Abbildende In-situ-Diagnostik in der Sprayflammensynthese von Nanopartikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Dreier
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374463258

Die abbildende, optische In-situ-Diagnostik ist ein notwendiges Werkzeug, um die in der Nanopartikel-Sprayflammensynthese ablaufenden Prozesse quantitativ sichtbar zu machen und damit besser zu verstehen, sowie wertvolles Datenmaterial für Validierungen von mit Chemie gekoppelten fluid-dynamischen Simulationen der Gasphasen- und Partikelbildung bereitzustellen. Ziel dieses Projektes ist es, am standardisierten SpraySyn-Brenner unter den erschwerten Bedingungen der Sprayflammensynthese (turbulente reaktive Strömung, Anwesenheit von Tröpfchen und/oder Partikeln) wichtige für die Modellentwicklung relevante chemische Spezies (Fortschrittsvariablen) sowie Temperaturen der Flüssig- und Gasphase bildgebend im Einzelpulsverfahren zu erfassen. Grundlegende spektroskopische Untersuchungen (Aufnahme von Anregungsspektren, Fluoreszenz-Lebensdauern) einzelner atomarer/molekularer Spezies in einem Strömungssystem sollen zunächst optimale Anregungs-/Detektionsstrategien für den späteren Nachweis durch laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) festlegen. Danach ist die flächige Bestimmung von Gasphasentemperaturen durch Einzelpuls-Zwei-Linien-LIF-Thermometrie an molekularen Tracern wie NO (externe Beimischung zu den Frischgasen) oder z.B. OH, BaO oder Fe (als reaktive Zwischenprodukte intermediär vorliegend) in der SpraySyn-Flamme vorgesehen. Die Einzelpulsmethode liefert neben den instantanen Temperaturwerten statistisch relevante Größen wie Mittelwerte, Standardabweichung und Histogramme der gemessenen Skalare. Ähnliche Größen werden über die Konzentrationen verschiedener wichtiger Intermediate wie z.B. OH, Fe, FeO, SiO, oder Ba in ihren elektronischen Grundzuständen durch Einzelpuls-LIF erfasst. Hier sollen mit der Kombination der zwei abstimmbaren Lasersysteme und den Kamera-Detektoren Korrelationen der Konzentrationsfluktuationen durch simultanen Nachweis zweier verschiedener Spezies erstellt werden – etwa einem den Brennstoff anzeigenden Markers und Intermediaten bzw. einem Abbauprodukt des eingesetzten Prekursors. Neben der Gasphase werden erstmals auch flächige Einzelpuls-Temperaturmessungen der Flüssigphase (Einspritzstrahl, Tröpfchen) über die in der ersten Antragsperiode ausgearbeitete Zwei-Farben-LIF-Methode von zugegebenen nichtverdampfenden Farbstoffmolekülen (Coumarin, Rhodamin) erfolgen. Die Partikelwolken werden qualitativ über bildgebende Rayleighstreuung, bzw. laserinduzierte Inkandeszenz (LII) sichtbar gemacht und statistische Korrelationen mit reaktiven Spezies (über LIF) erstellt. Die Ergebnisse aller Messungen werden zur weiteren Ausdehnung der im SPP angestrebten umfangreichen SpraySyn-Datenbank beitragen. Hiervon profitieren nicht nur die Projekte zur Modellierung der Prozesse, sondern auch die Arbeitsgruppe Mohri in Vergleichen bei der tomografischen Rekonstruktion der Flammen-Chemilumineszenz und Partikelverteilung, sowie Kaiser über die mikroskopische Untersuchung der Tropfenexplosion im realen Umfeld der SpraySyn-Flamme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1980: Nanopartikelsynthese in Sprayflammen SpraySyn: Messung, Simulation, Prozesse
• Mitverantwortliche: Dr. Torsten Endres; Professor Dr. Christof Schulz