Produzione di idrogeno mediante reforming ciclico dell'etanolo

This work deals with a study on the feasibility of a new process, aimed at the production of hydrogen from water and ethanol (a compound obtained starting from biomasses), with inherent separation of hydrogen from C-containing products. The strategy of the process includes a first step, during which a metal oxide is contacted with ethanol at high temperature; during this step, the metal oxide is reduced and the corresponding metallic form develops. During the second step, the reduced metal compound is contacted at high temperature with water, to produce molecular hydrogen and with formation of the original metal oxide. In overall, the combination of the two steps within the cycle process corresponds to ethanol reforming, where however COx and H2 are produced separately. Various mixed metal oxides were used as electrons and ionic oxygen carriers, all of them being characterized by the spinel (inverse) structure typical of Me ferrites: MeFe2O4 (Me=Co, Ni, Fe or Cu). The first step was investigated in depth; it was found that besides the generation of the expected CO, CO2 and H2O, the products of ethanol anaerobic oxidation, also a large amount of H2 and coke were produced. The latter is highly undesired, since it affects the second step, during which water is fed over the pre-reduced spinel at high temperature. The behavior of the different spinels was affected by the nature of the divalent metal cation; magnetite was the oxide showing the slower rate of reduction by ethanol, but on the other hand it was that one which could perform the entire cycle of the process more efficiently. Still the problem of coke formation remains the greater challenge to solve.

Studio della metilazione del fenolo in fase gas su catalizzatori a base di ossidi metallici

È stata studiata la reattività di sistemi catalitici a base di ossidi misti di V e Fe per la reazione di metilazione del fenolo in fase gas con metanolo. Questi sistemi promuovono efficacemente la deidrogenazione del metanolo a formaldeide, ciò conferisce loro una grande attività e non è stata osservata alcuna disattivazione nei tempi di reazione tenuti. I principali prodotti ottenuti sono 2,6-xilenolo e o-cresolo. Il catalizzatore, inizialmente costituito da FeVO4 subisce, durante le prime fasi di reazione, una progressiva riduzione, fino all’ottenimento di una fase spinello stabile costituita da coulsonite FeV2O4 e magnetite.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Continuous-Flow Magnetic Separation with Permanent Magnets for Water Treatment

More efficient water treatment technologies would decrease the water bodies’ pollution and the actual intake of water resource. The aim of this thesis is an in-depth analysis of the magnetic separation of pollutants from water by means of a continuous-flow magnetic filter subjected to a field gradient produced by permanent magnets. This technique has the potential to improve times and efficiencies of both urban wastewater treatment plants and drinking water treatment plants. It might also substitute industrial wastewater treatments. This technique combines a physico-chemical phase of adsorption and a magnetic phase of filtration, having the potential to bond magnetite with any conventional adsorbent powder. The removal of both Magnetic Activated Carbons (MACs) and zeolite-magnetite mix with the addition of a coagulant was investigated. Adsorption tests of different pollutants (surfactants, endocrine disruptors, Fe(III), Mn(II), Ca(II)) on these adsorbents were also performed achieving good results. The numerical results concerning the adsorbent removals well reproduced the experimental ones obtained from two different experimental setups. In real situations the treatable flow rates are up to 90 m3/h (2000 m3/d).

A chemical-loop approach for the generation of hydrogen by means of ethanol reforming

The work investigates the feasibility of a new process aimed at the production of hydrogen with inherent separation of carbon oxides. The process consists in a cycle in which, in the first step, a mixed metal oxide is reduced by ethanol (obtained from biomasses). The reduced metal is then contacted with steam in order to split the water and sequestrating the oxygen into the looping material’s structure. The oxides used to run this thermochemical cycle, also called “steam-iron process” are mixed ferrites in the spinel structure MeFe2O4 (Me = Fe, Co, Ni or Cu). To understand the reactions involved in the anaerobic reforming of ethanol, diffuse reflectance spectroscopy (DRIFTS) was used, coupled with the mass analysis of the effluent, to study the surface composition of the ferrites during the adsorption of ethanol and its transformations during the temperature program. This study was paired with the tests on a laboratory scale plant and the characterization through various techniques such as XRD, Mössbauer spectroscopy, elemental analysis... on the materials as synthesized and at different reduction degrees In the first step it was found that besides the generation of the expected CO, CO2 and H2O, the products of ethanol anaerobic oxidation, also a large amount of H2 and coke were produced. The latter is highly undesired, since it affects the second step, during which water is fed over the pre-reduced spinel at high temperature. The behavior of the different spinels was affected by the nature of the divalent metal cation; magnetite was the oxide showing the slower rate of reduction by ethanol, but on the other hand it was that one which could perform the entire cycle of the process more efficiently. Still the problem of coke formation remains the greater challenge to solve.

Einfluss unterschiedlicher polymerer Nanopartikel auf das Differenzierungsverhalten von humanen Stammzellen

n der vorliegenden Dissertation wurde systematisch die Interaktion von rnunterschiedlichen polymeren Nanopartikeln auf die Zellfunktionalität und das rnDifferenzierungspotential zweier humaner Stammzelllinien (mesenchymale und rnhämatopoetische Stammzellen) untersucht. Als Modellsystem wurden Polystyrol-rnPartikel für bioinerte Nanopartikel und PLLA-Partikel als Modell für bioabbaubare Nanopartikel gewählt. rnDie Analyse der Partikelaufnahme und der Zytotoxizität ergab, dass alle getesteten Partikel nach einen Zeitraum von 24 h und einer Inkubation mit 300 µg/mL Partikeln in beiden Zellsorten nicht toxisch waren. Für die CTMA-Cl-stabilisierten Partikel wurde während Differenzierungsversuche mit hMSCs eine Langzeittoxizität festgestellt, so dass diese Partikel für weitere Versuche nicht verwendet werden konnten. rnAlle Partikel wurden in die Zellen aufgenommen. Die Lutensol-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten sowohl in unfunktionalisierter Form als auch mit Aminogruppen auf der Oberfläche ein geringeres Aufnahmeverhalten in hMSCs und wurden deswegen nicht für weitere Versuche verwendet. Die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten eine gute Aufnahme, die durch die funktionalisierung mit Carboxylgruppen um ca. das 3-fache rnverstärkt werden konnte (hMSCs). Gleiches wurde für die CTMA-Cl stabilisierten rnPolystyrol und dem dazugehörigen aminofunktionalisierten Partikel beobachtet rn(hMSCs). In hHSCs wurden nur die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (nicht rnfunktionalisiert, carboxylfunktionalisiert) getestet. Hierbei konnte kein Unterschied bezüglich der Aufnahme festgestellt werden. Die PLLA- und PLLA-Fe-Partikel wurden sowohl in hMSCs als auch in hHSCs sehr gut und besser als die Polystyrol-Partikel aufgenommen. Das in den Partikeln eingebaute Magnetit zeigt keine Auswirkungen auf die Zellaufnahme. Für weitere Versuche wurden deshalb auf Grund der Aufnahme und Toxizitätsdaten die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (PS und PS-COOH) sowie die ebenfalls SDS-stabilisierten PLLA-Partikel (PLLA und PLLA-Fe) gewählt. Somit standen 4 Partikel zur Auswahl, die sich sowohl in ihrer Größe als auch im verwendeten Tensid nicht unterscheiden und so Aussagen über den Einfluss von Oberflächenfunktionalisierung sowie Magnetit zulassen. rnDie Zellfunktionalität der hMSCs unter Partikeleinfluss wurde mit Hilfe von IL-6 und IL-8 Messungen untersucht, hierbei zeigte sich, dass nur der PLLA-Fe-Partikel zu einer signifikant erhöhten IL-8 Ausschüttung führte, die Sekretion von IL-6 blieb vollständig unverändert. Die IL-8 Sekretion der hHSCs wurde durch die Anwesenheit der Partikel nicht verändert. rnUm den Einfluss der oben beschriebenen Partikel auf das Differenzierungspotential von hMSCs und hHSCs zu untersuchen, wurden beide Zelllinien vor der Induktion der Differenzierung für 24 h mit 300 µg/mL Partikeln inkubiert. Sowohl die histochemischen Färbungen der differenzierten hMSCs als auch die CD-Marker-Färbungen der differenzierten hHSCs zeigten keinen Einfluss der Partikel auf die Differenzierungsfähigkeit. Bei den hMSCs konnte auch keine durch die Partikel hervorgerufene Differenzierung nachgewiesen werden. Die Analyse der Differenzierung auf RNA-Ebene (qPCR) ergab jedoch für beide Zelllinien, dass einzelne Partikel einzelne Differenzierungsmarker in ihrer Expression positiv oder negativ beeinflussen. Einzig der PLLA-Partikel zeigt bei allen untersuchten Differenzierungsrichtungen in beiden Zelllinien rnkeine Veränderung der Expression. Die jeweils beobachteten Expressionsveränderungen sind jedoch nicht stark genug, um die Differenzierung sichtbar zu beeinflussen, was die histologischen bzw. CD-Marker-Färbungen gezeigt haben. rnIn einem Kooperationsprojekt mit der Gruppe von Arancha del Campo (MPI für rnPolymerforschung) wurde der Einfluss unterschiedlicher BMP-2-Peptide auf die rnosteogene Differenzierung von hMSCs untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die unterschiedlichen Peptide in keiner Konzentration und Kombination eine positive Wirkung auf die osteogene Differenzierung haben. rnIm Rahmen eines Kooperationsprojekts mit Kerstin Münnemann (MPI für rnPolymerforschung) konnte gezeigt werden, dass eine quantitative Bestimmung des rnzellulären Eisengehalts nach Inkubation mit SPIOs sowohl mit Hilfe von MRT, H1rn NMR als auch UV/VIS Messungen bis zu einem Detektionslimit von 100.000 Zellen /mL (bei einer Beladung von 10 pg Fe/Zelle) erfolgen kann.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Oberflächenuntersuchungen von Metalla-Tetraazaporphyrinen

Ziel dieser Arbeit war es, ein System zu entwickeln, in dem ein durch Licht induzierter Elektronentransfer stattfinden kann. Dazu wurden ein Kupfer(II)- und ein Zink(II)Tetraazaporphyrin mit acht 4-tert-Butylphenyl-Substituenten synthetisiert (Cu4Dinit, Zn4Dinit). Die Energielücke von 1,85 eV zwischen HOMO und LUMO von Cu4Dinit in Lösung wurde mit Hilfe von Cyclovoltammetrie und UV/Vis-Messungen bestimmt. Somit ist sie größer als für Cu4Dinit Moleküle, die auf einer Oberfläche (Wolfram(100)) liegen und mit STM-, STS-Messungen untersucht wurden. Hier beträgt die Energielücke 1,35 eV, was durch eine Drehung der Phenylringe in die Ebene der Pyrrolringe des Makrozyklus und somit durch eine bessere Überlappung der Orbitale erklärt werden kann. Um die Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche zu untersuchen, wurde Cu4Dinit, wie oben beschrieben, auf Magnetit aufgedampft. Dadurch wurde ausschließlich die Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins des Kupfer(II)-ions und den Elektronenspins des Eisens im Magnetit betrachtet. Durch Messungen der Röntgenabsorption und des XMCD-Effektes konnten das Spinmoment, Bahnmoment und das Gesamtmoment des Kupfers berechnet und eine anisotrope Kopplung des Elektronenspins des Kupferions zum Magnetit, in Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung des Magnetits, festgestellt werden. Wenn der Magnetit senkrecht zur Oberfläche (out-of-plane) magnetisiert ist, ist die Kopplung ferromagnetisch, während bei einer Magnetisierungsrichtung parallel zur Ebene (in-plane) des Magnetits der Elektronenspin des Kupfers antiferromagnetisch mit dem des Eisens koppelt. Dadurch muss der Hamiltonian, der die Wechselwirkung zwischen zwei Spins beschreibt, bei einer anisotropen Kopplung um einen ansiotropen Term ergänzt werden. Das Ergebnis, dass der Elektronenspin des Kupferions durch die Richtung der Magnetisierung des Magnetits beeinflusst werden kann, eröffnet neue Wege, um die Spinkonfiguration von auf der Oberfläche liegenden Molekülen mit ungepaarten Elektronen, wie die zentralen Metallionen der Makrozyklen aber auch die Elektronenspins anderer metallorganischer Komplexe oder molekulare Magnete, durch ein externes Magnetfeld zu beeinflussen. rnDurch die stöchiometrische Templatreaktion von Pyrazino[2,3-f][1,10]-phenanthrolin-2,3-di-carbonitril (Dicnq), Bis(4-tert-Butylphenyl)-fumarodinitril (Dinit) und Kupfer(II)-acetat wurde eine Koordinationsmöglichkeit für ein Ruthenium(II)-ion in einem Tetraazaporphyrin hergestellt und so die Makrozyklen Cu3Dinit1Dicnq und Zn3Dinit1Dicnq synthetisiert, mit Rutheniumionen versetzt und ebenfalls mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen und XMCD untersucht. Durch die Vergleiche mit Zn3Dinit1Dicnq und den jeweiligen Verbindungen mit koordinierten Rutheniumionen (Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, Zn3Dinit1Dicnq-1Ru) konnte gezeigt werden, dass eine Verschiebung der Elektronendichte des Rutheniumions zu dem zentralen Kupferion des Makrozyklus stattgefunden hat und durch die Koordination eines Rutheniumions in der Peripherie des Tetraazaporphyrins die energetische Lage der Kupferorbitale beeinflusst wird.rnDer Einfluss von vier koordinierten Ruthenium(II)-ionen auf das zentrale Kupferion wurde an Hand des in dieser Arbeit hergestellten Kupfer(II)phenanthralocyanins (Cu4Dicnq) untersucht, das aus vier Dicnq-Liganden und Kupfer(II)-acetat synthetisiert wurde. Auf Grund der schlechten Löslichkeit wurde für die Koordination der Rutheniumionen der Prekursor [Ru(bipy)2Dicnq](PF6)2 hergestellt und daraus der Makrozyklus in einer Templatsynthese mit Kufper(II)-ionen gebildet. Durch diese neue Syntheseroute war es möglich, die Verbindung Cu4Dicnq-4Ru herzustellen und ebenfalls durch Röntgenabsorption und XMCD zu untersuchen und so das Spin- und Bahnmoment zu ermitteln. Ein Teil der Elektronendichte des Rutheniumions in dieser Verbindung wird auf die zusätzlich an das Rutheniumion koordinierten 2,2'-Bipyridine und nicht auf den Makrozyklus, wie in Cu3Dinit1Dicnq-1Ru, geschoben. Trotzdem konnte die Funktionsweise als Modell des Photosystems II durch eine Oxidation durch die Bestrahlung mit einer Quecksilberlampe mit para-Benzochinon beobachtet werden. Dies bestätigte die Funktionsweise des Kupfer(II)phenanthralocyanins mit koordinierten Rutheniumionen, da ein durch Licht induzierter Elektronenübergang auf das para-Benzochinon stattgefunden hat.rn

Internal characteristics, chemical compounds and spectroscopy of sapphire as single crystals

In this study more than 450 natural sapphire samples (most of basaltic type) collected from 19 different areas were examined. They are from Dak Nong, Dak Lak, Quy Chau, two unknown sources from the north (Vietnam); Bo Ploi, Khao Ploi Waen (Thailand); Ban Huay Sai (Laos); Australia; Shandong (China); Andapa, Antsirabe, Nosibe (Madagascar); Ballapana (Sri Lanka); Brazil; Russia; Colombia; Tansania and Malawi. rnThe samples were studied on internal characteristics, chemical compositions, Raman-, luminescence-, Fourier transform infrared (FTIR)-, and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR)- spectroscopy. The internal features of these sapphire samples were observed and identified by gemological microscope, con focal micro Raman and FTIR spectroscopy. The major and minor elements of the samples were determined by electron probe microanalysis (EPMA) and the trace elements by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). rnThe structural spectra of sapphire were investigated by con focal Raman spectroscopy. The FTIR spectroscopy was used to study the vibration modes of OH-groups and also to determine hydrous mineral inclusions in sapphire. The UV-Vis-NIR absorption spectroscopy was used to analyze the cause of sapphire color. rnNatural sapphires contain many types of mineral inclusions. Typically, they are iron-containing inclusions like goethite, ilmenite, hematite, magnetite or silicate minerals commonly feldspar, and often observed in sapphires from Asia countries, like Dak Nong, Dak Lak in the south of Vietnam, Ban Huay Sai (Laos), Khao Ploi Waen and Bo Ploi (Thailand) or Shandong (China). Meanwhile, CO2-diaspore inclusions are normally found in sapphires from Tansania, Colombia, or the north of Vietnam like Quy Chau. rnIron is the most dominant element in sapphire, up to 1.95 wt.% Fe2O3 measured by EPMA and it affects spectral characteristics of sapphire.rnThe Raman spectra of sapphire contain seven peaks (2A1g + 5Eg). Two peaks at about 418.3 cm-1 and 577.7 cm-1 are influenced by high iron content. These two peaks shift towards smaller wavenumbers corresponding to increasing iron content. This shift is showed by two equations y(418.3)=418.29-0.53x andy(577.7)=577.96-0.75x, in which y is peak position (cm-1) and x is Fe2O3 content (wt.%). By exploiting two these equations one can estimate the Fe2O3 contents of sapphire or corundum by identifying the respective Raman peak positions. Determining the Fe2O3 content in sapphire can help to distinguish sapphires from different origins, e.g. magmatic and metamorphic sapphire. rnThe luminescence of sapphire is characterized by two R-lines: R1 at about 694 nm and R2 at about 692 nm. This characteristic is also influenced by high iron content. The peak positions of two R-lines shift towards to smaller wavelengths corresponding to increasing of iron content. This correlation is showed by two equations y(R_2 )=692.86-0.049x and y(R_1 )=694.29-0.047x, in which y is peak position (nm) of respective R-lines and x is Fe2O3 content (wt.%). Two these equations can be applied to estimate the Fe2O3 content of sapphire and help to separate sapphires from different origins. The luminescence is also applied for determination of the remnant pressure or stress around inclusions in Cr3+-containing corundum by calibrating a 0-pressure position in experimental techniques.rnThe infrared spectra show the presence of vibrations originating from OH-groups and hydrous mineral inclusions in the range of 2500-4000 cm-1. Iron has also an effect upon the main and strongest peak at about 3310 cm-1. The 3310 cm-1 peak is shifted to higher wavenumber when iron content increases. This relationship is expressed by the equation y(3310)=0.92x+3309.17, in which y is peak position of the 3310 cm-1 and x is Fe2O3 content (wt.%). Similar to the obtained results in Raman and luminescence spectra, this expression can be used to estimate the Fe2O3 content and separate sapphires from different origins. rnThe UV-Vis-NIR absorption spectra point out the strong and sharp peaks at about 377, 387, and 450 nm related to dispersed Fe3+, a broad band around 557 and 600 nm related to intervalence charge transfer (IVCT) Fe2+/Ti4+, and a broader band around 863 nm related to IVCT of Fe2+/Fe3+. rnGenerally, sapphires from different localities were completely investigated on internal features, chemical compounds, and solid spectral characteristics. The results in each part contribute for identifying the iron content and separate sapphires from different localities order origins. rn

Paleoenvironmental reconstructions from cave sediments of the Moravian Karst, Czech Republic / by Pavel Sroubek.

This thesis presents a paleoclimatic/paleoenvironmental study conducted on clastic cave sediments of the Moravian Karst, Czech Republic. The study is based on environmental magnetic techniques, yet a wide range of other scientific methods was used to obtain a clearer picture of the Quaternary climate. My thesis also presents an overview of the significance of cave deposits for paleoclimatic reconstructions, explains basic environmental magnetic techniques and offers background information on the study area – a famous karst region in Central Europe with a rich history. In Kulna Cave magnetic susceptibility variations and in particular variations in pedogenic susceptibility yield a detailed record of the palaeoenvironmental conditions during the Last Glacial Stage. The Kulna long-term climatic trends agree with the deep-sea SPECMAP record, while the short-term oscillations correlate with rapid changes in the North Atlantic sea surface temperatures. Kulna Cave sediments reflect the intensity of pedogenesis controlled by short-term warmer events and precipitation over the mid-continent and provide a link between continental European climate and sea surface temperatures in the North Atlantic during the Last Glacial Stage. Given the number of independent climate proxies determined from the entrance facies of the cave and their high resolution, Kulna is an extremely important site for studying Late Pleistocene climate. In the interior of Spiralka Cave, a five meter high section of fine grained sediments deposited during floods yields information on the climatic and environmental conditions of the last millenium. In the upper 1.5 meters of this profile, mineral magnetic and other non-magnetic data indicate that susceptibility variations are controlled by the concentration of magnetite and its magnetic grain size. Comparison of our susceptibility record to the instrumental record of winter temperature anomalies shows a remarkable correlation. This correlation is explained by coupling of the flooding events, cultivation of land and pedogenetic processes in the cave catchment area. A combination of mineral magnetic and geochemical proxies yields a detail picture of the rapidly evolving climate of the near past and tracks both natural and human induced environmental changes taking place in the broader region.

Heat transfer in microwave heating

Heat transfer is considered as one of the most critical issues for design and implement of large-scale microwave heating systems, in which improvement of the microwave absorption of materials and suppression of uneven temperature distribution are the two main objectives. The present work focuses on the analysis of heat transfer in microwave heating for achieving highly efficient microwave assisted steelmaking through the investigations on the following aspects: (1) characterization of microwave dissipation using the derived equations, (2) quantification of magnetic loss, (3) determination of microwave absorption properties of materials, (4) modeling of microwave propagation, (5) simulation of heat transfer, and (6) improvement of microwave absorption and heating uniformity. Microwave heating is attributed to the heat generation in materials, which depends on the microwave dissipation. To theoretically characterize microwave heating, simplified equations for determining the transverse electromagnetic mode (TEM) power penetration depth, microwave field attenuation length, and half-power depth of microwaves in materials having both magnetic and dielectric responses were derived. It was followed by developing a simplified equation for quantifying magnetic loss in materials under microwave irradiation to demonstrate the importance of magnetic loss in microwave heating. The permittivity and permeability measurements of various materials, namely, hematite, magnetite concentrate, wüstite, and coal were performed. Microwave loss calculations for these materials were carried out. It is suggested that magnetic loss can play a major role in the heating of magnetic dielectrics. Microwave propagation in various media was predicted using the finite-difference time-domain method. For lossy magnetic dielectrics, the dissipation of microwaves in the medium is ascribed to the decay of both electric and magnetic fields. The heat transfer process in microwave heating of magnetite, which is a typical magnetic dielectric, was simulated by using an explicit finite-difference approach. It is demonstrated that the heat generation due to microwave irradiation dominates the initial temperature rise in the heating and the heat radiation heavily affects the temperature distribution, giving rise to a hot spot in the predicted temperature profile. Microwave heating at 915 MHz exhibits better heating homogeneity than that at 2450 MHz due to larger microwave penetration depth. To minimize/avoid temperature nonuniformity during microwave heating the optimization of object dimension should be considered. The calculated reflection loss over the temperature range of heating is found to be useful for obtaining a rapid optimization of absorber dimension, which increases microwave absorption and achieves relatively uniform heating. To further improve the heating effectiveness, a function for evaluating absorber impedance matching in microwave heating was proposed. It is found that the maximum absorption is associated with perfect impedance matching, which can be achieved by either selecting a reasonable sample dimension or modifying the microwave parameters of the sample.

Paleomagnetic Study of the Portage Lake Volcanics exposed in the Quincy Mine

A detailed paleomagnetic and rock-magnetic investigation was conducted on thirty six basaltic flows of the ~1095 Ma Portage Lake Volcanics. The flows were sampled along the East Adit of the Quincy Mine (Hancock, MI). Thirty two flows yielded well-defined primary magnetization directions carried by magnetite. A secondary magnetization component carried by hematite was also found in twenty nine flows. After correction for serial correlation between the flows, nineteen independent mean directions were calculated. The corresponding paleomagnetic pole is located at 25.5 °N, 182.1 °W (A95 = 3.5°). The new pole overlaps with the pole from the ~1087 Ma Lake Shore Traps suggesting a standstill of the North American plate during that time period. The low angular dispersion of virtual geomagnetic poles (S = 7.9°) suggests that the flows were erupted within a short time period, or that the strength of geomagnetic secular variation was lower than that of the recent field.

THE DISPERSION AND SELECTIVE FLOCCULATION OF HEMATITE ORE

Iron ore is one of the most important ores in the world. Over the past century, most mining of iron ore has been focused on magnetite (Fe3O4). As the name suggests, magnetite is magnetic in nature and is easily separated from gangue (unwanted) minerals through magnetic separation processes. Unfortunately, the magnetite ore bodies are diminishing. Because of this, there has been a recent drive to pursue technology that can economically separate hematite (Fe2O3) from its gangue minerals as hematite is a much more abundant source of iron. Most hematite ore has a very small liberation size that is frequently less than 25μm. Beneficiation of any ore with this fine of a liberation size requires advanced processing methods and is seldom pursued. A single process, known as selective flocculation and dispersion, has been successfully implemented at a plant scale for the beneficiation of fine liberation size hematite ore. Very little is known about this process as it was discovered by the U.S. Bureau of Mines by accident. The process is driven by water chemistry and surface chemistry modifications that enhance the separation of the hematite from its gangue minerals. This dissertation focuses on the role of water chemistry and process reagents in this hematite beneficiation process. It has been shown that certain ions, including calcium and magnesium, play a significant role in the process. These ions have a significant effect on the surface chemistry as reported by zeta potential studies. It was shown that magnesium ions within the process water have a more significant impact on surface chemistry than calcium ions due to steric hindrance effects at the hematite surface. It has also been shown that polyacrylic acid dispersants, if used in the process, can increase product quality (increase iron content, decrease phosphorus content, decrease silica content) substantially. Water, surface and reagent chemistry experiments were performed at a laboratory, pilot, and full plant scale during the course of this work. Many of the conclusions developed in the laboratory and pilot scale were found to be true at the full plant scale as well. These studies are the first published in history to develop theories of water chemistry and surface chemistry interactions at a full plant scale.

Mössbauer, X-ray and Magnetic Studies of Black Sand from the Italian Mediterranean Sea

The study of natural magnetic sands is instrumental to investigate the geological aspects of their formation and of the origin of their territory. In particular, Mössbauer spectroscopy provides unique information on their iron content and on the oxidation state of iron in their mineral composition. The Italian coast on the Mediterranean Sea near Rome is known for the presence of highly magnetic black sands of volcanic origin. A study of the room temperature Mössbauer spec- trum, powder X-ray diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy, and magnetic measurements of a sample of black magnetic sand collected on the seashore of the town of Ladispoli is performed. This study reveals magnetite as main constituent with iron in both tetrahedral and octahedral sites. Minor constituents are the iron minerals hematite and ilmenite, the iron containing minerals diopsite, gossular, and allanite, as well as ubiquitous sanidine, quartz, and calcite.

Petrogenesis of rift-related tephrites, phonolites and trachytes (Central European Volcanic Province, Rhon, FRG): Constraints from Sr, Nd, Pb and O isotopes

The volcanic rocks of the Rhön area (Central European Volcanic Province, Germany) belong to a moderately alkali basaltic suite that is associated with minor tephriphonolites, phonotephrites, tephrites, phonolites and trachytes. Based on isotope sytematics (87Sr/86Sr: 0.7033–0.7042; 143Nd/144Nd: 0.51279–0.51287; 206Pb/204Pb: 19.1–19.5), the inferred parental magmas formed by variable degrees of partial melting of a common asthenospheric mantle source (EAR: European Asthenospheric Reservoir of Cebriá and Wilson, 1995). Tephrites, tephriphonolites, phonotephrites, phonolites and trachytes show depletions and enrichments in some trace elements (Sr, Ba, Nb, Zr, Y) indicating that they were generated by broadly similar differentiation processes that were dominated by fractionation of olivine, clinopyroxene, amphibole, apatite and titaniferous magnetite ± plagioclase ± alkalifeldspar. The fractionated samples seem to have evolved by two distinct processes. One is characterized by pure fractional crystallization indicated by increasing Nb (and other incompatible trace element) concentrations at virtually constant 143Nd/144Nd ~ 0.51280 and 87Sr/86Sr ~ 0.7035. The other process involved an assimilation–fractional crystallization (AFC) process where moderate assimilation to crystallization rates produced evolved magmas characterized by higher Nb concentrations at slightly lower 143Nd/144Nd down to 0.51275. Literature data for some of the evolved rocks show more variable 87Sr/86Sr ranging from 0.7037 to 0.7089 at constant 143Nd/144Nd ~ 0.51280. These features may result from assimilation of upper crustal rocks by highly differentiated low-Sr (< 100 ppm Sr) lavas. However, based on the displacement of the differentiated rocks from this study towards lower 143Nd/144Nd ratios and modeled AFC processes in 143Nd/144Nd vs. 87Sr/86Sr and 207Pb/204Pb vs. 143Nd/144Nd space assimilation of lower crustal rocks seems more likely. The view that assimilation of lower crustal rocks played a role is confirmed by high-precision double-spike Pb isotope data that reveal higher 207Pb/204Pb ratios (15.62–15.63) in the differentiated rocks than in the primitive basanites (15.58–15.61). This is compatible with incorporation of radiogenic Pb from lower crustal xenoliths (207Pb/204Pb: 15.63–15.69) into the melt. However, 206Pb/204Pb ratios are similar for the differentiated rocks (19.13–19.35) and the primitive basanites (19.12–19.55) implying that assimilation involved an ancient crustal end member with a higher U/Pb ratio than the mantle source of the basanites. In addition, alteration-corrected δ18O values of the differentiated rocks range from c. 5 to 7‰ which is the same range as observed in the primitive alkaline rocks. This study confirms previous interpretations that highlighted the role of AFC processes in the evolution of alkaline volcanic rocks in the Rhön area of the Central European Volcanic Province.