Grenzflächenei­genschaften von Tröpfchen und Blasen unter Strömungsbedin­gungen

Kontaktperson: Prof. Dr. et Ing. habil. Kerstin Eckert, Dr.-Ing. Karin Schwarzenberger

Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Milad Eftekhari

Motivation

    Blasen und Tropfen sind die Grundelemente vieler industrieller Anwendungen. Die Grenzflächeneigenschaften dieser Blasen und Tropfen bestimmen die Effizienz des Prozesses, von der Stabilität der Schäume und Emulsionen in Kosmetika, Pharmazeutika und Lebensmitteln bis hin zum Wärme- und Stoffaustausch bei der Mineralienverarbeitung, der Medikamentenabgabe und der Flüssig-Flüssig-Trennung. In der Praxis sind Blasen und Tropfen dynamischen Bedingungen unterworfen; ihr Verhalten wird jedoch hauptsächlich unter quasistatischen Bedingungen untersucht. Hier wird das Verhalten von Tropfen und Blasen unter Strömungsbedingungen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf asymmetrischer Scherströmung liegt. 

Methoden

• Particle Image/Particle Tracking Velocimetry (PIV/PTV) für Strömungsmessungen.  
• Profilanalyse-Tensiometrie (PAT) für Messungen der Grenzflächenspannung/Rheologie. 

Ergebnisse

• Asymmetrische Scherkräfte in einem Reaktor können die Verteilung von Tensiden an der Grenzfläche beeinflussen.
• Wir visualisieren eine kontinuierliche Zirkulation an der Grenzfläche unter asymmetrischer Scherströmung.
• Die Grenzfläche bleibt unabhängig von der Tensidkonzentration beweglich, und die so genannte stagnierende Kappe, die die Aufstiegsgeschwindigkeit von Blasen drastisch verringern kann, bildet sich nicht.
• Kolloidale Partikel können sich an Flüssigkeitsgrenzflächen mit einer Kapillarenergie binden, die tausendmal größer ist als ihre thermische Energie.
• Dieses Phänomen bietet eine wirksame Möglichkeit zur Stabilisierung von Emulsionen und Schäumen.
• Es verändert auch den Mobilitätszustand der Grenzfläche und widersteht der Grenzflächenströmung/inneren Zirkulation bei bestimmten Oberflächenbedeckungen.

Synergistische Wirkung von Tensiden und Nanopartikeln auf die Grenzflächeneigenschaften

Motivation

Gemische aus Tensiden und Partikeln werden in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Ölgewinnung, Schaumflotation und Abwasserbehandlung. Wechselwirkungen zwischen Tensiden und Partikeln können das Grenzflächenverhalten dieser Systeme stark beeinflussen.

1. Gleichgeladene Tenside und Nanopartikel

Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass elektrostatische Abstoßungskräfte eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der Oberflächenaktivität von Tensiden in Gegenwart von negativ geladenen Nanopartikeln spielen.

Ergebnisse

• Durch die Zugabe von Nanopartikeln wird die Oberflächenspannung der Tensidlösung gesenkt.
• Die Oberflächenaktivität der Tenside in Gegenwart von ähnlich geladenen Nanopartikeln wird hauptsächlich durch die erhöhte Ionenstärke des Systems beeinflusst.
• Tensidmoleküle werden nur in geringen Abständen von der Partikeloberfläche, wo das elektrische Potenzial nicht vernachlässigbar ist, durch elektrostatische Abstoßung beeinflusst.

2. Entgegengesetzt geladene Tenside und Nanopartikel

Trotz der zahlreichen Arbeiten, die sich mit Nanopartikeln und Tensiden mit entgegengesetzter Ladung befassen, sind die Schlüsselfaktoren, die ihr Grenzflächenverhalten bestimmen, noch nicht eindeutig identifiziert.

Ergebnisse

• Wie Tenside können auch feste Partikel an den Grenzflächen Monoschichten bilden, die das Grenzflächenverhalten des Systems verändern.
• Das Verhältnis von Tensid zu Nanopartikeln ist der wichtigste Faktor, der die Oberflächenspannung des Systems steuert.

Publikationen

M. Eftekhari, K. Schwarzenberger, A. Javadi, K. Eckert: The influence of negatively charged silica nanoparticles on the surface properties of anionic surfactants: electrostatic repulsion or the effect of ionic strength? Physical Chemistry Chemical Physics, 22 (2020) 2238-2248

M. Eftekhari, K. Schwarzenberger, S. Heitkam, K. Eckert: Interfacial flow of a surfactant-laden interface under asymmetric shear flow. Journal of Colloid and Interface Science 599 (2021) 837-848

M. Eftekhari, K. Schwarzenberger, S. Heitkam, A. Javadi, A. Bashkatov, S. Ata, K. Eckert: Interfacial Behavior of Particle-Laden Bubbles under Asymmetric Shear Flow. Langmuir 37 (2021) 13244-13254