Physikalische Rekonstruktion von Kieselgelmonolithen in Kapillarformat und direkte Simulation von Strömung und Stofftransport auf Porenebene
Final Report Abstract
In dem Projekt wurde ein innovativer, leistungsstarker methodischer Ansatz ausgebaut und angewendet, um Impulse für die Herstellung (Synthese, Charakterisierung und Anwendung in adsorptiver Stofftrennung) von Kieselgelmonolithen als Bulk-Material, sowie im analytischen und Kapillarsäulenformat für die (c)HPLC zu geben. Durch eine Kombination von physikalischer Rekonstruktion (basierend auf konfokaler Lasermikroskopie und elektronenmikroskopischer Tomographie), statistischer Analyse der rekonstruierten Makroporenräume (ortsaufgelöste Porositäts- und Chordlängenverteilungen; k-Gamma-Funktion), dreidimensionaler Modellierung von Strömung und Stofftransport auf Porenebene (auf einer High-Performance Computing-Plattform), sowie experimentellen makroskopischen Feldstudien konnten wir systematisch die Morphologie-Transport-Beziehungen für Kieselgelmonolithen untersuchen. Dabei standen Fragestellungen im Vordergrund, die seit Jahren zu einer Stagnation in der Entwicklung von leistungs- und konkurrenzfähigeren Monolithen (verglichen mit partikulären Festbetten) geführt haben. Zum einen handelt es sich um die Wandanbindungsthematik, die durch Schrumpfung der Monolithen bei ihrer Herstellung verheerende Konsequenzen für die laterale Heterogenität und resultierende chromatographische Trenneffizienz in der Praxis nach sich ziehen kann. Zum anderen ging es um die systematische Verkleinerung der Makroporendimensionen, ebenfalls mit dem Ziel, chromatographische Performance dieser Materialien deutlich zu steigern. Beide Fragestellungen erfordern die grundlegende Charakterisierung der Morphologie-Transport- Beziehungen bei systematisch veränderten Synthesebedigungen. Die in dem Projekt verfolgten nicht-klassischen Ansätze erlaubten komplementäre, quantitative morphologische Einblicke von der Porenebene bis zur Festbettebene, lieferten richtungsweisende, präzise Korrelationen zur Hydrodynamik (Simulationen) und haben somit letztlich entscheidende Impulse für nachhaltige Synthesestrategien der Kieselgelmonolithen, verfeinerte, aussagekräftigere Analysen in der chromatographischen Praxis und für das „Engineering“ des Säulenformats gegeben. Das Projekt hat aus meiner Sicht die Tür geöffnet für zukünftige, richtungsweisende Arbeiten, in denen nun die physikalisch rekonstruierten Festbetten und andere Materialien, z.B. Packungen und Membranreaktoren, deren Strukturen dann ebenfalls physikalisch rekonstruiert vorliegen, als Basis für die High-Performance Computing-Simulationen von Strömung und Stofftransport, sowie zusätzlich eingebundene Adsorptions- und Reaktionsprozesse dienen. Auf diese Weise kann zukünftig eine detaillierte und meines Wissens bisher nicht dokumentierte, eng vernetzte Charakterisierung von morphologischen und Transporteigenschaften physikalisch rekonstruierter Festbetten möglich sein. Von räumlichen Regionen in den Materialien, in denen Diffusion und Adsorption bestimmen, bis zu Regionen, in denen das Strömungsfeld seine Dominanz auslebt, wird durch morphologische Deskriptoren die Heterogenität dieser Räume quantitativ erfasst; analog geschieht dies mit der Simulation von Diffusion/Adsorption, Strömung und Stofftransport und daraus gewonnenen Größen, die diese Heterogenität wiederspiegeln. Somit lassen sich die bei den Anwendungen im Mittelpunkt stehenden Transporteigenschaften mit morphologischen Eigenschaften, die ihrerseits die Herstellung bzw. die Synthese der Materialien verkörpern, korrelieren. Auf diese Weise können Deskriptoren identifiziert und durch die Transportsimulationen validiert werden, die zukünftig auf alleiniger Basis physikalischer Rekonstruktionen eine systematische Optimierung der Materialeigenschaften von der Synthese bis zur Anwendung ermöglichen. Mit diesen wissenschaftlichen Fragen und Ansätzen werde ich mich in zunkünftigen Arbeiten auseinandersetzen.
Publications
- Morphological analysis of physically reconstructed capillary hybrid silica monoliths and correlation with separation efficiency. Journal of Chromatography A 2011, 1218, 5187-5194
S. Bruns, T. Hara, B. M. Smarsly, U. Tallarek
- Morphology-transport relationships for silica monoliths: From physical reconstruction to pore scale simulations. Journal of Separation Science 2011, 34, 2026-2037
D. Hlushkou, S. Bruns, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek
- From random sphere packings to regular pillar arrays: Analysis of transverse dispersion. Journal of Chromatography A 2012, 1257, 98-115
A. Daneyko, D. Hlushkou, S. Khirevich, U. Tallarek
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.chroma.2013.08.087) - Comparison of first and second generation analytical silica monoliths by pore-scale simulations of eddy dispersion in the bulk region. Journal of Chromatography A 2013, 1303, 28-38
D. Hlushkou, K. Hormann, A. Höltzel, S. Khirevich, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chroma.2013.06.039) - Morphological analysis of disordered macroporous–mesoporous solids based on physical reconstruction by nanoscale tomography. Langmuir 2014, 30, 9022-9027 (plus Supporting Information)
D. Stoeckel, C. Kübel, K. Hormann, A. Höltzel, B. M. Smarsly, U. Tallarek
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D. Stoeckel, C. Kübel, M. O. Loeh, B. M. Smarsly, U. Tallarek
(See online at https://doi.org/10.1021/la5046018) - Synthesis and morphological characterization of phenyl-modified macroporous-mesoporous hybrid silica monoliths. RSC Advances, 2015, 5, 20283-20294
R. Meinusch, K. Hormann, R. Hakim, U. Tallarek, B. M. Smarsly
(See online at https://doi.org/10.1039/c4ra16519e)
