Charakterisierung der Form und des Agglomeratzustandes disperser Systeme mit einem 3D-Streulichtpartikelsensor

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220606072

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der in der ersten Förderperiode des Projektes entwickelte 3D Light Scattering Sensor (3D-LSS) für die Ermittlung der Partikelgröße im Bereich von 500 nm - 5 µm wurde auf die Messung der Partikelform erweitert. Dafür wurde eine Verzögerungsplatte in das Messsystem installiert, die das vertikal polarisierte Laserlicht zirkular polarisiert. Die Intensität des gestreuten Lichts wird gleichzeitig an mehreren Positionen (Winkeln) räumlich erfasst. Für die elektronische Erfassung der Messsignale werden die über die Lichtwellenleiter zu den Photomultipliern übertragenen Lichtpulse zunächst in Stromsignale umgewandelt. Diese werden simultan verstärkt, tiefpassgefiltert und in Spannungssignale umgewandelt. Aus der Summe aller gemessenen Partikel im Aerosolstrom kann mit der Signalauswertung eine Verteilung des Sphärizitätsindex erstellt werden, die eine wichtige Aussage über die Partikelform geben kann. Die Validierung des entwickelten Messsystems wurde mit gängigen Testaerosolen unterschiedlicher Partikelform durchgeführt. Der mit dem 3D-LSS ermittelte Sphärizitätsindex liefert eine gute Übereinstimmung mit den geometrischen Eigenschaften der vermessenen Aerosole. Weiterhin wurden die stäbchenförmigen Kupferphthalocyanin-Partikel mit dem im TP5 des Verbundprojektes entwickelten Aerosolgenerator durch Desublimation bei unterschiedlichen Temperaturen generiert und mit dem 3D-LSS vermessen. Die Veränderung der Partikelform mit der Zunahme der Temperatur in der Sublimationskammer konnte mit dem 3D-LSS ermittelt werden. Diesen Zusammenhang bestätigten auch die REM-Aufnahmen der Partikeln und vergleichbare Messungen mit anderen Messtechniken aus dem TP6. Für den Einsatz des 3D-LSS-Sensors in in-Line-Messungen wurde das gesamte Messsystem auf eine mobile Einheit aufgebaut und auf die Robustheit überprüft. Der Einsatz des mobilen 3D-LSS-Sensors in Messkampagnen bei Projektpartnern hat gezeigt, dass das entwickelte Messsystem die Belastungen beim Transport und die Dauermessungen gut überstehen kann. Damit lässt sich dieses System für reale Aerosole vor Ort in In-Line Messungen einsetzen. Die Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration im Aerosol hat gezeigt, dass das 3D-LSS-Messsystem zuverlässige Messergebnisse bis zu einer maximalen Konzen-tration von 2·104 cm-3 im Aerosolstrom liefern kann. An der Universität Duisburg-Essen (TP1) und an der Technischen Universität Stuttgart (TP3) wurden verschiedene Aerosole analysiert und vermessen. Es konnte gezeigt werden, dass 3D-LSS nicht nur zuverlässige Aussagen über die Partikelform von Einzelaerosolen liefert, sondern auch Aerosolgemische charakterisieren kann. Um eine Aussage über die Partikelbewegung in der aerodynamischen Fokussierung zu geben, wurden Simulationen und Experimente mit einer skalierten Düse durchgeführt. Durch die CFD- DEM-Simulationen mit einem Widerstandsmodell, das Orientierung und Form der Partikel berücksichtigt, konnte die dreidimensionale Partikelbewegung in der aerodynamischen Fokussierung des 3D-LSS berechnet werden. Die Ergebnisse zeigten keine Rotation von stäbchenförmigen Partikeln im Messvolumen. Mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der skalierten Düse konnte auch gezeigt werden, dass die stäbchenförmigen Partikeln keine Rotation aufweisen, weder im Bereich des Düsenausgangs noch im Bereich des Messvolumens. Dies lässt den Schluss zu, dass eine Partikelrotation im kleinen Messvolumen des 3D-LSS Messsystems als sehr unwahrscheinlich zu beurteilen ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Innovative Optical and Aerodynamic Online Measurement Techniques for Nano-Aerosols and their Application in Multi-Parameter Particle Characterization (MPaC), PARTEC 2016, Proceedings, Nürnberg, 19.-21.04.2016
  Huber, F. J. T., Will, S., Pitz, M., Antonyuk, S., Kiesler, D., Kruis, E.
  
• Formanalyse gasgetragener Partikeln mit einem 3D- Streulichtsensor: Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Partikelmesstechnik 2017, Dresden, 14.-15.03.2017
  Pitz, M., Antonyuk, S., Ripperger, S.
  
• Generation of non-spherical particles by desublimation and detection with a 3D Light Scattering Sensor, 10th World Congress of Chemical Engineering “WCCE 10”, 01.-05.10.2017, Barcelona, Spain
  Dillenburger, T., Pitz, M., Ripperger, S., Antonyuk S.
  
• Characterization of particle size and shape with a novel 3D light scattering sensor (3D-LSS) for aerosols. 8th World Congress on Particle Technology. Orlando, USA, 22.04.2018-26.04.2018
  Breuninger, P., Pitz, M., Antonyuk, S.
  
• Development of a 3D Light Scattering Sensor for online characterization of aerosol particles, Particle & Particle System Characterization 35 (2018) 6, 1800045
  Pitz, M., Hellmann, A., Ripperger, S., Antonyuk, S.
  
• Messung der Sphärizität von gesinterten Siliziumdioxidpartikeln mit einem 3D-Streulichtsensor (3D-LSS). Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppe "Partikelmesstechnik" 2018. Bremen, Germany, 08.03.2018-09.03.2018
  Pitz, M., Antonyuk, S.
  
• Multiparameter Characterization of Aerosols, Chemie Ingenieur Technik 90 (2018) 7, 923-936
  Babick, F., Hillemann, L., Stintz, M., Dillenburger, T., Pitz, M., Hellmann, A., Antonyuk, S., Ripperger, S., Huber, F. J. T., Will, S., Wernet, R., Seipenbusch, M., Gensch, M., Weber, A., Kiesler, D., Kruis, E., Friehmelt, R., and B. Sachweh
  
• Aerosol generation of non-spherical particles by desublimation of copper phthalocyanine, Chemical Engineering & Technology 42 (2019), 3, 599-606
  Dillenburger, T., Hellmann, A., Hillemann, L., Stintz, M., Ripperger, S., Antonyuk, S.
  
• DEM-CFD study of the filter cake formation process formed due to non-spherical particles, Particuology (2020)
  Deshpande, R., Antonyuk, S., Iliev, O.