Polyvalente Elemente in Glasschmelzen

(Christian Rüssel)

Viele Eigenschaften von Glasschmelzen und fertigen Glasprodukten werden von der Konzentration und dem Oxidationszustand darin enthaltener polyvalenter Elemente beeinflusst. Die wohl wichtigste dieser Eigenschaften ist die Farbe bzw. die Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge. Bei hoher Temperatur stehen die polyvalenten Elemente mit dem physikalisch gelösten Sauerstoff im Gleichgewicht. Zur Untersuchung der Thermodynamik und Diffusion wurde die Square-Wave-Voltammetrie, eine schnelle elektrochemische Pulsmethode, eingeführt. Hierbei werden Stromspannungskurven direkt in der Glasschmelze bei Temperaturen von bis zu 1600 °C aufgenommen. Bei Anwesenheit polyvalenter Ionen ergeben sich charakteristische Peaks, aus deren Höhe der Diffusionskoeffizient bzw. die Konzentration berechnet werden kann und deren Potentiallage dem Standardpotential des polyvalenten Elementes entspricht. Daneben werden auch in zunehmendem Maße Impedanzmethoden zur Charakterisierung von Elektrodenreaktionen und Transportvorgängen herangezogen. Die Arbeiten gliedern sich in folgende Schwerpunkte:

Konstruktion und Einsatz von Sauerstoffaktivitätssensoren auf der Basis von Sauerstoffionenleitern.
Thermodynamik und Diffusion verschiedenster polyvalenter Elemente in Kalknatronsilicatglasschmelzen, Alumosilicat-, Borat-, Borosilicat- und Phosphatglasschmelzen.
Thermodynamik, Diffusion und Einbau von Eisen in Schmelzen verschiedenster Zusammensetzung.
Der Einfluss der Sauerstoffaktivität auf das Verdampfungsverhalten von Selen.
Entwicklung und Erprobung von Sensoren zur voltammetrischen Bestimmung polyvalenter Elemente in technischen Glasschmelzaggregaten; Arbeiten zur Verbesserung der Erfassungsgrenze.
Grundlegende Untersuchungen zur Korrosion von Molybdänelektroden bei der Elektroschmelze von Glas.

Neben voltammetrischen Untersuchungen wurden auch spektroskopische Untersuchungen zum Verhalten polyvalenter Ionen bei hohen Temperaturen durchgeführt. Hierbei bestehen folgende Schwerpunkte:

Aufnahme von Transmissionsspektren bei hoher Temperatur und Bestimmung von Extinktionskoeffizienten als Funktion der Temperatur
Rechnerische Simulation von Emissionsspektren bei vorgegebenen Temperaturprofilen
Aufnahme von Emissionsspektren als Funktion des Temperaturprofils und der Zusammensetzung der Schmelze.

Zielsetzung ist die Bestimmung von Konzentration und Redoxzustand polyvalenter Ionen in der Schmelze durch Emissionsspektroskopie.

Weitere spektroskopische Untersuchungen sind dem Redoxverhalten polyvalenter Ionen bei Temperaturwechsel gewidmet. Hierbei werden Redoxreaktionen zwischen polyvalenten Elementen mit Hilfe der Hochtemperaturspektroskopie im UV-vis-NIR Bereich untersucht.