Optical and laser-based in situ diagnostics in lab-scale and pilot-scale spray flames for nanoparticle synthesis
The flame synthesis of metal-oxide nanoparticles is a rapidly evolving field of research. Nanoparticles feature unique properties and are hence of outstanding interest for numerous applications as, e.g., catalysis, battery technology, or gas sensing. The synthesis in spray flames enables the production of oxides of almost all metal elements based on low-cost precursors. It is possible to synthesize tailored particles with various morphologies and compositions, and thus properties, that are of high interest for industry. However, in its current status the synthesis of metal-oxide nanoparticles is largely on the research stage with production rates on the laboratory scale. Work to upscale processes is progressing, but further research is required to gain a deeper process understanding of the nanoparticle synthesis in spray flames.
This work was conducted within the frame of Priority Program SPP1980 “Nanoparticle Synthesis in Spray Flames” funded by the German Research Foundation (DFG). The aim of this project consortium is to establish a standardized spray burner (referred to as SpraySyn burner) that enables interdisciplinary collaboration across numerous laboratories on the identical spray flame with consistent operating conditions and characteristics. Efforts are aimed at facilitating the exchange of insight, experimental, and simulation data to advance process understanding of the nanoparticle synthesis in spray flames.
In this work, experimental data were generated by optical, mainly laser-based in situ diagnostics for two versions of the laboratory-scale SpraySyn flame and two pilot-scale spray flames. For the first version of the SpraySyn flame, chemiluminescence was measured in a spectrally resolved manner at different heights above the burner under various operating conditions (e.g., the synthesis of iron oxide and silica nanoparticles with the precursors iron nitrate nonahydrate and hexamethyldisiloxane, respectively). Droplet velocity and size distributions were measured for the second version of the SpraySyn burner by laser-Doppler and phase-Doppler anemometry, respectively. The data are provided for different operating conditions (variation of flow rates and liquid fuels) in form of two-dimensional maps spanning vertical and horizontal direction as well as flame-centerline profiles. For two pilot-scale spray flames, time-averaged gas-temperature maps were measured by multi-line laser-induced fluorescence thermometry of seeded NO to investigate the impact of gas temperature on the synthesis and the properties of iron oxide nanoparticles.
The main part of this work is on liquid-phase temperature measurements in the evaporating spray of the SpraySyn flame by two-color laser-induced fluorescence thermometry using fluorescing dyes dissolved in the fuel as temperature tracers. An extended study was performed on the suitability of various dyes for the challenging environment. Coumarin 152 turned out to be the most suitable tracer. Its applicability was demonstrated by measuring time-averaged liquid-temperature maps in the first and second version of the SpraySyn burner. Various operating conditions were investigated with ethanol as fuel.
The experimental results generated in this work were used by cooperation partners as boundary conditions for simulations and for the validation of various simulation models.
Die Flammensynthese von Metalloxid-Nanopartikeln ist gegenwärtig ein sich rasch entwickelnder Forschungsbereich. Nanopartikel weisen einzigartige Eigenschaften auf und sind daher von herausragendem Interesse für zahlreiche Anwendungen wie z. B. Katalyse, Batterietechnologie oder Gassensoren. Insbesondere die Synthese in Sprayflammen ermöglicht die Herstellung von Metalloxid-Nanopartikeln für fast alle Metallelemente auf Basis kostengünstiger Ausgangsstoffe. Es ist möglich, maßgeschneiderte Partikel mit verschiedenen Morphologien und Zusammensetzungen und daraus resultierenden Eigenschaften zu synthetisieren, die für die Industrie von großem Interesse sind. Dennoch befindet sich die Synthese von Metalloxid-Nanopartikeln noch weitgehend im Forschungsstadium mit Produktion im Labormaßstab. Arbeiten zur Hochskalierung des Prozesses machen Fortschritte, aber für Weiterentwicklungen sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um ein tieferes Verständnis der Nanopartikelsynthese in Sprayflammen zu erlangen.
Diese Arbeit wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1980 „Nanopartikelsynthese in Sprayflammen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Etablierung eines standardisierten Sprayflammenbrenners (SpraySyn-Brenner), der die interdisziplinäre Zusammenarbeit zahlreicher Forschungsgruppen an identischen Sprayflammen mit einheitlichen Eigenschaften ermöglicht. Die Bemühungen zielen darauf ab, den Austausch von Erkenntnissen, experimentellen und Simulationsdaten zu erleichtern, um ein tieferes Verständnis der Partikelsynthese in Sprayflammen zu erlangen.
In dieser Arbeit wurden experimentelle Datensätze durch optische, hauptsächlich laserbasierte In-situ-Diagnostik, für zwei Versionen der SpraySyn-Flamme und für zwei Sprayflammen im Pilotmaßstab erzeugt. Für die erste Version der SpraySyn-Flamme wurde die Chemilumineszenz in verschiedenen Höhen über dem Brenner unter verschiedenen Betriebsbedingungen spektral aufgelöst gemessen (z. B. die Synthese von Eisenoxid- oder Siliciumdioxid-Nanopartikeln mit den Ausgangsstoffen Eisennitrat-Nonahydrat oder HMDSO). Für die zweite Version des SpraySyn-Brenners wurden Tropfengeschwindigkeit und -größenverteilungen durch Laser-Doppler- und Phasen-Doppler-Anemometrie gemessen. Die Daten wurden für unterschiedliche Betriebsbedingungen (verschiedene Durchflussmengen und flüssige Brennstoffe) als zweidimensionale Verteilungen in vertikaler und horizontaler Richtung und als Flammenmittellinienprofile dargestellt. Für zwei Sprayflammen im Pilotmaßstab wurden durchschnittliche zweidimensionale Gastemperaturverteilungen mit Hilfe der laserinduzierten Mehrlinien-Fluoreszenzthermometrie gemessen, um den Einfluss der Gastemperatur auf die Synthese und die Eigenschaften von Eisenoxid-Nanopartikeln zu untersuchen.
Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich mit Temperaturmessungen in der Flüssigphase der SpraySyn-Flammen durch Zwei-Farben-laserinduzierte-Fluoreszenzthermometrie. Für die herausfordernde Umgebung verdampfender Tröpfchen in Flammen geeignete Fluoreszenzmarker wurden vergleichend untersucht. Der Laserfarbstoff Coumarin 152 erwies sich dabei als am besten geeignet. Seine Eignung wurde durch die Messung zeitlich gemittelter Flüssigtemperaturverteilungen in den SpraySyn-Flammen nachgewiesen. Es wurden Flammen mit verschiedenen Betriebsbedingungen mit Ethanol als Flüssigbrennstoff untersucht.
Die in dieser Arbeit gewonnenen experimentellen Ergebnisse wurden durch Kooperationspartner als Randbedingungen für Simulationen und für die Validierung verschiedener Simulationsmodelle verwendet.