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Im Zuge der Energiewende finden Wasserstofftechnologien in der industriellen Praxis und im öffentlichen Raum immer mehr Anwendung. Beim Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für andere fossile Energieträger wie Erdgas müssen u.a. Explosionsschutzmaßnahmen überprüft und angepasst werden. Eine Art von Explosionsschutzmaßnahmen ist die Vermeidung von Zündquellen. Gemäß den einschlägigen Regelwerken ist die Bildung von Funken oder heißen Aufschlagstellen beim mechanischen Schlag eine mögliche Zündquelle, die vor allem beim Wasserstoff berücksichtigt werden muss. Die Zündwirksamkeit ist dabei u.a. stark von der Werkstoffpaarung und der kinetischen Schlagenergie abhängig. Der Einsatz von funkenarmen Werkzeugen aus schwer oxidierbaren Nicht-Eisen-Metallen in explosionsgefährdeten Bereichen kann z.B. eine Maßnahme sein, um diese Zündquelle zu vermeiden und wird als solche in den Regelwerken benannt. Es gibt aber kaum Quellen, die dabei helfen die Zündwirksamkeit bei Schlägen mit heterogenen Materialpaarungen einzuschätzen. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen mit unterschiedlichen, auch nicht-metallischen Schlagpartnern in wasserstoffhaltigen Atmosphären systematisch untersucht.
Flow-back and produced waters from shale gas and shale oil fields contain high ammonium, which can be formed by methanogenic degradation of methylamines into methane and ammonium. Methylamines are added to fracturing fluid to prevent clay swelling or can originate from metabolism of the osmolyte triglycinebetaine (GB).
We analyzed field samples from a shale gas reservoir in the Duvernay Formation and from a shale oil reservoir in the Bakken formation in Canada to determine the origin of high ammonium. Fresh waters used to make fracturing fluid, early flow-back waters, and late flow back waters from the shale gas reservoir had increasing salinity of 0.01, 0.58, and 2.66 Meq of NaCl, respectively. Microbial community analyses reflected this fresh water to saline transition with halophilic taxa including Halomonas, Halanaerobium, and Methanohalophilus being increasingly present. Early and late flow-back waters had high ammonium concentrations of 32 and 15 mM, respectively.
Such high concentrations had also been found in the Bakken produced waters.
Enrichment cultures of Bakken produced waters in medium containing mono, di-, or trimethylamine, or triglycinebetaine (GB) converted these substrates into ammonium (up to 20 mM) and methane. The methylotrophic methanogen Methanohalophilus, which uses methylamines for its energy metabolism and uses GB as an osmolyte, was a dominant community member in these enrichments. Halanaerobium was also a dominant community member that metabolizes GB into trimethylamine, which is then metabolized further by Methanohalophilus. However, the micromolar concentrations of GB measured in shale reservoirs make them an unlikely source for the 1,000-fold higher ammonium concentrations in flow-back waters. This ammonium either originates directly from the reservoir or is formed from methylamines, which originate from the reservoir, or are added during the hydraulic fracturing process. These methylamines are then converted into ammonium and methane by halophilic methylotrophic methanogens, such as Methanohalophilus, present in flow-back waters.
Reinigung wird in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie aufgrund des stetig steigenden Kosten- und Zeitdrucks sowie der hohen Verbrauchererwartungen hinsichtlich Produktsicherheit und -haltbarkeit ein immer zentraleres Thema. Eine verbesserte Reinigbarkeit bedeutet für die produzierende Industrie eine Steigerung der Effizienz der Produktionsanlage. Besonders in der heutigen medienintensiven Zeit kommt ein "Lebensmittelskandal" durch ein unsicheres Produkt einem finanziellen Desaster und immensem Imageverlust gleich. Aus diesem Grund ist die Reinigbarkeit der produktberührenden Oberflächen stets ein wichtiges Kriterium für die Werkstoffauswahl.
Basierend auf den Theorien zu Schmutzhaftung und -entfernung wurde im Rahmen dieser Arbeit überprüft, ob und wie die theoretisch relevanten Parameter auch in den Experimenten den Reinigungserfolg beeinflussen. Der Schwerpunkt wurde auf die Einflussgrößen des Werkstoffes gelegt, um herauszufinden, wie stark eine Oberfläche selbst zu ihrer Reinigbarkeit beitragen kann (self-cleaning).
In den durchgeführten Versuchen hat sich gezeigt, dass die Oberflächenrauheit lediglich bei der Reinigung von kohäsiven Schmutzfilmen eine entscheidende Rolle gespielt hat. Hingegen ist ihr Einfluss auf das Reinigungsergebnis von sich auflösenden Schmutzfilmen und Partikeln nur begrenzt bis gar nicht zur Geltung gekommen. Das Oberflächenmaterial hatte keinen starken, aber dennoch signifikanten Einfluss auf die Reinigbarkeit der untersuchten Oberflächen. Dass die Reinigbarkeit einer Oberfläche keine Materialkonstante sein kann, wurde unter Verwendung spezieller Oberflächen mit definiert geätzten Rauheitsstrukturen nachgewiesen. Der Reinigungserfolg hängt immer auch von der Verunreinigungsart ab, was sich auch in vergleichbaren Versuchen der Einzelpartikelablösung mittels AFM in dem Einfluss der Elastizität bzw. Plastizität der Partikeln geäußert hat.
Praxistaugliche Empfehlungen gehören mit zu den wichtigsten Zielen dieser Arbeit gewesen. Mit Fokus auf die Oberflächenparameter und auf Basis der durchgeführten Untersuchungen wurde zur Optimierung der Reinigung produktberührender Oberflächen für bekannte Kontaminationen eine Checkliste als Orientierungshilfe erarbeitet. Ist die Verunreinigungsart dennoch unbekannt, so sollte der "Grenzwert" von Ra = 1 µm unterschritten werden, um bei Vorhandensein filmartiger Verschmutzungen keine negativen Auswirkungen auf die Reinigbarkeit zu haben. Die Notwendigkeit nach hochpolierten Oberflächen (Ra < 0,3 µm) aus Reinigbarkeitsgründen kann aufgrund der Untersuchungen nicht nachvollzogen werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Im hier vorliegenden Bericht wurde im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche der nationale und internationale Stand von Wissenschaft und Technik hinsichtlich Behälterkonzepten und Behälteranforderungen erfasst. Dabei wurde eine umfangreiche Dokumentensammlung zusammengestellt und sortiert, die als Quellenbasis für alle weiteren Arbeiten zur Verfügung steht. Die Auswertung der gesammelten Informationen resultiert in einem Überblick über internationale Behälterentwicklungen sowie einer detaillierten Übersicht über die Behälterkonzepte und die ihnen zugrundeliegenden Anforderungskataloge aus elf fortgeschrittenen Endlagerprogrammen.
Das Ziel des Verbundforschungsvorhabens KKS-Gründung war die Entwicklung eines Monitoringsystems zur Erfassung von Korrosion an Gründungsstrukturen im Labormaßstab. Dafür war eine umfassende Bewertung und Beschreibung korrosionsbeeinflussender Faktoren und der Korrosionssysteme notwendig. Im Vorhaben KKS-Gründung wurde die Gründungsstruktur unterhalb der Wasserlinie betrachtet bis hin zum anaeroben Bereich im Sediment. Insbesondere der Sedimentbereich wurde bisher nur unzureichend betrachtet. Da die komplexen Mechanismen in der Sedimentzone noch nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht wurden, mussten Möglichkeiten entwickelt werden, um diese zu bewerten.
Im Verbundforschungsvorhaben KKS-Gründung agierte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als Forschungsstelle. Die Hauptziele des Teilvorhabens der BAM waren die Bereitstellung einer Messumgebung für das von den Partnern entwickelte Monitoringsystem, die umfassende wissenschaftliche Beschreibung der Korrosionssysteme im Unterwasserbereich und Sediment sowie die Gewinnung von Messdaten zur Verifizierung und Überführung in die Simulation. Als Forschungsstelle war die BAM der Ansprechpartner für die Verbundpartner bei wissenschaftlichen Fragestellungen.
Die Hauptziele des Vorhabens wurden erreicht und es wurden grundlegende Erkenntnisse zum Korrosionsverhalten von Offshore-Stahl im Unterwasser und Sedimentbereich gewonnen. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse zum Betrieb eines Laborcontainers und zur Nachstellung von Korrosionssystemen in Meerwasserbecken bei Verwendung von künstlichem Meerwasser und Sand als Sediment gewonnen. Eine Beschreibung und Bewertung der Korrosivität und ablaufender Reaktionen in den einzelnen Belastungszonen wurde mittels elektrochemischer und gravimetrischer Verfahren vorgenommen.
Ziel der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten Untersuchungen war der Nachweis der sicheren Auslegung von Transport- und Lagerbehältern radioaktiver Stoffe aus Gußeisen mit Kugelgraphit auch unter bruchmechanischen Gesichtspunkten. Das bisher im nationalen Rahmen für die Bauartprüfung derartiger sogenannter Typ B-Verpackungen (d.h. unfallsicherer Verpackungen) von der BAM angewandte Begutachtungskonzept basiert im wesentlichen auf experimentellen Festigkeitsnachweisen an Prototypbehältern mit entsprechend daraus abgeleiteten Anforderungen an die qualitätsgerechte Herstellung der Serienbehälter. Die Anforderungen an die Werkstoffqualität und die zerstörungsfreien Prüfungen (insbesondere Nachweis von Rissen durch Ultraschallprüfungen) werden so gewählt, daß ein gesonderter bruchmechanischer Nachweis nicht erforderlich ist. Dieses Begutachtungskonzept ist jedoch unmittelbar mit der Bedingung verknüpft, daß die maximale in der Behälterstruktur auftretende Nennzugspannung etwa 50 % der Werkstoff-Streckgrenze nicht überschreitet. Da dies u.U. eine erhebliche Einschränkung für bestimmte Behälterbauarten bedeuten kann, wird das Begutachtungskonzept derzeit um einen bruchmechanischen Festigkeitsnachweis erweitert, der weitgehend werkstoffunabhängig auch für Gußeisen mit Kugelgraphit anwendbar ist. Die Bereitstellung der dafür erforderlichen grundlegenden Erkenntnisse wurde unter direkter Mitwirkung der BAM auch im Rahmen dieses Forschungsvorhabens auf internationaler Ebene durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem "Technical Dokument (TECDOC)" der Internationalen Atomenergie-Behörde (IAEA) niedergelegt, welches diesem Fachband als Anlage beigefügt ist.
The present work is focused on the study of the spectroscopic and complexometric behavior of different ion-sensitive fl uorescent probes. Three of the four types of probes studied follow a conventional principle of signal generation and their molecular constitution corresponds to either a fl uorescent ligand ( BP(OH)2), so-called intrinsic charge transfer (ICT) fl uorescent probes (donor- acceptor-substituted chalcones), or electron transfer (ET) fl uorescent probes (substituted triaryl-Δ2- pyrazolines). The latter two systems are designed in a modular way and thus, both the signal generating fl uorophore and the complexing receptor can be carefully tuned. Whereas in the case of the ICT probes both units are electronically conjugated, these moieties are more or less electronically decoupled in the ET probes and signal generation is based on the modifi cation of a long range electron transfer process. The fourth type of probe investigated, a boron dipyrromethene derivative (BDP), is also designed in a modular way. But here, due to the highly pretwisted constitution of the molecule, fl uorophore and receptor are only “virtually” decoupled. Besides employing this alternative mechanism of signal generation, control of the selectivity by carefully directed receptor design and improvement of the selectivity and sensitivity of fl uorometric metal ion analysis by recording time resolved emission spectra (TRES) were the main aims of these investigations. Furthermore, with the aid of various model compounds, NMR spectroscopy as well as quantum chemical calculations, a fundamental understanding of the photophysical behavior of the different classes of dyes was obtained. In accordance with its parent compound 2,2‘- bipyridyl, the fl uorescent ligand BP(OH)2 shows complexation induced changes of its absorption and emission behavior in the presence of heavy and transition metal ions. Whereas paramagnetic ions such as CuII or NiII (and also HgII) lead to static fl uorescence quenching, the diamagnetic ions ZnII and CdII form strongly fl uorescent complexes with ion specifi c fl uorescence lifetimes in the ns time range. Both complexes are stable in the excited state which is manifested by a strongly reduced rate constant of non radiative deactivation compared to that of the free ligand. Both the absorption and emission spectra of the complexes largely overlap and a discrimination with steady-state fl uorometry is very limited. Nevertheless, with time resolved fl uorometry a separation of both components is possible and for a series of synthetic ZnII/CdII containing samples this gain in selectivity by global analysis of the time resolved emission spectra (TRES) could be demonstrated. The intrinsic fl uorescent probes of chalcone type contain a cation selective receptor in the donor part of the molecule and show a strong decrease of the intramolecular charge transfer process due to complexation induced weakening of the donor. Depending on molecular probe design and solvent polarity, the fl uorescence of the uncomplexed molecule occurs either from a polar directly exicted (E*) or a highly polar charge transfer state (A*) which is populated via an excited state reaction involving single bond twisting. Here, competing processes include population of a non emissive polar (K*) or weakly polar (P*) transient state. Furthermore, the fl uorescence of these dyes can be quenched by energetically close lying nπ* states (in apolar solvents) or by enhanced internal conversion due to the decreasing energy gap between ground and excited state (in highly polar solvents). As mentioned above, the donor strength is reduced upon cation complexation in polar solvents and a moderate fl uorescence enhancement occurs. Besides increased fl uorescence quantum yields, this effect results in ion specifi c fl uorescence lifetimes of the complexes. Upon exchanging the aza oxa for an aza thia macrocycle in the receptor part of the system, the cation selectivity could be tuned from alkali and alkaline earth metal ions to the thiophilic metal ions AgI and HgII. Here, especially the fl uorescence enhancement in the presence of the well-known quencher HgII is analytically valuable. Upon cation binding the ET probes of the triaryl-Δ2-pyrazoline type show very small spectral shifts but much larger fl uorescence enhancement compared to the ICT probes. Again, by problem specifi c use of different receptors, the selectivities can be controlled. Based on a detailed investigation, for the 5-p-N,N-dialkylanilino-3-benzthiazol-1-phenyl-Δ2-pyrazolines, the intramolecular processes which lead to fl uorescence quencing in the unbound state and “switching on” of the fl uorescence in the complexed state could be identifi ed. For these molecules, the intramolecular charge transfer in the basic chromophore occurs in the sub ps time range and is quenched by an electron transfer process from the largely electronically decoupled receptor to the acceptor part of the basic chromophore on the ps time scale in highly polar solvents. “Virtually” decoupling fl uorophore and receptor in the BDP derivative fi nally makes it possible to yield extremely high complexation induced fl uorescence enhancement signals. For these highly pretwisted donor acceptor biaryls, the directly excited emissive state (LE) forms a highly polar, twisted charge separated charge transfer state (CT) in polar solvents. Emission of the latter is strongly forbidden and, depending on solvent polarity, is largely red shifted compared to the LE fl uorescence. Thus, a largely separated dual fl uorescence is already observed in solvents of medium polarity and in highly polar solvents both fl uorescence bands are nearly completely quenched. Metal ion complexation blocks off the CT process and leads to a “switching on” of the LE emission yielding fl uorescence enhancement factors > 1000. This process is so sensitive that for most of the cation complexes studied, two emissive complex conformers with strongly overlapping absorption and emission spectra occur which could be distinguished by their fl uorescence lifetimes.