Messung lokaler Konzentrationen in Flüssigkeitsstrahlen zur Untersuchung des Marangoni-Effekts im System H2O + NH3 + Alkohol
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Versuchs- und Messanlage entworfen, aufgebaut und betrieben, mit der der Stofftransport bei der Absorption von Ammoniak in einen Flüssigkeitsstrahl untersucht werden kann. Ziel war es, den Einfluss von Pentanol, das in der Strahlflüssigkeit gelöst ist, auf den Stofftransport zu zeigen. Das optische Messverfahren verwendet einen Fluoreszenzindikator, dessen Emission sich sprunghaft bei einem bestimmten pH-Wert der Lösung ändert. Das absorbierte Ammoniak geht eine schnelle Neutralisationsreaktion mit der sauren Flüssigkeit des Strahls ein. Der Strahl wird mit einem UV-Laser zur Emission angeregt. Die Intensität des emittierten Lichts ist proportional dem Quadrat des Abstandes der Neutralfläche von der Phasengrenze. Durch Anwendung der Spiegelungsmethode nach Hiby kann aus einem Satz von Messergebnissen die Konzentrationsverteilung des absorbierten Ammoniaks unter Ausschluss der chemischen Reaktion konstruiert werden. Die Konzentrationsprofile, die an Strahlen bestehend aus reinem Wasser und aus mit Pentanol dotiertem Wasser aufgenommen wurden, bestätigen Befunde, die in der Literatur für ebene, stagnierende Flüssigkeitsschichten gefunden wurde. Bei kurzen Kontaktstrecken - bis zum 20 fachen des Düsendurchmessers - dringt das Ammoniak in den Wasser-Pentanol Strahl wesentlich tiefer ein als im reinen Wasserstrahl. Die aufgenommenen Ammoniakmengen unterscheiden sich dabei um einen Faktor von etwa 10. Dies ist wahrscheinlich auf stoffübergangsinduzierte Grenzflächenphänomene zurückzuführen, die auch bei ebenen Phasengrenzen beobachtet wurden. Nach längerer Kontaktstrecke verschwindet der gravierende Unterschied in den Konzentrationsprofilen. Die Messergebnisse zeigen, dass eine örtliche Auflösung in den Konzentrationsprofilen zwischen 1/100 und 1/1000 mm erreicht wird. Man kann davon ausgehen, dass durch eine Optimierung der Optik eine Auflösung von 1/1000 mm sicher realisiert werden karm bei gleichzeitiger Verringerung der Schwankungen in den Konzentrationswerten.
