Charakterisierung der molekularen Diffusion in Flüssigkeiten mit gelösten Gasen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279736335

Das beantragte Forschungsprojekt soll einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der molekularen Diffusion in binären Systemen bestehend aus Flüssigkeiten und gelösten Gasen leisten. Zur Charakterisierung des molekularen Diffusionsprozesses sollen sowohl die dynamische Lichtstreuung (DLS) als auch molekulardynamische (MD) Simulationen für systematisch ausgewählte Gas-Flüssig-Systeme zur Anwendung kommen. Bei der Untersuchung von entsprechenden Gemischen im makroskopischen thermodynamischen Gleichgewicht analysieren beide Methoden mikroskopische Fluktuationen, deren zeitliches Verhalten durch die Transportgrößen Selbstdiffusionskoeffizient, Maxwell-Stefan-Diffusionskoeffizient und binärer Diffusionskoeffizient bestimmt werden. Die mittels DLS aus dem Bulkvolumen der Fluide ermittelten binären Diffusionskoeffizienten dienen als wichtige Stütze zur Bewertung der Ergebnisse aus den MD-Simulationen. Umgekehrt kann die Bestimmung von Diffusionskoeffizienten mittels MD-Simulationen die Interpretation der DLS-Daten durch den Einblick in die molekulare Fluidstruktur unterstützen. Für einen umfassenden Kenntnisgewinn über die molekulare Diffusion von in Flüssigkeiten gelösten Gasen sollen vielversprechende Stoffkombinationen über einen weiten Temperatur- und Konzentrationsbereich untersucht werden. Die ausgewählten Gemische zeichnen sich durch stark variierende molekulare Größen und Wechselwirkungen der Komponenten aus und decken einen breiten Bereich an Gemischviskositäten ab. Die DLS-Experimente und MD-Simulationen sollen nicht nur eine zuverlässige Datenbasis an Transportkoeffizienten für derartige Systeme schaffen, sondern vor allem zur Analyse des Einflusses der physikalischen Eigenschaften der Komponenten auf die molekulare Diffusion in den Gemischen herangezogen werden. Um die Leistungsfähigkeit der MD-Simulation bezüglich der Vorhersage von binären Diffusionskoeffizienten durch Vergleich mit den experimentell bestimmten Daten überprüfen zu können, sind unabhängige Berechnungen des Maxwell-Stefan-Diffusionskoeffizienten und des thermodynamischen Faktors durchzuführen. Dadurch lässt sich zusätzlich für die ausgewählten Systeme untersuchen, wie die verschiedenen Diffusionskoeffizienten miteinander verknüpft sind. Zudem sollen die aus den DLS-Experimenten und MD-Simulationen gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung einer in der Ingenieurspraxis einfach anwendbaren Vorhersagemethode für den binären Diffusionskoeffizienten in Gemischen aus Flüssigkeiten mit gelösten Gasen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Michael Heinrich Rausch