Warum agglomerieren Feinpartikel?

1. Warum sammelt sich Staub in der Luft immer an?

Warum scheint der Staub, der durch die Luft schwebt, immer in Klumpen zu fliegen, wenn die Sonne durchs Fenster scheint? Sobald Mehl nass wird, verklumpt es und lässt sich selbst beim Umrühren nur schwer verteilen. Warum scheint sich die Luftverschmutzung bei diesigem Wetter über Nacht zu verdichten? Hinter diesem Phänomen steckt eine Eigenschaft von Partikeln: Sie neigen dazu, sich zusammenzuballen, ähnlich wie Menschen sich im kalten Wind zusammenfinden, um sich zu wärmen. Dieser Prozess wird als Partikelagglomeration bezeichnet.

2. Warum agglomerieren Partikel?

Es gibt drei Hauptgründe für die Agglomeration von Partikeln:

2.1 Van-der-Waals-Kraft:

Man kann sich die Van-der-Waals-Kraft als eine Art stille Anziehung vorstellen. Selbst wenn Teilchen nicht geladen sind, bilden sie aufgrund der augenblicklichen Bewegung von Elektronen innerhalb der Moleküle kurzzeitig kleine magnetische Pole, die sie gegenseitig anziehen.

Tatsächlich ist die Van-der-Waals-Kraft eine intermolekulare Kraft.

Das ist vergleichbar mit zwei Blättern Papier, die sich einander nähern und durch statische Elektrizität angezogen werden, selbst ohne dass eine sichtbare Ladung oder Magnetismus vorhanden ist. Ähnlich verhält es sich mit den Haaren, die beim Näherkommen an einen Fernsehbildschirm aufgrund der schwachen Molekularkräfte aufsteigen.

Bei Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern überwiegt die Van-der-Waals-Kraft oft die Schwerkraft, weshalb Feinpartikel wie PM2,5 und PM1,0 dazu neigen, zusammenzukleben und sich nur schwer entfernen lassen.

2.2 Flüssigkeitsbrückenkraft:

Wenn Feuchtigkeit in der Luft ist, nimmt die Oberfläche der Partikel leicht Wasserdampf auf und bildet eine Flüssigkeitsbrücke, ähnlich wie ein Wassertropfen, der zwei kleine Kugeln verbindet.

Beispiel: Zwei trockene Sandkörner haften nicht aneinander, können aber durch leichtes Anfeuchten durch Wasser verklumpen. Aus trockenem Sand lässt sich keine Burg bauen, aus nassem Sand hingegen ein Hügel – so funktioniert das Prinzip.

Typische Szenarien: Küchengewürze verklumpen aufgrund von Feuchtigkeit, Waschpulver verklumpt aufgrund von Feuchtigkeitsaufnahme und reduzierter Staub auf regnerischen Straßen.

2.3 Kollision und Agglomeration:

Wenn sich Partikel durch Luft oder Wasser bewegen, kommt es zu zahlreichen Relativbewegungen und Kollisionen. Unter den richtigen Bedingungen (z. B. bei nicht zu hoher Geschwindigkeit und einer adsorbierten Oberfläche oder einem Flüssigkeitsfilm) können die Partikel nach der Kollision aneinander haften und größere Partikel bilden.

Stellen Sie sich eine Gruppe von Menschen vor, die in einem rüttelnden Bus sitzen. Wenn zu viele Menschen in einem Bus sitzen und dieser zu stark wackelt, stoßen sie oft zusammen und halten sich aneinander fest, um nicht zu verrutschen. Diese unbeabsichtigte Haftung ähnelt der Kollision und Agglomeration von Partikeln.

Die Geschwindigkeit dieser Agglomeration hängt von der Partikelkonzentration, der Strömungsfeldgeschwindigkeit und der Turbulenzintensität ab. Je heftiger die Strömung und je größer die Partikelanzahl, desto höher ist die Kollisionswahrscheinlichkeit.

3. Wie untersucht man die Partikelagglomeration in der Simulation?

In der Technik verwenden wir häufig Computational Fluid Dynamics (CFD) und Population Balance Models (PBM), um den Agglomerationsprozess von Partikeln zu simulieren.

PBM simuliert nicht die Flugbahn jedes einzelnen Partikels, sondern beschreibt stattdessen die Entwicklung eines „Partikelensembles“ im Partikelgrößenraum:

Wie nimmt die Anzahl der Partikel mit der Zeit ab (weil mehr Partikel zu größeren verschmelzen)?

Wie nimmt die durchschnittliche Partikelgröße zu?

Wie die Partikelgrößenverteilung (PSD) ihre Form ändert: von einem scharfen einzelnen Peak
→ Allmähliche Ausweitung oder Bildung von Doppelgipfeln？

4. Welche Branchen sind von Partikelagglomeration betroffen?

4.1 Agglomeration ist in der Natur weit verbreitet

Bildung von Sanddünen: Sandpartikel haften aneinander und akkumulieren durch Windtransport. Bodenaggregatstruktur: Ton und organische Stoffe binden Wasser und Dünger. Zellaggregation: Intermolekulare Kräfte in Organismen fördern die Gewebebildung.

4.2 Industrielle Anwendungen

Agglomeration kann in industriellen Anwendungen sowohl ein Segen als auch ein Fluch sein.

Szenario	Auswirkungen	Ist eine Agglomeration erforderlich?
Luftreinigung	Partikelgröße nimmt zu → Leichter zu filtern	✔ Nein
Dunstkontrolle	Agglomeration führt zu leichterer Ablagerung → Verbesserung der Luftqualität	✔ Nein
Pharmazeutische Formulierungen	Ungleichmäßige Partikelgröße → Instabile Dosierung	✕ Nein
Sprühtrocknung	Wiedervereinigung führt zu Düsenverstopfung und Verklumpung	✕ Nein
Chemischer Reaktor	Reduzierte Reaktionsoberfläche und schlechte Wärmeübertragung	✕ Nein

4.3 Anti-Agglomerationstechnologie

Nachdem die Ingenieure die Mechanismen der Agglomeration verstanden hatten, entwickelten sie verschiedene Lösungen, um diese zu verhindern.

Anti-Caking-Technologie	Mechanismus	Anwendungsszenarien
Oberflächenbeschichtung	Bildet eine Isolationsschicht mit Kieselsäure	Milchpulver, Instantkaffee
Wirbelschichttrocknung	Heiße Luft erzeugt Partikelschwebungen	Pharmazeutische Granulierung
Antistatika	Reduziert den Oberflächenwiderstand	Verarbeitung von Kunststoffpartikeln
Ultraschallvibration	Zerstört Flüssigkeitsbrückenstrukturen	Pulversiebanlage

Daher ist die Frage, ob das Agglomerationsverhalten von Partikeln genau simuliert und vorhergesagt werden kann, eine Schlüsseltechnologie für die industrielle Prozesssteuerung.

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