Characterization of molecular diffusion in liquids with dissolved gases
Third party funded individual grant
Start date : 01.07.2019
End date : 31.03.2022
Extension date: 30.06.2023
Project details
Short description
Scientific Abstract
Das Projekt soll das Verständnis der molekularen Diffusion in aus Flüssigkeiten und darin gelösten Gasen bestehenden binären Gemischen weiter vertiefen. Die noch andauernden Untersuchungen innerhalb der ersten Förderperiode zeigen, dass Experimente auf Basis der dynamischen Lichtstreuung (DLS) und molekulardynamische Simulationen (MDS) für die Charakterisierung des diffusiven Stofftransports in solchen Systemen im makroskopischen thermodynamischen Gleichgewicht geeignet sind. Während die DLS über die Analyse von mikroskopischen statistischen Konzentrationsfluktuationen Zugang zum Fickschen Diffusionskoeffizienten D11 liefert, wird dieser in Gleichgewichts-MDS über die Kombination von kinetischen und strukturbezogenen Beiträgen in Form des Maxwell-Stefan-Diffusionskoeffizienten und des thermodynamischen Faktors bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die per DLS bestimmten D11-Daten für Flüssigkeiten mit darin nahezu unendlich verdünntem, gelöstem Gas mit den per MDS berechneten Selbstdiffusionskoeffizienten der gelösten Gase übereinstimmen. Neu identifizierte Beziehungen zwischen Gaseigenschaften und Diffusionsdaten erlaubten die Entwicklung einer einfachen Korrelation für die Tracer-Diffusionskoeffizienten von Gasen in n-Alkanen. Über den gesamten Konzentrationsbereich des Modellsystems n-Hexan/CO2 bestimmte Diffusionsdaten geben erste Hinweise auf den Einfluss der Flüssigkeitsstruktur. Das primäre Ziel der beantragten zweiten Förderperiode ist ein noch umfassenderer Erkenntnisgewinn bezüglich diffusionsrelevanter Struktur-Eigenschafts-Beziehungen durch eine systematische Erweiterung der untersuchten Gas- und Flüssigkeitsklassen. Vorgesehen ist eine breite Variation von molarer Masse, Größe und Polarität der Gase sowie der Kettenlänge, Verzweigung und Oxidationsgrad azyklischer bzw. der Hydrierung zyklischer Verbindungen mit meist gleicher Kohlenstoffatomanzahl auf der Flüssigkeitsseite. Die Leistungsfähigkeit der MDS für die Vorhersage von D11 soll durch Vergleich mit den experimentellen Daten für die zusätzlichen Systeme erneut getestet werden. Basierend auf allen gewonnenen Daten sowie Einblicken in die Flüssigkeitsstruktur aus der MDS soll das grundlegende Verständnis der Einflüsse der Flüssigkeits- und Gaseigenschaften auf die Ficksche Diffusion vertieft werden. Diese Einflüsse können im Bereich nahezu unendlicher Verdünnung getrennt für Flüssigkeiten und Gase untersucht werden. Konzentrationsabhängige Studien liefern Informationen über kinetische Aspekte und Effekte von Flüssigkeitsstrukturen, wobei letztere mit Ergebnissen aus der Raman-Spektroskopie abgeglichen werden sollen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird die Aufstellung quantitativer Beziehungen zwischen den verschiedenen Arten von Diffusionskoeffizienten für ideale und nicht-ideale binäre Systeme angestrebt, die zur Entwicklung von umfassenden Vorhersageansätzen für Ficksche Diffusionskoeffizienten für Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen genutzt werden.
Involved:
Andreas Paul Fröba
Project Leader
Michael Rausch
Project Member
Tobias Klein
Project Member
Maximilian Piszko
Project Member
