DD225785B1

DD225785B1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des gasdiffusionskoeffizienten poroeser materialien

Info

Publication number: DD225785B1
Application number: DD26165184A
Authority: DD
Inventors: Gerd Kleinstaeuber; Juergen Haupt
Original assignee: Forschzent Bodenfruchtbarkeit
Priority date: 1984-04-05
Filing date: 1984-04-05
Publication date: 1988-08-17
Also published as: DD225785A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung die in all jenen Zweigen der Naturwissenschaft und Technik zur Anwendung kommen können, in denen die Gasdiffusion in porösen Materialien untersucht wird Insbesondere ist sie relevant, wenn Untersuchungen des Einflusses der physikalischen und morphologischen Eigenschaften des porösen Materials auf die Gasdiffusion im Hinblick auf ihre gezielte Veränderung vorgenommen werden sollen Unter diesem Aspekt ist ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung die Bodenphysik, in der bezüglich einer Verbesserung der Bodendurchluftung die Sauerstoffdiffusion die dominierende Rolle spielt

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Bei den bekannten Methoden der Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten poröser Materialien liegt stets folgende grundsätzliche Anordnung vor (TAYLOR, 1949, BAKKER und HIDDING, 1970, FLUHLER, 1973, RICHTER und GROSSGEBAUER, 1977, FREDEu a , 1979)

— unendlich großes Reservoir fur die diffundierende Gaskomponente (ζ B O₂ der Atmosphäre)

— poröses Material, das bezüglich Diffusion untersucht werden soll (ζ Β Bodenprobe)

— Meßkammer, in der sich das Gas (= Tragergas) mit bestimmten Loslichkeitskoeffizienten fur die diffundierende Gaskomponente befindet (ζ Β N₂)

In der konstruktiven Ausfuhrung der Anordnung, mit der der Gasdiffusionsvorgang verfolgt wird, können bei den verschiedenen Autoren Unterschiede festgestellt werden So kann zwischen einer Anordnung mit fester Zuordnung der zu untersuchenden Probe und der mit Tragergas gefüllten Meßkammer (FLUHLER, 1973, FREDE u a , 1979) und einer Anordnung, bei der die mit Tragergas gefüllte Meßkammer erst über das zu untersuchende Material gebracht wird (CURRIE, 1960), unterschieden werden Auch in der Bestimmung der Konzentration des Tragergases durch diskontinuierliche Probenentnahme sind Unterschiede festzustellen So gestattet die Anordnung von POJASOV (1960) die Zufuhrung eines dem entnommenen Gas äquivalenten Volumens, wahrend bei FREDE u a (1979) darüber kein Hinweis erfolgt

Der Diffusionsvorgang der diffundierenden Komponente durch das poröse Material wird mit dem 1 bzw 2 Fickschen Gesetz beschrieben (van BAVEL, 1951,1952, CURRIE, 1960, POJASOV, 1960, RADFORD, 1970, BAKKER und HIDDING, 1970, FLUHLER, 1973)

Unter der vereinfachten Annahme, daß die Partialdruckverteilung der diffundierenden Komponente innerhalb der zu untersuchenden Probe sowohl zu Beginn als auch wahrend des Diffusionsvorganges stets linear ist, kann eine Beziehung angegeben werden, mittels der der Diffusionskoeffizient aus dem zeitabhängigem Partialdruck in der Meßkammer in einfacher Weise berechnet werden kann

Bei in der einschlagigen Untersuchungspraxis verbreiteten Verfahren, die mit geschlossener Meßkammer arbeiten, wird, bevor die eigentliche Untersuchung des Diffusionsvorganges erfolgt, diese Meßkammer mit einem Gas (z B N₂) bestimmten Loslichkeitskoeffizienten fur die diffundierende Komponente (z B O₂) gespult (BERTRAM und KOHNKE, 1957, SHEARER u a , 1966, FLUHLER, 1973) Durch die Spulung wird erreicht, daß mit wachsender Spuldauer die zu Beginn vorliegende extrem starke Nichtlinearitat der Partialdruckverteilung innerhalb der Probe zunehmend abgebaut wird, bis schließlich nach theoretisch unendlich langer Spulzeit der Partialdruck linear über der Probe abfallt (CRANK, 1967) Nach Beendigung des Spulvorganges wird die Meßkammer geschlossen und der Diffusionsvorgang durch die Probe anhand des Partialdruckanstieges in der Meßkammer verfolgt

Mittels der oben beschriebenen, unter der Voraussetzung stets linearer Partialdruckverteilung innerhalb der Probe aufgestellten vereinfachten Beziehung fur einen idealisierten Diffusionskoeffizienten D,_d kann ein experimentell ermittelter scheinbarer Diffusionskoeffizient D_exp angegeben werden Der so ermittelte Wert fur D_exp kann ganz erheblich vom tatsächlichen Diffusionskoeffizienten D abweichen Die Ursache dafür liegt in der Tatsache begründet, daß aie bezüglich der Partialdruckverteilung gemachte idealisierte Annahme nicht die tatsächlich in der Probe vorliegenden Verhaltnisse widerspiegelt Die Abweichung des experimentell ermittelten Diffusionskoeffizienten D_exp vom tatsachlichen Diffusionskoeffizienten D wird durch einen Korrekturfaktor K_korr beschrieben Dieser Korrekturfaktor hangt ab von der bereits erwähnten Abweichung der innerhalb der Probe vorherrschenden Partialdruckverteilung vom linearen Druckabfall und — da diese Abweichung auch zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich ist — von der Betrachtungszeit des Diffusionsvorganges (= Diffusionszeit¹ und schließlich noch von den Parametern (Volumen V, Loslichkeitskoeffizient α) der Probe und der Meßkammer (FLUHLER, 1973) Der tatsachliche Diffusionskoeffizient D wird durch iterative Verbesserung des experimentell ermittelten Näherungswertes D_exp bestimmt Die jeweils verbesserten Naherungen von D_exp konvergieren gegen D Die erforderliche Iteration bei der Bestimmung von D und die Durchfuhrung eines Spulprozesses sind nachteilige Merkmale der geschilderten Methode

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird der Diffusionsvorgang schon wahrend des beschriebenen Spulvorganges betrachtet (FLUHLER, 1973) Zu diesem Zweck bleibt die Meßkammer stets geöffnet und wird standig vom Spulgas (z B N₂) mit konstanter Geschwindigkeit durchströmt Dabei stellt sich in der Meßkammer im Gegensatz zur erstgenannten Methode ein wahrend des gesamten Spulvorganges konstant bleibender Partialdruck der diffundierenden Komponente ein Dieser Partialdruck bzw die Konzentration der diffundierenden Gaskomponente im Meßkammervolumen ist bei dieser Methode auf Grund der standigen Durchstromung der Meßkammer mit dem von der diffundierenden Komponente freien Spulgas (= Tragergas) meist sehr klein und demzufolge meßtechnisch schwierig zu bestimmen Hierin liegt der Nachteil dieser Methode Im Hinblick auf die Ausbildung der Linearität der Partialdruckverteilung in der Probe gelten die bereits fur den Spulvorgang getroffenen Aussagen Zwar wird die lineare Partialdruckverteilung erst nach theoretisch unendlich langer Durchstromung des Tragergases (= Spulung) erreicht, praktisch kann diese aber in guter Näherung schon nach endlichen Durchstromungszeiten angenommen werden

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglichen, den Gasdiffusionskoeffizienten von porösen Materialien, insbesondere den von Bodenmaterial, vor allem bei einer größeren Probenzahl, mit hinreichender Genauigkeit rationell unter routinemäßigen Bedingungen bestimmen zu können

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der der Gasdiffusionskoeffizient poröser Materialien, insbesondere der von Bodenproben, als Maß fur die in diesen Materialien ablaufende Gasdiffusion mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden kann Im Hinblick auf die bei der Untersuchung der im Boden ablaufenden Gasdiffusion abhangig von den durch die physikalischen und morphologischen Kenngroßen des Bodenmatenals bestimmten Einflußgroßen erforderliche große Anzahl zu untersuchender Bodenproben muß die Bestimmung rationell und routinemäßig möglich sein

Im Gegensatz zu den verbreiteten Verfahren zur Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten, bei dem die Meßkammer mit einem Tragergas gespult und erst nach Beendigung dieses Spulvorganges der Diffusionsvorgang betrachtet wird, erfolgt bei dem erfmdungsgemaßen Verfahren die meßtechnische Erfassung des Diffusionsvorganges bereits unmittelbar nachdem am meßkammerseitigen Ende des mit dem zu untersuchenden Material gefüllten Probebehalters ein Partialdrucksprung der diffundierenden Gaskomponente erzeugt wurde

In diesem Fall ist die Partialdruckverteilung im Probenmaterial stark nichtlinear Die Anwendung der fur den idealisierten Gasdiffusionskoeffizienten D,_d unter der Voraussetzung linearen Partialdruckabfalles innerhalb der Probe ermittelten Beziehung, mittels der D_exp in einfacher Weise aus der Zeitabhangigkeit des Partialdrucks in der Meßkammer p_K (t) ermittelt werden kann, wurde zu erheblichen Abweichungen zwischen dem tatsachlichen (D) und dem experimentell (D_exp) ermittelten Diffusionskoeffizienten fuhren Diese Abweichung kann aber erfindungsgemaß hinreichend klein gehalten werden, wenn man den Diffusionsvorgang in einer Anordnung ablaufen laßt, die in Analogie zur Warmeleitungstheone durch eine Nusseltzahl <? 1 beschrieben wird In diesem Falle kann die Abweichung des gemessenen vom tatsächlichen Diffusionskoeffizienten ab einer bestimmten Betrachtungszeit unabhängig von der bei Versuchsbeginn vorliegenden Nichtlinearitat der Partialdruckverteilung innerhalb der Probe vernachlässigt werden

D_exp nähert sich einem Wert, der in guter Näherung mit D, dem tatsächlichen Diffusionskoeffizienten, identisch ist Somit entfallen weitere iterative Naherungen zur Bestimmung von D Im praktischen Fall der Gestaltung einer Diffusionsanordnung wird die erforderliche Nusseltzahl <S 1 dadurch realisiert, daß das Volumen der Meßkammer mit 1 800cm³ im Vergleich zum Volumen des Probebehalters mit 250cm³ wesentlich großer ausgeführt wird

Durch den Wegfall der Spulung mit Tragergas wird bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zwangsläufig wesentlich weniger Tragergas benotigt als bei den mit Spulung arbeitenden Verfahren

Die Realisierung des Partialdrucksprunges am meßkammerseitigen Ende der Probe erfolgt in einem dafür entwickelten Gasdiffusionsgerat

Bei dieser Vorrichtung wird erfindungsgemaß die Meßkammer, in die bekanntlich über das zu untersuchende Medium die diffundierende Gaskomponente eindringt und dort von einem Tragergas aufgenommen wird, in Form eines Rezipienten evakuierbar gestaltet Aus diesem Grunde wird die Meßkammer zu dem das jeweils zu untersuchende poröse Material enthaltenden Probebehalter hin vakuumdicht versc4ießbar ausgeführt die Antriebswelle des Ventilators vakuumdicht in die Meßkammer gefuhrt und schließlich fur den Anschluß des Vakuumerzeugungssystems ein Vakuumhahn an der Meßkammer vorgesehen Die Realisierung des Partialdrucksprunges erfolgt durch plötzliches Offnen des vakuumdichten Verschlusses der Meßkammer zur Probe hin, nachdem die Meßkammer zuvor evakuiert und anschließend bis Normaldruck mit dem Tragergas gefüllt wurde Durch das Evakuieren der Meßkammer wird außerdem erreicht, daß ein vor dem Einsetzen der Diffusion in de' Meßkammer enthaltender Anteil an der diffundierenden Gaskomponente reproduzierbar auf eine meßbare Große herabgesetzt

Um bezüglich der fur die Bestimmung des Diffusionskoeffizientenzu wahlenden Auswertungsmethodik — Bestimmung des Partialdrucks oder der Konzentration der diffundierenden Gaskomponente im Tragergas — möglichst große Universalltat der Vorrichtung zu gewährleisten, wird die Meßkammer mit verschiedenartigen Anschlbßmoglichkeiten fur die jeweilige Indikation der diffundierenden Gaskomponente versehen

Fur die diskontinuierliche Bestimmung der Menge der durch das poröse Material wahrend eines bestimmten Zeitabschnittes diffundierten Gaskomponente wird die Meßkammer mit einer als Gasentnahmestelle fungierenden, vakuumdicht verschließbare Aufnahmevorncntung fur eine Injektionsspritze ausgestattet Fur die kontinuierliche Bestimmung sind an der Meßkammer eine Möglichkeit sowohl fur das vakuumdichte Einsetzen eines internen Indikators als auch fur den Anschluß eines externen Indikators vorgesehen

Bei der praktischen Durchfuhrung der Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten ist es zweckmäßig, wenn in regelmäßigen Abstanden die reproduzierbare Arbeitsweise des verwendeten Gasdiffusionsgerates überprüft werden kann Fur diese Überprüfungen werden Vergleichskorper aus inertem porösen Material bekannter offene¹· Porosität und Porenvolumenverteilung verwendet Sie werden mit den Abmessungen des Probenbehalters gefertigt und können demzufolge unmittelbar anstelle der Probenbehälter in dessen Aufnehmer an der Vorrichtung eingesetzt werden

Ausfuhrungsbeispiel

Als zweckmäßige Realisierung der erfindungsgemaßen Vorrichtung wird ein Gerat fur die Anwendung in der Bodenphysik vorgestellt Mit ihm kann der Gasdiffusionskoeffizient speziell von Bodenproben abhangig von den bodenphysikalischen (Bodendichte, Porengroßenverteilung) und den bodenmorphologischen (Bodengeometrie, Kontinuität, Tortuositat) Eigenschaften mit hinreichender Genauigkeit routinemäßig bestimmt werden Gemäß Fig 1 wurde bei der erfindungsgemaßen Vorrichtung die evkuierbare Meßkammer 1 durch einen Aluminiumzylinder realisiert Auf diesen Zylinder wurde — um die erforderliche vakuumdichte Verschließbarkeit der Meßkammer zum Probenbehälter hin zu gewahrleisten — ein handbetatigtes Durchgangsventil 3 aufgesetzt Mit diesem Ventil wird beim Offnen die gesamte Flache des Probebehalters fur die Einleitung der Gasdiffusion freigegeben Als Probebehalter fungiert im Falle zu untersuchender Bodenproben ein 250cm³ Stechzylinder Dieser mit Boden gefüllte Stechzylinder kann unmittelbar in den Aufnehmer fur einen Probebehalter 4 eingesetzt werden Das Volumen der Meßkammer wurde mit ca 1 800 cm³ im Vergleich zum Volumen des Probebehalters (= Stechzylindervolumen) mit 250cm³ wesentlich großer ausgelegt, so daß — da fur den Loshchkeitskoeffizienten der diffundierenden Gaskomponenten im zu untersuchenden Bodenmaterial (a_B) und im Tragergas (a<) stets a_B < α« gilt — fur die Nusseltzahl Nu des Gasdiffusionsgerates ein Wert Nu < 1 realisiert wurde Die Realisierung der vakuumdichten Durchfuhrung der Antriebswelle des Ventilators erfolgte mittels einer Vakuumdrehdurchfuhrung 5, die in die Bodenflache der Meßkammer eingebaut wurde Fur eine kontinuierliche Ermittlung des O₂-Partialdrucks innerhalb der Meßkammer wurde an dem am handbetätigten Durchgangsventil 3 befindlichen Flanschanschluß 9 eine kommerziell beziehbare Stabmeßzelle zur Sauerstoffpartialdruckmessung 10 so angebracht daß sie in den Raum der Meßkammer eintaucht Die Stabmeßzelle wurde dafür konstruktiv gemäß Fig 2 modifiziert

Die Wandung der Meßkammer wurde mit mehreren Gewindebohrungen versehen Gewindebohrung 6 ist fur den über eine Flanschverbindung 7 erfolgenden Anschluß eines handbetätigten Nadelventiles 8 vorgesehen Über dieses Ventil kann die Entnahme einer Testgasmenge fur die kontinuierliche Konzentrationsbestimmung des Sauerstoffs in der Meßkammer mittels einer Injektionsspritze 19, die über ein Zwischenstuck an das Ventil angeschraubt werden kann, vorgenommen werden Gewindebohrung 11 dient zur Aufnahme eines Adapters fur ein Feinmeß-Manometer mit Unter- und Uberdruckanzeigebereich

In die Gewindebohrung 12 wurde ein Verteiler 13 eingeschraubt, der mit zwei getrennten, die Meßkammer nach außen hin vakuumdicht verschließbaren Vakuumabstellhahnen 14,15 versehen ist Diese beiden Hahne sind fur den Anschluß des Vakuumerzeugungssystems bzw fur die Einspeisung des Tragergases bestimmt Soll zur kontinuierlichen O₂-Partialdruckmessung ein externer Indikator verwendet werden, der zu diesem Zweck mit der Meßkammer verbunden werden muß, so kann einer der beiden Hahne dafür als Anschluß benutzt werden Der zweite Anschluß mußte dann über einen in die Flanschverbindung des Durchgangsventiles anstelle der Stabmeßzelle eingesetzten Vakuumabstellhahn erfolgen In diesem Falle müssen der Anschluß des Vakuumerzeugungssystems und die Einspeisung des Tragergases über den zweiten der beiden am Verteiler befindlichen Hahne erfolgen

Durch diese verschiedenen beschriebenen Anschlußmoglichloiten erhalt die Vorrichtung ihre Universalität bezüglich Anwendung der Methode — diskontinuierlich (z B Entnahme einer definierten Testgasmenge mittels Injektionsspritze), kontinuierlich mit internem (z B pO₂-Stabmeßzelle) bzw externen (z B Permolyt) Indikator — zur Bestimmung der durch das poröse Material wahrend eines bestimmten Zeitabschnittes diffundierten Gaskomponente und damit letztlich zur Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten

Fur die Vergleichskorper, mit denen die reproduzierbare Arbeitsweise der Vorrichtung jederzeit kontrolliert werden kann, wurde als poröses Material keramischer Filterstem benutzt Dieses keramische Material wird zwischen den Porendurchmessern 25pm und 200 цт in 6 Bereichen hergestellt Damit wird durch das Vergleichsmatenal der fur den Ablauf der Gasdiffusion maßgebende Makroporen bereich (> 10 pm) des zu untersuchenden Boden« überstrichen Gemäß Fig 3 wurde der keramische Filterstem 16 oben und unten in zwei Aufnahmeringe 17 gefaßt und zur Vermeidung von Nebenschlüssen fur die diffundierenden Gaskomponenten seine Mantelflache mit aufgeklebter Aluminiumfolie 18 abgeschlossen

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten poröser Materialien, gekennzeichnet dadurch, daß eine aus dem zu untersuchenden porösen Material bestehende Probe, in der durch Gleichgewicht mit der Umgebung bezuglich der diffundierenden Gaskomponente konstanter Partialdruck herrscht, an einer Grenzflache plötzlich einem Partialdrucksprung ausgesetzt wird und daß man aen danach unmittelbar einsetzenden Diffusionsvorgang in einer Versuchsanordnung ablaufen laßt, bei der das Volumen der das Trägergas enthaltenden Meßkammer mit 1 800cm³ im Vergleich zum Volumen des Probebehalters mit 250cm³ wesentlich großer gestaltet wird bzw. die Nusseltzahl fur das Gasdiffusionsgerat mit einem Wert Nu <l 1 realisiert wird.

2. Vorrichtung zu Bestimmung des Gasdiffusionskoeffizienten poröser Materialien bestehend aus einem Aufnehmer für einen Probebehalter und einer mit einem Ventilator versehenen Meßkammer, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßkammer (1) zur Realisierung eines Vakuums in Form eines Rezipienten evakuierbar gestaltet und bei der das Verhältnis der Volumina von Probenbehälter zu Meßkammer 1:7,2 betragt.

3. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßkammer (1) mittels eines handbetätigten Durchgangsventiles (3) probenseitig vakuumdicht verschließbar ist und daß die Antriebswelle des Ventilators über eine Vakuumdrehdurchführung (5) in die Meßkammer (1) geführt wird.

4. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßkammer (1) sowohl eine mittels eines handbetätigten Nadelventiles (8) vakuumdicht verschließbare Aufnahmevorrichtung fur eine Injektionsspritze (19) zur diskontinuierlichen als auch zwei vakuumdichte,.abstellbare Anschlüsse zum Anschluß eines externen bzw. eine mit Gewinde versehene Bohrung zum Einsetzen eines internen Indikators fur die kontinuierliche Bestimmung der Menge der durch das poröse Material diffundierenden Gaskomponenten enthält.

5. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Überprüfung ihrer reproduzierbaren Arbeitsweise durch Einsetzen von Vergleichskorpem (16), (17) und (18) aus inertem porösem Material bekannter offener Porosität und Porenvolumenverteilung anstelle der Probebehalter in den Aufnehmer (4) in einfacher Weise erfolgen kann.