Partikelgrößenbereich ist gekennzeichnet durch Beiträge von Krümmungseffekten (Ostwaldreifung)

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1 Grenzflächenprozesse und phänomene - Emulsionssysteme Neuer Begriff: Miniemulsion (begrifflich etabliert in den 1980er Jahren) Zugeschriebenes Merkmal: nm, enge Größenverteilung Partikelgrößenbereich ist gekennzeichnet durch Beiträge von Krümmungseffekten (Ostwaldreifung) Stabilisierung durch Einführung einer dritten, stark hydrophoben Komponente, die nahezu ausschließlich in der Dispersphase löslich sein soll; Wirkung durch dem Lösungdruck gegenwirkenden osmotischen Beitrag Insbesondere in Abgrenzung zur Emulsionspolymerisation Herstellung per definitionem durch Energieeintrag: Bei kleinen Mengen insbesondere durch Ultraschall, sonst spezielle Rotor/Stator Systeme, Hochdruckhomogenisatoren Schema zur Herstellung und des Anwendungspotentials einer Miniemulsion Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 5 Optische Achse Nematisch Smektisch Cholesterisch Beispiele für Überstrukturen in lyotropen Mesophasen

2 Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 5 Lamellare Strukturen in gekreutzten Polarisatoren Schaumstruktur in einem Wasser/Öl/Tensidsystem Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 9 Phasendiagramm: Darstellung in Dreiecksdiagrammen Exemplarisch Punkt P: 50% C, 30% B, 20% A

3 Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 9 Phasendiagramm: Überlappen der drei binären Systeme bei bestimmten Temperaturen Schematische, prinzipielle Phasendiagramme ternärer Systeme aus Wasser/Öl/Tensid Die Tensidecke kann aus praktischen Gründen auch ein Tensid/Cotensid Gemisch darstellen Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 16 Wichtige Einflüsse: W= [Wasser]/[Tensid] Konzentrationseinflüsse Austauschkinetik der Mikroemulsion Reaktionskinetik Nukleation und Wachstum Langlebige Tropfendimere verbreitern die Partikelgrößenverteilung Oft große Probleme bei der Stabilisierung der Nanopartikel, Polymere als Stabilisatoren

4 Grenzflächenprozesse und phänomene - Disp. Systeme Mikro 16 Verschiedene Vorgehensweisen möglich: Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 2 Kugel und Wabenschaum unterscheiden sich vom Polyederschaum deutlich in ihrem Flüssigvolumenanteil. Im Polyederschaum ist dieser Anteil zu einem großen Teil durch Ablaufen der Flüssigkeit im Schwerefeld nach unten herabgesetzt worden (drainage). Im Polyederschaum ist die Drainage soweit fortgeschritten das die Grenzflächen kräfte die Kugelform deformieren. Wichtige Vertreter dieser Schaummorphologien: Sektschaum als Kugelschaum Bierschaum als Polyederschaum Cluster von Einzelblasen Minimierung der Energie und der Fläche (Beginn Mitte des 19. Jahrhunderts) Sehr anspruchsvolles mathematisches Problem, bereits für einfache Cluster noch nicht vollständig entworfen Annahme von Kugeln Suche nach mini Annahme von Kugeln, Suche nach mini maler Kontaktfläche bzw. kleinstem Umfang der Kontaktfläche

5 Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 2 Beispiele für Suche nach den kleinsten Umfängen verschiedener Cluster aus Einheitsflächen Erwartung: Zellen im Inneren sollten sechs Nachbarn, Zellen im Außenbereich sollten vier Nachbarn haben. grau: Regelabweichung zu kleinerer Zahl schwarz: Regelabweichung zu gößerer Zahl Herstellen von Schäumen Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 4 Einpressen von Luft oder anderer Gase durch feine Düsen oder Fritten in die Tensidlösung Schlagen und Rühren der Lösung im Gaskontakt (Deformation der Grenzflächen durch Scherbeanspruchung) Einströmen eines Gases aus einer Bohrung in eine Flüssigkeit Auftriebskraft Haftkraft F A 4 3 r 3 g F S 2 r 0 Statischer und dynamischer Kontaktwinkel als wichtiger Parameter d: Durchmesser der Kontaktbasis β: dynamischer Kontaktwinkel oben: stat. Randwinkel ca. 100, d = 055mm 0,55 Blasenvolumen 0,011 ml Mitte: stat. Randwinkel ca. 81, d = 3 mm Blasenvolumen 0,05 ml stat. Randwinkel < 45, d = 4,8 mm Blasenvolumen 0,1 ml

6 Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 4 Schaumstabilität Messung bzw. Beurteilung der Schaumstabilität durch: Erfassung der zeitlichen Veränderung der Schaumhöhe in einem zylindrischen Gefäß entweder als Zerfallsmessung einer Schaumschicht nach Bildung oder als Schaumhöhenmessung bei definierter Aufschäumung. Beide Verfahren können bei ungeeignetem Versuchsdesign von System zu System z. T. stark streuende Werte liefern, daher oft eingeschränkte Aussagekraft und Vergleichbarkeit der Messungen. Definierte Messung der Schaumlamellendicke zu verschiedenen Drainagezuständen Messung der Drainagegeschwindigkeit (Rücklauf der Flüssigphase aus einer definierten Schaumschicht) Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 4 Filmdrainage im Schaum

7 Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 5 Stabilitätsbeeinflussende Parameter Wirkung von Feststoffpartikeln (im Prinzip auch Übertragbar auf Flüssigtröpfchen) Partikel können stabilisierend und destabilisierend wirlen Entscheidend ist hier die Benetzbarkeit Partikeleinfluss z. b. über: Mechanische Stabilität der Lamelle Viskositätsverhältnisse in der Lamelle Aufreißen der Lamelle Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 6 Anwendungen von Schäumen: Schaumfraktionierung Schema einer Schaumfraktionierung 1 Flüssig Einlass 2 Aufschäumbereich der Flüssigkeit 3 Gasverteiler (Fritte oder Düsenboden) 4 Drainagetum 5 Überleitung 6 Auffangbehälter 7 Produktableitung (kollabierter Schaum) 8 Abführung der Unterphase 9 Teilrückführung (eventuell verschiebbar)

8 Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 6 Anwendungen von Schäumen: Flotation 1 Sortierprozess über Benetzungseigenschaften g Haftung von in der Regel konditionierten Erzpartikeln aus Flüssigdispersion an Gasblasen Partikelgrößen ca. 0, mm 0,2 (auch darunter), daher z. B Teilchen/m³ Feststoff als Herausforderung der Trennaufgabe Hilfsmittel: Shä Schäumer Sammler Detailbild an der Grenzfläche Gas/Fluid/Feststoff a Sammlermolekül b Dispersion in Flüssigphase c Nanoskalige, orientierte Wasserschicht Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 6 Anwendungen von Schäumen: Flotation 3 Detail zur Drainage in der Schaumschicht Trennung durch selektive Adsorption der hydrophobisierten Mineralpartikel

9 Grenzflächenprozesse und phänomene - Schaum 6 Anwendungen von Schäumen: Flotation 4 Beispiel für eine apparative Realisierung der Flotation