Absorption into Stirred Emulsions

Mohsenzadeh, Elmira

The volumetric mass transfer coefficient for carbon dioxide was determined by physical absorption in a surface-aerated stirred vessel (1000 rpm) in emulsions of n-alkanes (n-heptane, n-dodecane and n-hexadecane) at 0-100% oil volume fraction. Additionally, the effect of the anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) was studied at 0.22 g/L in the aqueous phase. Some preliminary experiments were performed to determine the specific interfacial area in O/W emulsions of n-hexadecane by cobalt-catalyzed sulfite oxidation. The volumetric mass transfer coefficient showed a maximum at oil volume fractions of 1-2%, for all organic liquids studied. At the same low n-hexadecane loadings, the specific interfacial area determined by sulfite oxidation dropped from the value in oil-free sulfite solutions. This excludes a coalescence hindering effect of the oil often suggested in the literature. An additional transport mechanism (shuttle effect) could still be an explanation as this would be less effective at the smaller effective film thickness in the absorption regime of fast chemical reaction (Ha = 5.2). Upon further increase in oil fraction, for all O/W emulsions (except surfactant-free n-heptane), the volumetric mass transfer coefficient decreased towards the phase inversion region because of the viscosity effect. This trend can be uniformly correlated with emulsion viscosity to the power of -0.72. The decrease in interfacial area is less strong; this indicates an additional effect on Liquid-side mess transfer coefficient. Different from the other oils, the addition of n-heptane increased the volumetric mass transfer coefficient even up to the phase inversion region. This trend had been observed previously and tentatively been attributed to bubble covering by oil spreading. In this study, addition of the ionic surfactant SDS eliminated the high mass transfer rates in n-heptane emulsions and induced the same viscosity effect as in the other W/O emulsions. This indicates that spreading of n-heptane on the bubble surface is indeed the mechanism causing the high absorption rates. In W/O emulsions, the volumetric mass transfer coefficient decreased with increasing dispersed water volume fraction for all emulsions studied. The trends cannot be uniformly correlated to the volume fraction or the viscosity, respectively, but depend on the oil. SDS had no effect on the volumetric mass transfer coefficient in W/O emulsions as it accumulates at the oil/water interface without having contact to the gas bubbles.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der volumenbezogenen Stoffübergangszahl von Kohlendioxid in Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Emulsionen in einem oberflächenbegasten Rührkessel bei hoher Rührgeschwindigkeit (1000 rpm). Die Experimente wurden für drei verschiedene n-Alkane (n-Heptan, n-Dodecan und n-Hexadecan) bei 0-100% Ölvolumenanteil durchgeführt. Zusätzlich wurde die Wirkung des anionischen Tensids Natriumdodecylsulfat (SDS, 0,22 g/L in der wässrigen Phase) untersucht. In einigen Experimenten wurde die spezifische Grenzfläche in O/W Emulsionen von n-Hexadecan durch Cobalt-katalysierte Sulfitoxidation bestimmt. Bei ca. 1-2% Ölvolumenanteil liegt ein volumenbezogenen Stoffübergangszahl-Maximum vor. Im gleichen Konzentrationsbereich fällt die spezifische Phasengrenzfläche ab. Die schließt einen Koalezenzhinderung durch das Öl als Erklärung aus. Ein zusätzlicher Transportmechanismus (shuttle-effect) könnte in Betracht kommen, denn bei kleiner effektiver Grenzschichtdicke im Bereich der schnellen chemischen Reaktion (Ha = 5,2) wäre der Effekt gering. Der vorherrschende Trend für O/W-Emulsionen ist eine Reduktion von der volumenbezogenen Stoffübergangszahl mit zunehmendem dispergierten Ölvolumenanteil, was als Ergebnis einer steigenden Emulsionsviskosität interpretiert werden kann. Von diesem Trend abweichend verursachte die Zugabe von n-Heptan bis zur Phaseninversion stets eine Erhöhung der Stoffübergangszahl. Als Ursache wurde die Ausbreitung von n-Heptan auf der Blasenoberfläche vermutet, was einen Gas/Öl-Kontakt ermöglicht. Diese Vermutung kann als Ergebnis dieser Arbeit als bewiesen gelten, denn die Zugabe des ionischen Tensids Natriumdodecylsulfat (SDS) verhindert die Ausbreitung und führt zu dem gleichen Viskositäts-Effekt wie bei den anderen W/O-Systemen. In W/O Emulsionen sinkt die volumenbezogenen Stoffübergangszahl mit steigendem Wasseranteil, aber der Einfluss ist für die drei n-Alkane unterschiedlich. Das Tensid SDS hat erwartungsgemäß keinen Einfluss, da es an der Öl/Wasser-Oberfläche akkumuliert und keinen Kontakt zu den Blasen hat.

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Mohsenzadeh, Elmira: Absorption into Stirred Emulsions. 2018.

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