Baumann, Werner

Hauser, M.

Lang, I.-M.

Paur, Hanns-Rudolf

Schunck, A.

Stapf, Dieter

Teuscher, Nadine

KITopen

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-GemeinschaftInstitut für Technische Chemie (ITC)Prof. Dr.-Ing Dieter StapfUntersuchungen zur thermischen Stabilität von Nanopartikeln in LaborflammenN. Teuscher, W. Baumann, M. Hauser, Schunck, A., H.-R. Paur, D. Stapf MotivationAufbau und MesstechnikZusammenfassunggesamt Peak 1 Peak 2Ar-Anteil[%]cM[mg/m³]cN[cm-3]dmodal[nm] geoAnteil cM[%]dmodal[nm] geoAnteil cM[%]0 5,35·10-2 2,67·106 78 1,8 82,93 11,6 1,49 17,0712,5 9,13·10-2 9,20·105 79 1,66 98,37 8 1,35 1,6315 8,87·10-2 3,45·105 82 1,67 99,68 6,5 1,3 0,3217,5 7,66·10-2 1,29·105 86 1,6 99,91 5,8 1,27 0,0920 6,83·10-2 3,29·104 87 1,63 99,99 5 1,23 0,0122,5 5,43·10-2 1,76·104 89 1,58 100 4,7 1,2 010 1001 4005,0x1041,0x1051,5x1050,02,0x1054 g/l TiO2 in VE-WasserVerdüster Volumenstrom: 1000 mlN/minRohrbrennervkalt = 230 cm/s12,5 % Argon-BeimischungHüB = 430 mmAnzahldichteverteilung dN/dlogdME [cm-3]Mobilitätsdurchmesser dME [nm]Suspendieren Zerstäuben50 nmMesstechnik 50 nmDer Einfluss einer Flamme auf die Partikelgrößenverteilung soll in Abhängigkeit derTemperatur untersucht werden. Hierzu wird eine Suspension aus TiO2-Nanopartikeln(Aeroxide® P25 von Evonik) erzeugt, zerstäubt und gemeinsam mit derBrenngasmischung Ethylen und Luft in einen Rohrbrenner geleitet. Der Rohrbrennerwird stöchiometrisch betrieben, sodass kein Ruß entsteht. Durch Zugabe von Inertgas(Argon) kann die Flammentemperatur abgesenkt werden. Über der Flamme kannMesstechnik, wie ein Mobilitätsanalysator (SMPS), ein elektrischerNiederdruckimpaktor (ELPI) oder eine TEM-Probenahme installiert werden. Umeventuelle Veränderungen des Aerosols messen zu können, muss zunächst derAusgangszustand charakterisiert werden. Die zugehörige SMPS-Messung ist in derfolgenden Abbildung dargestellt.Referenzen10 1001 4001x1062x1063x1064x1065x1066x1067x10608x106      0 % Ar 12,5 % Ar    15 % Ar 17,5 % Ar    20 % Ar 22,5 % ArAnzahldichteverteilung dN/dlogdME [cm-3]Mobilitätsdurchmesser dME [nm]4 g/l TiO2 in VE-WasserVerdüster Volumenstrom: 1000 mlN/minEthylen/Luft-Flamme am RohrbrennerC/O = 0,333vkalt = 230 cm/sHüB = 430 mmPartikelgrößenverteilung über dem Rohrbrenner bei nicht gezündeter FlammeNanopartikel sind in vielen Produkten enthalten, wie z.B. Ruß in Autoreifen, TiO2 inWandfarben und Kosmetika und SiO2 in PET-Flaschen und man geht davon aus, dasskünftig immer mehr Konsum-Güter Nanomaterialien enthalten (Walser et al., 2012).Das Deponieren von unbehandeltem Abfall in Deutschland ist seit 2005 verboten,weshalb letzten Endes nur die energetische Verwertung in einer Verbrennungsanlagein Frage kommt. Bisher gibt es nur wenige Studien, die sich mit dem Verhalten derNanopartikel in diesen Anlagen und einer möglichen Freisetzung beschäftigen .Führt man dieselben Versuche in einem Ofen bei gleicher Temperatur und inerterAtmosphäre durch, kann man keine Peakneubildung beobachten. Jedoch ist diePeakneubildung bei Zugabe von Wasserdampf zu sehen, sodass von einer Reaktionauszugehen ist. Ein möglicher Mechanismus ist in der folgenden Abbildung dargestellt.AggregateGrößereAgglomerateEinzelne, kleine PartikelReaktion NukleationHypothese zum Mechanismus50 nmWalser, T. et al. (2012): Persistence of engineered nanoparticles in a municipal solid-waste incineration plant. In: Nature Nanotech 7, S. 520–524.Lang, I.-M. et al. (2015): Untersuchungen zur Freisetzung von synthetischen Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung. In: K. J. Thomé-Kozmiensky und Michael Beckmann (Hg.): Energie aus Abfall, Band 12. neue Ausg. Nietwerder: TK-Vlg, S. 347–370.Shao, L. et al. (2001): Reactions of titanium oxides with water molecules. A matrix isolation FTIR and density functional study. In: Chemical Physics Letters 343 (1-2), S. 178–184.(Shao et al., 2001)Ohne Flamme Mit FlammeTEM-Aufnahmen nach dem Rohrbrenner; links ohne Flamme, rechts mit gezündeter Flamme• Die TiO2-Partikel sintern in der Flamme, ersichtlich an der Verschiebung von Peak 1 zu kleineren Durchmessern mit steigender Temperatur, sowie an den TEM-Aufnahmen  • Ein neuer Partikelpeak bei ca. 10 nm entsteht (Peak 2), wobei die Anzahlkonzentration und die Masse in diesem Peak mit steigender Temperatur zunimmt    • Ein möglicher Mechanismus zur Reaktion in der Flamme wird gezeigt, wobei TiO2 bei hohen Temperaturen mit Wasser zu TiO(OH)2 reagieren kannPartikelgrößenverteilung über dem Rohrbrenner bei gezündeter Flamme und zwei unterschiedlichen Skalierungen, um beide Peaks sichtbar zu machenDaten der Lognormal-Fits der oben gezeigten PartikelgrößenverteilungPeak 2Versuchsaufbau zur Untersuchung der thermischen Stabilität von NanopartikelnErgebnisseWenn die Flamme gezündet wird, verändert sich die Partikelgrößenverteilungerheblich. Der Modalwert, der zuvor bei ca. 140 nm lag, liegt nun bei ca. 10 nm unddie Anzahlkonzentration ist stark gestiegen. Wird zusätzlich Argon hinzugegeben,wodurch die Flamme abgekühlt wird, so verschiebt sich der Modalwert von Peak 2zu kleineren Partikeldurchmessern, während die Anzahlkonzentration sinkt.Aufgrund des großen Unterschieds in den Anzahlkonzentrationen ist im linkenDiagramm nicht zu sehen, dass der Peak 1 nach wie vor vorhanden ist (sieherechtes Diagramm).Auch die Morphologie ändert sich beim Flammendurchgang. Das Ausgangsaerosol ist imlinken Bild zu sehen. Die Agglomerate sind ca. 150 bis 200 nm groß und bestehen ausPrimärpartikeln, die im Bereich von 25 nm liegen. Das Aerosol nach der Verbrennung istim rechten Bild zu sehen, wobei teilweise große kugelförmige Partikel, sowie viele kleinePartikel im Größenbereich von 10 nm zu sehen sind, was gut mit den SMPS-MessungenübereinstimmtPeak 110 1001 4002,0x1044,0x1046,0x1048,0x1040,01,0x105      0 % Ar 12,5 % Ar    15 % Ar 17,5 % Ar    20 % Ar 22,5 % ArMobilitätsdurchmesser dME [nm]4 g/l TiO2 in VE-WasserVerdüster Volumenstrom: 1000 mlN/minEthylen/Luft-Flamme am RohrbrennerC/O = 0,333vkalt = 230 cm/sHüB = 430 mm Peak 1Peak 2

Untersuchungen zur thermischen Stabilität von Nanopartikeln in Laborflammen

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