Theoretische Arbeit
Die Partikeltechnologie konnte in den letzten Jahren enorme Fortschritte verbuchen und bietet immer breitere Anwendungsmöglichkeiten. Engineered Nanoparticles (ENPs) werden in vielen Branchen eingesetzt, von der Einarbeitung in Reifen bis hin zur Medizintechnik. Dies führt zu steigenden Produktionszahlen, die auch in Zukunft kaum sinken werden. Die Separationstechnik konnte mit diesem Fortschritt nur bedingt Schritt halten, obwohl sie sowohl für die Produktion als auch für die Rückgewinnung dieser Partikel aus der Umwelt entscheidend ist. Die Nachfrage nach hochspezifischen Partikelsystemen mit einer Reihe an definierten Eigenschaften wächst stetig, jedoch sind die meisten Trenntechniken lediglich für ein einzelnes Partikelmerkmal optimiert. Diese motiviert die Suche nach neuen Techniken, die in der Lage sind, nach mehreren Partikelmerkmalen gleichzeitig zu trennen und daher als mehrdimensional bezeichnet werden können.
Im Rahmen des übergeordneten Forschungsprojektes soll ein mehrdimensionales Trennverfahren entwickelt werden, das gezielt im Partikelgrößenbereich 100 nm – 10 µm ansetzt. Dazu sollen (vereinfacht formuliert) magnetische Partikel selektiv mit den zu trennenden nichtmagnetischen Partikeln agglomeriert und anschließend im Magnetfeld abgeschieden werden. Dieser Prozess ist sowohl abhängig von der Partikelgröße als auch von den Oberflächeneigenschaften. Besonders die selektive Agglomeration stellt dabei die Herausforderung dar.
Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens sowie die experimentelle Untersuchung sind Gegenstand von parallel durchgeführten Arbeiten (LINK). Da dort jedoch die Analytik limitiert ist kann man zwar Aussagen über das Gesamtergebnis des Prozesses treffen, jedoch sind viele interessante Größen wie z.B. Agglomeratzusammensetzung und –größenverteilung nicht zugänglich. Es soll deshalb eine parallele, theoretische Betrachtung der Vorgänge erfolgen, die genau diese Informationen liefert. Hierzu wurde in der Entwicklungsumgebung MATLAB eine Berechnung mittels diskreter Populationsbilanzen aufgesetzt, mit der bereits erste Erkenntnisse im Zweistoffsystem gewonnen werden konnten [1]. Aktuelles Ziel und möglicher Inhalt einer Aufgabenstellung ist die Weiterentwicklung dieses Modells auf den dreidimensionalen Fall sowie die Validierung anhand experimenteller Daten. Ein solches Modell bietet dann vielfältige Möglichkeiten zur weiteren, modellgestützten Prozessoptimierung.
Der Umfang und konkrete Inhalt der Arbeit können dabei auf deine Interessenschwerpunkte angepasst werden. Besondere Vorkenntnisse sind nicht notwendig, jedoch sollte dich das theoretische Arbeiten und Programmieren insgesamt interessieren. In diesem Fall würde ich mich freuen, wenn du bei mir vorbeischaust oder mir eine E-Mail schreibst, dann können wir am besten persönlich den aktuellen Stand und mögliche Aufgabenstellungen besprechen.
Kontakt
M. Sc. Frank Rhein
Geb. 30.70 R 009
Tel.: 0721 – 608 42408
E-Mail: frank.rhein∂kit.edu
Für besonders Interessierte
[1] F. Rhein, F. Ruß, H. Nirschl: Collision case model for population balance equations in agglomerating heterogeneous colloidal systems: Theory and experiment
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.03.089
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Abbildung 1: Beispielhafte Rohdaten der Modellierung im Zweistoffsystem: Zeitlicher Verlauf der berechneten Agglomeratverteilung.
