AiF-FV-Nummer 15974 N

Laserbasierte Untersuchungen von Spezieskonzentrationen und Temperaturverteilungen in der Synthese hochspezifischer Nanopartikel in Gasphasenreaktoren

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.02.2009 bis 30.04.2011

Forschungsstellen

  • Universität Duisburg-Essen Fakultät Ingenieurwissenschaften Institut für Verbrennung und Gasdynamik
    Lotharstr. 1, 47048 Duisburg
    http://www.uni-due.de/ivg

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

Zusammenfassung

Ziel des Vorhabens war es, Gasphasenreaktoren für die Herstellung von Nanoparti-keln mit einer engen Größenverteilung und einer definierten Zusammensetzung zu optimieren, die die Synthese von Nanomaterialien mit außerordentlich definierten Eigenschaften im industriellen Maßstab ermöglichen. Neben einem konstruktiven Teil, der Aufbereitung der produzierten Partikel und der Entwicklung optischer Mess-methoden, sollten Messungen in einem für die Industrie relevanten Flammenreaktor unter variierenden Betriebsbedingungen erfolgen. Die Ergebnisse sollten dann der Validierung von Modellrechnungen der reaktiven Strömungsprozesse dienen, um einerseits den Reaktionsablauf in den Reaktoren besser zu verstehen und andererseits durch Variation der Prozessparameter in den Modellen und Experimenten Bedingungen für homogene Bildungsbedingungen im Reaktor zu erzielen. Ergebnisse aus diesem Lösungsansatz sollten Aufschluss über die Reaktionsbedingungen in Gasphasenreaktoren geben, indem verfahrenstechnisch relevante Größen wie die Temperatur und Konzentrationsverteilungen von Reaktionsintermediaten optisch – d. h. berührungslos – gemessen werden. Hierzu wurde die laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) als diagnostische Spektroskopiemethode eingesetzt. Innerhalb des Forschungsvorhabens sind Eisenoxidpartikel in Flammenreaktoren bei unterschiedlichen Syntheseparametern hergestellt worden. Für flächige Temperaturmessungen während der Synthese von Fe²O³ wurde die Multilinien NO-LIF Thermometrie zunächst in einem Niederdruck-Flammenreaktor im La-bormaßstab weiterentwickelt. Im selben Reaktor wurden zusätzlich Messstrategien für die mittels LIF ermittelte flächige Verteilung von Eisenatomen bei der Synthese von Fe²O³ entwickelt. Ein Schwerpunkt lag auf der Bestimmung absoluter Atomkonzentrationen, die eine strengere Validierung von Simulationen des Reaktionsgeschehens erlaubt. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen flossen Temperatur, Geschwindigkeit und Entstehungsrate von Fe²O³ in die Berechnung der Partikeldynamik ein. Die numerischen Ergebnisse decken sich bereits bei Verwendung sehr vereinfachter Modelle gut mit dem Experiment. Aufgrund der sehr guten Übereinstimmung mit gemessenen Fe-Atomkonzentrationen und anhand der Partikelbildungsdynamik kann das verwendete Reaktionsmodell als verifiziert betrachtet und für weitere Untersuchungen vergleichbarer Prozesse eingesetzt werden. Zusammenfassend kann das Projekt als erfolgreich eingestuft werden, da die entwickelten laser-spektroskopischen Methoden sich für die detaillierte und quantitative Bestimmung der wichtigen Parameter Gastemperatur und Atomkonzentrationen von Intermediaten im Reaktionsgemisch in industrierelevanten Nanopartikel-Flammen-reaktoren bewährt haben und die Ergebnisse eine wertvolle Datenbasis für die Validierung chemisch-kinetischer und strömungsphysikalischer numerischer Simulationen der Reaktions- und Partikelbildungsprozesse geeignet sind. Auf Basis dieser Simulationsrechnungen ist es gelungen, den Prozess modellhaft zu beschreiben. Diese Ergebnisse liefern entscheidenden Input für die Synthese der im Projekt untersuchten und in Zukunft noch geplanten Synthese von hochspezifischen Nanopartikeln. Die Ausweitung des hier eingesetzten Instrumentariums an experimentellen und numerischen Methoden erschließt weitere Anwendungsfelder für das Detailverständnis von Herstellungsverfahren hochspezifischer Nanopartikel und dient als Grundlage für weiterführende Arbeiten in einem Folgevorhaben.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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