Ein technisch wichtiger Herstellungsprozess von Nanopartikeln ist die Partikelerzeugung in der Gasphase, bei der gasförmige Precusoren in geeigneter Weise zur Reaktion gebracht werden und das dabei entstehende kondensierbare Reaktionsprodukt in Form von Partikeln abgeschieden wird.

Chemische Gasphasenverfahren werden seit vielen Jahrzehnten zur Synthese von Partikeln eingesetzt. Die Eigenschaften der hergestellten Partikel werden wesentlich durch deren Größe und Morphologie bestimmt. Zur gezielten Erzeugung unterschiedlich großer Partikel werden daher Modelle benötigt, die die Bildung, das Wachstum und den Transport der Partikel beschreiben. Eine Möglichkeit bietet die Anwendung von Populationsbilanzen. Sie beinhalten verschiedene chemische und physikalische Phänomene wie:

Hierbei kommt es darauf an, die Wechselwirkung der einzelnen Phänomene richtig darzustellen. Die genaueste Populationsbilanz dafür ist die allgemeine aerosoldynamische Gleichung [1]. Sie ist aber auch der aufwändigste Ansatz und ist zur Zeit für räumlich mehrdimensionale Simulationen nicht realisierbar. Daher werden einfachere Modelle verwendet. Zu ihnen zählen ein sektionales Modell, ein Momentenmodell und ein monodisperses Modell. Die Lösung dieser Gleichungssysteme ist nur numerisch möglich. Mit Hilfe dieser Modelle wurden bisher zwei Partikeleigenschaften berücksichtigt, zum einen das Partikelvolumen und zum anderen die Partikeloberfläche.

Abbildung 1: Mittlerer Primärpartikeldurchmesser von Eisen-Nanopartikeln in einem Mikrowellenreaktor. Strömung von links nach rechts. Zugabe des Precursors Eisenpentacarbonyl durch die Düse (links) in einem Mikrowellenreaktor.

Mit den Modellen wurde die Bildung und das Wachstum von Eisen- und Siliziumpartikeln in einem Stoßwellenreaktor, einem wandbeheizten Rohrreaktor und einem Mikrowellenreaktor untersucht [2,3]. In Abbildung 1 ist der mittlere Primärpartikeldurchmesser von Eisen in einem Mikrowellenreaktor dargestellt. Abbildung 2 zeigt die Verteilungsfunktionen an ausgewählten Positionen im Reaktor. Die Ergebnisse wurden mit einem sektionalen Modell berechnet.

Abbildung 2: Partikelverteilungsfunktionen im Mikrowellenreaktor auf der Reaktorachse an den Positionen x = 100 mm, x = 200 mm und x = 400 mm.

Literatur:
[1] Friedlander, S. K.: Smoke, Dust, and Haze. Fundementals of Aerosol Dynamics. Oxford, New York: Oxford University Press, 2000.
[2] Giesen, B., Orthner, H. R., Kowalik, A., Roth, P.: On the interaction of coagulation and coalescence during gas-phase synthesis of Fe-agglomerates. In: Chem. Eng. Sci. 59 (2004), Nr. 11, S. 2201.
[3] Giesen, B., Wiggers, H., Kowalik, A., Roth, P.: Formation of Si-nanoparticles in a microwave reactor: Comparison between experiment and modelling. In: J. Nanopart. Res. 7 (2005), Nr. 1, S. 29.

Andreas Kowalik