Einfluß von inerten und katalytisch aktiven Feststoffpulvern auf die Kinetik der Gasabsorption

Kaya, Aydin

Die vorliegende Arbeit soll zur Klärung der experimentell beobachtbaren Gasabsorptionserhöhungen in gas/flüssig-Systemen in Gegenwart von Feststoff- pulvern beitragen. Die Untersuchungen führten zu der Erkenntnis, dass die Absorptionserhöhungen grundsätzlich drei Arten von Stoffübergangsphänomenen zugeordnet werden können: Neben den selten anzutreffenden "echten" Absorptionserhöhungen E wurden an planaren Phasengrenzen wesentlich häufiger "scheinbare" Absorptionserhöhungen "E" beobachtet. Von diesen Phänomenen sind Erhöhungen in wässrigen Elektrolytlösungen in Anwesenheit von sehr kleinen Gasblasen zu unterscheiden. Bei der physikalischen und chemischen Absorption von Gasen kann eine "echte" Absorptionsbeschleunigung, d. h. eine Erhöhung der Absorptionsgeschwindigkeit an einer sauberen Phasengrenze und unter identischen hydrodynamischen Bedingungen, durch inerte Feststoffpulver ausgeschlossen werden, selbst wenn es sich um hochporöse Adsorbenzien wie Aktivkohlen handelt, d. h. hier gilt E = 1. Die Absorptionserhöhungen "Ephys" und "Ech", die in Gegenwart von hydrophoben Feststoffpulvern an einer planaren Phasengrenze beobachtet wurden, weisen lediglich auf eine durch grenzflächenaktive Substanzen hervorgerufene Absorptionshemmung im Referenzsystem hin. Die "Aktivität" der Feststoffpulver ist somit lediglich durch ihre Affinität für Amphiphile bedingt. Damit sind der häufig zitierte "Shuttle-Mechanismus" und zahlreiche weitere Modelle als Fehlinterpretationen anzusehen. Eine Akkumulation von mäßig hydrophoben Partikeln an der gas/flüssig-Phasengrenze konnte nicht beobachtet werden. Das Ausmaß der Absorptionsbeschleunigung "E" ist generell von der Kontaminationsmenge, der Konvektionsart und -intensität sowie von der Temperatur abhängig. Ein besonders großer Anstieg der Gasabsorptionsgeschwindigkeit durch Feststoffpulver kann insbesondere dann beobachtet werden, wenn während des Absorptionsvorgangs Grenzflächenspannungsgradienten auftreten (Marangoni- Instabilität). Bei katalytisch aktiven Feststoffen kann eine Verstärkung des gas/flüssig- Stoffübergangs nicht ausgeschlossen werden. Eine Unterscheidung zwischen einer "echten" Absorptionsverstärkung E und der durch Adsorption von Kontaminationen verursachten Absorptionserhöhung kann im Allgemeinen anhand der Konzentrationsabhängigkeit erfolgen. Ein Abbruch bei niedrigen Feststoff- konzentrationen weist auf einen Kontaminationseffekt hin. In elektrolythaltigen Lösungen sind Erhöhungen der Gasabsorptionsgeschwindigkeit durch inerte oder katalytisch aktive Feststoffpulver bei hohen Turbulenzgraden und in Anwesenheit von Kleinstblasen als eine Vergrößerung der Stoffaustauschfläche infolge einer Koaleszenzminderung zu interpretieren, da eine Zunahme von kL ausgeschlossen werden kann. Vor der Durchführung von Stoffübergangsuntersuchungen an planaren Phasengrenzen ist eine gründliche Reinigung der Apparatur (und des Absorptionsmittels) unumgänglich. Die störenden Verbindungen sind wohl meist anthropogenen Ursprungs und in Wasser schwerlöslich. Die Zugabe eines hydrophoben Feststoffpulvers bietet sich hier als eine sehr bequeme und zuverlässige Reinigungsmethode an.

The aim of this work is to clarify the frequently reported gas absorption enhancements in gas/liquid systems by powdered solids. The following conclusions can be drawn from the experimental results: At plane gas/liquid interfaces "true" absorptions enhancements E are very unlikely. In most cases "apparent" absorption enhancements "E" were observed. A third absorption phenomena caused by powders has to be distinguished, which can occur in aqueous electrolyte solutions if small gas bubbles are present. During the physical and chemical absorption of gases generally true enhancements, i.e. enhancements of the absorption rate at similar hydrodynamic conditions, by inert particles can be excluded, even in case of highly porous solids such as activated carbon (E = 1). Apparent absorption enhancements "Ephys" and "Ech" caused by the presence of hydrophobic solids indicate a contaminated reference system (g/l-system). It is well known that even traces amounts of amphiphilic contaminants can strongly effect the mass transfer rate. The "activity" of the powdered solid result only from their adsorption affinity to contaminants. Therefore, the frequently suggested explanation ("shuttle- mechanism") and many other models for gas absorption in slurries has to be considered as misinterpretations. The absorption enhancement "E" depends on a variety of factors, including the amount of contamination, the kind and intensity of convection and the temperature. High factors ("E"" 50) can be measured in quiescent systems if surface tension driven convection occurs (Marangoni-instability). True Absorption enhancements due to a heterogeneously catalysed reaction can not generally be excluded. The concentration dependency of the gas/liquid-absorption rate can be used to distinguish between the two phenomena. A "levelling-off" is a strong evidence for an apparent enhancement. In aqueous electrolyte solutions, if small gas bubbles are dispersed, the increase of the gas absorption rate by inert or catalytically active powders, provided the aqueous system is not significantly contaminated, has to be interpreted as an increase in interfacial area. Experimental studies on gas absorption at plane gas/liquid-interfaces are highly sensitive to contaminants. Therefore, a thorough cleaning of the apparatus (including the liquid phase, reagents etc.) is indispensable. The influence of traces amounts of amphiphilic contaminants has been obviously underestimated in previous investigations. The use of a hydrophobic adsorbent such as active carbon is a very convenient and reliable method to remove contaminants in order to achieve a sufficiently clean gas/liquid-interface and, hence, to make highly accurate measurements.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Kaya, Aydin: Einfluß von inerten und katalytisch aktiven Feststoffpulvern auf die Kinetik der Gasabsorption. 2003.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export