Doppelt diffusive Instabilitäten in reaktiven Flüssig-flüssig-Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Wechselwirkung zwischen chemischen Reaktionen und hydrodynamischen Strömungen tritt in vielen Situationen des täglichen Lebens auf. So spielen Transport und Mischung passiver Skalare eine wesentliche Rolle sowohl in atmosphärischen und geologischen Prozessen wie auch im industriellen Kontext innerhalb der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Beeinflussen die chemischen Reaktionen zusätzlich die Stoffeigenschaften der Fluide wie die Dichte oder die Grenzflächenspannung, so wird die Dynamik zunehmend komplexer. In diesem Fall können chemische Reaktionen die Ursache für neue hydrodynamische Instabilitäten sein, die im nicht reaktiven System fehlen. Gleichzeitig setzt eine Rückkopplung zwischen den resultierenden Konvektionsströmungen und der Reaktion ein, da durch den konvektiven Stofftransport die Reaktionsrate steigt. Während die hydrodynamischen Instabilitäten beim reinen Stoff- und Wärmeübergang seit mehreren Jahrzehnten intensiv untersucht werden, ist das Wissen hinsichtlich der Instabilitäten in reaktiven Systemen immer noch deutlich geringer. Das Ziel des Projektes bestand daher in der Untersuchung hydrodynamischer Instabilitäten in reaktiven Modellsystemen mit vereinfachter Geometrie (ebene Grenzfläche). Um einen möghchst breiten Überblick zu gewinnen, wurden verschiedene generische Fälle exemplarisch untersucht. Dazu gehörten sowohl Systeme mit einem a priori Stoffübergang in die andere Phase begleitet von einer sich anschließenden chemischen Reaktion also auch solche Systeme, in denen es erst einer Grenzflächenreaktion bedarf, um einen Stoffübergang a posteriori zu ermöglichen. Innerhalb dieser Klassen wurden sowohl Systeme mit auftrieb- als auch mit grenzflächenspannungsgetriebener Konvektion sowie (ii) verschiedene Reaktionstypen (Säure-Base-Neutralisationsreaktionen, Komplexierung von Metallionen mittels Kronenethern, Hydrolyse) untersucht. Die hierbei resultierenden Instabilitäten wurden hinsichtlich der sich einstellenden Geschwindigkeitsfelder, Konzentrations- und Temperaturverteilung bzw. ihrer charakteristischen Skalen mittels optischer Verfahren in einem Kapillarspalt (Hele-Shaw-Zelle) untersucht. Die durch Auftriebseffekte verursachten Instabilitäten lassen sich in vier Klassen einsortieren: Rayleigh-Benard und Rayleigh-Taylor ähnliche Instabilitäten, die durch instabile Konzentrations- und Temperaturgrenzschichten an der Grenzfläche verursacht werden, doppelt diffusive Instabilitäten bedingt durch die schnellere Diffusion der freigesetzten Wärme im Vergleich zur gebildeten Spezie sowie in einen penetrativen Konvektionstyp, der eine Kombination der ersten beiden Instabilitäten darstellt. Breiten Raum nahm die Untersuchung von Marangoni-Instabilitäten ein, die entweder beim Stoffübergang einer grenzflächenaktiven Spezie bzw. bei deren Produktion durch eine chemische Reaktion auftreten. Durch eine lokale Absenkung der Grenzflächenspannung infolge von Fluktuation kann es zu Scherspannungen entlang der Grenzfläche kommen (Marangoni-Effekt), die im superkritischen Zustand zu einer zellulär organisierten Marangoni-Konvektion entlang der Grenzfläche führen. Mit zunehmender Grenzflächenaktivität der beteiligten Spezies kann es zu weiteren komplexen Effekten kommen, wie z.B. der Bildung von raum-zeitlich periodischen Grenzflächendeformation bzw. dem dynamischen Aufsteigen von Benetzungsfilmen entlang der Kontainerwände. Auf Basis des im Projekt bereitgestellten Wissens können zum einen die potentiellen Instabilitäten reaktiver Flüssig-flüssig Systeme eingegrenzt werden. Das umfangreiche Datenmaterial des Projektes erlaubt weiterhin recht präzise Abschätzungen zu den resultierenden Geschwindigkeiten oder Stoffübergangsraten und ermöglicht einen Vergleich hinsichtlich der Effizienz einzelner Instabilitätstypen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Chemical pattern formation driven by a neutralization reaction. Part I: Mechanism and Basic Featurcs and. Phys. Fluids 16(2), 385-399 (2004)
K. Eckert, M. Acker, Y. Shi
- Control of chemo-hydrodynamic pattern formation by external localized cooling. Europhys. Lett. 69, 746-752 (2005)
D. Bratsun, Y. Shi, K. Eckert, A. De Wit
- The chemically driven interfacial convection (CDIC) experiment on Maser 10. 18th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes, Visby (Sweden), ESA SP-590, 545-550 (2005)
Y. Shi, K. Eckert, A. Heinze, M. Acker
- Acceleration of reaction fronts by hydrodynamic instabilities in immiscible systems. Chem. Eng. Sci. 61, 5523-5533 (2006)
Y. Shi. K. Eckert
- Chemically driven interfacial convection - analysis of the CDIC experiment on Maser 10. 17th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes, Sandefjord (Norway), ESA SP-647, 393-397 (2007)
K. Eckert. A. Heinze, Y. Shi
- Orientation-dependent Hydrodynamic Instabilities from Chemo-Marangoni Cells to Large Scale Interfacial Deformations. Chin. J. of Chem. Eng. 15, 748-753 (2007)
Y. Shi, K. Eckert
- A novel Hele-Shaw cell design for the analysis of hydrodynamic instabilities in liquid-liquid systems. Chem. Eng. Sci. 63, 3560-3563 (2008)
Y. Shi, K. Eckert
- Convective Instability in a Liquid-Liquid System Due to Complexation with a Crown Ether. J. Phys. Chem. A 112 (32), 7357-7364 (2008)
R. Sczecli, K. Eckert, M. Acker
