Fällung und chemische Desintegration von polydispersem Titan(IV)-oxid
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes waren folgende Arbeitsschritte vorgesehen: 1. Die Kinetik der Fällung und Redispergierung der TiO2-Nanopartikel sollte unter diffusions- und strömungskontrollierten Bedingungen untersucht werden. Die Stabilisierung der Nanopartikel hatte dabei einerseits elektrostatisch unter Zugabe von Säuren und Basen, anderseits sterisch durch Einsatz von Dispergierhilfsmittel, Polyelektrolyten und chemischen Zusatzstoffen in polarem und nichtpolarem Lösungsmittel zu erfolgen. Eine Übertragung auf diskontinuierlich arbeitende Rührreaktoren (Füllvolumen bis zu 3 Liter) unter Veränderung der hydrodynamischen Bedingungen war Bestandteil des Projektes. 2. Das in der Suspension verteilte Partikelsystem sollte während des mechanochemischen Redispergierungsprozesses mit granulometrischen Methoden (u.a. Lichtstreuung, Laserbeugung, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie) sowie durch das Zeta-Potential charakterisiert werden. Die Ergebnisse der Messungen werden zur Modellierung des reversiblen Agglomerations- und Deagglomerationsprozess genutzt. 3. Die Modellierung und Simulation der Kinetik des Agglomerations- und Desintegrationsprozesses sollte auf Grundlage von Populationsbilanzen erfolgen. Die Mikroprozesse waren mit Hilfe geeigneter physikalischer Modelle unter Berücksichtigung der Partikel-Partikel-Wechselwirkungen zu modellieren. 4. Das nanoskalige TiO2 war aus der Suspension als Feststoff zu isolieren und granulometrisch zu charakterisieren. Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: a) Die Herstellung von nanoskaligem Titan(IV)-oxid gelingt im wässrigen Dispersionsmedium bei elektrostatischer Stabilisierung der Partikel im sauren pH-Bereich. Im basischen pH-Bereich liegt dagegen die Partikelgröße im Mikrometerbereich vor. Bei Verwendung von Isopropanol als Dispersionsmedium ist dagegen die Herstellung von nanoskaligen TiO2-Partikeln im sauren als auch im basischen pH-Bereich möglich. b) Die sterische Stabilisierung ist in Isopropanol effektiver als in Ethanol. Für die sterische Stabilisierung wurden verschiedene Tenside eingesetzt, die auch in der Kosmetik und in der Lebensmittelindustrie Anwendung finden. Damit sind diese Partikelsysteme auch für Pickering-Emulsionen interessant. Die Redispergierung des Titan(IV)-oxides kann bei Anwesenheit von Dispergierhilfsmitteln erreicht werden. Die während des Redispergierungsprozesses entstandenen Partikel und Agglomerate haben unterschiedliche Morphologie, abhängig von den funktionellen Gruppen des Dispergierhilfsmittels. Beste Ergebnisse wurden mit dem Dispergierhilfsmittel Disperbyk 111 erreicht, das saure funktionelle Gruppen besitzt. Dabei spielen Prozessbedingungen, wie pH-Wert des Dispersionsmittels, Massenverhältnis von Feststoff und Dispergierhilfsmittel, eine wesentliche Rolle. c) Die zeitliche Verfolgung des Redispergierungsprozesses u.a. mittels Partikelgrößenverteilungen und die Berechnungen der Agglomerationskonstanten zeigen, dass ohne mechanisches Rühren die Brownsche Bewegung den Agglomerationsprozess beherrscht. Außerdem steigt mit der Zunahme der Partikelgröße der Einfluss des strömungskontrollierten Redispergierungsprozesses. d) Zur Simulation des Desintegrationsprozesses wurde ein Populationsbilanzmodell auf Grundlage der ablaufenden Mikroprozesse (Agglomerationsprozess: Ansatz nach Smoluchowski, Deagglomeration u.a. Ansatz nach Diemer und Austin) entwickelt. Die Lösung der Populationsbilanzgleichungen erfolgte mathematisch mit Hilfe der Cell-Average-Technik (CAT) nach Kumar. Als Partikel-Partikel-Wechselwirkungen werden van-der-Waals- und elektrostatische Wechselwirkungen berücksichtigt. Das Modell wurde auf Grundlage der Prozessparameter der Redispergierung überprüft. e) Die Ergebnisse der Simulationen unter Berücksichtigung der Partikel-Partikel- Wechselwirkungen zeigen, dass in diesem Fall auf Grund der starken elektrostatischen Abstoßungskräfte die Agglomerationswahrscheinlichkeit deutlich niedriger ist. Es zeigt sich, dass die Suspension gegen Agglomeration unter den gegebenen Prozessbedingungen stabil ist. Die Berechnungen der Redispergierungskonstante zeigen, dass die Agglomerate des Titan(IV)-oxides zur Deagglomeration unter den gegebenen Prozessbedingungen neigen. Die entwickelten mathematischen Modelle auf Grundlage der ablaufenden Mikroprozesse gestatten eine exakte zeitliche Beschreibung der Partikelredispergierungskinetik. Bei der numerischen Berechnung wird die Partikelgrößenverteilungsdichte als logarithmisch-normalverteilt angenommen. Der Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den modellierten Partikelgrößenverteilungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. f) Es wurden TiO2-Nanopartikel-Suspensionen unter Zugabe von Tensiden für den Einsatz in Pickering-Emulsionen hergestellt. Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden und dem Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik in Magdeburg wurden die hergestellten Pickering-Emulsionen in Dresden charakterisiert. g) Die Fest-Flüssig-Abtrennung der erzeugten Nanopartikel erfolgte durch Zentrifugieren, die Pulver im trockenen Zustand wurden u.a. mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht.
Publications
- Herstellung und Charakterisierung von monodispersen Partikeln aus Titan(IV)-oxid, Workshop SPP 1273 „Streumethoden“, 29.09.- 30.09. 2008, Bayreuth
V. Yordanova, W. Hintz, J. Tomas
- Herstellung und Charakterisierung von Titan(IV)-oxid-Nanopartikeln, Kolloquium im Rahmen des SPP 1273 „Kolloidverfahrenstechnik“, 10.12.2008, Dresden
V. Yordanova, W. Hintz, J. Tomas
- Redispergierungsprozess von polydispersem Titan(IV)-oxid bei Verwendung von Dispergiermitteln, Workshop SPP 1273 „Kolloidale Wechselwirkungen und ihre Bedeutung für die Strukturbildung: Theorie, Experiment und Simulation“, 11.09.-12.09.2008, Berlin
V. Yordanova, W. Hintz, J. Tomas
- Fällung und chemische Desintegration von polydispersem Titan(IV)-oxid, Workshop SPP 1273 „Modellierung und Simulation kolloidaler Systeme“, 26.02.-27.02.2009, Halle
V. Yordanova, W. Hintz, J. Tomas
