Schadstofftransporte in porösen Materialien

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Schadstofftransporte in porösen Materialien

Bearbeiter: B. Albers , K. Wilmanski

Kooperation: W. Geiger (Universität GH Essen)

Beschreibung der Forschungsarbeit:

Mit diesem Projekt wurde die Forschung des letzten Jahres fortgesetzt.

Es wurden Massenaustauschprozesse in einem dreikomponentigen porösen Körper betrachtet. Zunächst wurde die in dem aus Massenbilanzen, Impulsbilanzen und Porositätsbilanz bestehenden kontinuumsmechanischen Modell auftretende Massenquelle spezifiziert. Sie hat die folgende Gestalt

$\begin{displaymath} \hat{\rho}^{A}=-\frac{m^{A}}{V}\frac{d\left( \xi \,f_{int}\r... ...ft( f_{int}\frac{d\xi }{dt}+\xi \frac{d\,f_{int}}{dt}\right) , \end{displaymath}$

wobei $\xi$ -- gemäß der Adsorptionstheorie von Langmuir -- den normierten Anteil der besetzten Plätze pro Einheitsvolumen bezeichnet. Dieses Feld kann als Anzahl der besetzten Plätze in einem repräsentativen Elementarvolumen (REV) interpretiert werden. Weiterhin bezeichnet f_int die innere Oberfläche der Poren im REV und m_A die Masse des Adsorbats pro Einheitsfläche dieser Oberfläche.

Das wichtigste Resultat dieses Projekts ist, dass aus den Ergebnissen die Kopplung zwischen Adsorption und Diffusion hervorgeht. Dies bedeutet, dass die adsorbierte Menge von der relativen Geschwindigkeit der Komponenten abhängt.

Bei der Untersuchung sind wir davon ausgegangen, dass sich das Skelett nicht bewegt. Dies hat zur Folge, dass die Fluid-/Adsorbatgeschwindigkeit für die relative Geschwindigkeit der Komponenten steht. Wie aus den Randbedingungen hervorgeht, wird diese Größe hauptsächlich durch den Oberflächendurchlässigkeitsparameter $\alpha$ bestimmt, es gilt nämlich am Rande

$\begin{displaymath} v^{F}=\mp \frac{\alpha \left( p^{L}-np_{l/r}\right) }{\rho ^{L}}. \end{displaymath}$

$\parbox{0.45\textwidth}{\begin{figure} \ProjektEPSbildNocap {0.9\textwidth}{diffusionswd.ps} \end{figure}}$ Auch im Körper ist $\alpha$ die führende Größe für die Geschwindigkeit. Wir steuern deshalb bei der Berechnung der Konzentrationsquelle die Geschwindigkeit mit dem Durchlässigkeitsparameter.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Ergebnisse für die Strömung eines Fluid-/Adsorbat-Gemischs durch einen porösen Körper. Sie zeigt, dass die Adsorptionsrate an die Diffusion, also die relative Geschwindigkeit der Komponenten, gekoppelt ist. Für moderate Geschwindigkeitsdifferenzen weist die Adsorptionsrate ein Maximum auf. Dies hat zur Folge, dass man bei Prozessen, bei denen die Geschwindigkeit gesteuert werden kann, Einfluss auf die adsorbierte Menge hat.

Projektliteratur:

B. ALBERS, Makroskopische Beschreibung von Adsorptions-Diffusions-Prozessen in porösen Körpern, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2000.