Schlüsselwort: Heterogene Kondensation

Absract Der Wasserkreislauf der Erde bewegt jedes Jahr über 420 Billionen Tonnen Wasser in unserer Atmosphäre und ist einer der wichtigsten globalen Transportprozesse. Er kann vereinfacht durch die Mechanismen Wasserverdunstung, Wolkenbildung und Niederschlag beschrieben werden. Nach der Wasserverdunstung steigen die mit Wasserdampf beladenen Luftmassen auf und kühlen ab. Durch diese Abkühlung kann der Wassergehalt in der Luft über den Wert steigen, der über einer ebenen Wasseroberfläche bei konstanter Temperatur theoretisch möglich wäre. Vereinfacht kann man sagen, dass in der Luft mehr Wasser vorhanden ist als sie aufnehmen kann. In diesem Fall spricht man von einer Übersättigung. Das Ungleichgewicht einer Übersättigung führt dazu, dass sich überschüssiger Wasserdampf durch Kondensation an in der Atmosphäre befindlichen Partikeln anlagert und die Übersättigung abgebaut wird. Die Wasserkondensation an Partikeln in der Luft wird als heterogene Kondensation bezeichnet. Durch diesen Prozess bilden sich viele kleine Tröpfchen, die sich zu Wolken formieren. Wird eine bestimmte Tropfengröße bzw. Tropfenmasse überschritten, kommt es zu Niederschlag. Den Effekt der heterogenen Kondensation kann man sich in verschiedenen technischen Anwendungen zu Nutze machen. So wird beispielsweise die Konzentration von in Luft dispergierten Partikeln (Aerosole), die aufgrund ihrer geringen Partikelgröße nicht mit optischen Methoden detektiert werden können, durch Kondensationskernzähler bestimmt. Hierbei wird ein Probeluftstrom gesättigt und in einem zweiten Schritt übersättigt. Wie bei der Wolkenbildung lagert sich das Kondensat an den Partikeln an und es bilden sich Tropfen von mehreren Mikrometern Durchmesser. Nach der Vergrößerung können die Tropfen optisch detektiert werden. Kondensationskernzähler bzw. CPCs (Condensation Particle Counter) sind in der Aerosoltechnik häufig eingesetzte Messgeräte. Die Übersättigung kann in den CPCs auf unterschiedlichen Wegen erzeugt werden. Wenn Wasser als Kondensationsmedium eingesetzt wird, kann die notwendige Übersättigung durch gestuftes Heizen oder Kühlen eines gesättigten Gasstroms eingestellt werden. Durch Mischen zweier gesättigter Gasströme unterschiedlicher Temperatur können ebenfalls Übersättigungen erzielt werden. Dieses Verfahren kommt mittlerweile zur Vorkonditionierung von Aerosolen mit sehr kleinen Partikelgrößen zum Einsatz. Eine weitere Möglichkeit zur Vorkonditionierung ist die Expansion eines gesättigten Gasstroms in eine isolierte Messkammer. Eine Alternative zur Gasfiltration mit elektrostatischen oder filternden Abscheidern kann eine kondensationsunterstützte Abscheidung von Partikeln sein. Die wasserdampfübersättigte Gasphase wird dabei meistens in einer Kolonne eingestellt. Damit kann die Partikelgröße auf mehrere Mikrometer erhöht werden. Die entstandenen Tropfen werden in einem nachgeschalteten Trägheits- oder Koaleszenzabscheider vom Gasstrom getrennt. Die kritische Übersättigung, die benötigtet wird um die Kondensation an Partikeln zu initiieren, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Neben der Partikelgröße oder der Form der Partikeln, wird das Tropfenwachstum stark von den Wechselwirkungen zwischen der Partikeloberfläche und dem Wasserdampf bestimmt. Diese Wechselwirkungen sind stoffabhängig und beeinflussen die Benetzungseigenschaften der Partikeln. Bei guten Benetzungseigenschaften eines Aerosols, treten schon bei geringen Übersättigungen Kondensationseffekte an den Partikeln auf. Der Grad der Aktivierung gibt dabei den Anteil der benetzen Partikeln am gesamten Partikelspektrum an. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher Verfahrensweisen mit denen eine heterogene Kondensation von Wasser in Luft an Aerosolen in technischen Apparaten herbeigefüht werden kann. Die Verfahrensweisen unterscheiden sich insbesondere in der Erzeugung der Übersättigung der Luftströmung. Folgende Verfahrensweisen zur Erzeugung einer Übersättigung wurden experimentell untersucht: • Kühlen und Übersättigen eines kalten Gasstroms an einer warmen feuchten Wand bzw. Membran, • Kühlen eines gesättigten Gasstroms, • Expansion eines gesättigten Gasstroms, • Mischen zweier gesättigter Gasströme unterschiedlicher Temperatur. Darüber hinaus wurden die generierten Tropfen in Gestricken und und in einem Zyklon abgeschieden. Die jeweiligen theoretischen Sättigungsgrade werden für alle experimentellen Untersuchungen modelliert um eine Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.