Entschlüsselung der Transport- und Ablagerungsmechanismen virenähnlicher Kolloide in der Tiefenfiltration

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455822746

Die Tiefenfiltration ist ein Grundpfeiler der Membranprozesse und spielt eine entscheidende Rolle in Anwendungen wie der Virusfiltration und der Entfernung von Schadstoffen in der Abwasserbehandlung. Um eine optimierte Filtrationsleistung zu erreichen, ist ein grundlegendes Verständnis der Partikelinteraktionen im Zusammenspiel mit Fluidströmung, Filterstrukturen und Partikeleigenschaften erforderlich. Fortschrittliche technologische Ansätze wie die Elektrofiltration versprechen zudem, das Feld zu revolutionieren. In der ersten Projektphase „Aufklärung von Transport- und Ablagerungsmechanismen kolloidaler virusähnlicher Partikel während der Tiefenfiltration“ haben wir systematisch zentrale Wechselwirkungen untersucht: Partikeleigenschaften (Form, Größe und Deformation), Filtermerkmale (innere Oberflächenrauheit, Ladung und Geometrie) sowie den pH-Wert als Fluidparameter. Unter Verwendung mikrofluidischer Modellsysteme sowie konventioneller Membranen haben wir entscheidende Erkenntnisse gewonnen, die in führenden Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Auf dieser Grundlage zielt die zweite Phase unseres Projekts darauf ab, offene Fragen zu klären und den Umfang unserer Forschung zu erweitern. Wir werden stimuli-responsive Materialien in unsere mikrofluidischen Modelle integrieren, um eine dynamische Kontrolle über die Filtrationsbedingungen zu ermöglichen. Eine umfassende Analyse des Verhaltens von Membranfouling und -beschichtungen sowie deren Vermeidungsstrategien wird durchgeführt. Außerdem untersuchen wir den Einfluss elektrischer Felder auf die Filtrationseffizienz und die Stabilität der Beschichtungen, um deren Potenzial für eine verbesserte Partikelablagerung und Reinigung zu nutzen. Zur Erreichung dieser Ziele setzen wir modernste Bildgebungstechniken ein, darunter Hellfeld- und Fluoreszenzmikroskopie, Hochgeschwindigkeitsbildgebung und automatisierte Datenanalyse, um Parameter wie Partikelströmungslinien und Durchbruchskurven zu extrahieren. Die Particle imaging velocimetry (PIV) liefert detaillierte Einblicke in das Strömungsverhalten innerhalb von Modellmembranen, während 3D-Drucktechnologie auf Mikroskala realistische 3D Filterstrukturen herstellt. Neue Materialien werden untersucht, um Filter mit maßgeschneiderten mechanischen und chemischen Eigenschaften zu produzieren, die realistische und anwendbare Ergebnisse gewährleisten. Diese experimentellen Daten sind eine wesentliche Voraussetzung für die komplementäre Arbeit, die wir im Bereich der Simulationen von Fouling und Filtration mithilfe von CFD-DEM durchführen. Finanziert durch eigene Ressourcen, ergänzen sich diese beiden Ansätze – experimentelle Untersuchungen und rechnergestützte Modellierung – gegenseitig und fördern unser holistisches Verständnis der komplexen Physik hinter der kolloidalen Filtration. Zusammen bieten sie einen umfassenden Rahmen zur Bewältigung der vielfältigen Herausforderungen in der Filtrationswissenschaft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen