Neutronenstreuung erkennt Phasenübergang in überkritischem CO₂

Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 Die Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 an der Jülicher Außenstelle am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Nanostrukturen. © W. Schürmann / TUM

Die Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 an der Jülicher Außenstelle am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Nanostrukturen. © W. Schürmann / TUM

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich fanden mit Hilfe von Neutronenstreuung heraus, dass sich bei hohen Drücken Tröpfchen in überkritischem Kohlendioxid bilden. Dieser Nachweis lässt sich nutzen, um einen Phasenübergang innerhalb des Fluids genauer zu bestimmen.

Überkritisches CO₂ wird als „grünes“ Lösemittel für industrielle Anwendungen genutzt, da es ungiftig, chemisch stabil und wiederverwendbar ist. Sein Aggregatzustand liegt zwischen flüssig und gasförmig. Erst seit einigen Jahren ist bekannt, dass ein Phasenübergang innerhalb überkritischer Fluide existiert, der sich durch eine geringe Differenz in der Massendichte unterscheidet. Bekanntere Phasenübergänge sind die zwischen gasförmig und flüssig oder flüssig und fest.

So trennt die sogenannte Frenkel-Linie eine gas- und eine flüssigähnliche Phase, die sich in ihrer Dynamik unterscheiden: In der gasähnlichen Phase bewegen sich die Moleküle einzig durch Diffusion, während sie in der flüssigähnlichen Phase zudem eine Vibrationsdynamik aufweisen. Der genaue Verlauf der Frenkel-Linie in überkritischen Fluiden ist bisher unklar; verschiedene experimentelle und theoretische Methoden hatten unterschiedliche Werte ergeben.

Dr. Vitaliy Pipich und Dr. Dietmar Schwahn vom Jülich Centre for Neutron Science zeigten nun an der Außenstelle des Instituts am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching, dass Neutronenkleinwinkelstreuung zwischen beiden Phasen unterscheiden kann. Insbesondere konnten sie erstmals winzige Tröpfchen in der flüssigähnlichen Phase detektieren. Weitere Neutronenmessungen sind nötig, um den Verlauf der Frenkel-Linie über einen größeren Temperaturbereich zu bestimmen und den Charakter der Tröpfchen noch genauer zu analysieren.

„Mit Hilfe unserer Messdaten können Computersimulationen an überkritischem CO₂ verbessert werden, die bisher noch sehr unzuverlässig sind“, erläutert Schwahn. „Für die Industrie könnten sich daraus Vorteile ergeben, weil sich Prozesse besser vorhersagen und optimieren lassen.“

Das Ergebnis der Wissenschaftler ist ein Nebenprodukt ihrer Forschung an Membranen für Umkehrosmose, die für die Aufbereitung von Meeres- und Abwässern zu Trinkwasser vor allem in trockenen Gegenden genutzt werden. Diese verschmutzen durch Ablagerung von Salzen und organischen Materialien, was ihren Einsatz weniger effektiv und damit teurer macht.

Eigentlich untersuchen die Forscher, wie sich solche Ablagerungen bilden und versuchen zu verstehen, wie man solche Prozesse unterdrücken bzw. verlangsamen kann. Zu diesem Zweck entwickelten sie gemeinsam mit Kollegen am Forschungszentrum Jülich eine spezielle Zelle, in der der Entsalzungsprozess während der Neutronenuntersuchungen so realitätsnah wie möglich abläuft und studiert werden kann.