Dielectrophoretic filtration of particles in porous media: concept, design, and selectivity

Abstract

Die Trennung mikro- und submikroskaliger Partikel von Flüssigkeiten und voneinander gemäß ihrer Eigenschaften ist eine schwierige und teils ungelöste Aufgabe vieler industrieller Prozesse. Neue Trenntechniken werden benötigt um diese Aufgaben zu lösen. Dielektrophorese (DEP) beschreibt die Bewegung polarisierbarer Partikel in inhomogenen elektrischen Feldern, welche zur hochselektiven Partikeltrennung nach deren Größe, Material und innerer Struktur (Morphologie) und ohne die Partikeleigenschaften zu verändern genutzt werden kann. Die meisten DEP-basierten Partikeltrenntechniken nutzen mikrofluidische Kanäle, die für Durchsätze industriellen Maßstabs ungeeignet sind. Eine Ausnahme bildet hier die DEP Filtration. Die wenigen Studien über DEP Filtration lösen sehr spezifische Trennprobleme aber eignen sich nicht, um die physikalischen Grundlagen der DEP Filtration zu verstehen. Ein solches Verständnis ist jedoch erforderlich, um neue Anwendungen dieses Trennverfahrens zu entwickeln. Diese Arbeit beleuchtet DEP Filtration in einer umfassenden experimentellen Studie um fundamentales Verständnis zu erlangen. Dafür wurde zunächst ein DEP Filteraufbau zur Durchführung der Experimente konzipiert und aufgebaut. In der entwickelten Filterzelle wurde nahezu hundertprozentige Partikelabtrennung (Polystyrol, 500 nm) bei Volumendurchflüssen von 9 mL/min erreicht (Filterquerschnittsfläche: 2 cm^2). In einer Parameterstudie wurde die Abhängigkeit der Abtrenneffizienz als Funktion der angelegten elektrischer Spannung, des volumetrischen Durchflusses, des hydraulischen Porendurchmessers und der Filterporengeometrie gezeigt. Außerdem, wurden erstmals die Möglichkeiten selektiver Partikeltrennung durch DEP Filtration gezeigt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern grundlegendes Verständnis über DEP Filtration. Diese stellen einen wesentlichen Schritt zur Lösung aktuell ungelöster Trennprobleme, wie zum Beispiel der Aufkonzentrierung und der Rückgewinnung wertvoller Partikel aus gemischten Suspensionen, dar. Da der Durchsatz durch Vergrößerung der Filterquerschnittsfläche einfach erhöht werden kann, erscheinen Anwendungen von industriellem Maßstab möglich.