H2O-Adsorption auf Rußoberflächen: Kinetik und Beeinflussung der Eiskeimfähigkeit
Final Report Abstract
Wasserdampfadsorption auf Rußoberflächen ist einer der Elementarprozesse des Keimwachstums von Wolken- oder Eiswolkenteilchen (Zirren) in der oberen Troposphäre. Im Rahmen dieses Projektes wurde die Wasseraufnahme auf Rußproben i) unterschiedlicher Brennstoffe ü) verschiedenen Verbrennungsbedingungen und iii) beschichteter Rußproben sowie auf Mineralstaub studiert. Nach der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Partikel wurde bei sehr geringen relativen Feuchten die Kinetik der Wasseraufnahme untersucht. Aus diesen Ergebnissen wurden Adsorptions- und Desorptionsgeschwindigkeitskonstanten sowie Aktivierungsenergien für die Desorption bzw. Adsorptionsenthalpien bestimmt. Bei hohen relativen Feuchten und im Bereich der Wasserdampfsättigung wurde die Wasseraufnahme in situ mittels eines Elektronenmikroskops (ESEM) verfolgt. Sowohl die gemessenen Aufnahmekoeffizienten als auch die ermittelten Adsorptionsenthalpien zeigen dabei keine signifikanten Unterschiede für die verschiedenen Rußsorten im Gegensatz zu den Desorptionsgeschwindigkeitskonstanten. Letztere sinken mit steigender BET-Oberfläche, Porosität und Primärpartikeldurchmesser. Während bei der Bestimmung des initialen Aufnahmekoeffizienten bzw. der Adsorptionsgeschwindigkeitskonstanten nur die äußere Oberfläche der Rußprobe zugänglich ist, wird Wasser bei fortschreitender Aufnahme in das Innere der Probe hinein diffundieren. Folglich wird die Desorptionsgeschwindigkeit diffusionslimitiert sein. Die innere Oberfläche der Proben stellt damit einen wichtigen Parameter bei der Beurteilung der Wasseraufnahme dar. Auf Mineralstauboberflächen wird Wasser sehr viel effizienter als auf Rußoberflächen aufgenommen. Die Aufnahmekoeffizienten und die Adsorptionswärmen von Mineralstaub sind höher, und die Desorptionsgeschwindigkeitskonstanten sind kleiner. Zusätzliche Experimente zum Mechanismus der Wasseraufnahme führen zu dem Schluss, dass die Morphologie der Proben einen entscheidenden Einfluss auf die Wasseraufnahme hat; die chemische Zusammensetzung der Oberfläche allerdings nur eine untergeordnete Rolle spielt. Die Ergebnisse aus den kinetischen Untersuchungen stehen in Einklang mit den Messungen zur Hydrophilizität. Im ESEM konnte bei Mineralstaub eine Wasseraufnahme bei Erreichen des Sättigungsdampfdruckes beobachtet werden, während bei Ruß eine Übersättigung vorliegen musste. Auch die Kontaktwinkelmessungen von Ruß und Mineralstaub zeigen, dass Mineralsstaub hydrophiler ist als Ruß. Diese Arbeiten unterstützen die Ergebnisse zu den Untersuchungen in der AIDA-Kammer im Rahmen des PAZI-2-Projektes. Dort konnte die Bildung von Eispartikeln bei einer Eisübersättigung von bereits 10% im Falle von Mineralstaub beobachtet werden, wohingegen Rußpartikel erst bei höheren Übersättigungen als Kondensationskeime für Eispartikel aktiviert, sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass sich aus der Kinetik der Wasseraufnahme bei niedrigen Wasserdampfpartialdrücken nicht ohne weiteres Rückschlüsse auf die Hydrophilizität, die über den Kontaktwinkel definiert ist, ziehen lassen. Allerdings konnte gezeigt werden, dass diese Kinetik Rückschlüsse auf das Verhalten der Partikel als Kondensationskeime für Eispartikel und Wolkentröpfchen zulässt.
Publications
- Sabine Seisei, Aneta Pashkova, Yu Lian und Reinhard Zellner, Water Uptake on Mineral Dust and Soot: A Fundamental View on the Hydrophilicity of Atmospheric Particles?, Faraday Discussions "Atmospheric Chemistry", 130, 437-451, (2005).
