Berechnung von Partikelform- und Partikelstrukturparametern aus Messdaten kombinierter Online-Messtechniken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes war die Entwicklung von Berechnungsmodellen, die eine Rückführung von mehrdimensionalen Messdaten auf die Partikelgrößenverteilung sowie relevante Form- und Strukturparameter (z. B. fraktale Dimension, Aggregatporosität, Seitenverhältnis, Rauigkeitsgrad) ermöglichen. Die mehrdimensionalen Messdaten können dabei mit Hilfe einzelner Messtechniken (z. B. WALS, 3D-LSS) oder durch Kombination von unterschiedlichen Messtechniken (z. B. DAPS mit DEMA) gewonnen werden. Sie betreffen die Quantifizierung optischer Dispersitätsmerkmale (z. B. Streuquerschnitt als Funktion des Beobachtungswinkels, Extinktionsquerschnitt) und mobilitätsbezogener Dispersitätsmerkmale (z. B. Stokesdurchmesser, Mobilitätsdurchmesser) und ggf. der Partikelmasse. Zunächst wurden für ausgewählte Partikelmorphologien Berechnungsmodelle für die relevanten Dispersitätsmerkmale zusammengestellt bzw. entwickelt. Dabei wurden auch approximative, aber weniger rechenintensive Ansätze getestet und bewertet. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeiten ist ein modular aufgebautes MATLAB-Programme zur Berechnung optischen Partikeleigenschaften für unterschiedliche Fragestellungen (z. B. Winkelabhängigkeit der Lichtstreuung oder spektrale Funktion der Probentransmission). Für die mobilitätsbezogenen Partikelmerkmale wurde neue Ansätze geprüft, die in Phase 1 von MPaC noch keine Rolle spielten (u. a. das bead-shell-Modell für komplexe Geometrien). Mit Hilfe der Berechnungsmodelle wurden schließlich Messergebnisse für die MPaC-relevanten Messsysteme aber auch für andere Messkonfigurationen simuliert und in Hinblick auf die Erkennbarkeit von mehrdimensionalen Partikeleigenschaften geprüft. In allen Fällen zeigt sich, dass der Informationsgehalt der Messsignale infolge von begrenzten Arbeitsbereichen, diskreten Messstellen, Unsicherheit bzgl. der Partikelorientierung und verteilten Partikeleigenschaften jeweils begrenzt ist, und z. B. keine eindeutige Form- oder Strukturidentifizierung ermöglichen. Allerdings können mehrdimensionale Qualitätsschwankungen für bekannte Partikelprozesse in gewissem Umfang quantifiziert werden. Für ausgewählte Analyseaufgaben lassen sich folgende Messsysteme zuordnen: • fraktale Aggregate aus nanoskaligen Partikeln: messbar mit WALS (fraktale Dimension und Aggregatgröße), DAPS + DEMA, APM + DEMA (Formfaktor, Primärpartikelgröße und Aggregatgröße/Mobilitätsdurchmesser); zum Teil auch 3D-LSS; • kompakte Agglomerate: DAPS + DEMA, APM + DEMA (Porosität, Mobilitätsdurchmesser); • nanoskalige Stäbchen und Sphäroide: DAPS + DEMA, APM + DEMA (Formfaktor, Mobilitätsdurchmesser); • kompakte Kugeln mit irregulär geformten Fremdpartikeln: 3D-LSS (Sphärizitätsindex, Größe); • Partikel mit nanoskaligen Oberflächenstrukturen (z. B. Noppen): Unterscheidung von Trägerpartikeln ist schwierig; oder Erfassung mit materialsensitiven Messmethoden; • Partikel aus unterschiedlichen Materialien: z. B. erfassbar über den Vergleich von Vorwärts- mit Seitwärtsstreuung oder mit materialsensitiven Messmethoden).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modelling optical and (aero-)dynamic properties of particles for multi-parameter characterisation. PARTEC 2016, International congress on particle technology, Nürnberg, 19.-21.04.2016
F. Babick et al.
- Zeta potential measurements for non-spherical colloidal particles – Practical issues of characterisation of interfacial properties of nanoparticles. Colloids Surf., A, 532:516-521, 2017
R. R. Retamal Marín; F. Babick; L. Hillemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.04.010) - Multiparameter Characterization of Aerosols. Chem. Ing. Tech., 90(7):923–936, 2018
F. Babick, L. Hillemann, M. Stintz, T. Dillenburger, M. Pitz, A. Hellmann, S. Antonyuk, S. Ripperger, F. J. T. Huber, S. Will, R. Wernet, M. Seipenbusch, M. Gensch, A. Weber, D. Kiesler, E. Kruis, R. Friehmelt, B. Sachweh,
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201700094) - Vergleich von Verfahren zur Charakterisierung von Aerosolen an einem Stoffsystem mit variierbarer Partikelform. ProcessNet-Fachgruppen „Partikelmesstechnik“, „Kristallisation“, Bremen, 8.- 9.03.2018.
L. Hillemann et al.
- Mobility of non-spherical aerosol particles. Approximate description for a wide range of Knudsen numbers. PARTEC 2019, International congress on particle technology, Nürnberg, 9.-11.04.2019
L. Schricker et al.
- Performance test of a novel multi-parameter optical particle counter for colloidal particles. PARTEC 2019, International congress on particle technology, Nürnberg, 9.-11.04.2019
F. Babick, et al.
