Photophoretische Kreuzstrom-Separation von ultrafeinen Kolloiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes ist die Trennung und Charakterisierung von in Gas oder Flüssigkeit suspendierten Partikeln durch lichtinduzierte Kräfte. Derzeit in Routine angewendete Verfahren zur Trennung von Partikeln basieren auf elektrischen, magnetischen, thermischen oder hydrodynamischen Eigenschaften des Partikel/Medium-Systems. Der Einsatz von intensiver elektromagnetischer Strahlung in Form von Licht stellt demgegenüber eine neuartige Herangehensweise dar und bietet vielversprechende Möglichkeiten der Charakterisierung bzw. Trennung von Partikeln nach ihren optischen Eigenschaften. Durch Licht induzierte, auf Partikel ausgeübte Kräfte sind direkt abhängig von den intrinsischen Parametern der Partikel selbst. Diese Kräfte haben eine Migration der Partikel zur Folge, welche als Photophorese bezeichnet wird. Die sich im Kräftegleichgewicht einstellende Geschwindigkeit der Partikel, die photophoretische Geschwindigkeit, war die experimentell erfasste Größe und bildete die Basis sowohl der Charakterisierung wie der Trennung der Partikel. Im Falle eines transparenten Partikels resultieren die Kräfte vom Impulsübertrag zwischen Photonen und Partikel durch die Brechung des Lichts und wird als direkte Photophorese (direkte PP) bezeichnet. Dagegen hat bei absorbierenden Partikeln, welche im Rahmen dieses Projektes insbesondere bei Aerosolen untersucht wurden, der indirekte photophoretische Effekt die größere Bedeutung. Die einseitige Bestrahlung der Partikel führt zu einem Temperaturgradienten, welcher sich auch auf das Partikel umgebende Gas überträgt. Ein statistisch höherer Impulsaustausch zwischen Gasmolekülen und Partikeloberfläche auf der wärmeren Seite führt zu einer Nettokraft, die dem Temperaturgradienten gleichgerichtet ist. Deshalb spielt bei der Untersuchung von Aerosolen neben den oben genannten Eigenschaften die thermische Leitfähigkeit der Partikel eine große Rolle. Aufgrund der extrem kleinen, durch Licht erzeugten Nettokräfte auf Mikropartikel, sowohl bei direkter als auch indirekter Photophorese, ergeben sich hohe Anforderungen an den experimentellen Aufbau. Unabdingbar ist, dass der Messaufbau störende Einflüsse abschirmt, um den photophoretischen Effekt reproduzierbar und quantitativ erfassbar zu machen. Im Besonderen müssen Temperaturschwankungen von der Umgebung ausgeschlossen und absolut präzise Strömungsbedingungen gewährleistet sein. Erst nachdem die Störungen wirksam beseitigt sind, ist es möglich, das geometrische und strömungstechnische Design von Messzellen zu optimieren. Sowohl bei den Hydrosolen, als auch bei den Aerosolen, konnte gezeigt werden, dass die photophoretische Geschwindigkeit von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist, und auf diese Weise wertvolle Informationen über Partikel, bei entsprechender Kenntnis weiterer Parameter, preisgeben kann. So konnte die Abhängigkeit der photophoretischen Geschwindigkeit von der auf dem Partikel deponierten effektiven Leistung, Radius, Brechungsindex und Absorptionsverhalten der Partikel verifiziert werden. Bei einer entsprechenden Anzahl an erfassten Partikeln, bzw. deren Geschwindigkeiten, können Geschwindigkeitsverteilungen erhalten werden, aus denen sich schließlich die Größenverteilung der Partikel abschätzen lässt, wenn der Brechungsindex der Partikel bekannt ist. Die aus den Vorversuchen ermittelten Ergebnisse hinsichtlich Partikelgeschwindigkeiten und Zellgeometrien waren Voraussetzung für die Konzeption des Trennprinzips. Das Trennprinzip basiert darauf, Partikel mit einem Laserstrahl abzulenken. Der Laserstrahl ist dabei senkrecht zum Partikelstrom gerichtet. Die Distanz und Richtung der Ablenkung hängt von den Partikeleigenschaften ab und kann durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Laserleistung optimiert werden. Derzeit sind verschiedene Systeme zur Trennung in Erprobung. Ein weiterer Forschungsbedarf ist klar sichtbar geworden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of a Continuous Aerosol Separation System Based on Photophoretic Particle Properties, 7th IAC 10.-15.9. 2006, St Paul, Minnesota, USA
Kykal, C., Haisch, C., Niessner, R.
- Characterization of Aerosols by Thermo-Photophoresis, ANAKON, 27.-30.3.2007, Jena, Deutschland
Kykal, C., Niessner, R., Haisch, C.
- Charakiterisierung eines photophoretischen Trennsystems für Kolloide, ANAKON 27.-30.3.2007, Jena, Deutschland
Helmbrecht, C., Niessner, R., Haisch, C.
- Charakterisierung und Trennung von Hydrokolloiden aufgrund photophoretischer Eigenschaften, Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft, 14.-16.5. 2007, Passau, Deutschland
Helmbrecht, C., Niessner, R., Haisch, C.
- Photophoretic Migration of Monodispers Aerosols, EAC, 9-14.9. 2007, Salzburg, Österreich
Kykal, C., Niessner, R., Haisch, R.
- Photophoretic Velocimetry for Colloid Characterization and Separation in a Cross-Flow Setup. Anal. Chem., 79, 7097-7103 (2007)
Helmbrecht, C., Niessner, R. und Haisch, C.
- Photophoretic Velocimetry for the Characterization of Aerosols, AAAR 26th Annual Conference, , Reno, Nevada USA, 24. bis 28. September 2007
Niessner, R., Kykal, C., Haisch, C.
- Characterization of Cells and Bacteria by Photophoretic Velocimetry. Photonics West, San Jose, CA, USA, 19.-24. Januar 2008
Helmbrecht, C., Niessner, R., Haisch, C.
- Characterization of Cells and Bacteria by Photophoretic Velocimetry. Proc. SPIE 6859, 685913 (2008)
Helmbrecht, C., Niessner, R., Haisch, C.
- Photophoretic Velocimetry for the Characterization of Aerosols, Anal. Chem., 80, 1546-1551 (2008)
Haisch, C., Kykal, C., Niessner, R.
- Photophoretische Geschwindigkeitsmessung als neue Technik für die Charakterisierung und Trennung von Hydrokolloiden. Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft, Trier, 28. bis 30. April 2008
Helmbrecht, C., Niessner, R., Haisch, C.
