Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelsynthese in Sprayflammen

  Die drei Zonen der Sprayflammensynthese WSA Die drei Zonen der Sprayflammensynthese

Die Zerstäubung von Prekursorlösungen ist ein essentieller Teilprozess der Sprayflammensynthese von Nanopartikeln. Sie stellt die Tropfenphase bereit, deren Charakteristik eine entscheidende Anfangsbedingung für die nachfolgende Verdunstung, turbulente Durchmischung und Verbrennung darstellt. Auf diesem Weg nimmt die Zerstäubung direkt oder indirekt Einfluss auf die Ausbildung von lokalen Temperaturen, Gaszusammensetzungen, Geschwindigkeitsfluktuationen und Verweilzeiten in der Sprayflamme. Da diese lokalen Bedingungen die einzelnen Mechanismen der Partikelsynthese wesentlich bestimmen, besteht ein Wirkzusammenhang zwischen den Eigenschaften der finalen Nanomaterialien und der zuvor stattgefundenen düsennahen Zerstäubung.

Allerdings sind der Einfluss des Einspritzsystems und der Charakteristik der primären Tropfenphase auf die Sprayflammensynthese bisher nicht ausreichend erforscht. In der Literatur finden sich zu dieser Thematik nur wenige Studien mit teils widersprüchlichen Erkenntnissen. Dieser Umstand ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass bisher vornehmlich ausgewählte Koaxialzerstäuber zum Einsatz kamen, mit denen keine breit angelegte Variation der primären Tropfencharakteristik möglich ist. Eine solche Variation ist jedoch ein wichtiger Baustein zum besseren Verständnis der gesamten Wirkungskette der Partikelerzeugung. Die Tatsache, dass die Konfiguration des Zerstäubers eine der wenigen Freiheitsgrade darstellt, die bei vorgegebenen Prozessrandbedingungen für eine Steuerung und Optimierung der Endproduktqualität zur Verfügung stehen, unterstreicht die Wichtigkeit dieser Fragestellung.

Dieses Forschungsvorhaben widmet sich somit dem Ziel, ein grundlegendes Verständnis über den Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelbildung in turbulenten Sprayflammen zu schaffen. So soll geklärt werden, ob und auf welche Weise sich eine Veränderung der Charakteristik der primären Tropfenphase in den lokalen Reaktionsbedingungen der Sprayflamme niederschlägt und wie diese Reaktionsbedingungen die einzelnen Prozessschritte der Partikelbildung beeinflussen. Wesentliches Mittel zur Ermittlung der Wirkzusammenhänge ist eine breit angelegte systematische Variation der primären Tropfenströmung. Diese Variation ist mit der im SPP 1980 vorgegebenen Düse allein nicht möglich. Daher sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens unterschiedliche Zerstäubertypen zum Einsatz kommen (Vollkegel, Hohlkegel, Dralldüse) und an den SpraySyn Brenner angepasst werden, um auf diesem Weg nicht nur die mittlere Tropfengröße, sondern darüber hinaus die örtliche Verteilung von Tropfenanzahl, -größe und -geschwindigkeit gezielt zu beeinflussen. Die Zusammenarbeit von drei Forschungsstellen aus unterschiedlichen Disziplinen ermöglicht eine detaillierte experimentelle und numerische Untersuchung wichtiger Prozessschritte (Düseninnenströmung, Zerstäubung, Partikelbildung etc.) entlang der gesamten Wirkkette.

 

Projektdetails

Mitarbeiter

Projektlaufzeit

07/2017-06/2018

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