ISBN 9783843907934

978-3-8439-0793-4, Reihe Verfahrenstechnik

Florian Keller
Numerische Simulation kolloidaler Partikelsysteme

185 Seiten, Dissertation Karlsruher Institut für Technologie (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation kolloidaler Partikelsysteme sowohl auf der mikroskopischen als auch auf der makroskopischen Ebene. Dabei ist zu beachten, dass sich aufgrund der Ladung von kolloidalen Partikeln in Elektrolytlösungen eine elektrochemische Doppelschicht ausbildet. Diese wird durch die umgebende Strömung verformt und übt dadurch eine zusätzliche elektrische Kraft auf das Partikel aus. Es werden sowohl Außenraumgebiete als auch periodische Gebiete zur Simulation kolloidaler Haufwerke betrachtet. Ziel dieser Arbeit ist die vollständige Behandlung des nichtlinearen Stokes-Poisson-Nernst-Planck Systems ohne die in der Literatur üblichen Annahmen an die Geometrie oder die Annahme schwacher Felder.

Zunächst dienen direkte numerischen Simulationen zur Untersuchung des Einflusses der elektrochemischen Doppelschicht auf anisotrope, kolloidale Einzelpartikel. Es lässt sich zeigen, dass dieselben funktionellen linearen Zusammenhänge wie für ungeladene Partikel näherungsweise gelten. Jedoch sind die Resistance Funktionen nun sowohl von der Geometrie, als auch von der Partikelladung und der Doppelschichtdicke abhängig. Es zeigt sich dabei, dass die Resistance Funktionen quadratisch vom Zetapotential der Partikel abhängen. Mithilfe der linearen Approximationen ist es möglich, den Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht auf die Sedimentationsgeschwindigkeit, auf die Diffusionskoeffizienten sowie auf das Verhalten geladener, kolloidaler Partikel in Scherströmungen, einfach zu berechnen.

In Mehrpartikelsystemen sind zusätzlich elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Partikeln zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wird speziell die Durchströmung kolloidaler Haufwerke untersucht. Dabei zeigt sich, dass die elektrochemische Doppelschicht um die Partikel zu einer Abnahme der Permeabilität des Haufwerks führt.

Die betrachteten mikroskopischen Simulationen zur Untersuchung der elektrochemischen Doppelschicht lassen sich mittels eines Euler-Euler Verfahrens auf die makroskopische Skala zur Simulation industrieller Prozesse übertragen. Als Modellprozess dient in dieser Arbeit die elektrophoretische Abscheidung zur Beschichtung leitender Werkstücke. Es wird ein vereinfachtes Modell für dünne Schichten hergeleitet und für eine Optimierung des Prozesses eingesetzt.