Zur Adsorption und Reaktion von Stickstoffmonoxid an Aktivkohle

Die Verwendung von Aktivkohlen und -koksen stellt eine Alternative zu herkömmlichen Prozessen zur Verminderung der NOx-Emissionen in Rauchgasen dar. An diesen Materialien wird Stickstoffmonoxid adsorbiert und katalytisch zu N2 reduziert. Eine einheitliche Erklärung über die ablaufenden Vorgänge und die Reaktionsmechanismen gibt es noch nicht. Die Ergebnisse der bisher veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten sind sehr unterschiedlich, wenn nicht sogar widersprüchlich. In dieser Arbeit wird, anhand der Messung von NO-Durchbruchskurven und thermischen Desorptionsspektren, die Adsorption und Reaktion von Stickstoffmonoxid an Aktivkohlen und -koksen in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserdampf untersucht. Zur Durchführung der experimentellen Untersuchungen wird eine Versuchsanlage, bestehend aus einer Vorrichtung zur Gasgemischaufbereitung, einem Festbettreaktor und einer Gasanalytik, konzipiert und aufgebaut. Die Untersuchungen erfolgen bei Temperaturen zwischen 100 und 150 °C. Die NO-, O2- und H2O-Konzentrationen werden anhand der Rauchgaszusammensetzung kohlegefeuerter Kraftwerke gewählt. Die experimentellen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Verwendung einer Aktivkohle aus Ölpalmschalen, die in einem Drehrohrreaktor am Institut für Thermische Energietechnik der Universität Kassel hergestellt wurde. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass während des Prozesses NO-Adsorption, -Reduktion und -Oxidation, NO2-Bildung, -Adsorption und -reduktive Desorption, H2O-Adsorption sowie O2-Vergasung gleichzeitig stattfinden. Bei niedrigen Temperaturen werden die NO2-Bildung und die Adsorption bevorzugt. Die NO-Reduktion läuft über adsorbiertes NO mit CO2- und CO-Bildung. Durch O2-Vergasung werden aktive freie Cf-Plätzen für die NO-Reaktion und -Adsorption gebildet. Wasserdampf wird an der Aktivkohle adsorbiert und belegt aktive Plätze für diese Prozesse. Aus den experimentellen Ergebnissen werden kinetische und Gleichgewichtsparameter der NO-Sorption bestimmt. Ein vereinfachtes mathematisches Modell des Festbettreaktors, das zur Berechnung der NO-Durchbruchskurven bei unterschiedlichen Temperaturen dient, wird aufgestellt.

Adsorption of element 112 on a Au surface

Während der letzten 20 Jahre hat sich das Periodensystem bis zu den Elementen 114 und 116 erweitert. Diese sind kernphysikalisch nachgewiesen, so dass jetzt die chemische Untersuchung an erster Selle steht. Nachdem sich das Periodensystem bis zum Element 108 so verhält, wie man es dem Periodensystem nach annimmt, wird in dieser Arbeit die Chemie des Elements 112 untersucht. Dabei geht es um die Adsorptionsenergie auf einer Gold-Ober fläche, weil dies der physikalisch/chemische Prozess ist, der bei der Analyse angewandt wird. Die Methode, die in dieser Arbeit angwandt wird, ist die relativistische Dichtefunktionalmethode. Im ersten Teil wird das Vielkörperproblem in allgemeiner Form behandelt, und im zweiten die grundlegenden Eigenschaften und Formulierungen der Dichtefunktionaltheorie. Die Arbeit beschreibt zwei prinzipiell unterschiedliche Ansätze, wie die Adsorptionsenergie berechnet werden kann. Zum einen ist es die sogenannte Clustermethode, bei der ein Atom auf ein relativ kleines Cluster aufgebracht und dessen Adsorptionsenergie berechnet wird. Wenn es gelingt, die Konvergenz mit der Größe des Clusters zu erreichen, sollte dies zu einem Wert für die Adsorptionsenergie führen. Leider zeigt sich in den Rechnungen, dass aufgrund des zeitlichen Aufwandes die Konvergenz für die Clusterrechnungen nicht erreicht wird. Es werden sehr ausführlich die drei verschiedenen Adsorptionsplätze, die Top-, die Brücken- und die Muldenposition, berechnet. Sehr viel mehr Erfolg erzielt man mit der Einbettungsmethode, bei der ein kleiner Cluster von vielen weiteren Atomen an den Positionen, die sie im Festkörpers auf die Adsorptionsenergie soweit sichergestellt ist, dass physikalisch-chemisch gute Ergebnisse erzielt werden. Alle hier gennanten Rechnungen sowohl mit der Cluster- wie mit der Einbettungsmethode verlangen sehr, sehr lange Rechenzeiten, die, wie oben bereits erwähnt, nicht zu einer Konvergenz für die Clusterrechnungen ausreichten. In der Arbeit wird bei allen Rechnungen sehr detailliert auf die Abhängigkeit von den möglichen Basissätzen eingegangen, die ebenfalls in entscheidender Weise zur Länge und Qualität der Rechnungen beitragen. Die auskonvergierten Rechnungen werden in der Form von Potentialkurven, Density of States (DOS), Overlap Populations sowie Partial Crystal Overlap Populations analysiert. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Adsoptionsenergie für das Element 112 auf einer Goldoberfläche ca. 0.2 eV niedriger ist als die Adsorption von Quecksilber auf der gleichen Ober fläche. Mit diesem Ergebnis haben die experimentellen Kernchemiker einen Wert an der Hand, mit dem sie eine Anhaltspunkt haben, wo sie bei den Messungen die wenigen zu erwartenden Ereignisse finden können.

Improving cropping systems of semi-arid south-western Madagascar under multiple ecological and socio-economic constraints

Das Mahafaly Plateau im südwestlichen Madagaskar ist gekennzeichnet durch raue klimatische Bedingungen, vor allem regelmäßige Dürren und Trockenperioden, geringe Infrastruktur, steigende Unsicherheit, hohe Analphabetenrate und regelmäßige Zerstörung der Ernte durch Heuschreckenplagen. Da 97% der Bevölkerung von der Landwirtschaft abhängen, ist eine Steigerung der Produktivität von Anbausystemen die Grundlage für eine Verbesserung der Lebensbedingungen und Ernährungssicherheit in der Mahafaly Region. Da wenig über die Produktivität von traditionellen extensiven und neu eingeführten Anbaumethoden in diesem Gebiet bekannt ist, waren die Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit, die limitierenden Faktoren und vielversprechende alternative Anbaumethoden zu identifizieren und diese unter Feldbedingungen zu testen. Wir untersuchten die Auswirkungen von lokalem Viehmist und Holzkohle auf die Erträge von Maniok, der Hauptanbaufrucht der Region, sowie die Beiträge von weiteren Faktoren, die im Untersuchungsgebiet ertragslimitierend sind. Darüber hinaus wurde in der Küstenregion das Potenzial für bewässerten Gemüseanbau mit Mist und Holzkohle untersucht, um zu einer Diversifizierung von Einkommen und Ernährung beizutragen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Schätzung von Taubildung und deren Beitrag in der Jahreswasserbilanz durch Testen eines neu entworfenen Taumessgerätes. Maniok wurde über drei Jahre und in drei Versuchsfeldern in zwei Dörfern auf dem Plateau angebaut, mit applizierten Zeburindermistraten von 5 und 10 t ha-1, Holzkohleraten von 0,5 und 2 t ha-1 und Maniokpflanzdichten von 4500 Pflanzen ha-1. Maniokknollenerträge auf Kontrollflächen erreichten 1 bis 1,8 t Trockenmasse (TM) ha-1. Mist führte zu einer Knollenertragssteigerung um 30 - 40% nach drei Jahren in einem kontinuierlich bewirtschafteten Feld mit geringer Bodenfruchtbarkeit, hatte aber keinen Effekt auf den anderen Versuchsfeldern. Holzkohle hatte keinen Einfluss auf Erträge über den gesamten Testzeitraum, während die Infektion mit Cassava-Mosaikvirus zu Ertragseinbußen um bis zu 30% führte. Pflanzenbestände wurden felder-und jahresübergreifend um 4-54% des vollen Bestandes reduziert, was vermutlich auf das Auftreten von Trockenperioden und geringe Vitalität von Pflanzmaterial zurückzuführen ist. Karotten (Daucus carota L. var. Nantaise) und Zwiebeln (Allium cepa L. var. Red Créole) wurden über zwei Trockenzeiten mit lokal erhältlichem Saatgut angebaut. Wir testeten die Auswirkungen von lokalem Rindermist mit einer Rate von 40 t ha-1, Holzkohle mit einer Rate von 10 t ha-1, sowie Beschattung auf die Gemüseernteerträge. Lokale Bewässerungswasser hatte einen Salzgehalt von 7,65 mS cm-1. Karotten- und Zwiebelerträge über Behandlungen und Jahre erreichten 0,24 bis 2,56 t TM ha-1 beziehungsweise 0,30 bis 4,07 DM t ha-1. Mist und Holzkohle hatten keinen Einfluss auf die Erträge beider Kulturen. Beschattung verringerte Karottenerträge um 33% im ersten Jahr, während sich die Erträge im zweiten Jahr um 65% erhöhten. Zwiebelerträge wurden unter Beschattung um 148% und 208% im ersten und zweiten Jahr erhöht. Salines Bewässerungswasser sowie Qualität des lokal verfügbaren Saatgutes reduzierten die Keimungsraten deutlich. Taubildung im Küstendorf Efoetsy betrug 58,4 mm und repräsentierte damit 19% der Niederschlagsmenge innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraum von 18 Monaten. Dies weist darauf hin, dass Tau in der Tat einen wichtigen Beitrag zur jährlichen Wasserbilanz darstellt. Tageshöchstwerte erreichten 0,48 mm. Die getestete Tauwaage-Vorrichtung war in der Lage, die nächtliche Taubildung auf der metallischen Kondensationsplatte zuverlässig zu bestimmen. Im abschließenden Kapitel werden die limitierenden Faktoren für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft in der Untersuchungsregion diskutiert.

Bridging Perspectives

People’s ability to change their social and economic circumstances may be constrained by various forms of social, cultural and political domination. Thus to consider a social actor’s particular lifeworld in which the research is embedded assists in the understanding of how and why different trajectories of change occur or are hindered and how those changes fundamentally affect livelihood opportunities and constraints. In seeking to fulfill this condition this thesis adopted an actor-oriented approach to the study of rural livelihoods. A comprehensive livelihoods study requires grasping how social reality is being historically constituted. That means to understand how the interaction of modes of production and symbolical reproduction produces the socio-space. Research is here integrated to action through the facilitation of farmer groups. The overall aim of the groups was to prompt agency, as essential conditions to build more resilient livelihoods. The smallholder farmers in the Mabalane District of Mozambique are located in a remote semi-arid area. Their livelihoods customarily depend at least as much on livestock as on (mostly) rain-fed food crops. Increased climate variability exerts pressure on the already vulnerable production system. An extensive 10-month duration of participant observation divided into 3 periods of fieldwork structured the situated multi-method approach that drew on a set of interview categories. The actor-oriented appraisal of livelihoods worked in building a mutually shared definition of the situation. This reflection process was taken up by the facilitation of the farmer groups, one in Mabomo and one in Mungazi, which used an inquiry iteratively combining individual interviews and facilitated group meetings. Integration of action and reflection was fundamental for group constitution as spaces for communicative action. They needed to be self-organized and to achieve understanding intersubjectively, as well as to base action on cooperation and coordination. Results from this approach focus on how learning as collaboratively generated was enabled, or at times hindered, in (a) selecting meaningful options to test; (b) in developing mechanisms for group functioning; and (c) in learning from steering the testing of options. The study of livelihoods looked at how the different assets composing livelihoods are intertwined and how the increased severity of dry spells is contributing to escalated food insecurity. The reorganization of the social space, as households moved from scattered homesteads to form settlements, further exerts pressure on the already scarce natural resource-based livelihoods. Moreover, this process disrupted a normative base substantiating the way that the use of resources is governed. Hence, actual livelihood strategies and response mechanisms turn to diversification through income-generating activities that further increase pressure on the resource-base in a rather unsustainable way. These response mechanisms are, for example, the increase in small-livestock keeping, which has easier conversion to cash, and charcoal production. The latter results in ever more precarious living and working conditions. In the majority of the cases such responses are short-term and reduce future opportunities in a downward spiral of continuously decreasing assets. Thus, by indicating the failure of institutions in the mediation of smallholders’ adaptive capabilities, the livelihood assessment in Mabomo and Mungazi sheds light on the complex underlying structure of present day social vulnerability, linking the macro-context to the actual situation. To assist in breaking this state of “subordination”, shaped by historical processes, weak institutions and food insecurity, the chosen approach to facilitation of farmer groups puts farmer knowledge at the center of an evolving process of intersubjective co-construction of knowledge towards emancipation.

Effects of activated charcoal and quebracho tannins on the turnover of goat manure in irrigated organic agriculture of the subtropics

Agriculture in semi-arid and arid regions is constantly gaining importance for the security of the nutrition of humankind because of the rapid population growth. At the same time, especially these regions are more and more endangered by soil degradation, limited resources and extreme climatic conditions. One way to retain soil fertility under these conditions in the long run is to increase the soil organic matter. Thus, a two-year field experiment was conducted to test the efficiency of activated charcoal and quebracho tannin extract as stabilizers of soil organic matter on a sandy soil low in nutrients in Northern Oman. Both activated charcoal and quebracho tannin extract were either fed to goats and after defecation applied to the soil or directly applied to the soil in combination with dried goat manure. Regardless of the application method, both additives reduced decomposition of soil-applied organic matter and thus stabilized and increased soil organic carbon. The nutrient release from goat manure was altered by the application of activated charcoal and quebracho tannin extract as well, however, nutrient release was not always slowed down. While activated charcoal fed to goats, was more effective in stabilising soil organic matter and in reducing nutrient release than mixing it, for quebracho tannin extract the opposite was the case. Moreover, the efficiency of the additives was influenced by the cultivated crop (sweet corn and radish), leading to unexplained interactions. The reduced nutrient release caused by the stabilization of the organic matter might be the reason for the reduced yields for sweet corn caused by the application of manure amended with activated charcoal and quebracho tannin extract. Radish, on the other hand, was only inhibited by the presence of quebracho tannin extract but not by activated charcoal. This might be caused by a possible allelopathic effect of tannins on crops. To understand the mechanisms behind the changes in manure, in the soil, in the mineralisation and the plant development and to resolve detrimental effects, further research as recommended in this dissertation is necessary. Particularly in developing countries poor in resources and capital, feeding charcoal or tannins to animals and using their faeces as manure may be promising to increase soil fertility, sequester carbon and reduce nutrient losses, when yield reductions can be resolved.

Adsorption kinetic investigations of phthalocyanine derivatives self assembled monolayers (SAMs) on gold: Temperature influence on the SAM formation process and quality

The ordered nano-structured surfaces, like self-assembled monolayers (SAMs) are of a great scientific interest, due to the low cost, simplicity, and versatility of this method. SAMs found numerous of applications in molecular electronics, biochemistry and optical devices. Phthalocyanine (Pc) complexes are of particular interest for the SAM preparation. These molecules exhibit fascinating physical properties and are chemically and thermally stable. Moreover their complex structure is advantageous for the fabrication of switchable surfaces. In this work the adsorption process of Pcs derivatives, namely, subphthalocyanines (SubPcB) and terbium (2TbPc) sandwich complexes on gold has been investigated. The influence of the molecular concentration, chain length of peripheral groups, and temperature on the film formation process has been examined using a number of techniques. The SAMs formation process has been followed in situ and in real time by means of second harmonic generation (SHG) and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. To investigate the quality of the SAMs prepared at different temperatures atomic force microscopy (AFM) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)measurements were performed. Valuable information about SubPcB and 2TbPc adsorbtion process has been obtained in the frame of this work. The kinetic data, obtained with SHG and SPR, shows the best conformance with the first order Langmuir kinetic model. Comparing SHG and SPR results, it has been found, that the film formation occurs faster than the formation of chemical bonds. Such, the maximum amount of molecules on the surface is reached after 6 min for SubPcB and 30 min for 2TbPc. However, at this time the amount of formed chemicals bonds is only 10% and 40% for SubPcB and 2TbPc, respectively. The most intriguing result, among others, was obtained at T = 2 °C, where the formation of the less dense SAMs have been detected with SHG.However, analyzing XPS and AFM data, it has been revealed, that there is the same amount of molecules on the surface at both temperature T = 2 °C, and T = 21 °C, but the amount of formed chemicals bond is different. At T = 2 °C molecules form aggregates, therefore many of available anchor groups stay unattached.

Effects of charcoal-enriched goat manure on soil fertility parameters and growth of pearl millet (Pennisetum glaucum L.) in a sandy soil from northern Oman

The effect of charcoal feeding on manure quality and its subsequent application to enhance soil productivity has received little attention. The objectives of the present study therefore were to investigate the effects of (i) charcoal feeding on manure composition, and (ii) charcoal-enriched manure application on soil fertility parameters and growth of millet (Pennisetum glaucum L.). To this end, two experiments were conducted: First, a goat feeding trial where goats were fed increasing levels of activated charcoal (AC; 0, 3, 5, 7, and 9% of total ration); second, a greenhouse pot experiment using the manure from the feeding trial as an amendment for a sandy soil from northern Oman. We measured manure C, N, P, and K concentrations, soil fertility parameters and microbial biomass indices, as well as plant yield and nutrient concentrations. Manure C concentration increased significantly (P<0.001) from 45.2% (0% AC) to 60.2% (9% AC) with increasing dietary AC, whereas manure N, P, and K concentrations decreased (P<0.001) from 0% AC (N: 2.5%, P: 1.5%, K: 0.8%) to 9% AC (N: 1.7%, P: 0.8%, K: 0.4%). Soil organic carbon, pH, and microbial biomass N showed a response to AC-enriched manure. Yield of millet decreased slightly with AC enrichment, whereas K uptake was improved with increasing AC. We conclude that AC effects on manure quality and soil productivity depend on dosage of manure and AC, properties of AC, trial duration, and soil type.