Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4112
Main Title: Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Transport- und Grenzflächenphänomenen in mizellaren Flüssig/flüssig-Systemen
Translated Title: Theoretical and experimental investigation of transport and interfacial phenomena in micellar liquid/liquid systems
Author(s): Paul, Niklas
Advisor(s): Kraume, Matthias
Referee(s): Enders, Sabine
Kraume, Matthias
Górak, Andrzej
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Mizellare Flüssig/flüssig-Systeme gehören zu den innovativen Lösungsmittelsystemen, die zur Verbesserung von Reaktionsgeschwindigkeiten in Mehrphasenreaktionen eingesetzt werden können. Zusätzlich erfüllen diese Systeme viele Grundbedingungen der "Grünen Chemie". So wird z. B. Wasser als Lösungsmittel verwendet. Ferner verknüpfen diese Lösungsmittelsysteme die Vorteile der homogenen und heterogenen Katalyse. Es werden hohe Reaktionsraten und hohe Selektivitäten erzielt und diese Systeme lassen sich nach der Reaktion wieder trennen. In mizellaren Systemen werden grenzflächenaktive Hilfsstoffe verwendet, die an Flüssig/flüssig-Grenzflächen adsorbieren und die Transportprozesse beeinflussen. Zwei verschiedene Mechanismen werden für die Reduktion des Stofftransports in der Literatur genannt: Zum einen entsteht durch die Adsorptionsschicht ein zusätzlicher Stofftransportwiderstand (physikochemischer Effekt) und zum anderen wird durch diese Adsorptionsschicht die Fluiddynamik entscheidend beeinflusst (fluiddynamischer Effekt). Die Einflüsse der Tensidmoleküle auf die Transportprozesse zu quantifizieren, ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit. Die Grundlagen der Transportprozesse werden an Einzeltropfen untersucht, sodass Schwarmeffekte nicht berücksichtigt werden müssen. Zum besseren Verständnis der Einflüsse wurde ein Hauptaugenmerk auf die Untersuchung von Grenzflächenphänomenen gelegt. Die so erarbeiteten Grundlagen wurden im Anschluss auf Transportvorgänge in Tropfenschwärme übertragen. Für die experimentellen Untersuchungen wurden verschiedene Stoffsysteme eingesetzt. In allen, die in dieser Arbeit untersuchten Stoffsystemen war Wasser die kontinuierliche Phase. Als disperse Phase wurde sowohl 1-Octanol als auch 1-Dodecen eingesetzt. Als Modellübergangskomponente wurde ein Azofarbstoff (PADA, Pyridin-2-azo-dimethylanilin) verwendet. Insgesamt wurden vier unterschiedliche Tenside eingesetzt: Natriumdodecylsulfat (SDS) als ionisches Tensid und Triton X-100, Marlophen NP9 und Marlipal 24/70 als Beispiele für nichtionische Tenside. Der Flüssig/flüssig-Stofftransport und die Fluiddynamik wurden in speziell entwickelten Messapparaturen untersucht. Des Weiteren wurden unterschiedliche Messverfahren (z. B. Rasterkraftmikroskopie, oszillierende Tropfen-Methode etc.) verwendet und weiterentwickelt, um die auftretenden Grenzflächenphänomene zu quantifizieren. Der Stofftransport in Tropfenschwärmen wurde in beiden Stoffsystemen in einem Rührkessel vermessen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Stofftransport mit steigender Tensidkonzentration sinkt. Jedoch lässt sich die Reduktion nicht allein mit den oben aufgeführten Mechanismen erklären. Für sehr hohe Tensidkonzentrationen, die in mizellaren Systemen vorliegen, muss das Phasenverhalten unbedingt berücksichtigt werden. An der Phasengrenzfläche bildet sich eine Mikroemulsionsschicht aus, die als zusätzlicher Transportwiderstand wirkt. Ohne die Berücksichtigung dieser Mikroemulsionsschicht wird der Stofftransport durch die vorhandenen Korrelationen überschätzt. Um zu verstehen und Vorhersagen treffen zu können, wann solche Mikroemulsionsschichten auftreten, sollten gezielte Versuche in weiteren Stoffsystemen durchgeführt werden.
Micellar liquid/liquid systems are innovative solvent systems which can be applied to increase the reaction rates of multiphase reactions. Furthermore, these systems fulfill many principles of the "green chemistry" e.g. using water as a solvent. Additionally, these systems are able to combine the advantages of the heterogeneous and homogenous catalysis; high reaction rates and selctivities can be achieved and further the separation can be carried out easily. In micellar systems surfactants adsorb at the liquid/liquid interfaces where these molecules influence the occurring transport processes. This reduction of the transport processes is referred to two mechanisms. Due to the adsorption at the interface an additional mass transfer resistance is created. Furthermore, the fluid dynamics will change. Quantifying the influences of surfactants on transport processes is the goal of this work. Therefore, the mass transfer is observed at the smallest transfer unit: at single droplets. For a better understanding of the influences caused by surfactants interfacial phenomena are observed in detail. To apply the gained knowledge to droplet swarms, the mass transfer coefficient is determined in a stirred tank as well. For the experimental investigations different systems were observed: water was always used as the continuous phase and two different organic solvents (1-Octanol and 1-Dodecen) were applied as dispersed phases. An azo dye (Pyridine-2-methylaniline) was used as transferred component and four different surfactants were used. Sodium dodecyl sulfate was used an ionic surfactant and Triton X-100, Marlophen NP9 and Marlipal 24/70 were applied as examples of non-ionic surfactants. The liquid/liquid mass transfer and the fluid dynamics were measured during a single drop rise in special test cells. Furthermore, many experiments to quantify the occurring interfacial phenomena were carried out (e.g. colloidal probe atomic force microscope measurements, oscillating drop measurements etc.). The mass transfer measurements in droplet swarms were carried out in both testing systems in a stirred tank reactor. With an increase of surfactant concentration a reduction of the liquid/liquid mass transfer was observed, which is referred to the mechanisms mentioned above. But in micellar systems (for high surfactant concentrations) these mechanisms need to be extended. The phase behaviour at the interface changed and a microemulsion layer is created at the liquid/liquid interface, which is responsible for an additional mass transfer resistance. Without the consideration of this microemulsion layer the mass transfer is overestimated. To understand and to be able to predict the formation of microemulsion layers at the liquid/liquid interface the experiments should be carried out in various test systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-54408
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4409
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4112
Exam Date: 14-Feb-2014
Issue Date: 11-Jul-2014
Date Available: 11-Jul-2014
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Fluiddynamik
Grenzflächenphänomene
Mizellare Flüssig/flüssig-Systeme
Stofftransport
Transportphänomene
Fluid dynamics
Interfacial phenomena
Mass transport
Micellar liquid/liquid systems
Transport phenomena
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
paul_niklas.pdf5.49 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.