Der Stofftransport von Gasen in porösen Feststoffen spielt bei vielen energie- und verfahrenstechnischen Prozessen eine entscheidende Rolle, wie z.B. der Aufreinigung von Abgasströmen, Einspeicherung von CO₂ in Gesteinsschichten oder bei der Verbrennung von Festbrennstoffen. Wenn sich Gasmoleküle an der Oberfläche von porösen Feststoffen anlagern, wird dieser Prozess als Adsorption bezeichnet.

Hinweis: Beim Klick auf den Play-Button wird eine Verbindung mit einer RUB-externen Website hergestellt, die eventuell weniger strengen Daten­schutz­richt­linien unterliegt und gegebenenfalls personen­bezogene Daten erhebt. Weitere Informationen finden Sie in unserer Daten­schutz­erklärung.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB/TRR 129 Oxyflame, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), wird am Lehrstuhl für Thermodynamik der Stofftransport und die Porenstrukturentwicklung während der Pyrolyse und der Verbrennung von Biomasse untersucht. In enger Zusammenarbeit mit Lehrstühlen der RWTH Aachen, der TU Darmstadt und weiteren Lehrstühlen der RUB wird in dem Verbundprojekt die Verbrennung von Biomasse in Oxyfuel-Atmosphäre untersucht. In einer vorherigen Förderphase des Oxyflame Projektes wurde zunächst die Verbrennung von Kohle untersucht, mittlerweile wird jedoch ausschließlich an biogenen Brennstoffen geforscht. Dabei wird auch untersucht, wie Erkenntnisse aus der Kohleverbrennung auf die Biomasseverbrennung übertragen werden können. Am Lehrstuhl für Thermodynamik werden dazu gravimetrische Untersuchungen der Adsorptionskinetik von Oxyfuel relevanten Gasen (z.B. O₂, CO₂, H₂O, CO und CH₄) an verschiedenen Biomassekoksen durchgeführt. Diese Daten werden für ein eigens entwickeltes Stofftransportmodell verwendet, mit dem man in der Lage ist Stofftransportgrößen wie effektive Diffusionskoeffizienten, Stofftransportkoeffizienten und Adsorptionsströme zu berechnen und vorherzusagen [1]. Im Rahmen einer internationalen Kooperation mit Forschern der University of Western Australia in Perth (Australien) werden zudem volumetrische Adsorptionsuntersuchungen zur Bestimmung der Adsorptionseigenschaften durchgeführt [2,3].

Eine wichtige Information zur Modellierung des Stofftransportes ist die poröse Struktur der untersuchten Brennstoffe. Anhand von volumetrischen Adsorptionsuntersuchungen kann die Porenstruktur der Festbrennstoffe analysiert werden [1,2,4,5]. Dabei wird nicht nur mit Forschergruppen innerhalb des Oxyflame Verbundes kooperiert, sondern auch mit einer Gruppe des STEMS-CNR in Neapel (Italien) [6]. Neben den klassischen Verfahren wie die Analyse einer N₂ Adsorptionsisotherme bei 77,36 K (Brunauer, Emmett und Teller) oder einer CO₂ Adsorptionsisotherme bei 273,15 K (Dubinin-Astakhov oder Dubinin-Radushkevich) können auch moderne Analyseverfahren basierend auf der nicht lokalen Dichtefunktionaltheorie (NLDFT) angewendet werden.  

Für die gravimetrische Bestimmung von Adsorptionskinetiken und -gleichgewichten stehen am Lehrstuhl für Thermodynamik drei unterschiedliche Messgeräte auf der Basis von Magnetschwebewaagen zur Verfügung. Die erste Anlage ist konzipiert für kinetische Adsorptionsmessungen von Gasen wie z.B. CO₂, O₂, CH₄ oder H₂ bei Temperaturen von bis zu 150 °C und Drücken von bis zu 6 MPa. Um die Adsorption auch von wenig adsorbierenden Gasen wie H₂ zu bestimmen, ist diese Anlage mit einer hochauflösenden 1 µg Waage ausgestattet. Die zweite Anlage (10 µg Waage) ist optimiert für Adsorptionsmessungen im Niederdruckbereich von (0,1 bis 200) kPa bei Temperaturen von bis zu 80 °C, wobei auch Adsorptionsmessungen der Gasphase eines VLE-Gleichgewichtes wie z.B. Methanol, Toluol oder Wasser durchgeführt werden können. Diese Fluide können mit Hilfe eines vorhandenen Manipulators (Handschuhkasten) in Inertgasatmosphäre abgefüllt werden. Die dritte Anlage (10 µg Waage) ist ursprünglich für thermische Zersetzungsmessungen (Thermogravimetrische Analysen) bei Temperaturen bis zu 1200 °C und Drücken bis zu 2 MPa ausgelegt, ist jedoch auch für Adsorptionsmessungen bei erhöhten Temperaturen angepasst. Der Temperaturbereich der Adsorptionsmessungen ist dabei auf Grund von möglichen stattfindenden Reaktionen (Zersetzung) limitiert und demnach von dem zu untersuchenden Messsystem abhängig.