Partikeldynamik bei der Heteroaggregation von Aerosolen
Heteroaggregate sind Verbundpartikel, die aus zwei oder mehr Phasen bestehen. Ein möglicher Prozessweg ist das Mischen von Aerosolen, entweder „kalt“ aus vorbereiteten Pulvern oder direkt aus der Gasphasensynthese oder beides in einem Prozess. Bei Nanopartikeln ist die Beobachtbarkeit der Heteroaggregatbildung jedoch aufgrund ihrer geringen Größe begrenzt, und sie weisen Transporteigenschaften auf, die für eine Simulation eine Herausforderung darstellen.
Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 2289 untersuchen wir die Vermischung von Aerosolströmen und die daraus resultierende Heteroaggregation von Nanopartikeln in Strömungsexperimenten mittels In-situ-Laserdiagnostik. Um die Physik des Prozesses aufzuklären, entwickeln wir räumlich aufgelöste In-situ-Diagnostikverfahren zur Quantifizierung der „Vermischungsqualität“ und zur Verfolgung der Heteroaggregatbildung.
Die Methoden müssen einen sehr breiten Skalenbereich abdecken: konvektiver Transport, turbulente Vermischung und Diffusion. Die Hauptströmungskonfiguration ist ein achsensymmetrischer Strahl in einer Gleichströmung. Jeder dieser beiden Ströme transportiert eine andere Partikelart. Der Strahl ist laminar, mit einem wiederholbaren Wirbelring, der durch periodische Störungen der Strahlausganggeschwindigkeit verursacht wird, die durch einen Lautsprecher im Strömungsweg zum Strahl hervorgerufen werden.
Die Vermischung der beiden Gasströme und der beiden Partikelströme im sich räumlich-zeitlich entwickelnden Wirbel und die damit verbundene heterogene Aggregation der Partikel wird untersucht. Experimentell wird in der quantitativen Laserblattbildgebung der Mischungsanteil über die Fluoreszenz eines dem Strahl zugesetzten gasförmigen „Tracers” gemessen. Die Partikel stammen aus photoaktiven anorganischen Materialien („Phosphoren”), sodass ihre Anzahlkonzentrationen über Photolumineszenz artspezifisch abgebildet werden können.
Die Partikel können auch für die Streubildgebung verwendet werden. Mit einem Laser, der schnell aufeinanderfolgende Impulse abgibt, und einer entsprechend auslösbaren Kamera lassen sich damit auch Informationen über die Geschwindigkeit der Partikel mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gewinnen.
