Öl/Wasser-Separation durch verbesserte Koaleszenz von Ölmikrotröpfchen an spinnenfädenähnlichen Strukturen
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Forschungsarbeiten im Projekt führten zu folgenden wissenschaftlichen Ergebnissen: Die Analyse des biologischen Modells, das Netz der Cribellate Spinne, zeigte die dynamische Wechselwirkung der Verdickungen aus elastischen Nanofasern und den Dünnstellen mit Wassertropfen auf. - Die Dynamik der gerichteten Bewegung von Tröpfchen auf einer geometrisch gradierten Oberfläche in einem anderen flüssigen Medium wurde detailliert untersucht, numerisch modelliert und die abgeleiteten Formeln mit Experimenten validiert. - Das erarbeitete theoretische Modell erlaubt die Berechnung der zeitabhängigen Bewegung von Tröpfchen in Abhängigkeit von systemrelevanten Parametern wie den geometrischen Eigenschaften (Länge des Filaments, halber Apex-Winkel und Kontaktwinkel) und den benetzungs- und viskoelastischen Eigenschaften der beiden Fluide. - Basierend auf den theoretischen Erkenntnissen konnten neue Materialstrukturen zur Ölextraktion durch 3D-Druck, Tauch- und Sprühbeschichtung und Elektrospinnen berechnet und hergestellt werden. - Mit dem Verfahren des Elektrospinnens wurden zwei Membrantypen mit spindelförmigen Fasern entwickelt: (i) unter Wasser oleophil und (ii) unter Wasser superoleophob. - Die Separationswirkung von Öltröpfchen in Wasser durch die elektrogesponnenen Filtermedien mit Faserverdickungen konnte anhand des entwickelten theoretischen Modells mit guter Genauigkeit vorhergesagt werden. - Zur Quantifizierung der Abscheideeffizienz der Filtermembranen in der Öl/Wasser-Trennung wurde ein Prüfstand mit den neuen Trennprozessen mit entsprechendem Filtergehäuse konzipiert, gebaut und eingesetzt. - Zur Bewertung des dynamischen Kontaktwinkels von Fasern mit Spindelknotenstruktur wurde eine neue Mess- und Auswertemethode entwickelt. Die erarbeiteten Erkenntnisse erweitern somit das Grundlagenwissen zu bionischen, neuen gradierten Materialien für die Trennung von Gemischen bzw. Emulsionen mit Öl in Wasser. Die entwickelten numerischen Modelle ermöglichen die Berechnung der gradierten Geometrien des Filtermediums, die eine effektive Flüssigkeitstrennung ermöglichen. Ziel ist dabei die schnelle Koaleszenz der feinen Öltröpfchen auf dem Filtermedium, um das rasche Aufsteigen des Öles für die anschließende mechanische Abtrennung aus dem Wasser zu erzwingen. Zu den Anwendungsgebieten des neuen Wissens gehören funktionale Oberflächen mit Tröpfchen-Transportphänomene wie für die Behandlung von ölhaltigen Wassergemischen, Wassersammelsystemen und mikrofluidischen Geräten, die mit einer oder mehreren Flüssigkeiten betrieben werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2020. Bionics/Biomimetic in Textile Research. Journal of Textile Engineering and Fashion Technology, 2(1), 6-7
Stegmaier, T., Aliabadi, M., von Arnim, V., Kaya, C., Sarsour, J., and Gresser, G.
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2021. A novel method for measuring dynamic contact angles of fibers with spindle‐knots. Journal of Applied Polymer Science, 138(28), p.app50673
Aliabadi, M., Konrad, W., Stegmaier, T., von Arnim, V., Kaya, C., Liu, Y., Zhan, B., Wang, G. and Gresser, G.
