Thermodiffusion in ternären organischen Flüssigkeiten

Ein lokaler Temperaturgradient verursacht einen diffusiven Massenstrom, dieses Phänomen wird nach seinen Entdeckern Ludwig-Soret-Effekt oder auch Thermodiffusion genannt. In dieser Arbeit wird die Thermodiffusion in ternären organischen Gemischen aus n-Dodekan, Isobutylbenzol und 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin mittels einer Zweifarben-„ Optical Beam Deflection“-Technik (OBD) untersucht. Dabei wird an der Messzelle ein Temperaturgradienten angelegt, infolge dessen ein Brechungsindexgradient entsteht. Dieser Brechungsindexgradient hat zwei Beiträge, einen thermischen aufgrund der Temperaturänderung und einen Konzentrationsbeitrag, der durch die Thermodiffusion verursacht wird, bei der es zu einer teilweisen Separation der Komponenten kommt. Durchquert ein Laserstrahl die Messzelle, wird dieser durch den sich aufbauenden Brechungsindexgradienten abgelenkt. Diese Ablenkung kann als Funktion der Zeit detektiert werden und wird anschließend verwendet um die Transportkoeffizienten zu bestimmen. Für ein Experiment mit einem ternären Gemisch werden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen benötigt, da zwei unabhängige Konzentrationen zur Beschreibung eines ternären Gemischs nötig sind. Zunächst werden die theoretischen Hintergründe der multikomponentigen Thermodiffusion näher betrachtet, wobei das zentrale Augenmerk auf den Eigenschaften der ternären Diffusionsmatrix und deren Vergleichbarkeit mit binären Diffusionskoeffizienten liegt. Danach wird das Experiment genauer beschrieben, wobei ein wesentlicher Punkt die eigens entwickelte Temperatursteuerung darstellt. Um aus den gemessenen Strahlpositionen die Transportkoeffizienten zu bestimmen, müssen die sogenannten Kontrastfaktoren bekannt sein. Dabei handelt es sich um die partiellen Ableitungen des Brechungsindex nach der Temperatur und den unabhängigen Konzentrationen. Diese Kontrastfaktoren wurden durch eine polynomiale Beschreibung des Brechungsindex bestimmt. Dazu wurden Messungen des Brechungsindex bei unterschiedlichen Konzentrationen mit Hilfe kommerzieller Abbe-Refraktometer und einem Interferometer für die Temperaturabhängigkeit durchgeführt. Zudem können die Kontrastfaktoren auch durch eine lineare Mischungsregel der molekularen Polarisierbarkeit nach Lorentz-Lorenz und Looyenga berechnet werden. Dabei wird die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit durch die Dichte wiedergegeben. Da die Dichte einfach und zuverlässig mit kommerziellen Geräten bestimmt werden kann, stellt dies eine schnelle Alternative zur Bestimmung der Kontrastfaktoren dar. Bei einer genaueren Analyse der so berechneten Kontrastfaktoren, stellte sich heraus, dass die thermischen Kontrastfaktoren nur korrekt wiedergegeben werden, wenn die Temperaturabhängigkeit der molekularen Polarisierbarkeiten der Reinsubstanzen als zusätzlicher Parameter berücksichtigt wird. Die konzentrationsabhängigen Kontrastfaktoren können zur Kontrastfaktormatrix zusammengefasst, und deren Konditionszahl zur relativen Fehlerabschätzung der berechneten Transportkoeffizienten verwendet werden. Eine genauere Untersuchung der Konditionszahl ergab, dass die Zeilen der Kontrastfaktormatrix möglichst linear unabhängig sein müssen um vertrauenswürdige Ergebnisse der Transportkoeffizienten zu erhalten. Dies kann durch eine geeignete Wahl der im Experiment verwendeten Wellenlängen erreicht werden. Nach den vorbereitenden Überlegungen werden zunächst die Ergebnisse entlang der binären Ränder präsentiert, da sie einen Referenzrahmen für die ternären Messungen darstellen. Bei der Untersuchung der ternären Messungen zeigte sich schnell, dass hier eine genauere Betrachtung des Messsignals nötig ist um die Daten auswerten zu können. Daher wird das ternäre Messsignal näher beschrieben und die charakteristischen Parameter einer ternären OBD-Messung werden identifiziert. Weiterhin wird durch eine detaillierte Analyse überprüft, welche dieser Parameter oder Kombinationen davon zuverlässig aus einer Messung bestimmt werden können, und wie diese in Verbindung mit den Transportkoeffizienten stehen. Anschließend wird auf das Auswertungsprozedere näher eingegangen, bei der eine analytische Lösung des Diffusionsproblems an die Messdaten des Konzentrationssignals angefittet wird, bevor die ternären Ergebnisse dargestellt werden. Dabei wird eine Mischung hervorgehoben, da sie als Benchmarkpunkt ausgewählt wurde. Diese Benchmarkmischung wurde von verschiedenen Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Messmethoden untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Dabei konnte eine hervorragende Übereinstimmung der vorliegenden Transportkoeffizienten festgestellt werden. Zudem liegen für diese Mischung Daten vor, die in einer Mikrogravitationsumgebung an Bord der Internationalen Raumstation ISS im Rahmen des DCMIX-Projekts gemessen wurden. Die Abwesenheit der Gravitation soll konvektive Instabilitäten die durch Dichtegradienten auftreten können, eliminieren. Die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen konnten durch die Benchmarkmessung verifiziert werden und dienen auch als bodenbasierte Referenzdaten. Insgesamt fügen sich die binären und ternären Ergebnisse gut zusammen und ergeben damit ein vollständiges Bild der Transportkoeffizienten des ternären Systems aus n-Dodekan, Isobutylbenzol und 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Gebhardt, Matthias

Contributors dc:contributor

• Köhler, Werner

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2485/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:2485