Die Porenstruktur von Zementstein und seine Eignung zur Gastrennung

The pore structure of hardened cement paste and its applicability for gas separation

  • Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Membranen aus Zementstein zur Gastrennung untersucht. Zu diesem Zweck wurden Membranen aus verschiedenen Portlandzementen, Hochofenzementen und Tonerdezementen sowie aus Bindemittelgemischen mit Flugasche oder Mikrosilika hergestellt. Ihre Porenstruktur wurde mittels Heliumpyknometrie, Quecksilberdruckporosimetrie und Stickstoffsorptionsmessungen untersucht. Ihre Trenneigenschaften wurden in einer Messzelle nach dem Prinzip der Wicke-KallenIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Membranen aus Zementstein zur Gastrennung untersucht. Zu diesem Zweck wurden Membranen aus verschiedenen Portlandzementen, Hochofenzementen und Tonerdezementen sowie aus Bindemittelgemischen mit Flugasche oder Mikrosilika hergestellt. Ihre Porenstruktur wurde mittels Heliumpyknometrie, Quecksilberdruckporosimetrie und Stickstoffsorptionsmessungen untersucht. Ihre Trenneigenschaften wurden in einer Messzelle nach dem Prinzip der Wicke-Kallenbach-Zelle an einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid ermittelt. In der Messzelle wurde die Diffusion bei vier verschiedenen Temperaturen (350 °C, 200 °C, 100 °C und Raumtemperatur, d.h. 27-39 °C) gemessen. Anhand der Versuchsergebnisse wurden die Trennfaktoren der Membranen sowie die effektiven Diffusionskoeffizienten der beteiligten Gase bestimmt. Darüber hinaus wurden die Permeabilitätskoeffizienten der Zementsteine bestimmt und der Einfluss einer thermischen Beanspruchung von 350 °C auf ihre Porenstruktur untersucht. Die hergestellten Zementsteine wiesen verschiedene Porenstrukturen auf. Dabei zeigten sich die folgenden Einflüsse auf die Porenstruktur: Eine Verringerung des Wasser/Zement-Werts bzw. des äquivalenten Wasser/Zement-Werts führte erwartungsgemäß zu geringeren Porositäten und zu einem feineren Porensystem des Zementsteins. Die Verwendung von hüttensandhaltigem Zement und insbesondere die Verwendung von Flugasche oder Mikrosilika führten zu einem feineren und stärker diskontinuierlichen Porensystem als die Verwendung von reinem Portlandzement. Der Einsatz von Mikrosilika zur Verfeinerung des Porensystems war dabei wirkungsvoller als die Verwendung von Flugasche, er führte jedoch zu erhöhten Permeabilitäten, die wahrscheinlich auf die Bildung von Schwindrissen zurückgehen. Die thermische Beanspruchung bei 350 °C verursachte bei den untersuchten Zementsteinen z.T. deutlich erhöhte Porositäten, aber nur mäßige Vergrößerungen der Grenzradien. Ferner führte die Temperaturbeanspruchung stets zu einer Erhöhung der Permeabilitätskoeffizienten. Bei dem Tonerdezementstein wurde eine starke Zunahme des Volumens an kleinen Poren beobachtet, was auf die thermische Zersetzung von Gibbsit zurückzuführen ist. Bei den Trennwirkungsuntersuchungen wurden Trennfaktoren zwischen 1,4 und 3,4 für die Zementsteinmembranen festgestellt, d.h., dass ein beträchtlich schnellerer Transport des Wasserstoffs durch die Membranen hindurch auftrat. Damit konnte eine Trennwirkung der Zementsteinmembranen nachgewiesen werden. Ferner wurde eine lineare Abhängigkeit der Trennfaktoren von den Grenzradien der Zementsteine festgestellt, wobei kleinere Grenzradien zu höheren Trennfaktoren führen. Die mittlere Weite des offenen Gesamtporensystems hatte dagegen keinen Einfluss auf die Trennwirkung der Zementsteine. Die Temperaturabhängigkeit der effektiven Diffusionskoeffizienten und die Knudsen-Zahlen der Zementsteinporen zeigten, dass der hauptsächliche Stofftransportmechanismus in den Membranen Knudsen-Diffusion war. Die theoretisch mögliche Trennwirkung durch reine Knudsen-Diffusion wurde i.A. nicht erreicht, was auf eine Konzentrationspolarisation und/oder zusätzliche Stofftransportmechanismen in den Membranen zurückgeführt werden kann.show moreshow less
  • In the present work, the applicability of membranes made of hardened cement paste for gas separation was investigated. For this purpose, membranes were made from different Portland cements, slag cements and calcium aluminate cements as well as from mixtures of cement with fly ash or microsilica. The pore structure of the membranes was investigated by means of helium pycnometry, mercury intrusion porosimetry and nitrogen sorption. Their gas separation properties were determined in a diffusion meaIn the present work, the applicability of membranes made of hardened cement paste for gas separation was investigated. For this purpose, membranes were made from different Portland cements, slag cements and calcium aluminate cements as well as from mixtures of cement with fly ash or microsilica. The pore structure of the membranes was investigated by means of helium pycnometry, mercury intrusion porosimetry and nitrogen sorption. Their gas separation properties were determined in a diffusion measurement setup according to the Wicke-Kallenbach method using a mixture of hydrogen and carbon dioxide. The diffusion experiments were conducted at four different temperatures (350 °C, 200 °C, 100 °C and room temperature, i.e. 27-39 °C). From the experimental results the separation factors of the membranes and the effective diffusion coefficients of the involved gases were calculated. Furthermore, the permeability coefficients of the hardened cement pastes were determined and the influence of a temperature treatment at 350 °C on their pore structure was investigated. The hardened cement pastes possessed considerable differences in their pore structures. Following influences on the pore structure were identified: as expected, a reduction of the water/cement ratio or the equivalent water/cement ratio caused a decrease of porosity and a finer pore structure of the cement pastes. Use of blastfurnace slag containing cement and in particular replacement of cement by fly ash or microsilica led to a finer and more discontinuous pore system than application of neat Portland cement. The use of microsilica was more effective in this respect compared to fly ash. However, it caused higher permeabilities, which propably can be ascribed to the formation of cracks due to shrinkage. The temperature treatment at 350 °C caused different increases of porosities of the cement pastes, but only small increases of the threshold radii were detected for all pastes. Also, the temperature treatment led to higher permeabilities of the pastes. In the hardened calcium aluminate cement paste a strong increase in the volume of small pores occurred. This can be attributed to the thermal decomposition of gibbsite. The investigations of the gas separation properties yielded separation factors between 1.4 and 3.4 for the cement stone membranes, i.e., a considerable faster diffusion of hydrogen through the membranes took place. Thus, separation of gases by the cement stone membranes was proved. In addition, a linear interrelation between the separation factors of the membranes and the threshold radii of the hardened cement pastes was found, smaller threshold radii leading to higher separation factors. In contrast, the average width of the open pore system of the cement pastes had no influence on the separation factor. The temperature dependency of the effective diffusion coefficients and the Knudsen numbers of pores in the hardened cement paste show that Knudsen diffusion is the main mass transport mechanism in the membranes. In general, the theoretically possible gas separation by solely Knudsen diffusion was not achieved. This can be ascribed to concentration polarisation and/or additional mass transport mechanisms.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gregor Joseph Gabriel Gluth
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-29820
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Bernd Hillemeier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/03/17
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2011/02/18
Release Date:2011/03/17
Tag:Gastrennung; Knudsen-Diffusion; Mehrkomponenten-Diffusion; Porenstruktur; Zementstein
Gas separation; Hardened cement paste; Knudsen diffusion; Multicomponent diffusion; Pore structure
Institutes:Institut für Bauingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)