Experimental and Theoretical Studies of Volatile Corrosion Inhibitors Adsorption on Zinc Electrode

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

HIGH TEMPERATURE RARE EARTH COMPOUNDS: SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND APPLICATIONS IN DEVICE FABRICATION

As the area of nanotechnology continues to grow, the development of new nanomaterials with interesting physical and electronic properties and improved characterization techniques are several areas of research that will be remain vital for continued improvement of devices and the understanding in nanoscale phenomenon. In this dissertation, the chemical vapor deposition synthesis of rare earth (RE) compounds is described in detail. In general, the procedure involves the vaporization of a REClx (RE = Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho) in the presence of hydride phase precursors such as decaborane and ammonia at high temperatures and low pressures. The vapor-liquid-solid mechanism was used in combination with the chemical vapor deposition process to synthesize single crystalline rare earth hexaboride nanostructures. The crystallographic orientation of as-synthesized rare earth hexaboride nanostructures and gadolinium nitride thin films was controlled by judicious choice of specific growth substrates and modeled by analyzing x-ray diffraction powder patterns and crystallographic models. The rare earth hexaboride nanostructures were then implemented into two existing technologies to enhance their characterization capabilities. First, the rare earth hexaboride nanowires were used as a test material for the development of a TEM based local electrode atom probe tomography (LEAP) technique. This technique provided some of the first quantitative compositional information of the rare earth hexaboride systems. Second, due to the rigidity and excellent conductivity of the rare earth hexaborides, nanostructures were grown onto tungsten wires for the development of robust, oxidation resistant nanomanipulator electronic probes for semiconductor device failure analysis.

Effect of topical clay application on the synthesis of collagen in skin: an experimental study

Background. Clay is often used in cosmetic treatments, although little is known about its action. Aim. To evaluate the effect of topical clay application on the histoarchitecture of collagen fibres in rat skin. Methods. Animals received a daily application of clay and retinoic acid (RA) 0.025% to the dorsal skin over 7 and 14 days, under vaporization at 37 degrees C for 40 min. Control skin was not vaporized. Samples from each region were excised, and stained with picrosirius red for collagen evaluation. Results. Seven days after clay treatment, an increase in the number of collagen fibres was observed in treated skin compared with control skin (51.74 +/- 1.28 vs. 43.39 +/- 1.79%, respectively, P < 0.01), whereas RA did not alter the collagen level (45.66 +/- 1.10%). Clay application over 14 days did not induce a further increase in skin collagen, whereas treatment with RA did (58.07 +/- 1.59%; P = 0.001 vs. control). Conclusion. Clay application promotes an increase in the number of collagen fibres, which may account for its beneficial effects.

Determination of chlorine in food samples via the AlCl molecule using high-resolution continuum source molecular absorption spectrometry in a graphite furnace

Determination of chlorine using the molecular absorption of aluminum mono-chloride (AlCl) at the 261.418 nm wavelength was accomplished by high-resolution continuum source molecular absorption spectrometry using a transversely heated graphite tube furnace with an integrated platform. For the analysis. 10 mu L of the sample followed by 10 mu L of a solution containing Al-Ag-Sr modifier, (1 g L-1 each), were directly injected onto the platform. A spectral interference due to the use of Al-Ag-Sr as mixed modifier was easily corrected by the least-squares algorithm present in the spectrometer software. The pyrolysis and vaporization temperatures were 500 degrees C and 2200 degrees C, respectively. To evaluate the feasibility of a simple procedure for the determination of chlorine in food samples present in our daily lives, two different digestion methods were applied, namely (A) an acid digestion method using HNO3 only at room temperature, and (B) a digestion method with Ag, HNO3 and H2O2, where chlorine is precipitated as a low-solubility salt (AgCl), which is then dissolved with ammonia solution. The experimental results obtained with method B were in good agreement with the certified values and demonstrated that the proposed method is more accurate than method A. This is because the formation of silver chloride prevented analyte losses by volatilization. The limit of detection (LOD, 3 sigma/s) for Cl in methods A and B was 18 mu g g(-1) and 9 mu g g(-1), respectively, 1.7 and 3.3 times lower compared to published work using inductively coupled plasma optical emission spectrometry, and absolute LODs were 2.4 and 1.2 ng, respectively. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The prediction of flash evaporation in superheated fuel injections for automotive applications

In gasoline Port Fuel Injection (PFI) and Direct Injection (GDI) internal combustion engines, the liquid fuel might be injected into a gaseous ambient in a superheated state, resulting in flash boiling of the fuel. The importance to investigate and predict such a process is due to the influence it has on the liquid fuel atomization and vaporization and thus on combustion, with direct implications on engine performances and exhaust gas emissions. The topic of the present PhD research involves the numerical analysis of the behaviour of the superheated fuel during the injection process, in high pressure injection systems like the ones equipping GDI engines. Particular emphasis is on the investigation of the effects of the fuel superheating degree on atomization dynamics and spray characteristics. The present work is a look at the flash evaporation and flash boiling modeling, from an engineering point of view, addressed to keep the complex physics involved as simple as possible, however capturing the main characteristics of a superheated fuel injection.

Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre

Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre.

Entwicklung massenspektrometrischer Isotopenverdünnungstechniken für die zuverlässige Bestimmung von Elementspuren und Schwefelspezies in Erdölprodukten

Einer der Hauptschwerpunkte der Arbeit lag in der Entwicklung einer spezies-spezifischen und einer spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA von Schwefelspezies in Petroprodukten. Es wurden hierzu Indikatoren, ausgehend von elementarem 34S-angereichertem Schwefel, im Mikromaßstab synthetisiert. Für die spezies-spezifische GC-ICP-Q-MSIVA wurde die erstmalige Synthese von 34S-markiertem Thiophen, Dibenzothiophen und 4-Methyldibenzothiophen verwirklicht. Als Indikatorsynthese für die spezies-unspezifische GC-ICP-Q-MSIVA erfolgte die erstmalige Darstellung von 34S-angereichertem Dimethyldisulid. Mit Hilfe der synthetisierten Verbindungen wurden spezies-spezifische und spezies-unspezifische massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalysen von Schwefelspezies in Petroprodukten durchgeführt. Vor allen GC-ICP-Q-MSIVA-Analysen erfolgte eine umfangreiche Speziesidentifizierung durch Aufstockexperimente mit kommerziell erhältlichen Standards und mit einem mit der GC gekoppelten Elektronenstoß (EI)-MS. Beide ICP-Q-MS Methoden zeichnen sich durch sehr niedrige Nachweisgrenzen (7 ng S/g) aus, welche auch eine Anwendbarkeit auf tiefentschwefelte Kraftstoffe garantieren. Mit der spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA ist neben einer Speziesanalyse auch eine Gesamtschwefelanalyse durch Aufsummierung aller in der Probe vorhandenen Spezies möglich. Es wurde im Rahmen dieser Arbeit auch der Einfluss möglicher Empfindlichkeitsänderungen des ICP-Q-MS durch koeluierende Kohlenwasserstoffe überprüft, wobei diese erwartungsgemäß auf das Ergebnis der spezies-spezifischen und spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA keinerlei Einfluss haben. Der zweite Hauptschwerpunkt der Arbeit lag auf der Ausarbeitung routinefähiger, schneller und zuverlässiger Methoden zur Gesamtelementspurenanalytik von Schwefel und Schwermetallen in Erdölen und Petroprodukten. Für die Gesamtschwefelanalyse wurde eine MSIVA nach thermaler Verdampfung mit 34S-markierten Dibenzothiophen als Indikator entwickelt. Die neu entwickelte Methode erlaubt eine sehr schnelle Bestimmung des Gesamtschwefelgehalts, wobei die eigentliche Messung des Isotopenverhältnisses innerhalb von Sekunden nach der Injektion der Probe erfolgt. Weiterhin zeichnet sich die Methode durch Robustheit und eine niedrige Nachweisgrenze (40 ng S/g) aus. Für die Analyse von Schwermetallen wurden erstmals Möglichkeiten einer direkten MSIVA von Erdölproben ohne zeitraubenden, kontaminationsträchtigen Aufschluss bzw. die schwierige Erzeugung einer Mikroemulsion zwischen hydrophober Probe und wässrigem Indikator entwickelt. Um eine homogene Verteilung des Indikators in der hydrophoben Probe zu ermöglichen, musste ausgehend von den zur Verfügung stehenden wässrigen Indikatorlösungen, eine Überführung des Indikators in ein organisches Lösungsmittel erfolgen. Hierzu wurde der jeweilige Metallindikator unter Komplexierung aus wässrigen Metallindikatorlösungen extrahiert. Für die Analyse der mit diesen Indikatorlösungen in organischer Phase versetzten Proben wurden zwei alternative Methoden ausgearbeitet. Bei der mit der Laserablation (LA) kombinierten ICP-SF-MSIVA wird die isotopenverdünnte Probe aus einer eigens für diesen Zweck entwickelten Probenhalterung ablatiert und so dem ICP-SF-MS zugeführt wird. Bei zeitlich sich verändernden Intensitäten der gemessenen Isotope werden aber reproduzierbare und konstante Isotopenverhältnisse erhalten. Im Falle einer homogenen Verteilung der Metallspuren wurde eine hervorragende Übereinstimmung mit Vergleichsmethoden und einem Referenzmaterial festgestellt. Im Falle einer heterogenen partikulären Verteilung der Metallspuren, wie sie z.B. bei Eisenspuren in den Erdölen vorlag, ist die Anwendbarkeit der LA-ICP-SF-MSIVA aufgrund des kleinen Probenvolumens (20 µL) jedoch begrenzt. Als Alternative zur LA-ICP-SF-MSIVA wurde ein System unter Verwendung der Fließinjektion für die Zuführung der isotopenverdünnten Probe zum ICP-SF-MS ausgearbeitet. Die isotopenverdünnte Probe wird hierbei in einen Eluentenstrom von Toluol injiziert und mit Hilfe einer Total-Consumption-Zerstäuber/Sprühkammer-Einheit vollständig bei einer Flussrate von 10 µL/min in das Plasma eingebracht. Neben einer nochmaligen Verkürzung der Analysenzeit und Vereinfachung der Probenvorbereitung bietet diese Methode zusätzlich stark verbesserte Nachweisgrenzen (z.B. Ni 0,9 ng/g). Leider sind mit diesem Verfahren bis jetzt nur Ni und Mo zuverlässig bestimmbar. Das in dieser Arbeit ausgearbeitete Methodenpaket erlaubt erstmals eine breite Einführung der ICP-MSIVA als zuverlässige Methode in die Routineanalytik der Petroindustrie. Durch die bewiesene Zuverlässigkeit, den geringen Zeitaufwand und die Robustheit der Methoden steht ihrem routinemäßigen Einsatz, außer einer weitergehenderen Automatisierung einzelner Verfahrensteile, prinzipiell nichts entgegen.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Chemische und physikalische Charakterisierung von Aerosolpartikeln aus besonderen anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels online (HR-ToF-AMS)- und komplementärer offline (ATR-FTIR-Spektroskopie)-Analytik

Die Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln werden stark von ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften und somit den jeweiligen Bildungsprozessen und Quellencharakteristika beeinflusst. Während die Hauptquellen der anthropogenen Partikelemissionen gut untersucht sind, stellen die spezifischen Emissionsmuster zahlreicher kleiner Aerosolquellen, welche lokal und temporär zu einer signifikanten Verschlechterung der Luftqualität beitragen können, ein Forschungsdesiderat dar.rnIn der vorliegenden Arbeit werden in kombinierten Labor- und Feldmessungen durch ein integratives Analysekonzept mittels online (HR-ToF-AMS ) und filterbasierter offline (ATR-FTIR-Spektroskopie ) Messverfahren die weitgehend unbekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emissionen besonderer anthropogener Aerosolquellen untersucht. Neben einem Fußballstadion als komplexe Mischung verschiedener Aerosolquellen wie Frittieren und Grillen, Zigarettenrauchen und Pyrotechnik werden die Emissionen durch Feuerwerkskörper, landwirtschaftliche Intensivtierhaltung (Legehennen), Tief- und Straßenbauarbeiten sowie abwasserbürtige Aerosolpartikel in die Studie mit eingebunden. Die primären Partikelemissionen der untersuchten Quellen sind vorrangig durch kleine Partikelgrößen (dp < 1 µm) und somit eine hohe Lungengängigkeit gekennzeichnet. Dagegen zeigen die Aerosolpartikel im Stall der landwirtschaftlichen Intensivtierhaltung sowie die Emissionen durch die Tiefbauarbeiten einen hohen Masseanteil von Partikeln dp > 1 µm. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der chemischen Charakterisierung der organischen Partikelbestandteile, welche für viele Quellen die NR-PM1-Emissionen dominieren. Dabei zeigen sich wichtige quellenspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der organischen Aerosolfraktion. Die beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen freigesetzten sowie die abwasserbürtigen Aerosolpartikel enthalten dagegen hohe relative Gehalte anorganischer Substanzen. Auch können in einigen spezifischen Emissionen Metallverbindungen in den AMS-Massenspektren nachgewiesen werden. Über die Charakterisierung der Emissionsmuster und -dynamiken hinaus werden für einige verschiedenfarbige Rauchpatronen sowie die Emissionen im Stall der Intensivtierhaltung Emissionsfaktoren bestimmt, die zur quantitativen Bilanzierung herangezogen werden können. In einem weiteren Schritt werden anhand der empirischen Daten die analytischen Limitierungen der Aerosolmassenspektrometrie wie die Interferenz organischer Fragmentionen durch (Hydrogen-)Carbonate und mögliche Auswertestrategien zur Überwindung dieser Grenzen vorgestellt und diskutiert.rnEine umfangreiche Methodenentwicklung zur Verbesserung der analytischen Aussagekraft von organischen AMS-Massenspektren zeigt, dass für bestimmte Partikeltypen einzelne Fragmentionen in den AMS-Massenspektren signifikant mit ausgewählten funktionellen Molekülgruppen der FTIR-Absorptionsspektren korrelieren. Bedingt durch ihre fehlende Spezifität ist eine allgemeingültige Interpretation von AMS-Fragmentionen als Marker für verschiedene funktionelle Gruppen nicht zulässig und häufig nur durch die Ergebnisse der komplementären FTIR-Spektroskopie möglich. Des Weiteren wurde die Verdampfung und Ionisation ausgewählter Metallverbindungen im AMS analysiert. Die Arbeit verdeutlicht, dass eine qualitative und quantitative Auswertung dieser Substanzen nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Gründe hierfür liegen in einer fehlenden Reproduzierbarkeit des Verdampfungs- und Ionisationsprozesses aufgrund von Matrixeffekten sowie der in Abhängigkeit vorangegangener Analysen (Verdampferhistorie) in der Ionisationskammer und auf dem Verdampfer statt-findenden chemischen Reaktionen.rnDie Erkenntnisse der Arbeit erlauben eine Priorisierung der untersuchten anthropogenen Quellen nach bestimmten Messparametern und stellen für deren Partikelemissionen den Ausgangpunkt einer Risikobewertung von atmosphärischen Folgeprozessen sowie potentiell negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit dar. rn

Experimentation with different thermodynamic cycles used for pKa calculations on carboxylic acids using Complete Basis Set and Gaussian-n Models combined with CPCM Continuum Solvation Methods

Complete basis set and Gaussian-n methods were combined with Barone and Cossi's implementation of the polarizable conductor model (CPCM) continuum solvation methods to calculate pKa values for six carboxylic acids. Four different thermodynamic cycles were considered in this work. An experimental value of −264.61 kcal/mol for the free energy of solvation of H+, ΔGs(H+), was combined with a value for Ggas(H+) of −6.28 kcal/mol, to calculate pKa values with cycle 1. The complete basis set gas-phase methods used to calculate gas-phase free energies are very accurate, with mean unsigned errors of 0.3 kcal/mol and standard deviations of 0.4 kcal/mol. The CPCM solvation calculations used to calculate condensed-phase free energies are slightly less accurate than the gas-phase models, and the best method has a mean unsigned error and standard deviation of 0.4 and 0.5 kcal/mol, respectively. Thermodynamic cycles that include an explicit water in the cycle are not accurate when the free energy of solvation of a water molecule is used, but appear to become accurate when the experimental free energy of vaporization of water is used. This apparent improvement is an artifact of the standard state used in the calculation. Geometry relaxation in solution does not improve the results when using these later cycles. The use of cycle 1 and the complete basis set models combined with the CPCM solvation methods yielded pKa values accurate to less than half a pKa unit. © 2001 John Wiley & Sons, Inc. Int J Quantum Chem, 2001

Development of a direct evaporation bismuth Hall thruster

Hall thrusters have been under active development around the world since the 1960’s. Thrusters using traditional propellants such as xenon have been flown on a variety of satellite orbit raising and maintenance missions with an excellent record. To expand the mission envelope, it is necessary to lower the specific impulse of the thrusters but xenon and krypton are poor performers at specific impulses below 1,200 seconds. To enhance low specific impulse performance, this dissertation examines the development of a Hall-effect thruster which uses bismuth as a propellant. Bismuth, the heaviest non-radioactive element, holds many advantages over noble gas propellants from an energetics as well as a practical economic standpoint. Low ionization energy, large electron-impact crosssection and high atomic mass make bismuth ideal for low-specific impulse applications. The primary disadvantage lies in the high temperatures which are required to generate the bismuth vapors. Previous efforts carried out in the Soviet Union relied upon the complete bismuth vaporization and gas phase delivery to the anode. While this proved successful, the power required to vaporize and maintain gas phase throughout the mass flow system quickly removed many of the efficiency gains expected from using bismuth. To solve these problems, a unique method of delivering liquid bismuth to the anode has been developed. Bismuth is contained within a hollow anode reservoir that is capped by a porous metallic disc. By utilizing the inherent waste heat generated in a Hall thruster, liquid bismuth is evaporated and the vapors pass through the porous disc into the discharge chamber. Due to the high temperatures and material compatibility requirements, the anode was fabricated out of pure molybdenum. The porous vaporizer was not available commercially so a method of creating a refractory porous plate with 40-50% open porosity was developed. Molybdenum also does not respond well to most forms of welding so a diffusion bonding process was also developed to join the molybdenum porous disc to the molybdenum anode. Operation of the direct evaporation bismuth Hall thruster revealed interesting phenomenon. By utilizing constant current mode on a discharge power supply, the discharge voltage settles out to a stable operating point which is a function of discharge current, anode face area and average pore size on the vaporizer. Oscillations with a 40 second period were also observed. Preliminary performance data suggests that the direct evaporation bismuth Hall thruster performs similar to xenon and krypton Hall thrusters. Plume interrogation with a Retarding Potential Analyzer confirmed that bismuth ions were being efficiently accelerated while Faraday probe data gave a view of the ion density in the exhausted plume.

EVALUATION OF MAGNESIUM AS A HALL THRUSTER PROPELLANT

In this study, the use of magnesium as a Hall thruster propellant was evaluated. A xenon Hall thruster was modified such that magnesium propellant could be loaded into the anode and use waste heat from the thruster discharge to drive the propellant vaporization. A control scheme was developed, which allowed for precise control of the mass flow rate while still using plasma heating as the main mechanism for evaporation. The thruster anode, which also served as the propellant reservoir, was designed such that the open area was too low for sufficient vapor flow at normal operating temperatures (i.e. plasma heating alone). The remaining heat needed to achieve enough vapor flow to sustain thruster discharge came from a counter-wound resistive heater located behind the anode. The control system has the ability to arrest thermal runaway in a direct evaporation feed system and stabilize the discharge current during voltage-limited operation. A proportional-integral-derivative control algorithm was implemented to enable automated operation of the mass flow control system using the discharge current as the measured variable and the anode heater current as the controlled parameter. Steady-state operation at constant voltage with discharge current excursions less than 0.35 A was demonstrated for 70 min. Using this long-duration method, stable operation was achieved with heater powers as low as 6% of the total discharge power. Using the thermal mass flow control system the thruster operated stably enough and long enough that performance measurements could be obtained and compared to the performance of the thruster using xenon propellant. It was found that when operated with magnesium, the thruster has thrust ranging from 34 mN at 200 V to 39 mN at 300 V with 1.7 mg/s of propellant. It was found to have 27 mN of thrust at 300 V using 1.0 mg/s of propellant. The thrust-to-power ratio ranged from 24 mN/kW at 200 V to 18 mN/kW at 300 volts. The specific impulse was 2000 s at 200 V and upwards of 2700 s at 300 V. The anode efficiency was found to be ~23% using magnesium, which is substantially lower than the 40% anode efficiency of xenon at approximately equivalent molar flow rates. Measurements in the plasma plume of the thruster—operated using magnesium and xenon propellants—were obtained using a Faraday probe to measure off-axis current distribution, a retarding potential analyzer to measure ion energy, and a double Langmuir probe to measure plasma density, electron temperature, and plasma potential. Additionally, the off axis current distributions and ion energy distributions were compared to measurements made in krypton and bismuth plasmas obtained in previous studies of the same thruster. Comparisons showed that magnesium had the largest beam divergence of the four propellants while the others had similar divergence. The comparisons also showed that magnesium and krypton both had very low voltage utilization compared to xenon and bismuth. It is likely that the differences in plume structure are due to the atomic differences between the propellants; the ionization mean free path goes down with increasing atomic mass. Magnesium and krypton have long ionization mean free paths and therefore require physically larger thruster dimensions for efficient thruster operation and would benefit from magnetic shielding.

IMPROVING STARTABILITY AND REDUCING EMISSIONS IN FLEXFUEL SPARK IGNITION DIRECT INJECTION VARIABLE CAM TIMING ENGINE

Experimental work and analysis was done to investigate engine startup robustness and emissions of a flex-fuel spark ignition (SI) direct injection (DI) engine. The vaporization and other characteristics of ethanol fuel blends present a challenge at engine startup. Strategies to reduce the enrichment requirements for the first engine startup cycle and emissions for the second and third fired cycle at 25°C ± 1°C engine and intake air temperature were investigated. Research work was conducted on a single cylinder SIDI engine with gasoline and E85 fuels, to study the effect on first fired cycle of engine startup. Piston configurations that included a compression ratio change (11 vs 15.5) and piston geometry change (flattop vs bowl) were tested, along with changes in intake cam timing (95,110,125) and fuel pressure (0.4 MPa vs 3 MPa). The goal was to replicate the engine speed, manifold pressure, fuel pressure and testing temperature from an engine startup trace for investigating the first fired cycle for the engine. Results showed bowl piston was able to enable lower equivalence ratio engine starts with gasoline fuel, while also showing lower IMEP at the same equivalence ratio compared to flat top piston. With E85, bowl piston showed reduced IMEP as compression ratio increased at the same equivalence ratio. A preference for constant intake valve timing across fuels seemed to indicate that flattop piston might be a good flex-fuel piston. Significant improvements were seen with higher CR bowl piston with high fuel pressure starts, but showed no improvement with low fuel pressures. Simulation work was conducted to analyze initial three cycles of engine startup in GT-POWER for the same set of hardware used in the experimentations. A steady state validated model was modified for startup conditions. The results of which allowed an understanding of the relative residual levels and IMEP at the test points in the cam phasing space. This allowed selecting additional test points that enable use of higher residual levels, eliminating those with smaller trapped mass incapable of producing required IMEP for proper engine turnover. The second phase of experimental testing results for 2nd and 3rd startup cycle revealed both E10 and E85 prefer the same SOI of 240°bTDC at second and third startup cycle for the flat top piston and high injection pressures. E85 fuel optimal cam timing for startup showed that it tolerates more residuals compared to E10 fuel. Higher internal residuals drives down the Ø requirement for both fuels up to their combustion stability limit, this is thought to be direct benefit to vaporization due to increased cycle start temperature. Benefits are shown for an advance IMOP and retarded EMOP strategy at engine startup. Overall the amount of residuals preferred by an engine for E10 fuel at startup is thought to be constant across engine speed, thus could enable easier selection of optimized cam positions across the startup speeds.

Development of Vapor Deposited Silica Sol-Gel Particles for a Bioactive Materials System to Direct Osteoblast Behavior

Tissue engineering and regenerative medicine have emerged in an effort to generate replacement tissues capable of restoring native tissue structure and function, but because of the complexity of biologic system, this has proven to be much harder than originally anticipated. Silica based bioactive glasses are popular as biomaterials because of their ability to enhance osteogenesis and angiogenesis. Sol-gel processing methods are popular in generating these materials because it offers: 1) mild processing conditions; 2) easily controlled structure and composition; 3) the ability to incorporate biological molecules; and 4) inherent biocompatibility. The goal of this work was to develop a bioactive vaporization system for the deposition of silica sol-gel particles as a means to modify the material properties of a substrate at the nano- and micro- level to better mimic the instructive conditions of native bone tissue, promoting appropriate osteoblast attachment, proliferation, and differentiation as a means for supporting bone tissue regeneration. The size distribution, morphology and degradation behavior of the vapor deposited sol-gel particles developed here were found to be dependent upon formulation (H2O:TMOS, pH, Ca/P incorporation) and manufacturing (substrate surface character, deposition time). Additionally, deposition of these particles onto substrates can be used to modify overall substrate properties including hydrophobicity, roughness, and topography. Deposition of Ca/P sol particles induced apatite-like mineral formation on both two- and three-dimensional materials when exposed to body fluids. Gene expression analysis suggests that Ca/P sol particles induce upregulation osteoblast gene expression (Runx2, OPN, OCN) in preosteoblasts during early culture time points. Upon further modification-specifically increasing particle stability-these Ca/P sol particles possess the potential to serve as a simple and unique means to modify biomaterial surface properties as a means to direct osteoblast differentiation.

Molecular and ionic sublimation of erbium tribromide

The molecular and ionic composition of vapor over erbium tribromide sublimed from the Knudsen effusion cell and the open surface of a single crystal was studied by high-temperature mass spectrometry. The partial pressures of ErBr3 and Er2Br6 molecules in saturated vapor and the ratio between their sublimation coefficients under free vaporization conditions were determined. The enthalpies and activation energies of sublimation of ErBr3 crystals in the form of monomers and dimers were calculated. The emission of and Er2 was recorded in studies of ionic sublimation in both modes. The enthalpies of formation of gas molecules and ions were determined.