Bei der Oxidation von Metallpartikeln wird davon ausgegangen, dass Eisen vorwiegend durch heterogene Reaktionen in der kondensierten Phase verbrennt. Bei diesem Prozess bilden sich mikrometergroße Metalloxidpartikel mit einer höheren Masse und einem größeren Volumen als die Ausgangspartikel, die recht einfach gesammelt und unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen recycelt (reduziert) werden können.
Jüngste experimentelle Studien der TU Darmstadt und der TU Eindhoven haben gezeigt, dass das Schmelzen der Partikel, die Verdampfung, die Gasphasenreaktionen (Eisenoxide) und die Bildung von Nanopartikeln nicht zu vernachlässigen sind. Flüssiges Eisen oder Eisenoxide können von der Partikeloberfläche verdampfen, in der Gasphase weiter oxidieren und im Nachlauf des ursprünglichen Eisenpartikels wieder erstarren und unerwünschte Nanopartikel bilden. Die Bildung von Nanopartikeln wird zwar von der Partikelgröße und den lokalen thermodynamischen Bedingungen wie Temperatur, Partikelporosität und Sauerstoffkonzentration beeinflusst, ein umfassendes Verständnis ist jedoch noch lange nicht erreicht.
Dieses Teilprojekt zielt darauf ab, das Verständnis der Bildung von Nanopartikeln während der Oxidation von Eisenpartikeln durch mathematische Modellierung und numerische Simulationen zu verbessern. Das Projekt ist komplementär zu dem Projekt von B. Böhm und A. Scholtissek , in dem Experimente und Modellentwicklung für die Zündung und Oxidation einzelner Eisenpartikel durchgeführt werden. Die experimentellen Ergebnisse des Projekts von B. Böhm zur Bildung von Nanopartikeln werden entscheidend sein, um das numerische Modell zu validieren und eine kombinierte experimentelle und numerische Analyse durchzuführen, die ein tieferes Verständnis der stattfindenden physikalisch-chemischen Prozesse ermöglichen wird. Die Simulationsergebnisse aus dem detaillierten Einzelpartikel (A. Scholtissek) werden als Ausgangspunkt für die Modellierung von Nanopartikeln dienen. Darüber hinaus ist eine enge Zusammenarbeit mit den Projekten von A. Dreizler , D. Trimis und C. Hasse vorgesehen, in denen mehrdimensionale Eisenstaubflammen experimentell bzw. numerisch untersucht werden. In diesen komplexeren Konfigurationen werden die gewonnenen Informationen über die Bildung von Nanopartikeln bei der Oxidation von Einzelpartikeln für die Abschätzung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen physikalischen Phänomenen von Nutzen sein.
