Morphologische Charakterisierung und Transporteigenschaften physikalisch rekonstruierter chromatographischer Festbetten

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Tallarek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272475475

Die Kenntnis detaillierter Morphologie-Transport-Beziehungen spielt eine Schlüsselrolle bei der Herausforderung, immer effizientere Funktionsmaterialien zielgerichtet zu entwickeln. In diesem Projekt steht die Charakterisierung von morphologischen und Transporteigenschaften physikalisch rekonstruierter Adsorbentien (Festbetten) im Mittelpunkt, die jüngste Entwicklungen und Problemstellungen in der Flüssigchromatographie mit kleinen, kieselgelbasierten Partikeln (< 3 µm), sowie Kieselgelmonolithen und organischen Polymermonolithen repräsentieren. Die dreidimensionalen Rekonstruktionen basieren auf experimentellen partikulären und monolithischen Festbetten, die unter praxisüblichen Bedingungen seitens Packprozess der partikulären Materialien und Synthese der Monolithen hergestellt worden sind. Dies verleiht dem methodischen Ansatz und der Einordnung der Ergebnisse Transparenz und Realitätsnähe. Simulationen von Strömung und Stofftransport direkt in den Rekonstruktionen ermöglichen die Charakterisierung spatiotemporaler Dynamik, die auf der intrinsischen morphologischen Heterogenität der Materialien und resultierenden Strömungsungleichverteilung - von der individuellen Porenebene bis zur Festbettebene - basiert. Die Quantifizierung morphologischer Heterogenität erfolgt durch Parameter, die aus der geometrischen und topologischen Analyse der Porenräume stammen. Analysiert werden Größe, Form, Größenverteilung und Verknüpfung der Poren, in denen die Strömung stattfindet und advektiver Transport dominiert, aber auch räumliche Domänen, in denen diffusiver Transport und Adsorption vorherrschen, wie in stagnanten Regionen in den Partikeln und im porösen Monolithskelett. Ziel des Projekts ist es, über die geometrische und topologische Analyse des ungeordneten Porenraumes der Materialien, sowie auf Porenebene erfolgende Simulation von Strömung und Stofftransport morphologische Deskriptoren für effektive Diffusion und insbesondere die chromatographisch weitaus wichtigere hydrodynamische Dispersion zu identifizieren. Von räumlichen Domänen in den Materialien, in denen Diffusion und Adsorption den Stofftransport limitieren, bis zu Regionen, in denen das Strömungsfeld dominiert, 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 chromatographischen Anwendungen im Vordergrund stehenden Transporteigenschaften mit morphologischen Eigenschaften, die ihrerseits den Herstellungsprozess bzw. die Synthese der Materialien verkörpern, korrelieren. Auf diese Weise können aussagekräftige Deskriptoren herausgearbeitet und mithilfe der Transportsimulationen validiert werden, die zukünftig auf der alleinigen Basis physikalischer Rekonstruktionen eine systematische Optimierung der Materialeigenschaften von der Synthese bis zur Anwendung begleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen