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Beschleunigte Verdunstung, Ölverschmutzungen und die Wirtschaftlichkeit der Wasserentsalzung
Hier ist ein interessantes Rätsel. Elektrorheologische Flüssigkeiten sind nichtleitende Öle, die eine Bestäubung mit dielektrischen Nanopartikeln wie Titanoxid tragen. Das Anlegen eines elektrischen Felds an diese Flüssigkeiten zwingt die Nanopartikel zusammen, wodurch die Flüssigkeit fest wird.
Elektrorheologische Flüssigkeiten haben alle Arten von Anwendungen in Geräten wie Stoßdämpfern, Bremsen und künstlichen Hüften, wo Ingenieure sie verwenden, um den Bewegungswiderstand sofort zu ändern.
Aber heute sagen Kunquan Lu und seine Freunde vom Institut für Physik in Peking, China, dass in ihrem Labor, in dem sie seit einigen Jahren elektrorheologische Flüssigkeiten untersuchen, etwas Seltsames vor sich geht.
Die Basis ihrer elektrorheologischen Flüssigkeiten ist Silikonöl, eine dickflüssige Flüssigkeit, die bemerkenswert robust und stabil ist.
Aber Lu und Co. haben etwas Seltsames bemerkt, als sie Silikonöl Nanopartikel aus Titanoxid hinzufügen – es beginnt plötzlich zu verdampfen. Sie haben herausgefunden, dass in nur wenigen Tagen ein erheblicher Teil der Flüssigkeit einfach verschwindet.
Das ist eine große Überraschung. Reines Silikonöl ist über Jahre oder sogar Jahrzehnte ohne jegliche Verdunstung lagerfähig. Es ist schwer vorstellbar, was dieses Zeug dazu bringen könnte, in die Luft zu schweben.
Lu und Co haben das Phänomen untersucht. Sie haben Nanopartikel unterschiedlicher Größe und Materialien, die Dichte der Suspension und sogar zwei verschiedene mineralische Formen von Titanoxid getestet.
Man kann sich leicht vorstellen, dass an der Oberfläche der Flüssigkeit schwebende Nanopartikel die Oberfläche vergrößern und dadurch eine erhöhte Verdunstungsrate ermöglicht wird.
Lu und Co sagen, dass das in ihrem Labor nicht vor sich geht. Sie nennen zwei Gründe. Erstens ist die Verdampfungsrate von reinem Silikonöl zunächst so gering, dass selbst wenn die Nanopartikel die Oberfläche verdoppelt haben, dies die dramatische Verdampfung, die sie messen, nicht erklären könnte.
Zweitens, wenn eine Oberflächenvergrößerung verantwortlich wäre, müsste es möglich sein, die Verdampfungsrate mit kleineren Nanopartikeln zu erhöhen.
Aber das passiert nicht. Tatsächlich scheint es eine optimale Partikelgröße zu geben, unterhalb derer sich die Verdampfungsrate verlangsamt.
Die Messungen haben eine weitere Überraschung gezeitigt. Lu und Co testeten die Verdampfungsrate mit zwei Arten von Titanoxid-Nanopartikeln namens Anatas und Rutil, die unterschiedliche kristalline Strukturen aufweisen. Und es stellt sich heraus, dass dies den größten Einfluss auf die Verdunstungsrate hat.
Zu verstehen, warum, ist eine Herausforderung. Anatas-Titanoxid bildet Kristalle mit gut definierten Kanten – die Nanopartikel sind also nicht kugelförmig. Lu und Co spekulieren, dass die Ölmoleküle auf der Oberfläche eines Kristalls in der Nähe dieser Kanten weniger stark gebunden sind als andere Moleküle.
Folglich schwimmen diese Moleküle leichter weg (siehe Abbildung oben). Sie vermuten, dass dieser Prozess die Verdunstung beschleunigt, aber sie sagen, dass mehr Arbeit erforderlich ist, um genau zu charakterisieren, was vor sich geht.
Das ist eine enorm bedeutsame Erkenntnis. Die Möglichkeit, die Verdunstung von Öl zu beschleunigen, könnte in allen möglichen Bereichen wichtige Folgen haben, beispielsweise bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen und anderen Verschmutzungen durch Ingenieure.
Dann besteht die Möglichkeit, diesen Vorgang in Wasser zu wiederholen. Eine verstärkte Verdunstung könnte die Wirtschaftlichkeit der Entsalzung dramatisch verändern und billiges sauberes Wasser in Gebiete bringen, in denen es zuvor keine gab. Eine erhöhte Verdunstungsrate wird zu einer effektiven und wirtschaftlichen Behandlung von verschmutztem Wasser oder zur Entsalzung von Meerwasser führen, sagen Lu und Co.
Doch wenn der Mechanismus von Lu und Co. stimmt, wird Wasser schwieriger zu erobern sein als Öl. Da es weniger viskos ist, neigen Nanopartikel von Titanoxid dazu, aus der Flüssigkeit auszufallen. Das würde es schwierig machen, den Mechanismus auszulösen, den Lu und Co. beschreiben.
Dennoch ist es nicht ausgeschlossen, dass Chemiker einen praktischen Trick finden, um dies zu verhindern, vielleicht mit anderen Kristallen oder mit Beschichtungen der einen oder anderen Art.
Fest steht, dass die Arbeit von Lu und Co. auf großes Interesse stoßen wird. Die Wirtschaftlichkeit der Wasserreinigung und der Ölreinigung ist von höchster Bedeutung.
Ref: arxiv.org/abs/1210.6101 : Nanopartikel-verstärkte Verdampfung von Flüssigkeiten: Eine Fallstudie zu Silikonöl und Wasser