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Characterization of shape and state of agglomeration of disperse systems by a 3D Light Scattering Sensor

Subject Area Mechanical Process Engineering
Term from 2012 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 220606072
 
Final Report Year 2020

Final Report Abstract

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.

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