Behaviour of Tantalum in a Fe-dominated synthetic fayalitic slag system - phase analysis and incorporation

The heavy transition metal tantalum (Ta) offers a wide range of applications, especially in the field of electronics, e.g. Ta capacitors with a comparatively long life-time. Therefore, electronic scrap containing these components is a potentially valuable secondary source of this metal. However, the recovery of Ta, as other critical raw materials, that are lost in pyrometallurgical slags can be a challenging process. As a way of overcome this, the "engineered artificial minerals" EnAM approach is proposed by first searching for suitable host minerals and characterizing them. A favorable prerequisite is the enrichment of the desired element(s) in compounds that have particularly suitable properties for this purpose, such as morphology, crystal size, surface or magnetic properties. Subsequently, the slag system is adapted (e.g. chemism, solidification curve, cooling and holding times) to optimize this compound. This paper presents the results of mineralogical characterization of Ta-containing iron (Fe)-rich synthetic slags in reducing environment under different cooling rates, and describes and discusses the incorporation of Ta into the different compounds detected by powder X-ray diffraction (PXRD) and electron beam microanalysis (EPMA). Additionally, the speciation of Fe and Ta was accessible through X-Ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. EPMA also provides a first semi-quantitative assessment of the Ta distribution in these individual compounds. According to this, depending on the cooling rate the enrichment factor is highest in tantalite/perovskite-type oxides (FexTayO6, CaxFeyTazO3) with up to 60 wt.% Ta and ‘tantalomagnetite’ (FeII(FeIII(2-5/3xTax)O4) with a maximum of ~ 30 wt.% Ta (only fast cooling). This is followed by a perovskite-like silicon containing oxide (XYO3) with 12-15 wt.-% Ta (only slow cooling), and a hedenbergite-like compound (XYZ2O6) with varying content of 0.3 - 7 wt.-%. The Ta-concentration in pure Fe, Fe(1-x)O, hercynitic spinel and hematite is negligible. Since a larger fraction of potentially amorphous hedenbergitic matrix is formed at faster cooling, in this case the main Ta is enriched in this compound despite the significantly lower Ta content

Synthese und Verarbeitung Nanoskopie-relevanter Farbstoffe auf der Basis von Bisthiophenethenen

Im Fokus dieser Arbeit steht die Substanzklasse der Bisthiophenethene (kurz BTEs), bei welchen es sich um schaltbare Moleküle handelt. Durch äußere Stimuli, in diesem Fall Bestrahlung, können diese Verbindungen reversibel zwischen zwei verschiedenen Zuständen wechseln. Beide Formen unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften, wobei die Farbänderung der geschlossenen Form die elementarste Änderung darstellt. Das Ziel dieser Arbeit ist die gezielte Synthese von BTE-Farbstoffen, welche eine hohe Intensität der geschlossenen Form, ein schnelles Ansprechverhalten beider Reaktionen mit sichtbarem Licht und eine hohe Anzahl an Schaltzyklen aufweisen. Die BTEs werden in einer PMMA-Matrix eingebettet und in dünnen, homogenen Filmen rotationsbeschichtet. Im Rahmen des NanoVidere-Projekts dienen diese Präparate als Detektionsmechanismus für ein hochauflösendes Konfokalmikroskop, welches Details unterhalb der Beugungsgrenze auflösen kann. Zunächst wird der Einfluss des Substitutionsmusters auf die BTEs untersucht. Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen dem Substituenten und dem daraus resultierenden UV/Vis-Spektren festgestellt werden. Dafür wird die spektroskopische HAMMETT-Funktion auf die Farbstoffe angewendet. Somit können durch die HAMMETT-BROWN-Konstanten erstmals spektroskopische Eigenschaften der BTEs vorhergesagt werden. Außerdem zeigt sich, dass sich das Verhalten der BTE-Farbstoffe in Lösung oder in der kristallinen Phase nicht auf die PMMA-Umgebung übertragen lässt. Substitutionen des Grundgerüsts der BTEs, welche als stabilitätsfördernd gelten, zeigen ein nahezu exakt gegensätzliches Verhalten, wenn diese im Film eingebettet sind. Es handelt sich demnach um eine Umgebung, in welcher das Verhalten der BTEs grundlegend neu verstanden werden muss. Durch neue Ansätze in der Synthese konnten so sukzessive neue Erkenntnisse gewonnen und angewendet werden, sodass es gelang eine umfangreiche Grundlage für das Verhalten der Farbstoffe in Polymermatrizen zu gewinnen. Es konnte gezeigt werden, welchen Einfluss verschiedene Substituenten auf die Farbintensität, sowie auf die Farbe selbst, als auch das Ansprech- und Stabilitätsverhalten ausüben. So gelang es Farbstoffe herzustellen, welche die geforderten Eigenschaften erfüllen und sich somit für den Einsatz in der bildgebenden Super-Resolutions-Mikroskopie eignen.This thesis focuses on the substance class of bisthiophenethenes (BTEs for short), which are switchable molecules. External stimuli, in this case irradiation, can cause these compounds to switch reversibly between two different states. Both forms differ in their physical properties, with the color change of the closed form representing the most elementary change. The aim of this work is the targeted synthesis of BTE dyes that exhibit a high intensity of the closed form, a fast response of both reactions with visible light and a high number of switching cycles. The BTEs are embedded in a PMMA matrix and spin-coated in thin, homogeneous films. As part of the NanoVidere project, these preparations serve as a detection mechanism for a high-resolution confocal microscope, which can resolve details below the diffraction limit. First, the influence of the substitution pattern on the BTEs is investigated. A linear relationship between the substituent and the resulting UV/Vis spectra was found. For this purpose, the spectroscopic HAMMETT function is applied to the dyes. This means that the HAMMETT-BROWN constants can be used to predict the spectroscopic properties of BTEs for the first time. It also shows that the behavior of the BTE dyes in solution or in the crystalline phase cannot be transferred to the PMMA environment. Substitutions of the basic structure of the BTEs, which are considered to promote stability, show almost exactly the opposite behavior when they are embedded in the film. This is therefore an environment in which the behavior of the BTEs must be fundamentally re-understood. Through new approaches in synthesis, new knowledge could be successively gained and applied, so that a comprehensive basis for the behavior of the dyes in polymer matrices could be obtained. The influence of different substituents on the color intensity, the color itself, as well as the response and stability behavior could be shown. This made it possible to produce dyes that meet the required properties and are therefore suitable for use in super-resolution imaging microscopy

Modellierung, Charakterisierung und Verbesserung von Strömungsfeldern für Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Energiespeicher werden auf Grund der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energiequellen, wie der intermittierend verfügbaren Sonnen- und Windenergie, benötigt, um Energie bedarfsgerecht bereitzustellen. Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VFB), für welche die Durchströmung der Zellen mit dem Vanadiumelektrolyten charakteristisch ist, zählen zu den elektrochemischen Energiespeichern. Die Leistung der VFB ergibt sich in Abhängigkeit von der Zellgröße und die Kapazität aus der externen Tankgröße, sodass Batterieleistung und -kapazität unabhängig voneinander skalierbar sind. Die Durchströmung der VFB wird durch die Einbringung von zusätzlichen Strukturen, wie den Kanälen sogenannter Strömungsfelder, vorteilhaft beeinflusst. Die Anpassung der Parameter dieser Strömungsfeld-Designs kann zur Kostenreduktion von VFB und zur besseren Ausnutzung des Vanadiumelektrolyten führen. Um entsprechende Strukturen zu identifizieren, wird in dieser Arbeit die Durchströmung einer VFB mit Strömungsfeld modelliert, charakterisiert und verbessert. Zunächst wird für eine VFB Halbzelle mit interdigitalem Strömungsfeld ein dreidimensionales CFD-Modell entwickelt. Das Elektrodenfilz wird in diesem als poröses Medium beschrieben. Durch die systematische Variation der Kanalabmaße werden im nächsten Schritt Strömungsfelder bestimmt, welche definierte Zielgrößen bestmöglich erfüllen. Bei diesen Zielgrößen handelt es sich um die Druckdifferenz zwischen Zellein- und -auslass, dem Volumen der Kanäle, den Gleichmäßigkeitsfaktor der Elektrodendurchströmung und die limitierende Grenzstromdichte. So führt etwa ein Design mit vielen breiten und tiefen Kanälen zur geringsten Druckdifferenz. Durch die Überführung der genannten Zielgrößen in die Gesamtkosten eines VFB Systems im Megawattbereich, wird das vorteilhafteste Strömungsfeld für die jeweilige Fertigungsmethode ermittelt. So ergeben sich für die Fertigung mittels Spritzguss die niedrigsten Gesamtkosten für ein Design mit mittlerer Kanal- und Stegbreite sowie großer Kanalhöhe. Dieses Strömungsfeld besitzt zudem den höchsten Gleichmäßigkeitsfaktor im betrachteten Parameterraum. Dem Einfluss von Rand- und Anfangsbedingungen auf die untersuchten Zielgrößen wird in einer Parameterstudie nachgegangen. Es wird der Effekt auf die Zielgrößen von Faktoren, welche als zentrale Parameter ausgewählt werden, aufgezeigt und die jeweilige Effektgröße bestimmt. Zusätzlich zu den systematisch variierten Kanalabmaßen haben beispielsweise die spezifische Elektrodenoberfläche und die Einlassgeschwindigkeit einen Effekt auf die limitierende Grenzstromdichte. Experimentelle Untersuchungen dienen der Validierung des Modells und zeigen dessen Grenzen auf. Die Visualisierung der realen Durchströmung in einer VFB gelingt durch die entwickelte Methode der optischen Messungen. Es wird sichtbar, dass sich bevorzugte Strömungswege zwischen den zu- und abführenden Kanälen des interdigitalen Strömungsfeldes ausbilden. Zusätzliche hydrodynamische und elektrochemische Messungen bestätigen, dass das entwickelte CFD-Modell einen validen Vergleich von Strömungsfeldern untereinander ermöglicht. Dies erlaubt die Bewertung der Gesamtkosten einer VFB mit Strömungsfeld. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der modellbasierten Analyse und experimentellen Charakterisierung der Durchströmung von VFB mit bestmöglichem Strömungsfeld. Für zukünftige Untersuchungen erlaubt das entwickelte CFD-Modell sowohl die Analyse anderer Zellgrößen, als auch die Untersuchung weiterer Strömungsfeld-Designs oder zusätzlicher Typen von Redox-Flow-Batterien. Diese lassen sich durch die Anpassung von einzelnen Modellparametern umsetzen, was schlussendlich zu einer signifikanten Reduktion der vom Strömungsfeld abhängigen Gesamtkosten führt.Energy storages are needed to provide energy according to the demand due to the growing usage of renewable energy sources such as intermittently available sun and wind energy. Vanadium redox-flow batteries (VFB), for which the flow of the vanadium electrolyte through the cell is characteristic, are counted as electrochemical energy storages. As the VFB’s power depends on the cell size and its capacity on the tank size, the battery’s power and capacity are independently of each other scalable. The VFB’s flow is beneficially influenced by the insertion of additional structures such as the channels of so-called flow fields. The adjustment of the flow field design parameters can lead to a reduction of the VFB’s costs as well as to a higher utilisation of the vanadium electrolyte. To identify such structures, the flow of a VFB with a flow field is modelled, characterised and improved in this work. Initially, a three-dimensional CFD-model of a VFB half-cell with an interdigitated flow field is developed. In the model, the electrode felt is described as porous media. In the next step by a systematic variation of the channel dimensions, those flow fields are determined, which best fulfil defined goal parameters. These goal parameters are the pressure difference between the cell in- and outlet, the channel volume, the uniformity index of the flow in the electrode and the limiting current density. For instance, a design with many wide and deep channels leads to the lowest pressure difference. By transferring the named goal parameters into the total costs for a VFB system in the megawatt range, the most beneficial flow field depending on the production method is identified. For a production via injection moulding, the lowest total costs arise for a design with a medium channel and land width as well as large channel height. This flow field has also the highest uniformity index within the observed parameter range. The impact of the boundary and initial conditions on the examined goal parameters is observed by a parameter study. The effect on the goal parameters of factors, which are chosen as central parameters, is shown and each individual effect size is determined. Additionally to the systematically varied channel dimensions, the specific electrode area as well as the inlet velocity have an effect for example on the limiting current density. Experimental studies are applied to validate the model and to show its limitations. The visualisation of the real flow in the VFB is possible by a developed method of optical measurements. Thereby preferred paths of flow between the inlet and outlet channels become visible. Additional hydrodynamic and electrochemical measurements confirm that the developed CFD-model allows a valid comparison between different flow fields. This allows the evaluation of the total costs of a VFB with flow field. The focus of this work is the model based analyses and experimental characterisation of the flow for a VFB with a flow field, which is as best as possible. For further studies, the developed CFD model allows to analyse other cell sizes, investigate further flow field designs or additional types of redox-flow batteries. Those are implementable by the adjustment of single model parameters, which lead finally to a significant reduction of the flow field dependent total costs

Wissenschafts- und Transdisziplinaritätsverständnis in TRANSENS: Erhebungen 2021 und 2023

Die begleitende Transdisziplinaritätsforschung des TdLab‘s der ETH Zürich hat unter anderem zum Ziel im Forschungsverbund TRANSENS die Veränderungen und Wirkungen des transdisziplinären (td) Forschungsansatzes auf die Wissenschaft zu untersuchen. Td-Forschung bedeutet mit Beteiligung von Bürger:innen und/oder Praxisakteur:innen an einem lebensweltlichen Problem zu forschen. Das Wissenschafts und Transdisziplinaritätsverständnis der TRANSENS-Forschenden wird mittels schriftlicher Erhebungen zu Projektbeginn, -mitte und -ende erhoben. Dieser Bericht beinhaltet die Auswertung der Midterm-Erhebung zu Projektmitte (März 2023) und vergleicht diese mit der Basis-Erhebung (2021). Der Erhebungsbogen beinhaltet überwiegend geschlossene Fragen (quantitativ) zu Ziel und Grundbedingungen von Wissenschaft sowie zu Zielen und Charakteristiken von td-Forschung. Im Mittelpunkt der qualitativen Fragen steht, (a) welche Ergebnisse von TRANSENS für die Wissenschaft und die Anwendung /Praxis am bedeutendsten waren, und (b) welche Erlebnisse oder Situationen in TRANSENS den Wissenschaftler:innen besonders in Erinnerung geblieben sind. Es beteiligten sich 38 Wissenschaftler:innen (im Folgenden TN) an der Erhebung – 2021 waren es 48. Die Befragten hatten einen mathematisch-natur-/ingenieurwissenschaftlichen ("MINT"; n=22) oder geistes-sozial-wirtschaftswissenschaftlichen ("SGW"; n=15) Hintergrund. Wissenschaftsverständnis: Primäre Ziele von Wissenschaft sind für die Befragten die Gewinnung von Erkenntnissen sowie die Reflexion der Erkenntnisse und des wissenschaftlichen Vorgehens. Am wenigsten Bedeutung hat das Ziel, Politiker:innen nicht nur Fakten zu liefern, sondern auch Entscheidungen mitzufällen. Grundbedingungen für die wissenschaftliche Forschung sind – gemäß Rückmeldungen – vorrangig Selbstkritik bzw. Reflexion, Überprüfbarkeit und systematisches und methodisch geleitetes Vorgehen. Am wenigsten Zustimmung erhält die Grundbedingung Wertefreiheit (i.S. von interessensfrei)

Slip in radial cylindrical roller bearings and its influence on the formation of white etching cracks

Ungünstige Betriebsbedingungen und unzureichende Radialkräfte führen zu Schlupf in Radial-Zylinderrollenlagern. Das kann zu verschiedenen Ausfallmechanismen, wie Anschmierung, Fressschäden, Abplatzen und auch sogenannten White Etching Cracks (WEC) führen, die bereits nach einem Bruchteil der berechneten Lagerlebensdauer auftreten können. In dieser Arbeit wird durch systematische Tests der Einfluss der Lagerbetriebsbedingungen (Radialkraft, Drehzahl und Öldurchfluss), sowie der Ausführung des Lagers (Lager- und Käfigtyp, Material, Führung und Toleranzklassen) auf die Entstehung des Wälzkörper- und Satzschlupfs untersucht. Die Wälzkörper vollrolliger Lager in der lastfreien Zone werden verzögert und sind in der Beschleunigungsphase einem vollständigen Rollenschlupf ausgesetzt. Für mit Käfig ausgestattete Zylinderrollenlager übertrifft der einteilige den zweiteiligen Käfig durch eine geringere Schlupfneigung, besonders unter begrenztem Öldurchfluss. Rollengeführte Käfige zwingen die Rollen dazu mit dem rotierenden Innenring zu interagieren, wodurch weniger Schlupf verursacht wird. Polyamid als Käfigwerkstoff bietet Gewichteinsparungen, wird aber bei hohen Lagertoleranzen nicht empfohlen, da es deformiert und somit einen höheren Schlupf bewirkt. Bei moderaten Lagertoleranzen tragen mehr Rollen zur Belastungsübertragung bei. Das kann zu höherem Rollenschlupf als bei hohen Toleranzen führen, da verringerte Traktionskräfte auf die Rollen wirken. Wird ein Lager jedoch durch eine enge Toleranzklasse (TC) vorgespannt, kann der Schlupf unter jeglichen Betriebsbedingungen verhindert werden. Der Einfluss von Schlupf auf die Bildung von WEC am Innen- und Außenring eines Zylinderrollenlagers wurde in insgesamt vier Dauerlaufversuchen mit einem zweiphasigen Belastungsschema untersucht. Während der Niedriglastphase wird das Lager bei erhöhtem Schlupf betrieben und danach einer hohen Lastphase ausgesetzt, während der Ermüdungsrissfortschritt von WEC auftreten kann. Es wurde festgestellt, dass Betriebsbedingungen mit hohem Schlupf weniger kritisch für die WEC-Bildung (an beiden Lagerringen) sind. Die sehr geringe Radialkraft, die in der Niedriglastphase aufgebracht wird, um einen hohen Schlupf zu ermöglichen, führt zu einer geringen Flächenpressung, die nicht WEC-kritisch ist. Ein weiterer Grund ist die längere Regenerationszeit zwischen zwei Überrollungen, die bei einem hohen Sollschlupf auftreten. Kritischer sind die dynamischen Kraftverhältnisse für die stehenden Lagerringe. Sie würden den Rollenschlupf unter der wechselnden Lastzonenbreite akkumulieren, was WEC-kritischer ist. Obwohl die vollrolligen Lager einen hohen Satzschlupf und 100%igen Rollenschlupf in der Lastzone erleiden, zeigten sie auch nach mehr als 3400 Teststunden, unter den für Käfiglager sehr kritischen Prüfbedingungen, keine Anzeichen eines WEC-Ausfalls.Unfavorable operating conditions and inadequate radial force cause slip to occur in radial cylindrical roller bearings. This can also lead to several failure mechanisms such as smearing, scuffing, spalling, and White Etching cracks (WEC) that can occur at a small percentage of the calculated bearing life. In this work, through systematic testing, the influence of the bearing operating conditions (radial force, speed, and lubricant flow rate) as well as the bearing’s design (bearing type, cage type, material, guidance as well as the clearance class) on the development of the roller- and the rolling set slip was studied. The rollers of the full complement bearing stall in the load-free zone, and they suffer from a 100% roller slip at the acceleration zone. For caged bearings, a single-part cage outperforms the two-part cages by having lower slip tendency under restricted oil flow rates. Cages that are roller-guided force the rollers to interact more with the rotating inner ring and thus suffer from an overall lower slip. For the cage material, Polyamide cages offer weight savings. However they are not recommended under elaborated clearance as they would deform and cause high slip. Under moderate clearance, more rollers contribute to the load transfer. This leads to higher roller slip than under higher clearance level due to the decrease in traction forces acting on each roller. However, preloading a bearing by using the TC clearance class while using a tight fitting for both rings my lead to the elimination of the slip under any operating conditions. The influence of slip on the formation of WEC on the inner and outer rings of a cylindrical roller bearing was studied by conducting a total of four endurance tests using a two-phase loading scheme. In the low-load phase, a slip-rich environment is introduced to the bearing during which lubricant smearing can take place. After that, a high load phase is introduced to the bearing during which, fatigue crack propagation of WEC is enabled. It was found that high-slip operating conditions are less critical for the WEC formation on both bearing rings. The very low radial force that must be used in the low load phase to allow such a high slip to occur would result in a low contact pressure that is not WEC-critical. Another reason is the longer regeneration time between two overrollings occurring at a high set slip. Dynamic force conditions are more critical for the stationary bearing rings. They would accumulate the roller slip under the changing load zone width which is more WEC-critical. Although suffering from high set slip and 100% roller slip in the load zone, full complement bearings didn’t show any sign of WEC failure even after testing them for more than 3400 hours under very critical testing conditions for caged bearings