Tracer and interdiffusion measurements of some common salts in aqueous solutions and in porous ceramic media

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-10-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
104 + app. 60
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 134/2014
Abstract
There was a need for tracer diffusion measurement data in ternary MgCl2-NaCl-H2O system to test theoretical models of electrolytes and also need for interdiffusion coefficients in porous ceramic materials to be used in a simulation program to predict moisture and concentration profiles under different environmental conditions. In this work diffusion in aqueous solutions in absence and presence of porous ceramic brick medium was investigated with the Closed Capillary (CCM) and Diaphragm Cell Methods (DM). The tracer diffusion coefficients of 22NaCl were determined as a function of MgCl2 concentration in aqueous solutions at 298,15 K in a large concentration region. The Onsager limiting law was verified for the first time for a 2:1 electrolyte. The ionization effect of water was taken into account by resolving the relevant Nernst-Planck equations.  The interdiffusion coefficients of NaCl were measured in ceramic bricks New Red Brick (NRB), Old Light Brick (OLB) and Old Dark Brick (ODB). The effect of concentration and temperature and the salts NaCl, KCl, NaNO3, CaCl2, Na2SO4, MgCl2, Na2CO3 for diffusion coefficients were investigated. Numerical computer simulation and data analysis were carried out together to obtain both analytical and numerical solutions. For salt diffusion in fully saturated brick under isothermals condition a mathematical model was developed.  In this thesis the CCM was for the first time applied to the measurement of the diffusion coefficients in a porous medium. By taking the experimentally shown sorbed part of the salt flux into account, a Freundlich-like adsorption isotherm could be determined with the help of the calculated adsorption capacity function of NaCl in NRB at 298,15 K. Overall the main conclusion of this experimental thesis is that the methods of DM and CCM developed and optimized here are both excellent techniques for the salt diffusion coefficient measurements in porous ceramic media. In CCM as an absolute method the porosity of the medium can even be unknown.

Väitöskirjan lähtökohtana oli tarve kokeellisille diffuusiokertoimille ternäärisissä MgCl2-NaCl-H2O liuoksissa ja binäärisissä yleisissä suolaliuoksissa huokoisissa väliaineissa. Näitä spesifisiä tracer- ja interdiffuusiokertoimia tarvitaan teoreettisten mallien testaamiseen elektrolyyteissä sekä parametreinä kosteus- ja suolakonsentraatioprofiileja huokoisessa väliaineessa erilaisissa ympäristöolosuhteissa ennustavissa simulaatio-ohjelmissa. Näiden haluttujen diffuusiokertoimien mittaamiseksi kehitettiin ja optimoitiin suljetun kapillaarin ja diafragmakennon mittausmenetelmiä (CCM ja DM).  22NaCl:n tracerdiffuusiokertoimet määritettiin vesiliuoksissa MgCl2:n konsentraation funktiona vesiliuoksissa lämpötilassa 298,15 K. Teoreettinen Onsagerin rajalaki (OLL) todistettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa 2:1 elektrolyytille. Veden ionitulon vaikutus diffuusiokertoimiin hyvin laimeissa liuoksissa rajalakialueella osoitettiin ratkaisemalla Nernst-Planck -yhtälöt veden ionisaatio huomioon ottaen. Väitöskirjassa CCM menetelmää sovellettiin myös ensimmäistä kertaa diffuusiokertoimien määrittämiseen huokoisessa väliaineessa.  NaCl:n interdiffuusiokertoimet mitattiin keraamisissa väliaineissa: uusi suomalainen punatiili (NRB), vanha vaalea tiili (OLB) ja vanha tumma tiili (ODB). Elektrolyyttien NaCl, KCl, NaNO3, CaCl2, Na2SO4, MgCl2, Na2CO3 diffuusiokertoimet sekä konsentraation ja lämpötilan vaikutus mitattiin. Kokeellisten diffuusiokertoimien, numeerisen analyysin ja tietokonesimulaation avulla esitettiin matemaattinen malli täysin elektrolyytillä kyllästetyssä tiiliväliaineessa vakiolämpötilassa. Loppupäätelmänä voidaan todeta, että sekä DM että CCM ovat kumpikin hyviä ja tarkkoja menetelmiä suolojen diffuusiokertoimien määrityksiin myös huokoisessa keraamisessa materiaalissa. Absoluuttisena menetelmänä CCM:ssä väliaineen huokoisuutta ei edes tarvitse tietää.
Description
Supervising professor
Kontturi, Kyösti, Prof., Aalto University, Department of Chemistry, Finland
Thesis advisor
Liukkonen, Simo, Prof., Aalto University, Department of Chemistry, Finland
Keywords
tracer diffusion coefficient, closed capillary method, sodium-22 chloride tracer, salt diffusion in porous media, interdiffusion coefficient in fired ceramic brick, tracerdiffusiokerroin, suljetun kapillaarin menetelmä, natrium-22-kloridi merkkiaine, suolan diffuusio huokoisessa materiaalissa, interdiffuusiokerroin poltetussa keraamisessa tiilessä
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ahl, J. and Liukkonen, S. Tracer Diffusion of Sodium-22 Chloride in MgCl2-H2O-Solutions, Z. Phys. Chem. 211 (1999) 69-83. DOI 10.1524/zpch.1999.211.Part_1.069.
  • [Publication 2]: Ahl, J. Salt Diffusion in Brick Structures. Part I. Measurements with NaCl, J. Mater. Sci. 38 (2003) 2055-2061. DOI 10.1023/A:1023558026018.
  • [Publication 3]: Ahl, J. Salt Diffusion in Brick Structures. Part II. The Effect of Temperature, Concentration and Salt, J. Mater. Sci. 39 (2004) 4247-4254. DOI 10.1023/B:JMSC.0000033406.40090.b4.
  • [Publication 4]: Lü, X. and Ahl, J. Studying of Salt Diffusion Coefficient in Brick - Analytical and Numerical Methods, J. Mater. Sci. 40 (2005) 3795-3802. DOI 10.1007/s10853-005-3321-9.
  • [Publication 5]: Ahl, J. and Lü, X. Studying of Salt Diffusion Behaviour in Brick, J. Mater. Sci. 42 (2007) 2512-2520. DOI 10.1007/s10853-006-1005-8.
Citation