Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mehrphasenströmungssimulation zur verfahrenstechnischen Optimierung der Herstellung prozessierbarer Dispersionen aus hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln mittels direkter Überführung in Trägerflüssigkeiten (ODIN)

Hochspezifische partikuläre Nanomaterialien sind für zahlreiche ressourcenschonende und energieeffiziente Anwendungen hervorragend geeignet. In der Gasphase synthetisierte, hochreine Nanopartikel neigen bei Trockenabscheidung zur Agglomeration/Aggregation. Das Redispergieren ist aufwändig und führt häufig nicht zur gewünschten Qualität der Dispersion. Daher ist die Nassabscheidung der Partikel im direkten Anschluss an die Synthese zur Herstellung stabiler, prozessierbarer Dispersionen für KMUs höchst attraktiv.

Im Vorhaben ODIN soll das Verfahren zur Herstellung von Dispersionen aus hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln mittels direkter Überführung in Trägerflüssigkeiten durch ein weiterentwickeltes numerisches Werkzeug optimiert werden. Durch den integrativen Ansatz von numerischen Simulationen (Euler-Lagrange-Ansatz) und experimentellen Untersuchungen mittels Nasselektroabscheider kann ein Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Partikelanreicherung in der Flüssigkeit sowie der Stabilität der Dispersion hergestellt werden. Dabei soll die Überführung der Partikeln aus der Gasphase in Trägerflüssigkeiten soweit optimiert werden, dass eine Agglomeration der Partikel verhindert und somit eine stabile Dispersion für die industrielle Weiterverarbeitung erlangt wird.

Die Herstellung derartiger Dispersionen bietet KMUs die Möglichkeit, ihr Angebotsspektrum um dieses wirtschaftlich äußerst attraktive Produkt zu erweitern. Darüber hinaus ermöglicht die Verfügbarkeit geeigneter und stabiler Dispersionen Unternehmen erstmals die Verarbeitung hochspezifischer Nanomaterialien und eröffnet somit potentiell neue Geschäftsfelder.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines numerischen Werkzeugs zur Beschreibung der Überführung von Nanopartikeln aus der Gasphase mittels Nasselektroabscheidung (NA) in prozessierbare Flüssigkeiten. Dabei sollte der Phasentransfer gasgetragener Nanopartikeln in Trägerflüssigkeiten so weit optimiert werden, dass eine Partikelagglomeration verhindert und somit eine stabile Dispersion erlangt wird.

Es wurde darüber hinaus ein neuer Solver für das open source CFD-Programm OpenFOAM entwickelt, der es ermöglicht den Übergang von Nanopartikeln von der Gas- in die Flüssigphase zu simulieren. Dieser Solver wird im IGF-Vorhaben 22191 N sukzessive weiterentwickelt, so dass ein lizenzkostenfreies für KMU nutzbares numerisches Werkzeug entsteht.

Für den Fallfilm-NA wurde eine prototypische Konstruktion entwickelt, die ohne weiteres für industrielle Anwendungen im kleineren und mittleren Maßstab genutzt werden kann. Die im Bericht dargestellte Auslegung bezieht sich auf Aerosoldaten, die als typisch bezeichnet werden können. Durch den im Bericht angegebenen Proportionalitätsfaktor für die Verweilzeit werden auch Nicht-Spezialisten in die Lage versetzt, Auslegungsdaten für andere Aerosole, Volumenströme usw. abzuleiten.

Weiterhin ist es erstmalig gelungen eine integrierte Gesamtanlage im Technikumsmaßstab aufzubauen und in Betrieb zu nehmen. Hier stehen KMU erstmalig Informationen zur Verfügung maßgeschneiderte Nanomaterialien in der Gasphase herzustellen, diese zu funktionalisieren und direkt im Anschluss in die Flüssigkeit zu überführen.

Zum einen müssen diese kostengünstig herstellbar sein und zum anderen einfach handhabbar sein. Beides erfüllt das Anlagenkonzept, da die Pulverbehandlung entfällt und eine nutzbare Dispersion direkt im Abscheider herstellbar ist. Dass die Überführung in die Dispersion die Partikelmorphologie nicht signifikant beeinflusst, stellt ebenfalls einen positiven Aspekt für die Nutzung im KMU-Umfeld dar.