Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung

Deterministisch-hydrodynamische Größen-, Form- und Dichtefraktionierung polydisperser Feinstpartikelsysteme

DFG-Projekt im Rahmen des SPP 2045

Der Bedarf, Feinstpartikelsysteme (Partikel <10 Mikrometer) in industriell relevanten Durchsatzraten nach multiplen Merkmalen zu fraktionieren, ist in den letzten Jahren gestiegen. Wo klassische Ansätze wie Sieben, Filtern, Sedimentieren, Zentrifugieren und Sichten an ihre Grenze stoßen, werden zunehmend mikrofluidische Separatoren eingesetzt. Diese ermöglichen gegenüber konventionellen Verfahren die Realisierung sehr kleiner Längenskalen, die eine Umsetzung hoher externer oder hydrodynamischer Kräfte unter Ausschluss transienter Strömungseffekte ermöglicht. Zur Steigerung der Durchsatzraten durch kompakte, parallelisierte Systeme eignen sich insbesondere passive mikrofluidische Trennverfahren gegenüber Feldkraft basierten Ansätzen. Unter den passiven Trennverfahren arbeiten insbesondere solche auf der Basis der Inertial Microfludics wie die Multi Orfice Fluid Fraktionierung (MOFF) oder Serpentinenkanäle sowie das Prinzip der Deterministic Lateral Displacement Fraktionierung (DLDF) sehr effizient, auch bei höheren Reynoldszahlen. Für die Trennung nach Dichte und Form besteht für die genannten Verfahren jedoch ein sehr lückenhaftes Verständnis ebenso wie für die Trennung nach multiplen Merkmalen.
Im geplanten Projektvorhaben sollen daher die bisher zur Größenfraktionierung sehr erfolgreich eingesetzten Verfahren, basierend auf der Multi Orfice Fluid Fraktionierung (MOFF), dem Serpentinenkanal und der Deterministic Lateral Displacement Fraktionierung (DLDF), systematisch auf die Eignung zur mehrdimensionalen Fraktionierung nach den Merkmalen Größe, Dichte und Form untersucht und in numerisch-experimentellen Untersuchungen weiter entwickelt werden. Ziel ist es, die Trenneffizienz und Trennschärfe für polydisperse Partikelsysteme mit einer Größenstreuung von 1-10 Mikrometer, einer Dichtevarianz von 1,05-1,51g/cm³ und einem Seitenverhältnis von 1:1-1:10 zu validieren. Hierbei soll beantwortet werden, wie sich MOFF, Serpentinenkanal und DLDF bei der Trennung nach jeweils einem oder mehreren Merkmalen bei Betrachtung binärer oder polydisperser Mischungen verhalten und welche Merkmale bzw. Merkmalkombination beim jeweiligen Verfahren zu einem Trenneffekt führen. Der Einfluss erhöhter Partikelkonzentration und Fluidgeschwindigkeit auf Trenneffizienz und Trennschärfe wird hierbei eine zentrale Fragestellung sein.
Die hier vorgesehenen numerischen und experimentellen Methoden ermöglichen es, komplexe Bewegungsdynamiken von Partikeln aufgrund nicht-sphärischer Formgebung oder aufgrund von lokalen Störeinflüssen weiterer Partikel zu untersuchen. Die Komplexität der Trennverfahren und die experimentellen Einschränkungen auf wenige Kanalgeometrien erfordert eine enge Kooperation zwischen Simulation und Experiment, um durch numerische Sensitivitätsstudien die Eignung verschiedener Trennmechanismen isoliert betrachten zu können und durch Geometriestudien die Möglichkeit gezielter Versuchsauslegungen und detaillierter Ergebnisauswertungen zu gewährleisten.