Modellierung und Simulation der Synthese von Eisen-Nanopartikeln in Gasphasenreaktoren

Die gezielte Herstellung von Nanopartikeln ist gegenwärtig von großer wissenschaftlicher und technischer Bedeutung. Aufgrund der größenabhängigen Eigenschaften von Nanopartikeln ergeben sich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Ein weit verbreitetes chemisches Verfahren ist die Partikelerzeugung in der Gasphase. Für dieses Verfahren werden Modelle benötigt, mit denen eine möglichst genaue Vorhersage der Partikeleigenschaften möglich ist. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Bildungs- und Wachstumsprozesse von Eisen-Nanopartikeln aus Eisenpentacarbonyl in drei Gasphasenreaktoren: einem Stoßwellenreaktor, einem wandbeheizten Rohrreaktor und einem Mikrowellen-Plasmareaktor. Es wurden ein monodisperses und ein sektionales Modell entwickelt, die das Volumen und die Oberfläche als Partikeleigenschaften beschreiben. Sie berücksichtigen größenabhängige Stoffdaten für die Oberflächenspannung, den Dampfdruck, die Schmelztemperatur und die Oberflächendiffusion. Mit den Modellen wurden die Keimbildung, die Kondensation, das Oberflächenwachstum, die Koagulation und die Koaleszenz sowie der Partikeltransport durch Konvektion und Diffusion untersucht. In einem Stoßwellenreaktor wurde die Partikelbildung anhand von vorhandenen Eisenatom-Konzentrationsmessungen untersucht. Für das monodisperse Modell wurde ein Keimbildungsmodell mit größenabhängigen Stoffdaten eingeführt, während für das sektionale Modell ein reaktionskinetischer Ansatz verwendet wurde. Beide Modelle verifizieren die Eisenatom-Konzentrations- und Partikelgrößenmessungen im Stoßwellenreaktor. Im wandbeheizten Rohrreaktor lag der Schwerpunkt der Untersuchung auf der räumlichen Verteilung der Partikeleigenschaften. Es wurde der Zusammenhang von Partikeltransport, dem thermischen Zerfall des Precursors und der Partikeldynamik dargestellt. Die Modelle stimmen auch für den wandbeheizten Rohrreaktor gut mit Partikelgrößenmessungen überein. Abschließend wurden die Bildung und das Wachstum von Eisen-Nanopartikeln in einem Mikrowellen-Plasmareaktor simuliert und ebenfalls mit Partikelgrößenmessungen verglichen. Dabei wurde die Mikrowellenstrahlung als lokale Wärmequelle modelliert und die Plasmaspezies vernachlässigt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung für die Verteilungsfunktionen und die mittleren Partikeldurchmesser beobachtet.