure vessels)
is multifaceted. But also the failure forms and the spectrum of measurement methods is manifold. On various, at BAM observed effects, it is shown why the micromechanical analysis of the composites is of such great interest for the prediction of aging effects of CPVs.
Photocatalysis is a promising technique to reduce volatile organic compounds indoors. Titanium dioxide (TiO2) is a frequently-used UV active photocatalyst. Because of the lack of UV light indoors, TiO2 has to be modified to get its working range shifted into the visible light spectrum. In this study, the photocatalytic degradation of toluene, butyl acetate and limonene was investigated under UV LED light and blue LED light in emission test chambers with catalysts either made of pure TiO2 or TiO2 modified with graphene oxide (GO). TiO2 coated with different GO amounts (0.75%–14%) were investigated to find an optimum ratio for the photocatalytic degradation of VOC in real indoor air concentrations. Most experiments were performed at a relative humidity of 0% in 20 L emission test chambers. Experiments at 40% relative humidity were done in a 1 m³ emission test chamber to determine potential byproducts. Degradation under UV LED light could be achieved for all three compounds with almost all tested catalyst samples up to more than 95%. Limonene had the highest degradation of the three selected volatile organic compounds under blue LED light with all investigated catalyst samples.
According to the objectives of the research group 1498, this paper deals with degradation effects in concrete structures that are caused by cyclic flexural loading. The goal is to determine their influence on the fluid transport processes within the material on the basis of experimental results and numerical simulations. The overall question was, to which extent the ingress of externally supplied alkalis and subsequently an alkali-silica reaction are affected by such modifications in the microstructure. Degradation in the concrete microstructure is characterized by ultrasonic wave measurements as well as by microscopic crack analysis. Furthermore, experiments on the penetration behavior of water into the investigated materials were performed. The penetration behavior into predamaged concrete microstructures was examined by the classical Karsten tube experiment, nuclear magnetic resonance method, and time domain reflectometry techniques. In order to create an appropriate model of the material's degradation on the water transport, the Darcy law was applied to describe the flow in partially saturated concrete. Material degradation is taken into account by an effective permeability that is dependent on the state of degradation. This effective permeability is obtained by the micromechanical homogenisation of the flow in an Representative Elementary Volume (REV) with distributed ellipsoidal microcracks embedded in a porous medium. The data gained in the microscopic crack analysis is used as input for the micromechanical model. Finite element simulations for unsaturated flow using the micromechanical model were compared with the experimental results showing good qualitative and quantitative agreement.