3. Material und Methoden
3.4. Analytische Methoden
In diesem Abschnitt werden die im Rahmen dieser Arbeit eingesetzten Analytikmethoden zur qualitativen und quantitativen Auswertung beschrieben.
3.4.1. Organische Elementaranalyse
Die organische Zusammensetzung der eingesetzten lignocellulotischen Substrate wurde mittels organischer Elementaranalyse ermittelt. Die Messungen der Massenanteile an Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Schwefel (S) wurden am Institut für Anorganische Chemie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg an einem Euro EA 3000 der Firma EuroVector durchgeführt. Zur Analyse wurde ca. 1 mg der Feststoffprobe bei 1050 °C mit reinem Sauerstoff verbrannt, die gebildeten Verbrennungsgase gaschromatographisch aufgetrennt und mit Hilfe eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors (WLD) quantifiziert.
3.4.2. Coulometrische Karl-Fischer Titration
Die Bestimmung des Wassergehalts der ionischen Flüssigkeiten erfolgte mittels coulometrischer Karl-Fischer-Titration (KFT). Für die Messungen wurde ein Coulometer des Typs 756 der Firma Metrohm und als Elektrolytlösung CombiCoulomat fritless der Firma Merck KGaA verwendet. Die Messungen wurden jeweils dreifach durchgeführt und die Messergebnisse gemittelt.
3.4.3. Atomemissionsspektroskopie
Die anorganische Zusammensetzung der hergestellten POM-Katalysatoren sowie der imprägnierten Supportmaterialien wurde mittels optischer Emissionsspektroskopie mit gekoppeltem Plasma (englisch: inductively coupled plasma optical emission spectrometry, kurz: ICP-OES) bestimmt. Die Messungen wurden von Dr. Nicola Taccardi (Institut für Chemische Reaktionstechnik, FAU) an einem „Plasma 400“ der Firma Perkin Elmer durchgeführt. Zur Untersuchung wasserlöslicher Proben wurden etwa 20 mg der Probe in 250 mL bidestilliertem Wasser gelöst und diese anschließend vermessen.
Wasserunlösliche Proben wurden vor der eigentlichen Analyse vorsichtig in Königswasser (3:1 Mischung aus konzentrierter HNO3 und HCL) in einer Mikrowelle aufgeschlossen. Die jeweiligen Elemente wurden mittels ICP-Standardlösungen mit einer maximalen Konzentration von 100 μg mL-1 kalibriert.
3.4.4. Fourier-transformierte Infrarot-Spektroskopie
Zur Strukturaufklärung wurden von den frisch synthetisierten Polyoxometallaten sowie von den imprägnierten Katalysatoren Fourier-transformierte Infrarot-Spektren (FT-IR) aufgenommen. Die Messungen erfolgten bei Raumtemperatur an einem „FT/IR-4100“ der Firma Jasco mit einem „GladiATR“ der Firma PIKE. Die Spektren wurden in einem Bereich von 400 – 4000 cm-1 mit einer Auflösung von 4 cm-1 aufgenommen.
3.4.5. Thermogravimetrie
Thermogravimetrische Analysen (TGA) wurden im Rahmen dieser Arbeit zur Bestimmung des Hydratwassergehalts der synthetisierten Katalysatoren verwendet. Die Messungen erfolgten an einem „SETSYS 1750 CS evolution“ der Firma Setaram Instrumentation. Für eine Messung wurden etwa 50 mg Probe in einen Quarztiegel eingewogen und der Massenverlust während eines mehrstufigen Temperaturprogramms aufgezeichnet. Zur Bestimmung des Hydratwasseranteils der Katalysatoren wurde die Temperatur zunächst bei 30 °C isotherm für 15 Minuten gehalten und die Probe anschließend auf 350 °C mit einer Heizrate von 10 K min-1 aufgeheizt. Nachdem diese Temperatur für weitere 30 Minuten gehalten wurde, wurde die Probe abschließend auf 30 °C abgekühlt. Die Auswertung der aufgenommenen Messdaten erfolgte mit der kommerziell verfügbaren Software Calisto Data Acquisition.
3.4.6. pH-Wert-Bestimmung
Die pH-Werte wurden mit einer pH-Elektrode des Typs „BlueLine“ der Firma Schott Instruments bestimmt. Die Kalibrierung der pH-Werte 4, 7 und 9 erfolgte mit Certipur® Pufferlösungen der Firma Merck KGaA bei Raumtemperatur. Des Weiteren wurden pH-Indikatorstreifen DOSATEST® von VWR Chemicals mit farblicher Skalierung im Bereich von pH 1,8 bis 3,8 verwendet.
3.4.7. Kernspinresonanzspektroskopie
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde Kernspinresonanzspektroskopie (englisch:
nuclear magnetic resonance spectroscopy, kurz: NMR) zur qualitativen Untersuchung der synthetisierten vanadiumhaltigen Katalysatoren und der Ionischen Flüssigkeit verwendet. Zudem wurden die Versuchsreihen der Lösemittelvariation qualitativ und
quantitativ mittels NMR ausgewertet. Die Spektren wurden an einem ECX-400 MHz Spektrometer (9,4 Tesla) der Firma Jeol bei 20 °C aufgenommen.
Die qualitative Untersuchung der vanadiumhaltigen Katalysatoren erfolgte mittels 51 V-Spektren (4048 Scans, =-670 ppm bis =-370 ppm) bei einer Anregungsfrequenz von 105,25 MHz. Zur qualitativen Untersuchung der synthetisierten Ionischen Flüssigkeit wurden sowohl 1H-Spektren (8 Scans, =-2 ppm bis =-12 ppm) bei einer Anregungsfrequenz von 400,13 MHz als auch 13C-Spektren (1000 Scans, =-15ppm bis
=-235 ppm) bei einer Anregungsfrequenz von 100,49 MHz aufgenommen.
Um die gewünschten Produkte der Lösemittelvariation mittels 13C-NMR zu quantifizieren, wurden zunächst Relaxationsmessungen der Hauptprodukte durchgeführt und anschließend basierend auf den Ergebnissen eine Methode zur Quantifizierung entwickelt. In Anhang A.2 Abbildung A2 ist exemplarisch ein Spektrum der Relaxationsmessung für Methylformiat (MF) dargestellt. Durch eine Relaxationszeit von bis zu 6,5 Sekunden ergibt sich nach Gleichung (1) eine Messzeit von 46,8 Sekunden pro Scan.160
𝑡𝑅𝑒𝑙𝑎𝑥𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 1,44 ∙ 𝑡𝑀𝐹∙ 5 (1)
Zur quantitativen Untersuchung der Flüssigphasen der Lösemittelvariation wurden daher 13C-Spektren (265 Scans, =-10 ppm bis =-190 ppm) mit einer Messzeit von 51,3 Sekunden pro Scan bei einer Anregungsfrequenz von 100,49 MHz aufgenommen.
Zum Locken des NMR-Signals wurde zusätzlich in jeder Probe ein Glasinlet mit Benzol/Benzol-d6 im gravimetrischen Verhältnis von 1:12 verwendet. Zur Quantifizierung wurde Acetonitril (AN) als interner Standard eingesetzt.
3.4.8. Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie
Die wässrigen Flüssigproben wurden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (englisch: High performance liquid chromatography, HPLC) auf ihre Zusammensetzung untersucht. Dazu wurde ein Messgerät der Firma Jasco mit einer SUGAR SH1011 Trennsäule (300 mm x 8 mm Innendurchmesser) der Firma Shodex und fünf-millimolarer Schwefelsäure als Eluent mit einer konstanten Flussrate von 1 mL min–1 verwendet. Ein integrierter JETSTREAM 2 PLUS Ofen hielt die Säulentemperatur konstant auf 50 °C. Die
eluierenden Komponenten wurden mit einem Brechungsindexdetektor (englisch:
refraction index detector, RI) analysiert. Zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der gelösten Zucker, Intermediate und der organischen Säuren wurden Kalibrierreihen der entsprechenden Stoffe durchgeführt. Die Kalibrierdaten sind dem Anhang A.2 zu entnehmen.
3.4.9. Gaschromatographie
Die qualitative und quantitative Analyse der Gasproben der Biomasseumsetzungen erfolgte mittels Gaschromatographie (GC) an einem Gaschromatographen des Typs
„Varian 450-GC“. Zur Auftrennung wurde eine Shin-Carbon-ST-Säule (2 m x 0,75 mm Innendurchmesser) eingesetzt. Die Probe wurde über eine 250 μL Probenschleife injiziert und mit Argon als Trägergas bei einem Säulendruck von 4,82 bar über die Trennsäule geleitet. Mittels Wärmeleitfähigkeitsdetektor konnten die Permanentgase Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff detektiert werden. Durch eine hinterlegte Kalibrierung konnten die volumetrischen Anteile an CO2 und CO anschließend mit der Betriebssoftware Galaxie Chromatographie Data Systems quantitativ ausgewertet werden. Zur Analyse wurde eine fünfzehnminütige Methode verwendet, bei der zunächst die Starttemperatur von 40 °C für 2,5 Minuten isotherm gehalten und anschließend mit 30 K min-1 auf 200 °C aufgeheizt wurde. Diese Temperatur wurde erneut für 7,5 Minuten isotherm gehalten und die eluierenden Permanentgase mittels WLD am Ende der Säule bei einer Temperatur von 200 °C detektiert.
3.4.10. Analyse der Zusammensetzung lignocellulotischer Biomasse
Die eingesetzten lignocellulotischen Biomassen sowie die Feststoffrückstände wurden am Imperial College in London auf ihre Zusammensetzung analysiert. Die Analyse wurde nach einer Vorgehensweise des National Renewable Energy Laboratory (kurz NREL) der Version 54 durchgeführt. Mittels dieser Analyse ist es möglich sowohl den gesamten Anteil an Kohlenhydraten – also die enthaltene Glucose, Xylose, Arabinose und Mannose – als auch das säureunlösliche Lignin (englisch: acid insoluble lignin, kurz: AIL), das säurelösliche Lignin (englisch: acid soluble lignin, kurz: ASL) und die säureunlösliche Asche zu quantifizieren. Bei dem so bestimmten Glucosegehalt konnte nicht zwischen Glucose aus der Cellulose und Glucose aus der Hemicellulose unterschieden werden.
Daher wurde der Gehalt an Hemicellulose aus der Summe aller Kohlenhydrate ohne
Glucose bestimmt. Vor der eigentlichen Analyse wurde die Feststoffprobe mit 150 mL reinem Methanol für 24 Stunden in einer Soxhlet-Apparatur gewaschen, um eventuelle Verunreinigungen des Katalysators zu entfernen. Zur Analyse wurde zunächst jeweils etwa 300 mg luftgetrockneter Probe in ein 100 mL Druckrohr eingewogen, 3 mL Schwefelsäure (72 %ig) zugegeben und das Druckrohr für eine Stunde in einem vorgeheizten Wasserbad bei 30 °C platziert. Währenddessen wurden die Proben regelmäßig mit einem Teflonrührer durchmischt. Anschließend wurden die Proben mit 84 mL destilliertem Wasser verdünnt, versiegelt und für eine Stunde bei 121 °C autoklaviert (Sanyo Labo Autoclave ML5 3020 U). Nachdem die Proben abgekühlt sind, wurden der säureunlösliche Feststoff durch Filterkeramiktiegel abgetrennt und das Filtrat in zwei separaten Probenbehältern aufbewahrt. Der Feststoff wurde mit destilliertem Wasser gewaschen und für 24 h bei 105 °C getrocknet. Anschließend wurde die Probe im Keramiktiegel in einem Muffelofen (Nabertherm + Controller P330) bei 575 °C bis zu einer konstanten Masse verascht. Die Masse an AIL konnte anschließend mittels Gleichung (2) aus der Masse des gesamten säureunlöslichen Feststoffs und der Masse des Feststoffs nach der Veraschung bestimmt werden.
𝑚
𝐴𝐼𝐿 = 𝑚𝐹𝑒𝑠𝑡𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓− 𝑚𝐴𝑠𝑐ℎ𝑒 (2)Der Anteil des ASL wurde anschließend mittels UV/VIS-Analyse aus dem Filtrat bestimmt.
Dazu wurde ein „Perkin Elmer Lambda 650 UV/VIS Spektrometer“ bei einer Wellenlänge von 240 nm genutzt. Der Anteil an säurelöslichem Lignin wurde mittels Gleichung (3) bestimmt.
𝑥
𝐴𝑆𝐿 = 𝐴 ∙ 𝑉𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑡 ∙ 𝑙 ∙ 𝜀 ∙ 𝑚𝐹𝑒𝑠𝑡𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓 (3)Dabei ist A die Absorption bei 240 nm, l ist die Weglänge der Küvette (hier 1 cm), 𝜀 der Extinktionskoeffizient (12 L g-1 cm-1), VFiltrat das Volumen des Filtrats in mL und mFeststoff
die Masse des säureunlöslichen Feststoffs.
Zur Quantifizierung der einzelnen Zucker wurde zum zweiten Teil des Filtrats so viel Calciumcarbonat zugegeben, bis ein pH von 5 erreicht war. Anschließend wurde die Probe mit einem Spritzenfilter (0,2 m) filtriert und mittels HPLC (Shimadzu, Aminex HPX-97P
von Bio-Rad, 300 x 7,8 mm, destilliertes Wasser als mobile Phase bei 0,6 mL min-1, Säulentemperatur 85 °C, Entaschungssäulen als Vorfilter) analysiert.
3.4.11. Enzymatische Verzuckerung
Um die Eignung der cellulosehaltigen Feststoffe für die weitere Nutzung, wie beispielsweise die fermentative Umsetzung zu Bioethanol, zu überprüfen, wurden diese mit Hilfe von Enzymen am Imperial College in London aufgeschlossen. Dazu wurde zunächst etwa 100 mg ofengetrocknete Probe in einem Sterilin Probenröhrchen eingewogen und so viel Wasser zugegeben, dass inkl. des bereits in der Probe enthaltenen Wassers eine Gesamtmenge von 1,5 mL Wasser erreicht wurde. Anschließend wurden 8,4 mL einer gepufferten Enzymlösung mit folgender Zusammensetzung zu der Probe gegeben: 5 mL Natriumcitratpuffer (pH 4,8), 40 µL Tetracyclinlösung (10 mg mL-1 in 70 % Ethanol), 30 µL Cycloheximidlösung (10 mg mL-1 in destilliertem Wasser), 3,38-3,41 mL destilliertes Wasser und 20-50 µL einer Enzymmischung (NS-22201) der Firma Novozymes. Die Enzymmischung wurde direkt von Novozymes zur Verfügung gestellt.
Anschließend wurde das Probenröhrchen verschlossen und in einem Stuart Orbital Incubator (S1500) für sieben Tage bei 50 °C und 250 U min-1 inkubiert. Die Flüssigphase der Probe wurde durch einen PTFE Spritzenfilter abgetrennt und die durch die Enzyme freigesetzten Zucker wurden anschließend mittels HPLC quantifiziert.
3.4.12. NH3-Temperatur-programmierte Desorption
Zur Untersuchung des Einflusses der Acidität der heterogenen POM-Katalysatoren, beziehungsweise des Supportmaterials selbst auf die SCR-Aktivität wurden die Supportmaterialien sowie die geträgerten POM-Katalysatoren mittels Temperatur-programmierter NH3-Desorption (NH3-TPD) analysiert. Die Messungen wurden an einem Autochem II der Firma Micromeritics durchgeführt. In einem typischen Experiment wurden etwa 100 mg der getrockneten Probe in einem U-Rohr aus Quarzglas platziert und zunächst unter Heliumstrom für eine Stunde bei 300 °C vorbehandelt. Die Temperatur wurde auf 100 °C abgesenkt und die Probe mit Ammoniakgas (Air Liquide, 5 % NH3 in He) beladen. Nach der NH3-Adsoprtion wurde die Probe mit Helium (50 mL min-1) für 60 Minuten bei 100 °C gespült. Für die anschließende Temperatur-programmierte Desorption wurde die Probe mittels einer Heizrampe von 10 K min-1 auf
300 °C unter Heliumstrom (25 mL min-1) erhitzt. Die desorbierte NH3-Konzentration wurde mit einem WLD detektiert.
3.4.13. N2-Physisorption
Zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften, wie spezifischer Oberfläche, Porenvolumen und mittlerer Porendurchmesser wurden N2-Physisorptionsmessungen der geträgerten Katalysatoren an einem „Autosorp iQ“ der Firma Quantachrome durchgeführt. Vor den Messungen wurden die Proben für 12 h bei 250 °C entgast. Die Isothermen wurden anschließend bei 77 K und 273 K aufgenommen. Die spezifische Oberfläche wurde mit Hilfe der Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET) ermittelt. Das Mikroporenvolumen, sowie die externe Oberfläche wurden mittels t-Plot-Methode und das gesamte Porenvolumen mit Hilfe einer Isothermen bei p/p0 = 0,95 bestimmt.
3.4.14. Transmissionsemissionsmikroskopie
Transmissionsemissionsmikroskopische (TEM) Aufnahmen der geträgerten Katalysatoren wurden von Dr. Simone Zacho (DTU) an einem FEI Tecnai Mikroskop bei 200 kV aufgenommen. Die Proben wurden dazu direkt auf Kohlenstoffgittern aufgebracht.
3.4.15. Chemilumineszenz Gasanalysator
Zur Bestimmung des NO-Umsatzes während der selektiven katalytischen Reduktion mit NH3 wurden die Konzentrationen an NO und NH3 im Abgasstrom des SCR-Rohrreaktors kontinuierlich von einem NH3-NOx Gas-Analysesystem aufgezeichnet. Das Messprinzip des eingesetzten Thermo Electron Models 1C basiert auf Chemilumineszenz.
3.4.16. Röntgenphotoelektronenspektroskopie
Mittels Röntgenphotonenelektronenspektroskopie (englisch: X-Ray photoelectron spectroscopy, kurz: XPS) wurden Untersuchungen zur Aufklärung der Wechselwirkungen zwischen Polyoxometallat und Trägermaterial durchgeführt. Die Messungen erfolgten an einem Gerät von ThermoScientific mit Al Kα Röntgenstrahlen (150 W) und wurden von Dr. Leonhard Schill (DTU) durchgeführt. Die Übersichtsspektren wurden mit Hilfe eines CAE (englisch: Constant analyser energy)-modus bei 160 eV und einer Analysefläche von 300 x 700 µm2 aufgenommen.Zusätzlich wurde eine Elektronenstrahl-kanone eingesetzt,
um Ladungskompensation zu erzielen. Zur Auswertung wurde die kommerziell erhältliche Software „Avantage 4.87“ genutzt.
3.4.17. In-situ Elektronenspinresonanzspektroskopie
In-situ Elektronenspinresonanz-Messungen (EPR-Messungen) der vanadiumhaltigen Katalysatoren unter SCR-Bedingungen wurden von David Nielsen (DTU) an einer ER 4102ST Messzelle in einem „CW X-Band EMX Spektrometer“ der Firma Bruker durchgeführt. Die Energie betrug 6,6 mW, die Modulationsamplitude 5,2 G und die Modulationsfrequenz 100 KHz. Die quantitativen Untersuchungen wurden ex-situ mit einem verdünnten VOSO4 Standard in KSO4 durchgeführt. Etwa 20 mg der Probe wurden in ein geschlossenes 4 mm Suprasil EPR-Rohr aus Quarzglas überführt und bei Umgebungsbedingungen gemessen. Jede Messung wurde mit drei Scans zwischen 230 und 440 mT durchgeführt. Für die in-situ Messungen wurden etwa 20 mg der zu messenden Probe zwischen Glaswolle in einem Glasrohr platziert und dieses in die Messzelle platziert. Die Messzelle verfügt über eine Heizung „ER 4114 HAT-1012“ der Firma Bruker, die die Messung in einem Temperaturintervall von Raumtemperatur bis zu 290 °C ermöglichte. Mittels MFCs konnten exakte Gasströme an O2, NO und NH3
eingestellt werden. Soweit nicht anderweitig angegeben, wurden die Experimente bei einem Gesamtvolumenstrom von 200 mL min-1 mit 500 ppm NO, 550 ppm NH3, 4,5 Vol. % O2 und 2,3 Vol. % H2O durchgeführt.
Die EPR-Spektren aller zu messenden Proben und weiterer fünf Referenzproben, die VOSO4 ∙ 3 H2O in K2SO4 enthielten, wurden ex-situ bei Raumtemperatur aufgenommen.
Basierend auf den Kalibrierkurven der Referenzproben konnte über die Intensität (doppeltes Integral) der gemessenen Proben der Anteil des EPR-aktiven Vanadiums bestimmt werden. Bei den in-situ Messungen der geträgerten Vanadiumkatalysatoren wurde das erste Spektrum als Referenzpunkt genommen, um so anschließend die zeitaufgelöste Intensität des Spektrums mit den Ergebnissen aus den ex-situ Messungen zu bestimmen. Um den Temperatureffekt zu berücksichtigen, wurde bei jedem Spektrum eine Boltzmann-Korrektur durchgeführt. Somit konnte der Massenanteil an EPR-aktivem Vanadium von jeder Probe ermittelt werden.
Die Datenaufbereitung und die Simulationen wurden von David Nielsen in Matlab (2017R) unter der Verwendung von EasySpin 5.2.23 durchgeführt.