Hochtemperatur-Aufladung von Aerosolpartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das wichtigste Resultat des Projektes liegt in der Beschreibung des Ladungszustandes von gasgetragenen Partikeln bei hohen Temperaturen, wobei die zum Teil sehr hohe Ladung in komplexer Weise von Partikel- und Umgebungseigenschaften (z.B. Wandmaterial, äussere Felder) bestimmt wird. Wesentliches Resultat des 3. Jahres des Antrags ist der Nachweis, dass die Austrittsarbeit von gasgetragenen TiO2- und Pt-Partikeln mit zunehmender Temperatur abnimmt. Diese Abnahme der Austrittsarbeit, die zum ersten Mal für Aerosolpartikeln gezeigt wurde, erklärt zu einem guten Teil die hohen Partikelladungszustände. Zudem konnte gezeigt werden, dass unter den verwendeten Methoden zur Bestimmung der Partikelladung das Absaugen der Gasionen im elektrischen Wechselfeld die zuverlässigsten Werte zur Partikelladung ergibt. Während bei der ursprünglich eingesetzten Trenngradmethode die Interpretation der Messwerte problematisch ist, findet bei der Expansionsmethode bereits teilsweise Rekombination statt, so dass nur Bruchteile der eigentlichen Partikelladung gemessen werden. Generell wurde beobachtet, dass die mittlere Partikelladung mit steigender Temperatur zunehmend negativ wird, aber bei allen Temperaturen linear mit der Partikelgröße skaliert. Mögliche Anwendungen des untersuchten Aufladungseffektes reichen von der Partikelmesstechnik, über die Hochtemperatur-Gasreinigung bis zur Handhabung gasgetragener Pulver in verfahrenstechnischen Prozessen (Weber et al., 2007). In verfahrenstechnischer Hinsicht ist interessant, dass sich über die Amplitude der angelegten Wechselspannung gezielt die Ladungszustände der Partikeln bei hohen Temperaturen einstellen lassen. Dies könnte genutzt werden, um z.B. Nanopartikeln aus einem Hochtemperaturprozess in einem anschließenden elektrischen Feld gezielt auf Oberflächen abzuscheiden und damit eine definiert strukturierte Schicht herzustellen. Die im gesamten Antragszeitraum gewonnen Erkenntnisse haben auch neue Fragen aufgeworfen, denen in kommenden Forschungsprojekten nachgegangen werden soll. Die starke Emission von Ladungsträgern aus den Rohrwänden legt es nahe, die partikelbezogenen Aufladevorgänge ohne den Störeinfluss der Wände zu untersuchen. Dazu bestehen bereits Überlegungen, die Partikeln in einem wandfreien Raum mittels LII gezielt lokal aufzuheizen und ihre Ladung direkt zu messen. Das zweite Thema, das sich aus den Arbeiten herauskristallisiert hat, ist die Klärung des effektiven Widerstands von Nanopartikeln bei Bewegungen im frei-molekularen Bereich. Diese Fragestellung könnte eine Erklärung dafür liefern, weshalb die aus der Trenngradmethode (Wanderung im elektrischen Feld) abgeleitete Partikelladung eine zu starke Abhängigkeit von der Partikelgröße liefert. Im Rahmen von Untersuchungen zur Bewegung von Nanopartikeln im Unterdruckbereich hat sich eine Reduzierung der Widerstandskraft im frei-molekularen Bereich in LDA-Messungen bereits angedeutet (Reuter-Hack et al., 2007).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Reuter-Hack K. , Meyer J., Weber A. P., Kasper G. (2007) Measurements of high temperature particle charge, Proc. EAC 2007 in Salzburg
- Weber, A.P., Kasper, G., Reuter-Hack, K., Schiel, A. (2007) Implications of the high temperature charging of aerosol particles for powder processing, gas cleaning and particle measuring techniques, Proc. PARTEC2007 27.-29.03 in Nürnberg, S03_2
