English Title: Setup and optimisation of a method for determining the diffusion coefficients of dissolved gases in water using air-water gas transfer

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Abstract

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Diffusionskonstanten in Wasser gelöster Gase mittels Luft-Wasser-Gasaustausch optimiert. Hierbei wurde genutzt, dass die Gastransfergeschwindigkeit von der Diffusion durch die Grenzschicht limitiert wird. Der Gastransfer wird mittels Massenbilanzmethoden gemessen. Die dafür notwendigen Konzentrationsverläufe werden mit einem Membraneinlassmassenspektrometer gemessen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Versuchseinstellungen, also die Spülrate des Luftraums, die Wasserhöhe, die Turbulenzbedingungen an der Wasseroberfläche und die Anströmung des Membraneinlasses des Massenspektrometers, optimiert, sowie ein neues Begasungssystem des Wassers aufgebaut. Mit den optimierten Versuchseinstellungen wurden Messungen von Diffusionskonstanten durchgeführt. Durch eine Kalibrierung auf die Diffusionskonstanten von He, Kr und O2 wurden die Diffusionskonstanten von SF6, CO2, Ar und CF4 in Wasser bei T=25 °C bestimmt als D(SF6)=(0,92 ± 0,06) · 10^(-5)cm^2/s, D(CO2)=(2,19 ± 0,10) · 10^(-5)cm^2/s, D(Ar)=(2,25 ± 0,11) · 10^(-5)cm^2/s und D(CF4)=(1,45 ± 0,08) · 10^(-5)cm^2/s. Die gemessenen Diffusionskonstanten stimmen für Ar, CO2 und CF4 mit Literaturwerten überein, für SF6 hingegen wurden signifikante Abweichungen festgestellt.

Translation of abstract (English)

In this thesis, a method for determining the diffusion coefficients of dissolved gases in water using air-water gas transfer was optimised. It was used that the gas transfer rate is limited by the diffusion through the boundary layer. The gas transfer is measured using mass balance methods. With a membrane inlet mass spectrometer the concentration curves required for this are measured. In this thesis, the experimental settings, i.e. the air-sided flushing rate, the water level, the turbulence conditions at the water surface and the flow conditions around the membrane inlet of the mass spectrometer, were optimised and a new gassing system of the water was set up. Measurements of diffusion coefficients were carried out with the optimised experimental settings. With a calibration to the diffusion coefficients of He, Kr and O2, the diffusion coefficients of SF6, CO2, Ar and CF4 in water at T=25 °C were determined as D(SF6)=(0.92 ± 0.06) · 10^(-5)cm^2/s, D(CO2)=(2.19 ± 0.10) · 10^(-5)cm^2/s, D(Ar)=(2.25 ± 0.11) · 10^(-5)cm^2/s and D(CF4)=(1.45 ± 0.08) · 10^(-5)cm^2/s. The measured diffusion coefficients agree with literature values for Ar, CO2 and CF4, but significant deviations were found for SF6.