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  • Die akustische Levitation als analytische Methode zur Untersuchung

    von Mehrkomponenten-Tropfen

    Acoustic Levitation as an analytical method for the investigation of multicomponent droplets

    Dissertation

    Zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften an der Fakulta t

    fu r Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften

    Fachbereich Chemie

    Universita t Hamburg

    vorgelegt von

    Thomas Hellwig

    Hamburg

    2018

  • II

  • III

    Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Juni 2014 bis August 2017 am Institut fu r

    Technische und Makromolekulare Chemie der Universita t Hamburg im Arbeitskreis von

    Prof. Dr. HANS-ULRICH-MORITZ angefertigt.

    Disputationstermin: 06. Juli 2018

    Vorsitzender der Pru fungskommission: Herr Prof. Dr. H.-U. MORITZ

    Erstgutachter: Herr Prof. Dr. H.-U. MORITZ

    Zweitgutachter: Herr Prof. Dr. G. A. LUINSTRA

  • IV

    Danksagung

    Herrn Prof. Dr. H.-U. MORITZ danke ich fu r die Mo glichkeit der Bearbeitung des interessan-

    ten Themas, fu r die Unterstu tzung zur Realisierung der Arbeit und die gewährte Freiheit

    bei der Anfertigung der Arbeit sowie fu r die Unterstu tzung bei Tagungen und Kongressen.

    Herrn Prof. Dr. G. A. LUINSTRA danke ich fu r die U bernahme des Zweitgutachtens.

    Fu r die fachliche Unterstu tzung wa hrend unserer gemeinsamen Arbeit danke ich Dr. JAN-

    HENDRIK REDMANN und Dr. ANDREA SCHU TZE von der Shell Global Solutions (Deutschland)

    GmbH.

    Herrn Dr. W. PAUER gilt mein besonderer Dank fu r die unentwegte Hilfsbereitschaft und

    fu r die zahlreichen, wertvollen Ideen und Anregungen, die zum Gelingen dieser Arbeit

    beigetragen haben.

    MATTHIAS GRIESING, ROBERT SEDELMAYER, MALTE JUNK und DORIS WONG danke ich herzlich fu r

    die zahlreichen Stunden an Diskussionen u ber diese Arbeit, die Levitation und den unza h-

    ligen anderen Themen. ROBERT, vielen Dank fu r das U berlassen deines Babys, ohne das

    diese Arbeit niemals mo glich gewesen wa re.

    Bei meine studentischen Hilfskra ften FRITZ und MAIKE bedanke ich mich fu r ihren ausdau-

    ernden Einsatz am Levitator.

    Allen Korrektoren dieser Arbeit gilt mein perso nlicher Dank fu r die Anregungen, Vor-

    schla ge und zahlreichen Stunden, die in diese Arbeit investiert wurden.

    Ein besonderer Dank gilt dem gesamten AK Moritz, insbesondere ADRIAN, DORIS, FRANZI,

    KATHARINA, KRISTINA, MARCO, MARIO, MATTHIAS, MICHI, PETER, PHILIP, ROBERT und SUSANNE, fu r

    gelungene Abende, geda chtniswu rdige gemeinsame Reisen und die Hilfsbereitschaft.

    Und nun zu euch Brudis: BALDUR, MALTE, PADDY und SVEN ihr habt diese Promotion fu r mich

    zu etwas Besonderem gemacht. Ein Klatschi auf euch!

    Meiner Familie und besonders meinen Eltern danke ich von ganzem Herzen fu r die unent-

    wegte Unterstu tzung, ohne die ich diesen langen Weg nicht ha tte meistern ko nnen.

    Dem wohl gro ßten Dank gilt CATHARINA MEYER fu r die immerwa hrende Unterstu tzung und

    dem Talent mir in jeder Situation ein La cheln auf das Gesicht zaubern zu ko nnen.

  • V

    Meiner Familie.

  • VI

    Man merkt nie, was schon getan wurde, man sieht immer nur, was noch zu tun bleibt.

    Marie Curie (1867 – 1934)

  • VII

    Inhaltsverzeichnis

    1 Zusammenfassung ....................................................................................................................................... 1

    2 Summary ......................................................................................................................................................... 6

    3 Einleitung und Problemstellung ......................................................................................................... 10

    4 Theoretische Grundlagen ...................................................................................................................... 13

    4.1 Das Prinzip der akustischen Levitation .............................................................................. 13

    4.1.1 Erzeugung der stehenden Ultraschallwelle .............................................................. 13

    4.1.2 Wechselwirkung des Ultraschallfelds mit dem levitierten Ko rper .................. 14

    4.2 Stoff und Wa rmetransport an einem Tropfen .................................................................. 16

    4.2.1 Stoffu bergang ........................................................................................................................ 17

    4.2.2 Stofftransport ........................................................................................................................ 17

    4.2.3 Zweifilmtheorie .................................................................................................................... 19

    5 Stand des Wissens .................................................................................................................................... 22

    5.1 Raman-Spektroskopie an akustisch levitierten Tropfen .............................................. 22

    5.2 Neuartige Ansa tze zur Beschreibung der Trocknungskinetik von Einzeltropfen

    .................................................................................................................................................................... 24

    5.3 Auswirkungen des Trocknungsprozesses auf die Polymorphie des

    Mannitolpartikels ................................................................................................................................ 25

    5.4 Verdunstungskinetik als ein Qualita tsmerkmal fu r Schmiero le ................................ 27

    5.5 Blowing agents als ein Konzept zuku nftiger high performance Kraftstoffe ........... 28

    6 Experimenteller Teil ................................................................................................................................ 30

    6.1 Versuchsaufbau und Vorstellung des apparativen Konzepts ...................................... 30

    6.1.1 Weiterentwicklung des modularen Aufbaus zur Untersuchung levitierter

    Proben ..................................................................................................................................... 32

    6.1.2 Konzepte zur Probeneinbringung und Probenentnahme ................................... 34

    6.1.3 Temperaturmessungen an Einzeltropfen .................................................................. 35

    6.2 Einfluss des Thermoelements und des Gasvolumenstroms auf die

    Verdunstungscharakteristik ........................................................................................................... 39

    6.3 Raman-spektroskopische Untersuchungen im backscattering Verfahren ............ 44

  • VIII

    6.4 Bildgebende Verfahren zur Untersuchung levitierter Proben ................................... 47

    6.4.1 Bestimmung der Verdunstungskinetik im Shadowgraphieverfahren ............ 47

    6.4.2 Farb- und Strukturuntersuchungen im Auflichtverfahren .................................. 50

    7 Ergebnisse und Diskussion ................................................................................................................... 51

    7.1 Trocknung wa ssrige Mannitollo sung ................................................................................... 52

    7.1.1 Verdunstungskinetik wa ssriger Mannitoltropfen bei erho hten

    Luftfeuchten .......................................................................................................................... 54

    7.1.2 Entstehung und Untersuchung von u berkritische Mannitollo sung in

    Einzeltropfen ........................................................................................................................ 66

    7.1.3 Untersuchung der Polymorphie des Mannitols wa hrend der Kristallisation

    eines Protopartikels ........................................................................................................... 75

    7.2 Analyse levitierter Dieseltropfen ........................................................................................... 80

    7.2.1 Einfluss einer Biokomponente auf die Verdunstung von Dieselkraftstoff .... 81

    7.2.2 Wirkungsweise von 1,1'-(Azodicarbonyl)dipiperidin unter dem Blickpunkt

    der Verbesserung der Cetanzahl von Dieselkraftstoff .......................................... 85

    7.2.3 Aufkla rung des Zerfallsmechanismus des 1,1'-(Azodicarbonyl)dipiperidin 87

    7.2.4 Auswirkung von blowing agents auf die Verdunstungseigenschaften von

    Einzeltropfen ........................................................................................................................ 90

    7.2.5 Einfluss von AZDP auf die Verdunstung unterschiedlicher

    Dieselkraftstoffe................................................................................................................... 94

    7.2.6 Ableitung relevanter funktioneller Gruppen auf Basis der Wirkungsweise

    von 1,1'-(Azodicarbonyl)dipiperidin fu r neuartige blowing agents .............. 101

    7.2.7 Ergebnisse des systematischen Testverfahrens zur Identifizierung

    neuartiger blowing agents .................