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Dielektrophoretische Partikelfiltration in Porösen Medien (GRK 1860)

Dielektrophorese (DEP), die Bewegung polarisierbarer Partikel in inhomogenen elektrischen Feldern, ist ein Effekt der größen- und materialselektiv zur Manipulation von Nano- und Mikropartikel eingesetzt werden kann. DEP bietet damit einzigartige Möglichkeiten zur Aufreinigung und Rückgewinnung hochwertiger Partikel. Ziel dieses Projektes ist es die Möglichkeiten der Abtrennung und Aufbereitung von Partikeln durch dielektrophoretisches Trapping in porösen Strukturen zu untersuchen.

  • Wie in der Abbildung zu sehen, wird ein poröser Filter zwischen zwei felderzeugenden Elektroden platziert. Durch Polarisation des Filtermaterials wird das elektrische Feld gestört und die resultierenden Inhomogenitäten können genutzt werden um Partikel zu polarisieren und dielektrophertisch zu den Porenwänden zu bewegen, wo sie bleiben, bis das elektrische Feld ausgeschaltet wird. Ein Vorteil gegenüber der häufig angewandten Tiefenfiltration liegt darin, dass der Porendurchmesser der verwendeten porösen Strukturen deutlich größer als der Partikeldurchmesser (Partikelgrößenordnung: 0.2 µm – 10 µm) sein kann. Dies erlaubt schaltbare Filtration mit verschwindend kleinem Druckverlust und vernachlässigbarem Fouling.

  • Abbildung: Mikroskopaufnahme von fluoreszierende 5 µm Polystyrolpartikeln (grüne Punkte) in einem Mikrokanal mit feldstörenden Säulen. Links: Bei nicht angelegtem elektrischen Feld -> die Partikel treiben in der flüssigen Phase. Rechts: Bei angelegtem elektrischen Feld -> die Partikel werden durch DEP Kräfte an die Säulen gezogen und dort festgehalten.

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  • Abblidung: Offene DEP Filterzelle. In der Mitte ist die Filterkeramik zwischen den beiden Elektroden zu sehen.

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  • Abblidung: Keramischer Filter

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  • Abblidung: Durch getrappte Partikel grüngelb eingefärbter keramischer Filter.

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Dielektrophorese benötigt einen elektrischen Feldgradienten, der in diesem Projekt durch die Feldstörung innerhalb des porösen Mediums erreicht wird. Der Filter dient damit nicht nur als Immobilisierungsmatrix sondern auch dazu, die elektrischen Feldgradienten zu induzieren, die für DEP benötigt werden. In der ersten Phase des Projektes wurde der Einfluss von Geometrie und Material der porösen Struktur auf die DEP Partikelabtrennung durch numerische Methoden untersucht. Die Berechnungen wurden anschließend durch Experimente in Mikrokanälen validiert.

Das gewonnene Wissen wird aktuell für die Entwicklung von Filtermaterialien genutzt. In Experimenten wird die Anwendbarkeit von DEP in porösen Strukturen zur größen- und materialabhängigen Trennung mit in diesem Feld bisher unerreichten Volumenströmen untersucht. Dies erlaubt die Entwicklung von schaltbaren und (material-)selektiven Filtern für die Rückgewinnung von hochpreisigen Produkten bei industriell relevantem Durchsatz.

Relevante Publikationen aus dem Projekt

G.R. Pesch et al. (2014). Sep Purif Technol. 132https://doi.org/10.1016/j.seppur.2014.06.028.
G.R. Pesch et al. (2016). Electorphoresis 37https://doi.org/10.1002/elps.201500313.
G.R. Pesch et al. (2017). J Chrom A 1483https://doi.org/10.1016/j.chroma.2016.12.074.
G.R. Pesch et al. (2018). Sci Rep 8, http://doi.org/10.1038/s41598-018-28735-w.
Georg Peschs Doktorarbeit

 

Relevante Dateien

Kontakt:

Lorenz, Malte, M. Sc.
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Aktualisiert von: Georg Pesch