ISBN 9783843913089

978-3-8439-1308-9, Reihe Nanotechnologie

Kristian Voelskow
Herstellung von mehrwandigen Carbon Nanotubes im Wirbelschichtreaktor: Kinetik, Partikelwachstum und Reaktormodellierung

155 Seiten, Dissertation Technische Universität Clausthal (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Carbon Nanotubes (CNTs) gehörten zu den am meisten erforschten Materialien der letzten 20 Jahre und haben in vielen unterschiedlichen Teilen der Forschung einen rasanten Aufschwung erlebt. Grund für dieses große Interesse stellen die vielen bemerkenswerten Eigenschaften dieses Materials dar, wie die einzigartige Struktur und eine hohe Zugfestigkeit. Trotz der außerordentlichen Eigenschaften kann ein Durchbruch von CNTs im breiten Einsatz aber erst dann erzielt werden, wenn in technischen Produktionsanlagen ausreichend gute Qualitäten in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden können. Eine wichtige Herausforderung besteht dabei in der Entwicklung von kostengünstigeren Produktionsverfahren für CNTs.

Wesentliches Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Reaktormodell zu entwerfen, mit dem die Herstellung von CNTs in einem Wirbelschichtreaktor dargestellt werden kann. Hierfür wurden Abhängigkeiten und Wirkungen verschiedenster Prozessparameter betrachtet, um auftretende Phänomene und daraus resultierende Gefahren bei einer Reaktorauslegung vorhersagen zu können. Die korrekte Darstellung der in der Wirbelschicht auftretenden Phänomene ist insbesondere im Hinblick auf eine etwaige Maßstabsvergrößerung des Apparates unabdingbar. Für die korrekte Wiedergabe der Fluiddynamik mussten beispielsweise Blasenbildung und –wachstum innerhalb der Wirbelschicht beschrieben werden, welche den Stofftransport innerhalb dieses Apparates und somit die CNT-Synthese beeinflussen. Zusätzliche zur Reaktormodellierung war die Beschreibung des CNT-Partikelwachstums und der CNT-Kinetik erforderlich. In einem zweiten Arbeitsteil wurde das CNT-Partikelwachstum experimentell untersucht. Die Kenntnis, wie sich Durchmesser und Dichte des Primärpartikels im Wirbelschichtapparat als Funktion der ablaufenden Reaktion quantitativ ändern, ist für die Darstellung der CNT-Produktion im Wirbelschichtreaktormodell entscheidend. In einem weiteren Arbeitsteil wurde die intrinsische Kinetik der CNT-Synthese bestimmt. Zusätzlich zur CNT-Bildung musste für die korrekte Wiedergabe des Umsatzes die Desaktivierung des Katalysators bestimmt und beschrieben werden. Erst mit Kenntnis zum Partikelwachstum und zur Reaktionskinetik konnte ein vollständiges Wirbelschichtreaktormodell zur Herstellung von CNTs erhalten werden, mit welchem es möglich war, quantitative Vorhersagen zu treffen und Scale-up Berechnungen durchzuführen.