Kinetik der Benetzung von Oberflächen durch Flüssigkeiten in Kontakt mit verdichteten Gasern und überlagertem Stofftransport
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Benetzungskinetik verschiedener Testflüssigkeiten auf verfahrenstechnischen Oberflächen in komprimiertem Kohlendioxid. Hierbei sollen besonders die Effekte des Stofftransportes des umgebenden CO2 über die Fluid- Flüssigkeits-Phasengrenze betrachtet werden. Die Benetzungskinetik wurde am liegenden Tropfen untersucht und optisch ausgewertet. Als Flüssigkeiten wurden Wasser, Et hand-Wasser-Lösungen (9,1 % w/w) und wässrige Lösungen des Tensides Triton-X 100 verwendet, deren Benetzungskinetik auf Teflon und Edelstahl ermittelt wurden. Die experimentellen Arbeiten konnten bei Temperaturen zwischen 40°C und 100°C, sowie bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 270 bar durchgeführt werden. In vorausgehenden Projektenwurden grundlegende Untersuchungen zum Benetzungsverhalten von Wasser und Ethanol auf den Oberflächen Stahl, Glas und Teflon in komprimiertem CO2 vorgenommen. Am liegenden Tropfen zeigte sich, dass der Kontaktwinkel von Wasser auf allen drei Oberflächen mit zunehmendem Druck ansteigt. Durch die Einführung des Wechselwirkungsparameters fi-sl nach Good und Girifalco konnte die Oberflächenenergie der oben genannten Oberflächen unter Druck bestimmt werden. Basierend auf der Young'schen Beziehung nimmt dieser mit steigendem Druck ab. In diesem Projekt wurden die bisher ermittelten Ergebnisse hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Kontaktwinkels und des Tropfenradius vertiefend untersucht. Die Triebkraft für die Benetzungskinetik sollte einzig der Stofftransport des umgebenden CO2 in die zu untersuchende Tropfenphase sein. Aus diesem Grunde wurde das CO2 mit der untersuchten Flüssigkeit vorgesättigt. Die Benetzungskinetik von Wasser auf Teflon bzw. auf Stahl ist lediglich schwach ausgeprägt. Die maximale Kontaktwinkeländerung bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes beträgt im untersuchten Druck- und Temperaturbereich weniger als 4%. Die Grenzflächenspannung von Wasser gegen CO2 ist relativ hoch. Aus diesem Grund wurden Ethanol-Wasser-Mischungen hinsichtlich der Benetzungskinetik untersucht. Die höhere Löslichkeit von CO2 spiegelt sich deutlich in der Benetzungskinetik wieder. Die Kontaktwinkeländerung liegt hier maximal bei 16,4%. Die geringere Grenzflächenspannung führt erwartungsgemäß auch zu kleineren Kontaktwinkeln. Der Einfluss von Tensiden auf die Benetzungskinetik konnte durch wässrige Lösungen (0,0025 mol/l und 0,025 mol/l) des nichtionischen Tensids Triton X-100 analysiert werden. In diesem Fall nimmt der Kontaktwinkel stark ab. Bei einer Tensidkonzentration von 0,025 mol/l spreitet die Lösung bis zu einem Druck von 90 bar im gesamten Temperaturbereich. Im höheren Druckbereich bilden sich wieder endliche Kontaktwinkel. Dieses Verhalten konnte mit der Bestimmung der Grenzflächenspannung beider wässriger Lösungen erklärt werden. Während beide Lösungen bei Umgebungsbedingimgen die gleiche Grenzflächenspannung besitzen, konnte diese durch das sich einlösende CO2 weiter abgesenkt werden. Bei beiden Lösungen wird mit steigendem Druck ein Minimum der Grenzflächenspannung durchschritten, nach dem diese dann wieder ansteigt. Die Verläufe des Kontaktwinkels und des Tropfenradius werden unter Umgebungsbedingungen üblicherweise durch Potenzansätze approximiert. Mithilfe dieser Ansätze und der Annahme eines nahezu kugelkappenförmigen Tropfens kann das Hoffman-Voinov-Tanner-Gesetz für die vollständige und für die unvollständige Spreitung eines Tropfens genutzt werden. Es stellt sich heraus, dass die durch den Stofftransport induzierte Benetzungskinetik ebenfalls einem Potenzansatz genügt. Die Größenordnung der zeitlichen Änderungen ist hier jedoch teils um mehrere Größenordnungen kleiner als diejenige der in der Literatur be.schriebenen Systeme, beispielsweise von Silikonöl auf Glas [2]. Es konnte gezeigt werden, dass sich auf Stahl eine durch Stofftransport bedingte Benetzungshysterese einstellt. Hierbei wurde beobachtet, dass die Tropfen nach der Applikation über mehrere Minuten spreiten, bis sich ein Kontaktwinkel von etwa 0 einstellt. Darauf zieht sich der Tropfen wieder bis zum ursprünglichen Kontaktwinkel zusammen. Der Stolftransport als treibende Kraft für die Benetzungskinetik unter erhöhten Drücken konnte bei verschiedenen Systemen druck- und temperaturabhängig untersucht werden. Die Beschreibung der Benetzungskinetik durch die in der Literatur verwendeten Ansätze ist nicht in allen Fällen anwendbar. Für weitere Untersuchung sollten folgende Punkte betrachtet werden: • Zur Verbesserung der Genauigkeit bei der simultanen Messung von Benetzung und Stofftransport in der Magnetschwebewaage sollte die Waage technisch in der Weise nachgerüstet werden, dass der Probenhalter stets in derselben Position verbleibt und sich beim Anheben nicht drehen kann. Bisher wurden ausschließlich wässrige Systeme untersucht, die eine relativ geringe Löslichkeit für CO2 aufweisen. In vorausgehenden Projekten konnte die hohe Löslichkeit von CO2 in Ölen untersucht werden. Die hierbei auftretenden Änderungen bezüglich der Dichte, der Viskosität und der Grenzflächenspannung könnten einen wesentlich größeren Einfluss auf die Benetzungskinetik ausüben, als in den hier untersuchten Systemen. Da die Kontaktwinkel von Öl auf den Trägermaterialien sehr klein sind, würde sich ein Öl/Wasser System anbieten, in das C02 eingelöst wird. In diesem System sind größere Kontaktwinkel zu erwarten. • Um das Phänomen der vom Stoffübergang induzierten Benetzungshysterese genauer zu beschreiben, sind detaillierte Messungen des Lösungs Verhaltens des Tensides Triton X-100 in komprimierten CO2-Wasser-Mischungen zu bestimmen. Phasengleichgewichte im ternären System Wasser-C02-Triton X-100 sind in der Literatur nicht verfügbar. In diesem Forschungsprojekt wurde einzig der Stofftransport von CO2 in die Tropfenphase untersucht. In der verfahrenstechnischen Trenntechnik sind in den vergangenen Jahren Tenside mit einer höheren Löslichkeit in CO2 gefunden worden. Unter Verwendung dieser Tenside sollte die Benetzungskinetik mit einem gekoppelten Stolftransport von CO2 und Tensid in die Tropfenphase untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Interfacial phenomena of aqueous systems in dense carbon dioxide, Journal of Supercritical Fluids, 46(3), 272-279, 2008
Y. Sutjiadi-Sia, P. Jaeger, R. Eggers
- Interfacial tension of solid materials against dense carbon dioxide, Journal of Colloid and Interface Science, 320, 268-274, 2008
Y. Sutjiadi-Sia, P. Jaeger, R. Eggers
- Vortrag beim „11th International Symposium on Evaluation of Wettability and Its Effect on Oil Recovery" am 7.9.2010 in Calgary, Kanada
