Kondensation in nano-porösen Medien

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Strömung von Dämpfen verschiedener Substanzen durch poröse anodische Aluminiumoxid Membranen Die hier verwendeten anodischen Aluminiumoxid Membranen haben eine Querabmessung von ein bis zwei Zentimetern und eine Dicke zwischen 100 m und 200 m. Die Besonderheit dieser Membranen ist, dass sie durch zahlreiche, sehr gleichmäßig verteilte Löcher durchsetzt sind, die parallel zueinander senkrecht zur Oberfläche stehen und die alle einen nahezu gleichen Durchmesser haben. Aufgrund der Löcher sind die Membranen porös, also für Fluide durchlässig. In diesem Projekt werden Membranen untersucht, in denen der Durchmesser der Löcher zwischen 20 nm und 100 nm beträgt. Damit Dampf durch eine poröse Membran strömt, muss der Druck auf der stromauf gelegenen Seite der Membran höher als auf der stromab gelegenen Seite sein. Im vorliegenden Forschungsvorhaben werden vor allem Strömungen untersucht, in denen der Dampf stromauf an oder in der Membran kondensiert, die Substanz im flüssigen Zustand durch einen Teil der Membrane fließt, verdampft und stromab wieder als Dampf vorhanden ist. Es sollen die Fragen geklärt werden, welche Druckdifferenzen an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Dampf herrschen, und wie die Temperaturverteilung in der Membrane, in Strömungsrichtung ist. Für die Druckdifferenz an gekrümmten Grenzflächen gibt es zwar gut bekannte Gleichungen. Wie genau aber die Grenzfläche in einer Pore von einigen zehn Nanometern geformt ist, wenn einerseits an der Grenzfläche Fluid verdampft oder kondensiert, andererseits durch Adsorption ein dünner, flüssiger Film an der Innenseite der Pore gebildet wird, ist immer noch Gegenstand der Forschung. Weiters ist auch die Temperaturverteilung für die Strömung eines Dampfes mit Kondensation und Verdampfung noch nicht gemessen worden. Das Projekt ist eine internationale Kooperation zwischen einem russischem und einem österreichischem Projektpartner. Auf russischer Seite sollen Experimente durchgeführt werden, um z.B. die Temperaturen auf beiden Seiten der Membrane, oder den Flüssigkeitsgehalt in den Membranen zu bestimmen. Die Messungen werden durch ein theoretisches Modell ergänzt, das vom österreichischen Partner entwickelt wird. Die einfache Struktur der anodischen Aluminium Membranen erlaubt eine relativ genaue Beschreibung der Strömung. Dadurch sollen auch Werte bestimmt werden, z.B. die Druckdifferenz an den Grenzflächen, die nicht direkt gemessen werden können.

Untersuchung der Strömung von Dämpfen durch poröse anodische Aluminiumoxid-Membranen Poröse Aluminiumoxid-Membranen haben sehr regelmäßig angeordnete, gleich große, parallel zueinander stehende zylindrische Poren. Der Porendurchmesser kann eingestellt werden und beträgt typischerweise zwischen 10 und 200 nm. Dämpfe, die durch solch kleine Poren strömen, kondensieren zwar nicht im Freien, aber in den Poren. Die Strömung wird durch eine Druckdifferenz getrieben, aufgrund des geringeren Drucks verdampft das Kondensat auch wieder, stromab von der Stelle an der es kondensiert. Der Zustand an der Grenzfläche zwischen Kondensat und Dampf wurde mit numerischen Methoden untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Druckdifferenz über die gekrümmte Grenzfläche jener Druckdifferenz entspricht, die auch an einem Tropfen oder Blase auftreten würde, obwohl erstens der Raum in der Pore kleiner und von Wänden umgeben ist, und zweitens Flüssigkeit an der Grenzfläche verdampft. Das Maß der Krümmung wird zwar durch die nahe gelegenen Porenwände beeinflusst. Setzt man aber die simulierte Krümmung ein, so stimmt die Druckdifferenz mit bestehendem Wissen überein. Für die Berechnung des Massentransportes durch solch poröse Membranen ist es wichtig, zu wissen, dass die übliche Gesetzmäßigkeit für die Druckdifferenz an gekrümmten Grenzflächen angewendet werden kann, unabhängig von der Menge der tatsächlich durch die Membrane strömenden Masse. Andererseits zeigen die Untersuchungen, dass für die Bestimmung der Krümmung der Grenzfläche ein an den Porenwänden adsorbierter Film berücksichtigt werden muss. Weiters wurde die Strömung von Dampf durch die Poren untersucht. Das numerische Verfahren, eine lattice-Boltzmann Methode, wurde sorgfältig angeglichen, sodass die berechneten Druckdifferenzen bzw. Massenströme sehr genau mit bestehende Messwerte aus der Literatur überein stimmten. Die gut angeglichenen Massenströme deuten an, dass die Verhältnisse in den Simulationen, also die Dicke und die Geschwindigkeit eines adsorbierten Flüssigkeitsfilms und dessen Beitrag zur gesamt transportierten Masse die realen Verhältnisse gut beschreiben. Für die Berechnung wurde eine Lattice-Boltzmann Methode verwendet. Die bestehende Methode wurde weiterentwickelt, um Strömungen sowohl mit flüssiger als auch gasförmiger Phase zu simulieren und weiters Temperaturgradienten und Wärmeströme zu berücksichtigen. In Zusammenarbeit mit einer vornehmlich experimentell arbeitenden Gruppe wurde gezeigt, dass Erwärmen oder Kühlen der stromab liegenden Membranfläche einen Einfluss auf den Stofftransport durch die Membrane hat. Solch ein Einfluss wurde zuvor postuliert und konnte nun bestätigt werden.