Mass transfer in micellar systems at the interface of solution-diffusion membranes
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben befasste sich mit den Transportvorgängen und -mechanismen die t>eim Übergang eines in Mizellen solvatisierten, hydrophoben flüchtigen organischen Stoffes (VOC) an eine Lösungs-Diffusions-Membran innerhalb der Flüssigkeitsgrenzschicht ablaufen. Die experimentellen Ergebnisse bildeten die Gmndlage zur Entwicklung eines physikalischen Modells des Stofftransports bei Pervaporationsprozessen. Frühere Untersuchungen an PDMS (Polydimethylsiloxan)-Membranen in Konlakl mit wässrigen mizellaren Lösungen an CTAC (Cetyl tri methyl am mon iumchlorid) legten die Belegung der Membranot>erfläche mit einer mehriagigen Tensidschicht nahe, an oder innerhalb derer die Freisetzung der VOCs aus den Mizellen erfolgt. Dies wurde durch fluoreszenzspektroskopische in-situ Messungen an der Oberfläche von Pervaporationsmembranen im Sloffsystem Wasser/Naphlhalin/CTAC bestätigt. Die Stoffauswahl für die Anwendung elektrochemischer Analysemethoden, die mit den bisherigen Techniken kombiniert werden sollten, erwies sich als schwierig und zeitaufwändig. Für TMPDA (MN,A^*,/V'-Tetramethylphenylendiamin) und 4A1N (4-Amino-l-Naphlhol) war der Einfluss des Tensides (CTAC) auf die Elektrodenreaktion an nichl modifizierten Glassy Carbon (GC) -Elektroden nur geringfügig, aufgezeigt mittels Cyclovoltammmetrie und Elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS). Das mizellare System verhielt sich in diesem Fall annähemd wie ein molekulardisperses flir die Gesamtkonzentration an gelöster Substanz (in den Mizellen und in der kontinuierlichen Phase). Pervaporationsexperi mente mit TMPDA bestätigten, dass der transmembrane Fluss (tensidfreier Lösungen) nicht durch die Zugabe von Tensid emiedrigt wird. Damit besteht für redoxaktive Substanzen die Möglichkeit, ohne großen Aufwand, durch elektrochemische Charakterisiemng das Pervaporationsverhalten vorherzusagen und das System vorzuoptimieren. Das große Potential der elektrochemischen Ari^eitsmethoden konnte im Projekt leider nicht abschließend aufgezeigt werden. Die EIS an den mit Membranmaterial modifizierten Elektroden bietet prinzipiell den Vorteil, die Membrangängigkeit von Substanzen und deren Beeinflussung durch ein Tensid zu untersuchen. ;Für TMPDA und 4A1N wurde dies nachgewiesen. Der Einfiuss des Tensids ist ausgeprägter als an den nicht modifizierten Elektroden, bleibt aber moderat. Für eine genauere Analyse und Quantifiziemng der Transportvorgänge müsste jedoch noch die Elektrodenpräparation verbessert werden. Die Grundlage für die Entwicklung eines Stofftransportmodells für Moleküle (VOCs), die eine hohe Löslichkeit und einen hohen Diffusionskoeffizienten in der Membran aufweisen, bildete das Lösungs-Diffusions-Modell. Durch die Einfühmng eines effektiven Diffusionskoeffizienten konnlen die experimentellen Ergebnisse für den Stofftransport des VOCs im Sloffsystem Wasser/p-Xylol/Lutensol FSAIO beschrieben werden. Die Überiagemng von mizellarem und extramizellarem Slofftransport gibt die Ergebnisse für den Stoffdurchgangswidersland im Bereich niedriger Tensidkonzentrationen gut wieder. Im Bereich höherer Tensidkonzentrationen bestehen jedoch Abweichungen, die bei dem Stoffsystem Wasser/Naphlhalin/CTAC auf weitere Tensideinflüsse hindeuteten. Im Gegensalz zum Sloffsystem Wasser/p-Xylol/LutensoI FSAIO ist dabei ein scheinbarer Anstieg des Membran Widerstandes bei höheren Tensidkonzentrationen erkennbar. Rein formal kann die Abweichung vom Membranwidersland des tensidfreien Systems mit einem Korrekturterm (Tensidschicht-Widerstand) t)eschrieben werden. Für VOCs mit geringer Löslichkeit in der Pervaporalionsmembran (z.B. TMPDA) isl der Membran widerstand jedoch so hoch, dass der Widerstand in der flüssigseitigen Grenzschicht keinen erkennbaren Einfiuss hat und daher unberücksichtigt bleiben kann.
Publications
- Giltel, Th., Aufarbeitung mizellarer Lösungen durch organophile Pervaporation, Shaker Verlag. Verfahrenstechnik, Dissertation Universitäl Karismhe (TH), 2004
- Giltel, Th.; Hartwig, Th.; Schaber, K: Separation of Organic Compounds from Surfactant Solutions by pervaporation. The Influence ofa Micellar Phase on Mass Transfer, Zeitschrift für Physikalische Chemie, Vol. 219 (2005), S. 1243-1259
- Hartwig, Th., Schaber, K., Köhler, M. und Braun, A. M., Stofftransport bei der Pervaporation mizellarer Gemische, Chemie-Ingenieur-Technik, Vol.l (2008), S.175-183
- Köhler, M.: Untersuchungen VUV-photochemischer Prozesse in der Abgasbehandlung und zur Oberflächenfunktionalisierung bei Membranprozessen. Dissertation Universität Karismhe (TH),2006
