Stofftransport in dispersen Flüssig/flüssig-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kraume; Professor Dr.-Ing. Tim Zeiner
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524980331

In der Fluidverfahrenstechnik spielen Grenzflächen eine bedeutende Rolle, da diese den Stofftransport zwischen zwei nicht-mischbaren Phasen bestimmen. Die Analyse dieses Transportvorgangs wird durch den fluiden Charakter der Grenzfläche und insbesondere die kleinen Skalen erschwert, die experimentell nicht aufgelöst werden können. In diesem Projekt wird deshalb eine Kombination von Experiment und Modellierung vorgeschlagen, um die Vorgänge an Grenzflächen aufzuklären. Hierzu wird der Stofftransport in dispersen Flüssig/flüssig-Systemen untersucht. Als Modellsysteme werden ternäre Systeme mit einer Mischungslücke und verschiedenen übergehenden Komponenten betrachtet. Auf diese Weise können unterschiedliche Einflüsse auf den Stofftransport wie Viskosität, Dichteunterschiede, Phasenverhalten, Grenzflächenspannung und auch Anreicherungen an der Grenzfläche charakterisiert werden. Experimentell wird der Stofftransport an akustisch levitierten Tropfen vermessen. Hierbei wird der Tropfen in der kontinuierlichen Phase in einem stehenden Ultraschallfeld fixiert, sodass der Tropfen nicht durch äußere Einflüsse gestört wird. Der bestehende Versuchsstand soll bezüglich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit optimiert werden. Durch die gezielte Kombination der optischen Messtechnik mit der Levitation kann der Stofftransport am Einzeltropfen erstmalig nicht-invasiv, zeitlich hoch aufgelöst quantifiziert und visualisiert werden. Im Bereich der Modellierung wird die Grenzfläche selbst mit Hilfe der Dichtegradiententheorie in Kombination mit dem Non-Random Two-Liquids Modell aufgelöst. Auf diese Weise können Anreicherungen an der Grenzfläche quantifiziert werden. Auf Basis des entwickelten Modells kann sowohl das Phasengleichgewicht als auch die Grenzflächenspannung im Gleichgewicht berechnet werden. Darüber hinaus bildet es die Grundlage für das Stofftransportmodell. Im Rahmen dieses Projektes soll dieses erstmals als Grundlage zur Berechnung des Stofftransportes in dispersen Systemen eingesetzt werden. Hierzu wird es mit den Navier-Stokes Gleichungen gekoppelt. Das Ziel hierbei ist es Phänomene wie die Marangoni-Konvektion vorherzusagen. Im Erfolgsfall soll erstmals eine neue Methodik entwickelt werden, die durch eine Kombination von Experiment und Modell eine Vorhersage von Grenzflächenphänomenen ermöglicht. Außerdem wird die stoffliche Datenbasis erweitert und neue experimentelle Methoden bereitgestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Lutz Böhm