Im Rahmen dieses Projekts werden Bildung, Transport und Abscheidung von eisenhaltigen Nanopartikeln, die während der Eisenmikropartikelverbrennung entstehen können, untersucht.

Die Nutzung von Metallen als Energieträger der Zukunft bietet viele Vorteile, denn sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, sowie gute Transport und Lagerfähigkeit aus. Eisen ist im speziellen ein vielversprechender Kandidat, denn es verbrennt heterogen, wodurch eine Energiekreislauf möglich ist, wie er im Clean Circles Projekt (https://www.tu-darmstadt.de/clean-circles/about_cc/index.de.jsp) untersucht wurde. Dabei steht auf der eine Seite die Reduktion von Eisenoxiden mittels erneuerbarer Energie, und auf der anderen Seite die Oxidation von Eisen zur Energiefreisetzung, z.B. in umgerüsteten Kohlekraftwerken. Die Oxidation von Eisen wurde bereits in einer turbulenten Scherschicht am EBI-TFS simuliert (https://vbt.ebi.kit.edu/1074.php) [1,2].

Wenngleich die Verbrennung von Eisenmikropartikeln heterogen verläuft, werden mitunter trotzdem Temperaturen erreicht, die Verdampfung von Eisen ermöglichen. Das dadurch emittierte Eisen kann wiederum in Form von Nanopartikeln kondensieren. Diese Nanopartikel können dann im Anschluss sowohl agglomerieren als auch auf anderen Eisenmikropartikeln abgeschieden werden. Während man im Labor Nanopartikel zum Beispiel mit HEPA Filtern abscheiden kann, ist dies in der großtechnischen Anwendung nicht ohne weiteres möglich. Stattdessen ist die Abscheidung der Nanopartikel in-situ auf Eisenmikropartikeln ein möglicher Weg der Emissionsvermeidung. Dazu bedarf es einem tiefgreifenden Verständnis der Nanopartikeldynamiken, damit der Prozess dahingehend optimiert werden kann.

1. Qualitativ und quantitativ korrekte Vorhersage der Nanopartikel-Bildung und -Abscheidung mittels grenzflächen-aufgelöster Simulation (BLRS) einzelner Eisenmikropartikel und kleiner Eisenmikropartikelgruppen
2. Entwicklung eines Punktpartikelmodells für Eisenmikropartikel mit Nanopartikelabscheidung

Diese Arbeit wird von der Friedrich und Elisabeth Boysen Stiftung gefördert (BOY-195).

[1] Luu, T.D. et al. "Carrier-Phase DNS of Ignition and Combustion of Iron Particles in a Turbulent Mixing Layer". Flow Turbulence Combust 112 (2024) 1083-1103.
⇒ https://doi.org/10.1007/s10494-023-00526-y

[2] Luu, T.D. et al. "Carrier-Phase DNS study of Particle Size Distribution Effects on Iron Particle Ignition in a Turbulent Mixing Layer". Proceedings of the Combustion Institute 40 (2024) 105297.
⇒ https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105297

[3] Nguyen, B.-D. et al. "Nanoparticle formation in the boundary layer of burning iron microparticles: modeling and simulation". Chemical Engineering Journal (2025) 160039.
⇒  https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160039

[4] Hartmann, N. et al. "Modelling nanoparticle deposition rate in iron particle combustion". Fuel (2026) 136268.
⇒ https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136268

[5] Märker, D. et al. "Modelling nanoparticle formation and deposition in burning iron microparticle arrays". 12th European Combustion Meeting (ECM), Edinburgh, UK, 2025

[6] Märker, D. et al. " Nanoparticle formation and deposition during combustion of iron microparticles using Euler-Lagrange simulations". 32. Deutscher Flammentag, Paderborn, Germany, 2025