2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16723Elektrolyte sind in vielen Anwendungsbereichen wie in der Öl- und Gasindustrie, Gashydratsysteme, Batterien, Geothermie und Biotechnologie wichtige Komponenten die unter verschiedensten Temperaturen, Drücken und Zusammensetzungen vorkommen.Insbesondere haben Elektrolyte einen großen Einfluss auf das thermodynamische Phasengleichgewicht. Die Beschreibung dieser Systeme ist besonders herausfordernd, da sie in Lösung in stark geladene Ionen dissoziieren. In der Anwendung wird häufig in Kauf genommen die Elektrolyte entweder zu vernachlässigen oder mit eigenen Messungen parametergestützte Modelle aufwendig anzupassen um deren Effekte zu beschreiben. Die Elektrolytmodellierung gehört deswegen zu den Schlüsselkompetenzen die in der Industrie noch nicht in dem Maße vorhanden ist wie benötigt.Im Zentrum dieses Forschungsvorhabens steht die Entwicklung einer quelloffenen prädiktiven Zustandsgleichung für elektrolythaltige gemischte Lösungsmittelsysteme. Hierfür soll die jüngst erschienene COSMO-SAC-Phi Zustandsgleichung weiterentwickelt und mit dem erfolgreichen Elektrolytmodell COSMO-RS-ES erweitert werden. Dieses Vorhaben deckt damit zwei Themengebiete ab, die im prädiktiven Maße noch ein großes Verbesserungspotential aufweisen: die Beschreibung neutraler gemischter Systeme ohne binäre Interaktionsparameter und die Vorhersage des Elektrolyteinflusses auf diese Mischungen. Schwerpunkt hierbei soll die Entwicklung der Elektrolyterweiterung sein. Um dieses Ziel zu erreichen bedient sich die neue Zustandsgleichung der erweiterten COSMO-RS Theorie und beschreibt die Interaktionen als Funktion der ab-initio berechenbare Abschirmladungsdichte auf der Oberfläche der Moleküle.In einem ersten Schritt, soll die erste quelloffene Implementierung der COSMO-SAC-Phi Zustandsgleichung erstellt werden. Diese wird dann anhand von frei verfügbaren Daten validiert werden. Das neue Modell soll zunächst auf wässrige Elektrolytlösungen erweitert werden. Für diese Systeme existiert eine größere Menge an thermodynamischen Daten, die es erlauben diese detaillierter zu verstehen und analysieren. Basierend auf den Erfahrungen und Verbesserungen für wässrige Systeme soll dann die Zustandsgleichung auf elektrolythaltige gemischte Lösungsmittelsysteme erweitert werden.Die in diesem Vorhaben entwickelte Zustandsgleichung wird die erste komplett prädiktive Zustandsgleichung für elektrolythaltige gemischte Lösungsmittelsysteme sein die keine binären Interaktionsparameter benötigt. Im Sinne der offenen Wissenschaft werden alle Daten und die Modellentwicklungen quelloffen zur Verfügung gestellt werden.Electrolytes are important components in many areas of application, such as the oil and gas industry, gas hydrate systems, batteries, geothermal energy and biotechnology occurring under a wide variety of temperatures, pressures and compositions.Electrolytes have a large influence on the thermodynamic phase equilibrium. The description of these systems is particularly challenging because in solution they dissociate into highly charged ions. In the industrial application, it is often accepted that the electrolytes are either neglected or that parameter-based models are laboriously adapted with their own measurements in order to describe their effects. Electrolyte modeling is therefore one of the key competencies that industry does not yet have to the extent that it is needed.The focus of this research project is the development of an open source predictive equation of state for mixed solvent systems containing electrolytes. For this purpose, the recently published COSMO-SAC-Phi equation of state is to be further developed and expanded with the successful electrolyte model COSMO-RS-ES. This project thus covers two subject areas that still have great potential for improvement in predictive terms: the description of neutral mixed systems without binary interaction parameters and the prediction of the influence of electrolytes on these mixtures. The focus of this project is to be on the development of the electrolyte description. To achieve this goal, the new equation of state makes use of the expanded COSMO-RS theory and describes the interactions as a function of the ab-initio calculable screening charge density on the surface of the molecules.In a first step, the first open source implementation of the COSMO-SAC-Phi equation of state is to be created. This will then be validated using freely available data. The new model is initially to be expanded to include aqueous electrolyte solutions. For these systems there is a large amount of thermodynamic data that allows them to be understood and analyzed in more detail. Based on the experience and improvements for aqueous systems, the equation of state will then be extended to mixed solvent systems containing electrolytes.The equation of state developed in this project will be the first completely predictive equation of state for mixed solvent systems containing electrolytes without the need for binary interaction parameters. In the spirit of open science, all data and model developments will be made available open-source.