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Visualisation of Oxygen Concentration Profiles in the Aqueous Boundary Layer

Falkenroth, Achim

German Title: Visualisierung von Sauerstoff-Profilen in der wasserseitigen Grenzschicht

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Abstract

In environment studies as well as for technical application, the study of air-water gas exchange is crucial. For process studies, a novel visualisation technique of oxygen concentrations in water was realised with high spatial resolution. To resolve turbulent processes in water, also the temporal resolution was pushed to the limit of a imaging frame rate of 185 Hz. For this purpose, the well-established method of laser-induced fluorescence (LIF) was extended introducing in this type of studies a new phosphorescent ruthenium dye that is more than 15 times more sensitive to oxygen than the previously used indicator dye. The chemical synthesis of this metal-ligand complex MLC was adapted to a preparation without intermediate steps. The challenge of this imaging technique for small-scale interactions was to resolve a very thin boundary layer extending less than a millimetre below the water surface. An image processing algorithm was developed that allow the automatic detection of the exact location of the air-water phase boundary within the resolution of 25 um/pixel. Only by this step, an accurate direct determination of an important parameter for gas-exchange studies, the boundary-layer thickness, is feasible. The developed methods were applied to systematic gas-transfer measurements mostly with surfactants, conducted in a range of wind speeds between 0.8-7 m/s in a circular wind-wave facility. The measured gas-transfer velocities compared extremely well to exchange rates derived from mass-balance methods. The novel visualisation technique drastically increased the poor signal quality inherent to standard LIF techniques. This enabled accurate measurements of gas-transfer velocities from aqueous concentration profiles for the first time.

Translation of abstract (German)

In den Umweltwissenschaften ebenso wie in technischen Anwendungen ist die Untersuchung des Gasaustausches grundlegend. Für mechanistische Studien wurde eine neuartige Visualisierungstechnik für Sauerstoffkonzentrationen in Wasser mit einer hohen räumlichen Auflösung realisiert. Um turbulente Prozesse im Wasser sichtbar zu machen, wurde eine Bildrate am Limit der zeitliche Auflösung von 185 Hz verwendet. Für diesen Zweck, wurde die bereits etablierte Methode der Laser induzierten Fluoreszenz (LIF) erweitert und ein neuer phosphoreszenter Farbstoff verwendet, der eine mehr als 15-fach stärkere Sauerstoffempfindlichkeit aufwies verglichen mit dem zuvor verwendeten Farbstoff. Die chemische Synthese des Farbstoffs wurde auf eine Darstellung ohne Aufarbeitung angepasst. Die Herausforderung dieses bildgebenden Verfahrens für kleinskalige Wechselwirkungen ist, eine sehr dünne Grenzschicht aufzulösen, die sich weniger als einen Millimeter unter die Wasseroberfläche erstreckt. Ein Bildverarbeitungsalgorithmus wurde entwickelt, der eine automatische Erkennung der exakten Position der Luft-Wasser-Phasengrenze innerhalb der Auflösung von 25 um/Pixel erlaubt. Dieser Schritt ermöglicht die genaue Bestimmung eines wichtigen Parameters von Gasaustauschstudien, die Grenzschichtdicke. Die entwickelten Methoden wurden auf gezielte Gasaustauschmessungen vornehmlich mit einem Oberflächenfilm angewendet, die mit Windstärken zwischen 0.8-7 m/s in einem zirkulären Wind-Wellen-Kanal durchgeführt wurden. Die gemessenen Gas-Transfergeschwindigkeiten stimmten äußerst gut mit Austauschraten überein, die aus Massenbilanzverfahren bestimmt wurden. Die neue Visualisierungstechnik erhöhte die Signalqualität von Standard-LIF-Techniken drastisch. Dies ermöglichte erstmals genaue Messungen der Gas-Transfergeschwindigkeiten aus wasserseitigen Konzentrationsfeldern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jürgen Wolfrum, Prof.
Date of thesis defense: 27. July 2007
Date Deposited: 17. Oct 2007 09:04
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Wind-Wellen-Kanal, Gasaustausch, Bildverarbeitung, Sauerstoff, Laserinduzierte Fluoreszenz, Diffuse Grenzschicht, Phosphoreszenz
Uncontrolled Keywords: Konzentrationsprofil , Sauerstoffmessungwind-wave channel , gas-exchange , digital image processing , laser induces fluorescence , aqueous boundary layer , phophorescence
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