SPP 2289 Hetero-Aggregates

Hybride Modellierung der Heteroagglomeration in gasgetragenen Strömungen mittels CFD-DEM-Simulation und Methoden des maschinellen Lernens

SPP 2289 Hetero-Aggregates: Gestaltung von Synergien in maßgeschneiderten Mischungen heterogener Pulver: Hetero-Aggregationen partikulärer Systeme und deren Eigenschaften

Fördergeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektbearbeitung: Nane Kühn

Zusammenfassung des Gesamtprojektes

In der zweiten Phase des Forschungsprojekts steht die Entwicklung und Optimierung photokatalytisch aktiver Materialien im Fokus. Diese Materialien, die chemische Reaktionen unter Lichteinfluss auslösen, ohne selbst verbraucht zu werden, sind für nachhaltige Anwendungen wie Luft- und Wasserreinigung, Energieumwandlung und Wasserstoffproduktion von zentraler Bedeutung. Aufbauend auf den Erkenntnissen zur Heteroagglomeration submikroner Partikelsysteme aus der ersten Projektphase sollen maßgeschneiderte Heteroagglomerate aus Siliziumdioxid und Titandioxid entwickelt werden, die eine erhöhte photokatalytische Aktivität aufweisen.

Ziel ist es, die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Heteroagglomerate im Hinblick auf ihre photokatalytische Effizienz zu verstehen und zu optimieren. Dies umfasst die systematische Untersuchung der Prozesseigenschaften, die gezielte Herstellung photokatalytisch aktiver Agglomerate und deren Charakterisierung hinsichtlich Struktur und Funktion. Durch experimentelle Untersuchungen wie die Messung des Methylenblau-Abbaus wird die photokatalytische Leistung bewertet.

Gleichzeitig werden CFD-DEM-Simulationen erweitert, um umfangreiche Parameterstudien durchzuführen und spezifische Agglomeratstrukturen zu erzeugen. Eine physikbasierte Simulation analysiert dann die Wechselwirkungen zwischen den strukturellen und photokatalytischen Eigenschaften der mittels CFD-DEM-Simulation generierten Strukturen. Die Integration von experimentellen und simulativen Daten unterstützt die Entwicklung datengetriebener Modelle, die den Heteroagglomerationsprozess und die photokatalytischen Reaktionen präzise beschreiben.

Das Projekt zielt darauf ab, ein semi-mechanistisches Modell zu entwickeln, das die Optimierung der Prozessgestaltung und die Reduktion des experimentellen Messaufwands ermöglicht. Dies soll zur präzisen Steuerung und Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf industrielle Anwendungen beitragen.

Ziele und Aufgaben des iPAT

• Entwicklung und Optimierung photokatalytisch aktiver Heteroagglomerate aus SiO₂ und TiO₂
• Systematische Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Heteroagglomeratstruktur und photokatalytischer Aktivität zur gezielten Optimierung der Heteroagglomerate
• Einsatz gekoppelter CFD-DEM-Simulationen zur Untersuchung der spezifischen Herstellung von Heteroagglomeraten in Abhängigkeit der Prozessparameter
• Physikbasierte Simulation zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen strukturellen und photokatalytischen Eigenschaften der Materialien
• Entwicklung datengetriebener und semi-mechanistischer Modelle zur präzisen Abbildung des Heteroagglomerationsprozesses und Vorhersage optimaler Prozessparameter

Abbildung:

Prozess zur Entwickelung eines semi-mechanistischen Modells zur Vorhersage des Heteroagglomerationsprozesses