Thermodynamische Untersuchungen an hygroskopischen Flüssigkeiten für den Einsatz in offenen Sorptions-Speichersystemen

Die vorliegende interdisziplinäre Dissertation, welche im Rahmen des Projektes „OpenSorp“ verfasst wurde, beschäftigt sich mit der Untersuchung von hygroskopischen, flüssigen Sorbentien zur Absorption von Wasser aus der Luft. Als Anwendung, welche die Anforderungen an das Sorbens festlegt, werden hierbei offene Sorptionssysteme mit und ohne Speicher gesehen. Hierbei sind eine schnelle Wassersorption sowie eine hohe Verdünnungswärme die maßgeblichen Eigenschaften. Den Stand der Technik hinsichtlich des Sorbens bilden konzentrierte, hygroskopische Salzlösungen wie LiCl, LiBr oder auch CaCl2. Probleme dieser Lösungen sind unter anderem ihre korrosive Wirkung sowie die Kristallisation bei einer Überschreitung der Löslichkeit. Des Weiteren gilt es, das Sorbens zur Steigerung der Effizienz hinsichtlich der Wasserabsorption sowie der Verdünnungswärme zu optimieren. Ein Lösungsansatz in den hier durchgeführten Untersuchungen wurde im Einsatz von Ionischen Flüssigkeiten gesehen. Bisherige Untersuchungen dieser Sorbentien beschränken sich jedoch auf gravimetrische Absorptionsuntersuchungen einer kleinen Auswahl an Substanzen. Die in dieser Arbeit untersuchten Ionischen Flüssigkeiten basieren auf Cholin- sowie 1-Methylimidazolium-Kationen sowie dem Anion der Ameisen-, Essig- und Propionsäure. Weiterhin wurden die Ionischen Flüssigkeiten mit anorganischen Anionen der Halogenide Chlor, Brom und Iod charakterisiert. Die Herstellung der Substanzen erfolgte in zwei Schritten, welche im Falle der Imidazoliumvarianten auf einer Quarternisierung des 1-Methylimidazols mit anschließendem Anionenaustausch mittels Säule beruhte. Für diverse Ionische Flüssigkeiten konnten aufgrund der hohen Reinheit der hergestellten Verbindungen Kristallstrukturanalysen durchgeführt werden. Sowohl die Messungen des Wasserdampfpartialdrucks als auch die mittels Kalorimetrie bestimmte Wärmetönung der Wasserdampfsorption – insbesondere der Substanz [EMIM][Ac] – zeigen eine Optimierung im Vergleich zum Benchmark LiCl. Weiterhin absorbiert diese Substanz eine größere Menge Wasser pro Zeit. Hervorzuheben ist auch die um einen Faktor von ca. 2.5 gesteigerte Verdünnungswärme. Für ein tieferes Verständnis des Diffusionsprozesses von Wasser in der Ionischen Flüssigkeit [EMIM][Ac] wurde ebenfalls der Diffusionskoeffizient bestimmt.