Qualifikationsarbeiten

THEMEN BACHELOR- UND VERTIEFUNGS- UND MASTERARBEITEN

• Hochporöse Magnesiumsilicate zur Farbstoffadsorption auf Basis pflanzlicher Reststoffe und eines nachhaltigen Verfahrens

Themen Bachelor-, Vertiefungsarbeiten und Masterarbeit |  Betreut durch Dr. Susan Wassersleben

Farbstoffe, die u.a. in der Textil-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie weit verbreitet sind, stellen eine Gefahr für Pflanzen, Tiere und Menschen sowie für die gesamte Umwelt dar. Milliarden Tonnen farbstoffhaltiger Abwässer gelangen jedes Jahr in unsere Wassersysteme. Neue nachhaltige Technologien sind erforderlich, um diese Herausforderung anzugehen.

Bei der Entfernung von Farbstoffen aus Abwässern zählt die Adsorption, neben ihrer Effizienz, vor allem wegen geringer Nutzungskosten und ihrer einfachen Handhabung zu den umweltfreundlichsten Technologien mit dem größten wirtschaftlichen Interesse.

Bei der Auswahl der Adsorbentien haben in den letzten Jahrzehnten in der Industrie kostengünstige, stabile und hocheffiziente Adsorbentien große Aufmerksamkeit erlangt. Hierbei werden aufgrund ihrer stabilen physikochemischen Eigenschaften oft Silicate, die auch als „grüne Materialen des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet werden, als Adsorbentien eingesetzt.

In der Industrie wurden viele Jahre lang vor allem synthetische Silicate als Adsorbentien verwendet. Die Herstellung dieser ist jedoch in der Regel mit hohem Zeit- und Energieaufwand und geringer Effizienz verbunden. In jüngerer Zeit treten vermehrt nachhaltige Silicate in den Fokus, da sie kostengünstiger, umweltfreundlicher und leichter verfügbar sind. Mit Metallsilicaten (z.B. Mg-Silicat), sind höhere Adsorptionsraten, aufgrund ihrer Fähigkeit zur Komplexbindung, möglich.

Besonders im Bereich der Farbstoff-Adsorption werden Magnesiumsilicate genutzt. Dies liegt neben ihren polaren Eigenschaften auch an ihrer schnellen Adsorptionsrate und guten Adsorptionskapazität bei vergleichsweise geringen Herstellkosten und den leicht verfügbaren Ausgangsmaterialien.

Untersucht werden soll die nachhaltige Entwicklung und Herstellung von Magnesiumsilicat-Adsorbentien auf Basis von Agrarreststoffen zur effizienten Entfernung von umweltgefährdenden Azofarbstoffen aus dem Abwasser und industriellen Teilströmen der Textilindustrie.

Dabei sollen erstmals Mg-Silicat-Adsorbentien, im Vergleich mit bereits am Markt verfügbaren Produkten, unter vollständig nachhaltigen Bedingungen hergestellt werden. Die Prozesskette umfasst dabei den Einsatz von Agrarreststoffen anstelle technischer Silicate, aus denen unter milden Reaktionsbedingungen biogenes Wasserglas gewonnen wird. Durch den Einsatz alternativer umweltschonender Magnesiumsalze, die keine zusätzliche Belastung für das Grund- und Trinkwasser darstellen, sollen hier die Adsorbentien ebenfalls unter milden Reaktionsbedingungen gefällt werden. Mit Unterstützung eines Industriepartners werden Formkörper aus den Mg-Silicat Pulvern entwickelt und hergestellt. Im Sinne der Circular Economy wird der Material-Kreislauf durch Regeneration der Adsorbentien sowie durch Weiterverwendung geschlossen.

• Synthese hochporöser Silica-Xerogele als Wärmedämmstoff

Themen Vertiefungs- u. Masterarbeiten  |  Betreut durch M.Sc. Kai Müller

Um den Energieverbrauch in Deutschland aber auch weltweit zu senken, müssen zwangsläufig effektive Materialien für die Wärmedämmung entwickelt werden. Mit deren Hilfe kann der benötigte Bedarf an Heizenergie deutlich reduziert werden.

Eines der vielversprechendsten Materialien sind Silica-Aerogele, welche basierend auf dem Sol-Gel-Prozess hergestellt werden. Diese hochporösen Gele weisen extrem niedrige Wärmeleitfähigkeiten auf, finden aber auf Grund der momentan noch hohen Herstellungskosten und geringen Stabilität nur begrenzt Anwendung. Silica-Xerogele zeigen wiederum verbesserte Stabilitäten und deutlich geringe Herstellungskosten, wobei jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Materials steigt.

Im Rahmen einer Vertiefer- bzw. Masterarbeit sollen die Eigenschaften der Xerogele in Richtung niedriger Wärmeleitfähigkeiten bei gleichbleibender Stabilität optimiert werden.

• Synthese von nachhaltigen Kohlenstoff-Silica-Kompositen zur Abwasserreinigung

Themen Bachelor-, Vertiefungs- und Masterarbeiten / Betreut durch M.Sc. Bettina Lilli

Die Einleitung von kontaminierten Abwässern in natürliche Ressourcen kann zu Schäden für Mensch und Umwelt führen. Die Entfernung von Schadstoffen wie biologisch schwer abbaubaren Pharmazeutika oder Pestiziden aus Gewässern ist deshalb entscheidend für den Schutz der Umwelt. Eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen belegen seit Beginn der 2000er Jahre, dass insbesondere Pharmazeutika in konventionellen Kläranlagen - wenn überhaupt - nur unzureichend entfernt werden. Eine mögliche Maßnahme diesem entgegenzuwirken, ist die Einführung einer vierten adsorptiven Reinigungsstufe in Kläranlagen. Neben den bereits für ihre hohe Adsorptionsfähigkeiten bekannten Akivkohlen, stehen Kohlenstoff-Silica-Komposite, die neben einem porösen Kohlenstoff-Anteil auch über einen Silica-Anteil verfügen, als Mögliche Adsorptionsmaterialien zur Auswahl.

Im Zuge der Green Chemistry gewinnt die nachhaltige Synthese von solchen Adsorptionsmittel zur Entfernung von Schadstoffen aus Gewässern immer mehr an Bedeutung. Vor allem Agrarreststoffe nehmen hier eine immer wichtigere Aufgabe ein. Innerhalb dieses Themabereichs soll ausgehend vom Agrarreststoff Reisspelzen über verschiedene Syntheseschritte Kohlenstoff-Silica-Komposite hergestellt werden. Die Variation verschiedener Parameter soll untersucht werden.

Zur Charakterisierung werden hauptsächlich die Stickstoffsorption, die Wasserglas-Analytik, die CHN-Elementaranalyse, die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und die Rasterelektronenmikroskopie genutzt.

•  Synthese von nachhaltigen Schaumglasplatten für die Abgasreinigung

 Themen Bachelor-, Vertiefungs- und Masterarbeiten / Betreut durch M.Sc. Tobias Günther

In Deutschland gibt ca. 11 Mio. Kaminöfen, welche nach BImSchV Grenzwerte für Emissionen und Staub erfüllen müssen. Um diese Grenzwerte zu erreichen werden derzeit katalytisch aktive poröse Al2O3-Keramiken genutzt, die aber in energetisch teuren, nicht nachhaltigen Prozessen hergestellt werden. Eine kostengünstige und nachhaltige Alternative stellt die Synthese von katalytisch aktiven, durchströmbaren Gläsern aus Altglas dar. In der Arbeitsgruppe befindet sich derzeit ein neuartiges Schäumungsverfahren in der Erprobung, mit dem offenzellige Glasplatten dargestellt werden können. Durch die Verwendung von Altglas können – sonst gefährliche – Reststoffe bei wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen als Al₂O₃ weiterverwertet werden.

Im Rahmen von Qualifizierungsarbeiten sollen durchströmbare „Glasschwämme“ hergestellt werden. Das Verfahren soll hinsichtlich der Durchführbarkeit, Reproduzierbarkeit und Anwendungstauglichkeit verbessert werden. Die Variation der Syntheseparameter soll eine Vergrößerung der Poren, sowie die Verbesserung der Durchströmbarkeit herbeiführen. Zusätzlich sollen verschiedene aktive Katalysatoren in das Material integriert werden. Die Analyse der Proben erfolgt vorrangig mit Dichtemessungen, Druckverlustmessungen, SEM-EDX, XRD und Lichtmikroskopie.

• Herstellung und Funktionalisierung von porösem Glasgranulat als Betonzusatz

 Themen Bachelor-, Vertiefungs- und Masterarbeiten / Betreut durch M.Sc. Tobias Günther

Die gegenwärtigen Probleme der Bauindustrie umfassen u.A. Fachkräftemangel, Ressourcenknappheit und eine schlechte CO₂-Bilanz. Diesen Problemen soll eine innovative Methode zum 3D-Druck von Beton-Fertigbauteilen mit einem hohen Anteil an porösem Altglas entgegenwirken. Im Zuge dieses Vorhabens soll im Arbeitskreis ein hochporöses Schaumglasgranulat entwickelt werden, welches dem Zement in großen Mengen beigesetzt werden kann. So könnte - sonst unbrauchbares - Altglas wiederverwertet werden und zudem eine dämmende Wirkung der Bauteile herbeiführen.

Im Rahmen von Qualifizierungsarbeiten sollen Schaumgläser mit hohem Anteil an Poren aus Natronkalk-Glas hergestellt werden. Diese Gläser werden in Form von Granulat in einem anschließenden Schritt hydrophobiert. Die Herstellungsverfahren müssen zudem für die spätere industrielle Anwendung hinsichtlich der Kostengünstigkeit und Durchführbarkeit optimiert werden. Die Charakterisierung der Ergebnisse erfolgt vorrangig mit TG-DTA, Kontaktwinkelbestimmung, Mikroskopie und Dichtemessungen.

• Poröse Gläser als Systeme zur transdermalen Verabreichung von Arzneimitteln (TDDS)

Themen für Bachelor-, Vertiefungs- und Masterarbeiten  |  Betreut durch M.SC. Theresa Paul

Poröses Glas soll als potenzielles transdermales Verabreichungssystem für verschiedene Arzneimittel untersucht werden. Aufgrund ihrer einstellbaren Porengröße und ihres Volumens sowie ihrer großen Oberfläche bieten poröse Gläser vorteilhafte und neuartige Eigenschaften für diese Anwendungen.
In unserer Forschungsgruppe, in der materialwissenschaftliche Aspekte untersucht werden, sind studentische Arbeiten möglich. Mögliche studentische Arbeiten umfassen die Funktionalisierung der Glasoberfläche, die Modifizierung der Porenstruktur und die Entwicklung bzw. Verbesserung von Methoden zur Herstellung ultradünner und flexibler Glasmembranen. (BA, MA, Vertiefer möglich)
Studenten, die sich für den Aufbau und die Automatisierung einer Modellanlage zum Strecken von porösen Gläsern interessieren, können sich ebenfalls bewerben. Grundkenntnisse oder Interesse an LabView, Programmierung und Technik sind erwünscht. (nur MA, Vertiefer-Studenten)
Weiterhin besteht die Möglichkeit, Studienarbeiten bei unseren Forschungspartnern in der pharmakologischen Abteilung der Universität Leipzig (Rudolf-Böhm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie) durchzuführen. Dabei wird die Wirkstoffbeladung und Freisetzungskinetik mittels HPLC-Massenspektrometrie untersucht. Darüber hinaus werden die Biokompatibilität, die Adhäsion an der Haut und die toxischen Effekte des neuartigen Wirkstoffträgers untersucht. (Vertiefer, MA oder Lehramtsstudenten)
Studentische Arbeiten sind in deutscher und englischer Sprache möglich.

• Entwicklung eines porösen, hochtemperaturstabilen CeO₂-Trägermaterials für die nachhaltige CH₄-Produktion aus Treibhausgasen

Themen für Bachelor-, Vertiefungs- und Masterarbeiten  |  Betreut durch Dr. Sharon Koppka

Aufgrund der zur Neige gehenden Erdöl- und Erdgasreserven gewinnt die nachhaltige Produktion von wertvollen Kraftstoffen wie synthetischem Erdgas aus CO und CO₂ zunehmend an Bedeutung. Wird CO/CO₂ aus der Atmosphäre oder aus nachwachsenden Rohstoffen für die nachhaltige Methanisierung genutzt, werden Treibhausgase reduziert und der globalen Erwärmung entgegengewirkt. Kostengünstige Katalysatoren auf Nickelbasis besitzen eine hohe Selektivität und Aktivität bei dieser Hydrierungsreaktion. Für diese Katalysatoren hat sich gezeigt, dass das Trägermaterial, z. B. bestehend aus Al₂O₃, CeO₂ und ZrO₂, nicht nur die strukturellen Eigenschaften und die Dispersion der aktiven Phase bestimmt, sondern auch eine Schlüsselrolle bei der CO₂-Aktivierung spielt. Ceroxid besitzt hervorragende Redoxeigenschaften (Ce³⁺/Ce⁴⁺-Redoxpaar) und weist zudem eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität auf. Dementsprechend besitzen Ceroxidträger im Vergleich zu anderen Trägermaterialien eine große Menge an Sauerstofflücken mit mittlerer Basizität, die die CO₂-Dissoziation und die Metall-Träger-Interaktion fördern.

Im Rahmen der Herstellung eines offenporigen Ceroxid-Trägermaterials aus phasenseparierbaren Gläsern für die Herstellung von Methan aus CO/CO₂-Atmosphären werden die folgenden Aufgaben verfolgt:

• Herstellung und Charakterisierung von homogenen Na₂O-B₂O₃-CeO₂-Gläsern.
• Erzeugung einer gleichmäßigen Phasentrennung zur Einstellung der Porosität.
• Erlangung eines umfassenden Verständnisses der Phasenumwandlung während der Wärmebehandlung und Extraktion
• Studien zur CO/CO₂-Adsorption unter Berücksichtigung des Einflusses der Porentextur und der Phasenzusammensetzung