Diffusion in Liquids with Dissolved Gases by Dynamic Light Scattering Experiments, Equilibrium Molecular Dynamics Simulations, and Prediction Models

Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung des diffusiven Stofftransports in Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen durch die Analyse von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in einer Vielzahl von Fluidsystemen. Hierzu wurden systematisch ausgewählte binäre Gemische bestehend aus einem flüssigen Lösungsmittel mit einem gelösten Gas bei nahezu unendlicher Verdünnung durch dynamische Lichtstreuexperimente und Molekulardynamiksimulationen untersucht. In dieser Arbeit werden Einzelheiten zur Analyse der molekularen Struktur der Flüssigkeit anhand von Simulationsergebnissen sowie Verbesserungen der molekularen Kraftfelder erläutert. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt mit Hilfe von 89 verschiedenen Mischungskombinationen und insgesamt 451 Diffusionskoeffizienten. Die 17 flüssigen Lösungsmittel bestehen aus linearen, verzweigten oder zyklischen Alkanen, linearen Alkoholen, einer Säure, einem Ester und ionischen Flüssigkeiten und die 11 verschiedenen Gase variieren hinsichtlich ihres Molekulargewichtes, Größe, Form und Polarität. Es wird ein einfaches, prädiktives Modell vorgestellt, das empirisch auf der Grundlage dieser 451 experimentellen Diffusionskoeffizienten entwickelt wurde und nur die dynamische Viskosität und Dichte des Lösungsmittels, die Temperatur sowie die molare Masse und das molekulare Volumen beider Mischungskomponenten erfordert. Es wird eine Gruppenbeitragsmethode vorgestellt, die zur Berechnung des molekularen Volumens verwendet wird. Die mittlere absolute relative Abweichung zwischen dem Vorhersagemodell und den experimentellen Ergebnissen beträgt weniger als 20%%. Das Modell wird zusätzlich anhand von 314 Diffusionskoeffizienten aus der Literatur für binäre Gemische bei nahezu unendlicher Verdünnung einer Komponente bewertet, wobei die mittlere absolute relative Abweichung 24%% beträgt. Diese positive Bewertung umfasst Daten von Gasgemischen, was darauf hindeutet, dass das Modell ein realistisches Verhalten widerspiegelt, da es auch für Systeme angewendet werden kann, die nicht bei der Entwicklung berücksichtigt wurden.