Verfahrenstechnik

M.Sc.

Jan-Paul Ruiken

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

ruiken@tu-berlin.de

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Sekretariat MAR 2-1 / ACK 7
Raum MAR 2.052 / ACK Z 63
Adresse Ackerstraße 76
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Untersuchungen zum Stofftransport an freischwebenden Einzeltropfen in Flüssig/füssig-Systemen mittels akustischer Levitation

Motivation

Bei der Modellierung komplexer Mechanismen wie dem Stofftransport und Stofftransportphänomenen ist die Wahl der Annahmen und Randbedingungen schwierig. Aus diesem Grund werden zunächst vereinfachte Fälle untersucht und validiert. Zuverlässige experimentelle Validierungsdaten für diese vereinfachten Fälle sind jedoch selten, weshalb die Modelle oft erhebliche Einschränkungen aufweisen.

Gegenwärtig werden Untersuchungen an bewegungslosen und lokal fixierten Tropfen in Flüssig/flüssig-Systemen durchgeführt, indem der Tropfen einem Strömungsfeld ausgesetzt wird, mechanisch an einer Kapillare befestigt wird, chemische Systeme ohne Dichteunterschied verwendet werden oder die Gravitation aufgehoben wird. Die beiden letztgenannten Methoden sind selten und schränken die Experimente erheblich ein, wie die Wahl des chemischen Systems und die entstehenden Kosten. Die ersten beiden Methoden sind weit verbreitet, jedoch haben die Versuchsbedingungen einen erheblichen Einfluss auf den Energie-, Impuls- und Stoffübergang zwischen der dispersen und der kontinuierlichen Phase.

Die Projektidee

In diesem Projekt wird eine neuartige Methode entwickelt, um Stofftransport und Stofftransportphänomene an freischwebenden Einzeltropfen in Flüssig/flüssig-Systemen ohne äußere Einflüsse untersuchen zu können. Hierfür wird die akustische Levitation genutzt, um Einzeltropfen kontaktlos zu fixieren, die dann mit optischen Messverfahren nicht-invasiv analysiert werden können  (siehe Abbildung oben). Zur akustischen Levitation eines Tropfens wird ein Feld stehender Ultraschallwellen in einer Messumgebung erzeugt, um die durch Auftrieb bzw.  Gravitation verursachten Kräfte entgegenzuwirken. Obwohl die akustische Levitation von Einzeltropfen in Flüssig/flüssig-Systemen in den 80er und 90er Jahren für verschiedene Untersuchungen eingesetzt wurde, gibt es überraschenderweise gegenwärtig keine Anwendung in Forschungsfragen um den Stofftransport und Stofftransportphänomenen.

In dieser Arbeit wurde eine akustische Messzelle mit Wasser als kontinuierliche Phase entwickelt. Viele Lösungsmittel bzw. Flüssigkeiten, die nicht mit Wasser mischbar sind, können als disperse Phase eingesetzt werden. Es können Tropfen mit Durchmessern von 1 bis 6 mm in der Zelle levitiert werden, mit Kontaktzeiten von wenigen Sekunden bis zu mehreren Tagen. Mit einem automatisierten Injektions- und Aspirationssystem sind Reihenuntersuchungen an freischwebenden Einzeltropfen möglich. Eine Beobachtungsachse wird durch eine Hochgeschwindigkeitskamera belegt, die zweite Achse kann mit eine andern beliebigen optischen Messmethode belegt werden. Basierend auf den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wird das transiente Tropfenvolumen für detaillierte integrale Stofftransportbeobachtungen an der Tropfengrenzfläche bestimmt.

Experimentelle Untersuchungen

Erste Untersuchungen wurden in zwei Standardstoffsystemen der „European Federation of Chemical Engineering“ durchgeführt. Die Systeme sind n-Butylacetat/Aceton/Wasser und Toluol/Aceton/Wasser. Das zweitgenannte System neigt zum sogenannten Marangoni-Effekt, welcher letztendlich durch den spontanen Ausgleich von Gradienten in der Grenzflächenspannung an der Grenzfläche, hervorgerufen durch den Stofftransport, auftritt. Diese schlagartigen Ausgleichsprozesse führen zu Bewegungen der Einzeltropfen (siehe Beispielvideo rechts) und haben einen erheblichen Einfluss auf den Stofftransport.

Aus den transienten Volumendaten kann im ternären System der Volumenanteil (engl. volume fraction) der Übergangskomponente Aceton berechnet werden (Abbildung unten). Durch den hohen Detailgrad der durchgeführten Volumenmessung können kleinste Verstärkungen (∆Φ in Abbildung unten) im Stofftransport, hervorgerufen durch einzelne Marangoni-Eruptionen, quantitativ ermittelt werden.

Ausstehende Untersuchungen befassen sich mit dem Einfluss des akustischen Feldes auf den Stofftransport im binären und ternären System, um diesen zu quantifizieren. Auf der Basis der Ergebnisse sollen Modelle entwickelt werden, damit dieser Einfluss aus den Messungen herauszurechnen werden kann. Somit sind in der Konsequenz Messungen an freischwebenden Einzeltropfen ohne äußere Einflüsse in Flüssig/flüssig-Systemen möglich.

Publikationen

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