Entwicklung einer Computersoftware zur Vorhersage der Partikelabscheidung in Tiefenfiltern

Die Aufreinigung von Atemluft in Tiefenfiltern zur Abtrennung von Krankheitserregern und Feinstaub hat in den letzten Monaten verstärkt an Aufmerksamkeit gewonnen. Hierdurch zeigten sich neue gesellschaftliche Anforderungen sowie aktuelle politische Ansprüche hinsichtlich der Luftqualität und der Nachhaltigkeit der Luftaufbereitung. Die Tiefenfiltration ist die häufigste angewandte Technik zur Luftreinhaltung. In diesem Projekt werden Filtermaterialien unter Verwendung tomographischer Methoden charakterisiert, was Grundlage für die Modellierung ist. Hierzu wird die Partikeleinlagerung im Filter sowohl zeit- als auch ortsaufgelöst quantifiziert. Das resultierende Filtrationsmodell wird für die Vorhersage der Filtrationskinetik in ein Computerprogramm implementiert und mit experimentellen Daten validiert. Insbesondere wird sich das neue Computerprogramm durch seine einfache Bedienbarkeit und geringe Anforderung an Rechenleistung sowie die sehr schnelle Bereitstellung der Ergebnisse auszeichnen. Damit wird kleinen und mittelständischen Unternehmen ein Werkzeug gegeben, mit dem die Auswahl und Optimierung von Filtermaterialien sowie die Auslegung von Filtrationsanlagen unterstützt werden kann.

[1] https://de.trotec.com/produkte-services/maschinen-homecomfort/luftreinigung/feinstaub/, zuletzt abgerufen am 01.05.2022.

Die gesundheitliche Bedeutung von Atemluft ist arbeitsmedizinisch gut untersucht und seit vielen Jahren bekannt. Neben der chemischen Zusammensetzung sind auch partikuläre Verunreinigungen zu berücksichtigen, da diese über die Lunge in den Körper aufgenommen werden und zu pathogenen Veränderungen führen können (Abbildung 1).

[2] K. Hoppe, G. Schaldach, R. Zielke, W. Tillmann, M. Thommes, D. Pieloth, Journal of Aerosol Science and Technology 2022

Durch die Herstellung von jodhaltigen Partikeln und Abscheidung in einem Filtermaterial konnten erfolgreich die Partikeln von dem Filtermaterial in eigenen Arbeiten unterschieden werden (siehe Abbildung 2). So wurde die Masseverteilung der Partikeln zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des Filtermaterials bestimmt und zugleich die Struktur hinsichtlich Größe und Form der Depositionen ermittelt. Damit wurden die makroskopischen Parameter (Druckdifferenz und Filtrationseffizienz) erfolgreich mit den mikroskopischen Parametern (orts- und zeitaufgelöste Beladung) korreliert und tiefere Eindrücke in den Filtrationsprozess genommen.

Projektvorstellung RIF

Projektvorstellung IUTA

1. Hoppe, K.;   Wischemann, L.; Schaldach, G.; Zielke, R.; Tillmann, W.;   Thommes, M.; Pieloth, D. Filtration Kinetics of Depth Filters—Modeling and Comparison with Tomographic Data of Particle Depositions.   Atmosphere 2023, 14, 640. https://doi.org/10.339
    
2. K. Hoppe, G. Schaldach, R. Zielke, W. Tillmann, M. Thommes & D. Pieloth (2022) Experimental analysis of particle deposition in fibrous depth filters during gas cleaning using X-ray microscopy, Aerosol Science and Technology, DOI: 10.1080/02786826.2022.2132133
    
3. K. Hoppe, G. Schaldach, R. Zielke, W. Tillmann, M. Thommes, D. Pieloth: “Investigation of Particle Separation in Depth Filters - Aerosol Generation and Tomographic Analysis of Particle Depositions”, SCIENTIFIC HIGHLIGHTS 2020, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen TU Dortmund, www.bci.tu-dortmund.de, Redaktion: Prof. Joerg C. Tiller, Publication date: July 2021
    
4. R. Zielke (1), W. Tillmann (1), K. Hoppe (2,3), M. Thommes (2), D. Pieloth (3); (1) RIF e.V. - Institut für Forschung und Transfer, Dortmund; (2) TU Dortmund, Lehrstuhl Feststoffverfahrenstechnik; (3) Hochschule Anhalt, Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik, Köthen: „Strukturuntersuchung von Tiefenfiltern mittels Röntgenmikroskopie”, DGZfP-Jahrestagung 2021, DGZfP-Berichtsband BB 176, ISBN 978-3-947971-18-3
    
5. K. Hoppe 1,2; M. Maricanov 2; G. Schaldach 2; R. Zielke 3; D. Renschen4; W. Tillmann 3; M. Thommes 2; D. Pieloth 1,2, 1 Anhalt University of Applied Science, Department Applied Bioscience and Process Engineering Bernburger-Str. 55, 06366 Koethen, Germany; 2 TU Dortmund, Laboratory of Solids Process Engineering Emil-Figge-Str. 68, 44227 Dortmund, Germany; 3 TU Dortmund, Laboratory of Materials Technology Leonhard-Euler-Str. 2, 44227 Dortmund, Germany, 4 DMT GmbH Am TÜV 1, 45307 Essen, Germany: “Modeling the separation performance of depth filter considering tomographic data”, Environ Prog Sustainable Energy. 2020; e13423. wileyonlinelibrary.com/journal/ep 1 of 11 https://doi.org/10.1002/ep.13423