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Beispiel 2: Isothermen konstruieren, wo keine sind

Das folgende Beispiel stellt eine kinetische Untersuchung dar, es wurde PEG (Polyethylenglykol mit Molekulargewichten von 5.000 - 7.000) aus wässrigen Lösungen auf DAY adsorbiert (ein mittlerweile vom Markt verschwundener, aber vielfach kopierter hydrophober Faujasit, 13Y) [1]. Der DAY war vorher zermahlen, gesiebt, gewaschen und getrocknet worden.

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Natürlich machen wir alle im Ernstfall eigene Messungen, ehe wir eine Adsorptionsanlage planen (wir sind ja schließlich nicht lebensmüde!), möchten aber vorweg wenigstens eine Vorstellung davon bekommen, was uns erwartet. Also suchen wir in der wissenschaftlichen Literatur nach den Messungen anderer Leute - um dann auf Isothermen mit den Achsenbezeichnungen p/kPa und Molekül/Elementarzelle zu stoßen. Was nun?

Wie solche “enttäuschenden” Funde unter Umständen doch verwertet werden können, möchte ich Ihnen in diesem und dem folgenden Blogbeitrag anhand einiger Beispiele vorrechenen.

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Berechnungstools und die Suche nach der idealen Kornform 

Obwohl die Ergun-Gleichung schon 1952 aufgestellt wurde, ist sie immer noch die am häufigsten verwendete Berechnungsmethode für den Druckverlust in Schüttungen. Der Vorteil der Ergun-Gleichung ist ihre Einfachheit, der Nachteil der, dass auch sie schüttungsspezifische Konstanten enthält, die sich wiederum nur aus Druckverlustmessungen ableiten lassen. Das fällt allerdings gelegentlich unter den Tisch. (more…)

Das Phänomen der Knudsen-Strömung wurde 1907 - 1908 von dem dänischen Physiker Martin Knudsen untersucht (nicht zu verwechseln mit dem Fußballspieler Martin Knudsen). Die ursprüngliche Versuchsanordnung war eine Zelle, in deren Wand ein kleines Loch war und die eine flüchtige Probe enthielt (eine Abbildung ist  z. B. im Zusammenhang der Beschreibung eines Knudsen-Effusions-Massenspektrometers zu sehen). Bei ausreichend hohem Druck strömte das eingeschlossene Gas wie erwartet aus der sog. Knudsen-Zelle, der Fluss proportional zur Druckdifferenz, oder wenn keine Druckdifferenz vorliegt, nach den Gesetzen der Diffusion in Richtung des Konzentrationsgradienten. Bei sehr kleinen Drücken jedoch ändern sich die Verhältnisse.

Ursache dafür ist das Verhältnis von mittlerer freier Weglänge der Gasmoleküle zu der zur Verfügung stehenden “Flugstrecke”, also den Dimensionen des Behälters. Wird der Druck sehr gering (also die Moleküle weit verteilt) oder das Behältnis sehr klein (wie in den Poren poröser Materialien), dann werden die Stöße der Moleküle untereinander deutlich seltener als die Stöße der Moleküle mit der Wand, was die Transportvorgänge entschieden beeinflusst.

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Warum diffundiert Sauerstoff schneller aus einem Gummireifen als Stickstoff? Warum lässt sich in bestimmten Zeolithen para-Xylol von den anderen Isomeren abtrennen? Ein wichtiger Einflussfaktor, wenn auch nicht die ganze Antwort, liegt im kinetischen Durchmesser der Moleküle.

Für den kinetischen Durchmesser findet man stark abweichende Angaben in verschiedenen Datenquellen, und tatsächlich schwankt der ermittelte Durchmesser nach Art der Bestimmungsmethode. Schließlich gibt es keine Pico-Schieblehre, die man an die Moleküle halten könnte. Und selbst wenn es sie gäbe, so sind Atome und Moleküle keine harten Gebilde, sondern diffus begrenzt, wie von der Elektronenwellendichtefunktion beschrieben.

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Entgegen einer weitverbreiteten Meinung werden Siloxane nicht nur in Kosmetikprodukten angewendet, sondern auch in “ernsthaften” Anwendungen, zum Beispiel

• zum Hydrophobieren von Baustoffen wie Beton (wer sich dafür interessiert, findet Quellen genug in der Publikationsliste des Fraunhofer-Informationszentrums Raum und Bau IRB)
• in der Textilindustrie zum Reinigen und Ausrüsten von Fasern
• in der Lebensmittelindustrie (z. B. zur Entschäuming bei der Kelter).

Über Abwasser und die Kläranlage ins Faulgas gelangen Siloxane jedoch hauptsächlich durch Pflegemittel für Haut und Haare. Was ist so problematisch an den Siloxanen, und wie kann man sie aus Gasströmen beseitigen?

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In Produktion und Umwelttechnik hat man es öfter mit Mischungen als mit reinen Flüssigkeiten zu tun, aber leider sind die Dampfdrücke der Komponenten viel schwieriger zu berechnen als die Dampfdrücke reiner Stoffe. Gute Chancen, den Dampfdruck einer Komponente in einer Mischung zu berechnen, hat man eigentlich nur bei binären, bestenfalls noch ternären Mischungen. Das schränkt die Verwendbarkeit der Berechnungen ein auf Fälle wie

• definierte, einfache Formulierungen, z. B. ein wasserhaltiges Lösungsmittel
• Kreislaufwasser aus Wäschern für nur eine Abluftkomponente
• definierte Lösemittelmischungen.

Medien wie etwa das Kreislaufwasser eines typischen Wäschers, der etwa zwanzig Lösungsmittel abscheiden muss, oder der Kondensatsammler einer Lösemittelrückgewinnung aus Abluft sind dagegen hoffnungslose Fälle, die man höchstens statistisch angehen kann.

Neben der Komplexizität von Mischungen machen vor allem nicht ideales Verhalten die Aufgabe, Dampfdrücke vorherzuberechnen, schwierig. Sehen Sie als Beispiel für ideales Verhalten das Mischungsdampfdruck-Diagramm einer idealen Mischung, Styrol und Benzol.

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- Technotopia Teil 2

Warum gibt es überhaupt Open-Source-Software? Schließlich hat niemand etwas zu verschenken, oder? Und außerdem, “… was nix kosch’d, des isch au’ nix” - stimmt das?

Auf der Beschreibungsseite von JChemPaint findet sich eine gute Erklärung für das Phänomen. Die Entwickler meinen, dass ihre Arbeit, da von öffentlichen Geldern finanziert (es handelt sich um eine universitäre Arbeitsgruppe), auch der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen sollte. Und die Free Software Foundation, Hauptsponsor der Open-Source-Alternative für UNIX GNU, drückt es so aus: ”Bei freier Software geht es um Freiheit, nicht um den Preis. Um das Konzept freier Software zu verstehen, denken Sie an Redefreiheit, nicht an Freibier.”

Dem ist nichts mehr hinzuzufügen, auch wenn die genaue Definition der GNU-Lizenz mehrere Seiten umfasst. Nicht alle Software, auf die hier gezeigt wird, ist aber “echte” Open-Source-Software im Sinne der GNU-Lizenz. Manches ist eher als Werbegeschenk oder als Demo zu verstehen.

1. Mathematik-Freeware
2. Editoren, Visualisierungssoftware und Gemischtes für Chemie
3. Linkseiten und Verzeichnisse zu weiterer wissenschaftlicher Software

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Antoine- oder August-Gleichung, die Clausius-Clapeyron-Gleichung, das Raoult’sche und das Henry-Gesetz - während es relativ aufwändig und gelegentlich unmöglich ist, den Dampfdruck einer Flüssigkeit, einer Lösung oder einer Mischung thermodynamisch exakt zu berechnen, gibt es zahlreiche Näherungsrechnungen für verschiedene Fälle.

Dieser Beitrag soll ein wenig Durchblick durch das Chaos bringen mit

•  Teil 1 - Dampfdrücke von reinen Flüssigkeiten
• Teil 2 - Dampfdrücke von Lösungen und Gemischen

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Vielen Dank an Dipl.-Chem. Hans Jänichen, der sich als Gastautor einige OpenSource- oder anderweitig frei verfügbare Softwaretools zum Thema Chemische Kinetik angesehen und auch die Skripte zur Einführung ausgesucht hat.

1. Chemische Kinetik
2. Einfache Tools und Datenquellen
3. Komplexere Programme für größere Modellierungs- aufgaben

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