Bildungsdynamik von Heteroaggregaten in der dispersen Phase – Modellierung, Simulation und Experimente

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Kaiser; Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462475304

Hetero-Aggregate sind Verbundpartikel, die aus zwei oder mehr Phasen gebildet werden. Ein möglicher Prozessweg ist die Mischung von Aerosolen. Die Funktionalität von Hetero-Aggregaten wird durch Größe, Kristallinität und Zusammensetzung der Primärpartikel sowie die Morphologie des Aggregats und die Qualität der Hetero-Kontakte bestimmt. Die Bildung von Hetero-Aggregaten wird durch die Mischung der Aerosole und die Kollisionen der Partikel bestimmt. Bei Nanopartikeln ist jedoch die Beobachtbarkeit der Hetero-Aggregatbildung aufgrund ihrer geringen Größe begrenzt, und sie zeigen Transporteigenschaften, die eine Simulation herausfordernd machen. Dieses Projekt untersucht die Mischung von Aerosolströmen und die darauffolgende Hetero-Aggregation von Nanopartikeln experimentell durch in situ Laserdiagnostik und in numerischen Simulationen von Transport und Partikeldynamik. Die Hauptkonfiguration ist ein runder Jet in einem Hüllstrom. Jeder dieser beiden Ströme trägt eine andere Partikelart. Der Jet kann laminar sein mit einem Wirbelring, der durch periodische Modulation in der Austrittsgeschwindigkeit des Jets erzeugt wird, oder bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten und ohne Modulation, ein klassischer, runder, turbulenter Jet. Hauptsächlich werden zwei Aerosol-Materialsysteme betrachtet: ein System, das eine partikelsorten-spezifische optische Erkennung ermöglicht, jedoch ohne Funktionalität der Hetero-Aggregate, und TiO2/Graphen-Nanopartikel - ein System, das für die Messungen herausfordernder ist, aber funktionelle Hetero-Aggregate mit elektrokatalytischer Aktivität erzeugt. Im ersten System wird laserinduzierte Phosphoreszenz verwendet, um die Verteilung der beiden Partikelarten in der Strömung abzubilden. Sie werden im Fluss in zusätzlichen Experimenten mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung verfolgt. Im zweiten (funktionale- Partikel-) System untersuchen wir, welche Methoden eingesetzt werden können, um die beiden Partikelarten optisch zu unterscheiden, um ähnliche Messungen wie im ersten (nicht-funktionale-Partikel-) System zu ermöglichen. Zusätzlich bieten in situ und ex situ Charakterisierungen der Hetero-Aggregate detaillierte Informationen über die Morphologie und Qualität der Hetero-Kontakte. Die Experimente werden durch numerische Untersuchungen ergänzt. Im ersten Schritt wird eine dreidimensionale direkte numerische Simulation (DNS) generischer Mischungszonen durchgeführt, später Grobstruktur-Simulationen (LES) der vollständig turbulenten Mischung unter Verwendung von Modellen, die aus der DNS abgeleitet sind. Die Transportsimulationen sind vollständig an Populationsbilanzgleichungen für die Aggregatanzahlkonzentration, Volumen, Oberfläche und durchschnittliche Zusammensetzung gekoppelt. Die Anzahl und Qualität der Hetero-Kontakte werden aus Monte-Carlo-Simulationen berechnet, wobei einige der Modelle auf Messungen in Experimenten basieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2289: Gestaltung von Synergien in maßgeschneiderten Mischungen heterogener Pulver: Hetero-Aggregationen partikulärer Systeme und deren Eigenschaften
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf