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Physikalische Rekonstruktion von Kieselgelmonolithen in Kapillarformat und direkte Simulation von Strömung und Stofftransport auf Porenebene

Subject Area Chemical and Thermal Process Engineering
Term from 2011 to 2014
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 199929945
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

In dem Projekt wurde ein innovativer, leistungsstarker methodischer Ansatz ausgebaut und angewendet, um Impulse für die Herstellung (Synthese, Charakterisierung und Anwendung in adsorptiver Stofftrennung) von Kieselgelmonolithen als Bulk-Material, sowie im analytischen und Kapillarsäulenformat für die (c)HPLC zu geben. Durch eine Kombination von physikalischer Rekonstruktion (basierend auf konfokaler Lasermikroskopie und elektronenmikroskopischer Tomographie), statistischer Analyse der rekonstruierten Makroporenräume (ortsaufgelöste Porositäts- und Chordlängenverteilungen; k-Gamma-Funktion), dreidimensionaler Modellierung von Strömung und Stofftransport auf Porenebene (auf einer High-Performance Computing-Plattform), sowie experimentellen makroskopischen Feldstudien konnten wir systematisch die Morphologie-Transport-Beziehungen für Kieselgelmonolithen untersuchen. Dabei standen Fragestellungen im Vordergrund, die seit Jahren zu einer Stagnation in der Entwicklung von leistungs- und konkurrenzfähigeren Monolithen (verglichen mit partikulären Festbetten) geführt haben. Zum einen handelt es sich um die Wandanbindungsthematik, die durch Schrumpfung der Monolithen bei ihrer Herstellung verheerende Konsequenzen für die laterale Heterogenität und resultierende chromatographische Trenneffizienz in der Praxis nach sich ziehen kann. Zum anderen ging es um die systematische Verkleinerung der Makroporendimensionen, ebenfalls mit dem Ziel, chromatographische Performance dieser Materialien deutlich zu steigern. Beide Fragestellungen erfordern die grundlegende Charakterisierung der Morphologie-Transport- Beziehungen bei systematisch veränderten Synthesebedigungen. Die in dem Projekt verfolgten nicht-klassischen Ansätze erlaubten komplementäre, quantitative morphologische Einblicke von der Porenebene bis zur Festbettebene, lieferten richtungsweisende, präzise Korrelationen zur Hydrodynamik (Simulationen) und haben somit letztlich entscheidende Impulse für nachhaltige Synthesestrategien der Kieselgelmonolithen, verfeinerte, aussagekräftigere Analysen in der chromatographischen Praxis und für das „Engineering“ des Säulenformats gegeben. Das Projekt hat aus meiner Sicht die Tür geöffnet für zukünftige, richtungsweisende Arbeiten, in denen nun die physikalisch rekonstruierten Festbetten und andere Materialien, z.B. Packungen und Membranreaktoren, deren Strukturen dann ebenfalls physikalisch rekonstruiert vorliegen, als Basis für die High-Performance Computing-Simulationen von Strömung und Stofftransport, sowie zusätzlich eingebundene Adsorptions- und Reaktionsprozesse dienen. Auf diese Weise kann zukünftig eine detaillierte und meines Wissens bisher nicht dokumentierte, eng vernetzte Charakterisierung von morphologischen und Transporteigenschaften physikalisch rekonstruierter Festbetten möglich sein. Von räumlichen Regionen in den Materialien, in denen Diffusion und Adsorption bestimmen, bis zu Regionen, in denen das Strömungsfeld seine Dominanz auslebt, wird durch morphologische Deskriptoren die Heterogenität dieser Räume quantitativ erfasst; analog geschieht dies mit der Simulation von Diffusion/Adsorption, Strömung und Stofftransport und daraus gewonnenen Größen, die diese Heterogenität wiederspiegeln. Somit lassen sich die bei den Anwendungen im Mittelpunkt stehenden Transporteigenschaften mit morphologischen Eigenschaften, die ihrerseits die Herstellung bzw. die Synthese der Materialien verkörpern, korrelieren. Auf diese Weise können Deskriptoren identifiziert und durch die Transportsimulationen validiert werden, die zukünftig auf alleiniger Basis physikalischer Rekonstruktionen eine systematische Optimierung der Materialeigenschaften von der Synthese bis zur Anwendung ermöglichen. Mit diesen wissenschaftlichen Fragen und Ansätzen werde ich mich in zunkünftigen Arbeiten auseinandersetzen.

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