Bei der thermo-chemischen Reduktion werden poröse Mikropartikel aus Eisenoxiden mit grünem Wasserstoff zu porösen Mikropartikeln aus reinem Eisen reduziert. Die thermo-chemische Oxidation der Eisenpartikel mit Luftsauerstoff zu Eisenoxidpartikeln stellt den komplementären Prozess dar und schließt den Kreislauf. Für die Reduktion und Oxidation müssen die Reaktionen und deren Kopplung an Transportprozesse zunächst für einzelne Partikel verstanden werden. Ratenbestimmende Prozesse sind der Wärme- und Stofftransport zwischen Partikeln und der umgebenden Gasphase sowie die Kinetik der heterogenen Partikeloberflächenreaktion. Diese Prozesse werden stark von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Zusammensetzung der Gasatmosphäre) und den Partikeleigenschaften (Partikelgröße, Porosität, etc.) beeinflusst. Dementsprechend ist eine räumlich und zeitlich aufgelöste Analyse der Elementarzusammensetzung der Eisen- und Eisenoxidpartikel bis zu den höchsten Prozesstemperaturen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen zur Modellvalidierung und zum besseren Verständnis der Prozesse erforderlich.
In diesem Teilprojekt wird in einem explorativen Ansatz ein Messverfahren entwickelt, das in einem Sondenvolumen von ca. 1 mm³ eine zeitaufgelöste in-situ-Analyse der elementaren Zusammensetzung von Eisen- und Eisenoxidpartikeln in Strömungsreaktoren ermöglichen soll. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) wird aufgrund ihrer prinzipiell hohen Empfindlichkeit zum Einsatz kommen. Bei der LIBS führt die Fokussierung eines gepulsten Laserstrahls auf die Partikeloberfläche zur Absorption des Laserlichts und zum anschließenden Abtrag einer z. B. von der Laserpulsenergie abhängigen Menge an Masse. Aus dem abgetragenen Material bildet sich oberhalb des Partikels ein Hochtemperaturplasma. In der frühen Phase der Plasmakühlung wird kontinuierliches Licht emittiert, während zu späteren Zeitpunkten diskrete Atomlinien emittiert werden. Letztere enthalten die Information über die elementare Zusammensetzung. LIBS wurde in großem Umfang auf Festkörperoberflächen angewandt, während Anwendungen auf Partikel und insbesondere auf einzelne Partikel in Hochtemperaturströmungen extrem spärlich waren. Ein Grund dafür ist das geringe Signal-Rausch-Verhältnis des analytischen Signals, das aus zeitaufgelösten Einzelpunktvermessungen in Strömungskonfigurationen gewonnen wird.
Dementsprechend müssen die experimentellen Parameter, die Einzelbildvermessungen zur Partikeldiagnostik ermöglichen könnten, in einem parametrischen Ansatz identifiziert und ein entsprechendes Datenauswertungsschema entwickelt werden. Die quantitative Analyse von Aerosolpartikeln mittels LIBS erfordert eine Analyse der relevanten physikalischen Prozesse, nämlich der Wärme- und Stoffübertragung während der Ablation, die die Dissoziation, Verdampfung, Ionisation und letztlich die Atomanregung der Analytspezies steuern. Dieselben Prozesse spielen eine Schlüsselrolle bei partikelbezogenen Matrixeffekten, die die quantitative Analyse beeinflussen. Partikel bis zu ~10 µm wurden mit LIBS analysiert, da diese ionisiert werden können. Bei größeren Partikeln, wie sie in Clean Circles relevant sind, ist eine Ionisierung möglicherweise nur für einen Bruchteil des Partikels möglich. Die Elementaranalyse von Partikeln größer als 10 µm und insbesondere von Einzelpartikeln ist daher Neuland und muss in parametrischen Untersuchungen erforscht werden.
Wissenschaftliche Fragestellungen:
- Welcher experimentelle Aufbau und welche experimentellen Parameter der Messtechnik offenbaren das Potenzial, um Einzelpunkt-Partikelmessungen zu ermöglichen?
- Wie groß ist die maximale Partikelgröße, die vollständig ionisiert werden kann, welcher Anteil der Partikel kann bei größeren Durchmessern ionisiert werden, was können wir aus der elementaren Zusammensetzung lernen, wenn nur Anteile der Partikel ionisiert werden?
- Was sind die besten Strategien, um eine robuste Kalibrierung des LIBS-Systems in Abhängigkeit von Prozessparametern wie Partikeldurchmesser, Form und Morphologie zu ermöglichen?
- Welche Datenauswertungsschemata liefern die robustesten Informationen über die elementare Zusammensetzung und was sind die unteren Nachweisgrenzen in der Einzelpartikeldiagnostik? Wie kann dies mit den Ergebnissen der Mössbauer-Spektroskopie verglichen werden?
- Gibt es Ansätze, die eine Messtechnik nur an der Partikeloberfläche erlauben?
- Wie kann LIBS mit anderen Methoden gekoppelt werden, die gleichzeitig Informationen z.B. über das Strömungsfeld liefern?
