Gas absorption into emulsions

Ngo, Thanh Hai

In dieser Arbeit wurde die Absorption von reinem Sauerstoff (O2) und von reinem Kohlendioxid (CO2) in wässrigen Emulsionen dreier n-Alkane (n-Heptan, n-Dodecan und n-Hexadecan) in einem Rührkessel bei der Rührerdrehzahl von 1000 min-1 untersucht. Die Grenz¬flächen-spannungen wurden mit einem Tensiometer nach der Ringmethode bestimmt. Aus den Messwerten errechnen sich für alle Öle positive Spreitungskoeffizienten, allerdings ist der Wert für n-Heptan deutlich größer als die Werte für die beiden anderen Öle. Es wurde der gesamte Bereich des Öl-Volumenanteils (0-100%) betrachtet. Die Phasenumkehr (O/W zu W/O) wurde durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit untersucht; für n-Dodecan und n-Hexadecan erfolgt der Umschlag bei Ölanteilen von 60-65%. Beobachten des Entmischungsvorgangs deutet für n-Heptan den Umschlag im Bereich von 50-60% Ölanteil an. Die volumenbezogene Stoffübergangszahl kLa wurde aus dem Druckabfall unter isochoren und isothermen (298,2 K) Bedingungen mit einem pseudo-homogenen Modell ermittelt. Erwartungsgemäß variieren die Löslichkeiten beider Gase linear mit dem Ölanteil; einzig für CO2 in n-Heptan-Emulsionen sind die Messwerte kleiner als durch lineare Interpolation berechnet. Zusätzlich wurde eine optische Methode mit einem einzig in der wässrigen Phase löslichen Fluorophor verwendet, um über die daraus ermittelte Stoffübergangszahl (kLa)GW Hinweise zum Mechanismus des Stofftransports zu gewinnen. In O/W-Emulsionen zeigen die kLa-Werte beider Gase ähnliche Einflüsse des Ölanteils. Bei kleinen Anteilen (1-2%) von n-Dodecan und n-Hexadecan gibt es ein kLa-Maximum, das mit dem “Shuttle“-Mechanismus erklärt werden könnte. In O/W-Emulsionen von n-Heptan sind die kLa-Werte beider Gase durchweg höher als in reinem Wasser, was zusammen mit dem hohen Wert des Spreitungskoeffizienten den Transport über einen auf den Blasen spreitenden Ölfilm nahelegt. Bei 50% n-Heptan ist der Sauerstofftransport um den Faktor 38 erhöht; so hohe Werte wurden niemals zuvor berichtet. Für die Sauerstoffabsorption in n-Dodecan und n-Hexadecan ähneln sich die Verläufe von kLa und (kLa)GW. Die niedrigen Spreitungskoeffizienten und die starke Abnahme zum Inversionspunkt hin, legen den Transportweg Gas → Wasser → Öl nahe. In W/O-Emulsionen ist mit steigendem Volumenanteil der dispersen Wasserphase für beide Gase der Verlauf der kLa-Werte ähnlich. In W/O-Emulsionen von n-Hexadecan nimmt der kLa-Wert ab, wie es für steigende Emulsionsviskosität zu erwarten ist. In W/O-Emulsionen von n-Dodecan und n-Heptan dagegen steigen die kLa-Werte sogar deutlich an. Die Ursache für den unerwarteten Verlauf konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden.

In the present work, absorption of pure oxygen (O2) and pure carbon dioxide (CO2) into aqueous emulsions of three different n-alkanes (n-heptane, n-dodecane and n-hexadecane) has been studied in a stirred tank at the stirring speed of 1000 min-1. The interfacial tensions have been measured with a tensiometer using the ring method. Positive spreading coefficients are calculated for all oils but the value for n-heptane is noticeably higher than the values for n-dodecane and n-hexadecane. The full range of oil volume fraction (0-100%) has been covered. Phase inversion (O/W to W/O) occurs at 60-65 % n-dodecane and n-hexadecane as identified with an electrical conductivity sensor, whereas observation of de-emulsification suggests the inversion region to be 50%-60% n-heptane. The volumetric mass transfer coefficient, kLa, has been evaluated from the pressure decrease under isochoric and isothermal (298.2 K) conditions with a pseudo-homogeneous mass transfer model. As expected, the solubility of both gases increases linearly with oil volume fraction; only for CO2-water-n-heptane system the values are low as compared to linear interpolation of the measured pure phase solubilities. In addition, a fluorescence technique with an oxygen-sensitive fluorophore, soluble only in the water phase, has been applied to measure the oxygen-water volumetric mass transfer coefficient, (kLa)GW, in emulsions of n-dodecane and n-hexadecane in order to gain more insight into the mass transfer mechanism. For O/W emulsions, both O2 and CO2 have similar trends in the variation of kLa with increasing dispersed oil volume fraction. A kLa maximum at low oil volume fractions (1-2%) is found for both n-dodecane and n-hexadecane; the “shuttle” mechanism might be responsible for this maximum. Differently, O/W emulsions of n-heptane always show higher kLa than pure water; this can be explained by a bubble covering mechanism enabled by its high positive spreading coefficient. The oxygen mass transfer rate is strongly enhanced by up to the factor of 38 at 50% n-heptane. Such strong effects have never reported before. For O2 absorption into O/W emulsions of n-dodecane and n-hexadecane, both (kLa)GW and kLa have the same trend with increasing oil volume fraction. The low values of spreading coefficient for n-dodecane and n-hexadecane and the strong decrease of both (kLa)GW and kLa towards the phase inversion region suggest the serial transport mechanism: gas → water → oil. For W/O emulsions, both O2 and CO2 have similar trends in the variation of kLa with increasing dispersed water volume fraction. In W/O emulsions of n-hexadecane, kLa decreases monotonously as expected due to increasing viscosity. For W/O emulsions of both n-dodecane and n-heptane, the kLa values do not decrease but increase substantially. The reason for this surprising trend is not clear.

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Ngo, Thanh Hai: Gas absorption into emulsions. 2013.

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