Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelsynthese in Sprayflammen

  Die drei Zonen der Sprayflammensynthese Urheberrecht: WSA Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelsynthese in Sprayflammen

Die Sprayflammensynthese von Nanopartikeln wird maßgeblich von der Zerstäubung der Prekursorlösungen beeinflusst, denn die die zeitliche und räumliche Charakteristik der Tropfen und der Gasphase im Düsennahbereich ist eine essentielle Eingangsbedingung für die Ausbildung der lokalen Synthesebedingungen in der Flamme, denen die Partikel im Laufe ihrer Entstehung entlang ihrer Trajektorie ausgesetzt sind. Eine Veränderung der Zerstäubung schlägt sich somit direkt in den Partikeleigenschaften nieder. Aus diesem Grund stellt das Düsendesign einen wesentlichen Freiheitsgrad dar, der dazu genutzt werden kann, ein besseres Verständnis über die Kopplung von Sprayflammen- und Partikelbildungsmechanismen zu gewinnen und auf dieser Grundlage langfristig eine gezielte Manipulation der Partikeleigenschaften zu ermöglichen.


Durch die eigenen Vorarbeiten im laufenden Projekt konnte die hohe Wichtigkeit der Düsengeometrie für die Sprayflammensynthese nachgewiesen werden. So wurde offengelegt, dass eine ungeeignete Zerstäubung zu unerwünschten Flammenpulsationen führen kann. Da solche Pulsationen eine fundierte Untersuchung über den Einfluss der Spraycharakteristik auf die Prozesskette der Partikelentstehung erschweren, wurde ein angepasstes Zerstäuberdesign entwickelt, mit dessen Hilfe Flammenpulsationen signifikant reduziert wurden. Auf dieser Grundlage und mithilfe numerischer und experimenteller Untersuchungen konnte qualitativ und quantitativ gezeigt werden, dass sich die Partikelgrößenverteilung signifikant durch das gewählte Zerstäuberdesigns beeinflussen lässt. Zur Klärung der Fragestellung, ob und unter welchen Bedingungen eine direkte Korrelation zwischen der Spray-Charakteristik und den Partikeleigenschaften besteht, bedarf es jedoch weiterer Forschung. Weiterhin ist unbekannt, wie die verantwortlichen Einzelmechanismen der Partikelbildung von den düsenabhängigen lokalen Synthesebedingungen entlang der Trajektorie beeinflusst werden.


Vor diesem Hintergrund widmet sich dieses Forschungsvorhaben dem Ziel, auf Grundlage einer gezielten Variation der Spray-Charakteristik und mithilfe hochauflösender experimenteller und numerischer Methoden ein grundlegendes Verständnis über den Einfluss von lokalen Spray- und Flammenbedingungen auf die Synthesemechanismen zu gewinnen. In diesem Zusammenhang soll quantifiziert werden, wie und in welchem Umfang einzelne düsenabhängige Zerstäubungsprozesse und nachfolgende Tropfen-Flammen-Wechselwirkungen die Bildung der lokalen Reaktions- und Synthesebedingungen beeinflussen. Auf dieser Grundlage soll ein grundlegendes Verständnis über die gegenseitige Sensitivität von Partikelbildungsmechanismen und Sprühflammenmechanismen gewonnen werden. Dabei sollen neue Zerstäuberdesigns eingeführt und genutzt werden, die eine systematische Variation der relevanten Sprayflammenmechanismen durch eine gezielte Manipulation der Spraycharakteristik möglich machen.

 

Projektdetails

Mitarbeiter

Projektlaufzeit

10/2020 - 09/2022

Gefördert durch

DFG, SPP 1980

Kooperationspartner

  • Prof. Heinz Pitsch, Institut für Technische Verbrennung der RWTH Aachen
  • Prof. Hans-Joachim Schmid, Lehrstuhl für Partikelverfahrenstechnik, Universität Paderborn

Eingesetzte Infrastruktur

  • Mikroskopie
  • PDA
  • LDA
  • FTIR
  • Highspeed-Visualisierung
  • Neu: Schlieren
  • Neu: Ultra-Highspeed Visualisierung