Thermodynamik und Vorausberechnung der Adsorption von Mischungen
Technical Thermodynamics
Final Report Abstract
Im Projekt wurde eine in den Jahren 2004 und 2005 entwickelte phänomenologisch-thermodynamische Methode zur Vorausberechnung der Adsorptionsexzesse und Grenzflächenspannungen mehrkomponentiger flüssiger Mischungen an verschiedenen Grenzflächen erweitert und vervollkommnet. Dies betraf sowohl die Einbeziehung von weiteren experimentellen Adsorptionssystemen als auch mathematisch-thermodynamische Verbesserungen in der grundlegenden Theorie. Bei dem Versuch, die Voraussagemethode auf die Adsorption von Gasen an Festkörpern zu übertragen, konnte gezeigt werden, dass sich die höherkomponentige Gasadsorption in Analogie zur Flüssigphasenadsorption auf der Grundlage der binären Gasadsorptionsdaten über Exzessgrößen vorausberechnen lässt. Auf diese Weise kann der Umweg über Absolutgrößen vermieden werden. Eine Vorhersagemethode auf der Grundlage von Reinstoffgasisothermen konnte nicht abschließend entwickelt werden. In der zweiten Projektperiode wurde eine Anlage aufgebaut, die den manuellen Aufwand zur Vermessung einer Flüssigadsorptionsisotherme reduziert und für die Beobachtung von Hystereseerscheinungen bei der bevorzugten Adsorption einer Komponente aus einer flüssigen Mischung geeignet ist. Die Funktionsweise wurde in verschiedenen Versuchen getestet. Es wurde eine Dosiervorrichtung zur Beaufschlagung von unter Vakuum befindlichen Festkörpern mit Flüssigkeiten und eine Refraktometerlösung entwickelt, die eine nichtinvasive Beobachtung der überstehenden Lösung im Adsorptionsgleichgewicht gestattet. Es zeigte sich, dass die Anlage mit sehr präzisen Refraktometern konkurrieren kann. Mit der Anlage wurden Messungen an porösen Gläsern durchgeführt, deren mittlere Porenweiten sich bei vergleichbaren spezifischen Gesamtporenvolumina deutlich unterscheiden. Für die Mischungslücke von Propanol (1) / Wasser (2) konnte eine Porenweitenabhängigkeit qualitativ nachgewiesen werden. Innerhalb des Projektes wurden geeignete Modellfestkörper für die Flüssigphasenadsorption in großer Vielfalt hergestellt und texturell charakterisiert. Die in der Literatur publizierten Erklärungen zu Kavitation und zu Pore Blocking für geordnete Materialien konnten auf der Grundlage zahlreicher Reingasisothermen erstmals an ungeordneten Materialien nachvollzogen werden. Genutzt wurden nanoporöse Gläser mit fein eingestellten mittleren Porenweiten, die sich topologisch von anderen Materialien mit ähnlichen Porenweitenverteilungen unterscheiden. Da ein Verständnis des Adsorptionsverhaltens von Reinstoffen die Grundlage für die Theorie der Gemischadsorption darstellt, widmeten wir uns der Erklärung von selbst vermessenen MOF-Isothermen, die in der Klassifikation von Reingasadsorptionsisothermen nach Sing nicht enthalten waren. Die Ergebnisse des Projektes sind in zahlreichen Konferenzbeiträgen und Fachzeitschriften publiziert. Neuen Input für die Verbesserung der thermodynamischen Theorie zur Flüssig-phasenadsorption sollten vor allem die Experimente mit der gerade fertig gestellten Eigenbauanlage zur Flüssigphasenadsorption liefern. Dies betrifft insbesondere: - Die thermodynamisch-kinetische Beschreibung von Effekten, die mit der herkömmlichen Batch-Methode nicht erkennbar sind, da es hier weder einen Adsorptions- noch einen Desorptionsweg einer Komponente gibt. - Eine bessere thermodynamische Beschreibung der Adsorption von binären Mischungen mit Mischungslücke, da die Anlage deren systematische Untersuchung in einem vertretbaren Zeitaufwand gestattet. - Die Weiterentwicklung der bisherigen Theorie zur Gewinnung konsistenter textureller und energetischer Informationen über poröse Festkörper aus Flüssig- und Gasadsorptionsisothermen.
Publications
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