ECOS-Runsalt: Unterschied zwischen den Versionen

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Die Untersuchung der Versalzungssituation eines Objekts und die Einstufung eines möglichen Schädigungspotentials, gegeben durch vorliegende Salze und umgebende klimatische Bedingungen, sind in der Konservierung von Kulturgut wichtige Faktoren. Werden Baustoffproben auf ihre enthaltenen Ionen untersucht, kann das Programm <i>ECOS-Runsalt</i> verwendet werden, um die Kristallisationsabfolge aus dem Gemisch zu bestimmen und um kritische klimatische Bedingungen für Phasenumwandlungen zu ermitteln. Neben einer präventiven Konservierung über die Reduzierung von Salzgehalten kann auch eine Einstellung umgebender klimatischer Bedingungen dafür genutzt werden, sofern die Lokation des entsprechenden Objekts dies zulässt (vom Außenklima abgekoppelte Bereiche). Sind jene klimatische Bedingungen bekannt, bei denen es zu kritischen Phasenumwandlungen kommt, demnach Kristallisation und Auflösung oder auch Hydratation und Dehydratation, kann versucht werden, die Über- oder Unterschreitung dieser Grenzwerte zu verhindern. Für die Objekte kritisch zu sehende, zyklische Kristallisations- und Auflösungsabfolgen können so unter Umständen vermieden werden.
 
Die Untersuchung der Versalzungssituation eines Objekts und die Einstufung eines möglichen Schädigungspotentials, gegeben durch vorliegende Salze und umgebende klimatische Bedingungen, sind in der Konservierung von Kulturgut wichtige Faktoren. Werden Baustoffproben auf ihre enthaltenen Ionen untersucht, kann das Programm <i>ECOS-Runsalt</i> verwendet werden, um die Kristallisationsabfolge aus dem Gemisch zu bestimmen und um kritische klimatische Bedingungen für Phasenumwandlungen zu ermitteln. Neben einer präventiven Konservierung über die Reduzierung von Salzgehalten kann auch eine Einstellung umgebender klimatischer Bedingungen dafür genutzt werden, sofern die Lokation des entsprechenden Objekts dies zulässt (vom Außenklima abgekoppelte Bereiche). Sind jene klimatische Bedingungen bekannt, bei denen es zu kritischen Phasenumwandlungen kommt, demnach Kristallisation und Auflösung oder auch Hydratation und Dehydratation, kann versucht werden, die Über- oder Unterschreitung dieser Grenzwerte zu verhindern. Für die Objekte kritisch zu sehende, zyklische Kristallisations- und Auflösungsabfolgen können so unter Umständen vermieden werden.
  
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==Verwendung des Programms==
Das Programm <i>ECOS-Runsalt</i> basiert auf der Modellierung chemischer Gleichgewichte (thermodynamisches Gleichgewichtsmodell), die eine thermodynamische Betrachtung von Phasenumwandlungen und Wechselwirkungen mit dem umgebenden Klima beinhaltet. Die ursprüngliche Version des Programms <i>ECOS</i>(<i>environmental control of salts</i>) <bib id="Price.etal:2000"/> wurde bis 2000 in einer von der Europäischen Union geförderten Kooperation zwischen dem University College London, der Universität East Anglia Norwich und der Universität Hamburg erstellt. Mit der Erweiterung <i>ECOS-Runsalt</i> <bib id="Bionda:2006"/> wurden die Benutzeroberfläche und Anwendung verbessert.
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Das Programm <i>ECOS-Runsalt</i> basiert auf der Modellierung chemischer Gleichgewichte, die eine thermodynamische Betrachtung von Phasenumwandlungen und Wechselwirkungen mit dem umgebenden Klima beinhaltet. Die ursprüngliche Version des Programms <i>ECOS</i>(<i>environmental control of salts</i>) <bib id="Price:2000"/> wurde bis 2000 in einer von der Europäischen Union geförderten Kooperation zwischen dem University College London, der Universität East Anglia Norwich und der Universität Hamburg erstellt. Mit der Erweiterung <i>ECOS-Runsalt</i> <bib id="Bionda:2006"/> wurden die Benutzeroberfläche und Anwendung verbessert.
  
 
Eingabedaten sind die Gehalte der am häufigsten in realen Objekten vorliegenden Ionen Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>, K<sup>+</sup>, Na<sup>+</sup>, SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, NO<sub>3</sub><sup>-</sup> und Cl<sup>-</sup>. Das Kristallisationsverhalten des eigegebenen Gemischs kann entweder bei einer gegebenen relativen Luftfeuchtigkeit in einem Bereich der Temperatur bestimmt werden oder bei einer gegebenen Temperatur in einem Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit.
 
Eingabedaten sind die Gehalte der am häufigsten in realen Objekten vorliegenden Ionen Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>, K<sup>+</sup>, Na<sup>+</sup>, SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, NO<sub>3</sub><sup>-</sup> und Cl<sup>-</sup>. Das Kristallisationsverhalten des eigegebenen Gemischs kann entweder bei einer gegebenen relativen Luftfeuchtigkeit in einem Bereich der Temperatur bestimmt werden oder bei einer gegebenen Temperatur in einem Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit.
  
Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt das Ergebnis einer Berechnung für eine konstante Temperatur von 23 °C, die für eine fiktive Mischung aus Natrium-, Kalium-, Calcium-, Nitrat- und Chlorid-Ionen erhalten wurde. Aufgetragen ist die auskristallisierte Salzmenge in mol gegen die relative Luftfeuchtigkeit. Es ist erkennbar, dass ab etwa 53 % RH die Kristallisation von Natriumchlorid einsetzt. Diese Luftfeuchtigkeit, bei der die Kristallisation der ersten Phase einsetzt, wird als kritische Kristallisationsfeuchte bezeichnet. Bei etwa 35 % RH setzt die Kristallisation einer Calciumnitrat-Phase ein, gefolgt von Kaliumchlorid bei 31 % RH. Diese  relative Luftfeuchtigkeit entspricht dem endgültigen Trocknungspunkt des Gemischs und wird als gemeinsame Deliqueszenzfeuchte bezeichnet. Anhand der Kristallisationsverläufe ist gut erkennbar, dass bei Salzmischungen ein Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden muss, in welchem es zur Kristallisation der verschiedenen Phasen kommt, so dass die Kristallisation schrittweise und nicht punktuell bei Erreichen eines bestimmten Werts der Luftfeuchtigkeit auftritt. Zudem wären für diesen konkreten Fall relative Luftfeuchtigkeiten oberhalb von 53 % RH günstig, da es dann zu keinen Kristallisationsprozessen kommt.
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Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt das Ergebnis einer Berechnung für eine konstante Temperatur von 23 °C, die für eine fiktive Mischung aus Natrium-, Kalium-, Calcium-, Nitrat- und Chlorid-Ionen erhalten wurde. Aufgetragen ist die auskristallisierte Salzmenge in mol gegen die relative Luftfeuchtigkeit. Es ist erkennbar, dass ab etwa 53 %RH die Kristallisation von Natriumchlorid einsetzt. Die Luftfeuchtigkeit, bei der die Kristallisation der ersten Phase einsetzt, wird als kritische Kristallisationsfeuchte bezeichnet. Bei etwa 35 %RH setzt die Kristallisation einer Calciumnitrat-Phase ein, gefolgt von Kaliumchlorid bei 31 %RH. Diese  relative Luftfeuchtigkeit entspricht dem endgültigen Trocknungspunkt des Gemischs und wird als gemeinsame Deliqueszenzfeuchte bezeichnet. Anhand der Kristallisationsverläufe ist gut erkennbar, dass bei Salzmischungen ein Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden muss, in welchem es zur Kristallisation der verschiedenen Phasen kommt, so dass die Kristallisation schrittweise und nicht punktuell bei Erreichen eines bestimmten Werts der Luftfeuchtigkeit auftritt. Zudem wären für diesen konkreten Fall relative Luftfeuchtigkeiten oberhalb von 53 %RH günstig, da es dann zu keinen Kristallisationsprozessen kommt.
  
Abbildung 1
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[[File:ECOS Beispiel.jpg|400px|thumb|left|'''Abbildung 1''': Kristallisationabfolge einer fiktiven Salzmischung bei 23 °C, berechnet mit <i>ECOS-Runsalt</i>. Aufgetragen ist die auskristallisierte Salzemnge in mol gegen die relative Luftfeuchtigkeit.]]
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Zu berücksichtigen ist der Aspekt, dass bei den Berechnungen lediglich Gleichgewichtszustände betrachtet werden. Treten kinetische Effekte wie metastabile Phasen oder Übersättigung auf, kann das Modell keine zuverlässigen Vorhersagen machen. Auch die Fraktionierung von Salzen als Folge von Transportprozessen im Objekt können nicht berücksichtigt werden. Bei dem Programm wird davon ausgegangen, dass sich während des gesamten Kristallisationsablaufs die bereits auskristallisierten Phasen noch in Kontakt mit der verbleibenden Lösung befinden. Somit kann es in einigen Gemischen sein, dass sich eine zunächst gebildete Phase im weiteren Verlauf wieder auflöst. An realen Objekten, bei denen es zum Lösungstransport kommt, kann dies allerdings nicht erfolgen, da das auskristallisierte Salz am Ort der Bildung immobilisiert ist, während die verbleibende Lösung weiter transportiert wird. Die auskristallisierte Phase wird sich in diesem Fall nicht wieder lösen können, wodurch sich eine Kristallisationsabfolge ergibt, die von der mit <i>ECOS-Runsalt</i> vorhergesagten Abfolge abweicht.
 
Zu berücksichtigen ist der Aspekt, dass bei den Berechnungen lediglich Gleichgewichtszustände betrachtet werden. Treten kinetische Effekte wie metastabile Phasen oder Übersättigung auf, kann das Modell keine zuverlässigen Vorhersagen machen. Auch die Fraktionierung von Salzen als Folge von Transportprozessen im Objekt können nicht berücksichtigt werden. Bei dem Programm wird davon ausgegangen, dass sich während des gesamten Kristallisationsablaufs die bereits auskristallisierten Phasen noch in Kontakt mit der verbleibenden Lösung befinden. Somit kann es in einigen Gemischen sein, dass sich eine zunächst gebildete Phase im weiteren Verlauf wieder auflöst. An realen Objekten, bei denen es zum Lösungstransport kommt, kann dies allerdings nicht erfolgen, da das auskristallisierte Salz am Ort der Bildung immobilisiert ist, während die verbleibende Lösung weiter transportiert wird. Die auskristallisierte Phase wird sich in diesem Fall nicht wieder lösen können, wodurch sich eine Kristallisationsabfolge ergibt, die von der mit <i>ECOS-Runsalt</i> vorhergesagten Abfolge abweicht.

Version vom 8. März 2019, 15:18 Uhr

Autor: Amelie Stahlbuhk
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