Elektrodenbasierte DEP-Filtration
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Durchsatzes von DEP-Separatoren ist die Skalierung elektrodenbasierter Aufbauten. Im Gegensatz zur isolatorbasierten DEP-Filtration erzeugt in diesem Fall eine Elektrodenstruktur am Kanalboden mit eng beieinanderliegenden Elektroden das inhomogene elektrische Feld. Üblicherweise werden mikrofluidische Elektroden-Arrays aus dem Reinraum eingesetzt, die in ihrer Größe begrenzt und kostenintensiv in der Herstellung sind. Unser Konzept basiert hingegen auf speziell angefertigten, jedoch kostengünstigen Leiterplatten (PCBs). Dadurch kann der effektive Strömungsquerschnitt zwar nicht in der Höhe, aber in der Breite deutlich vergrößert werden und es konnten Durchsätze von bis zu 600 mL/h erreicht werden. Gleichzeitig bleiben die positiven Eigenschaften mikrofluidischer DEP-Aufbauten erhalten, sodass weiterhin hochselektive Trennungen möglich sind.
Ein Schwerpunkt unserer derzeitigen Forschung liegt auf der Trennung von Elektrodenmaterialien aus Lithium-Ionen-Batterien sowie auf der Rückgewinnung von Gold aus Bergbau-Rückständen (Tailings), die mit klassischen Verfahren bislang nicht oder nur unwirtschaftlich möglich ist.
Versuchsaufbau auf Basis einer Leiterplatte. Die Partikel werden in Wasser suspendiert und mit einer Kolbenpumpe (A) in die Trennvorrichtung (B) gepumpt. Zwei Leiterplatten, auf denen sich die Elektrodenarrays befinden, bilden die Trennkammer. Die Elektroden sind mit einem Verstärker verbunden, der eine sinusförmige Spannung zum Betrieb der Vorrichtung (D) liefert. Die aus dem Kanal austretende Suspension fließt in eine Durchflusszelle (C), die mit einer Lichtquelle gekoppelt ist. Das resultierende Fluoreszenzsignal wird von einem an einen Computer angeschlossenen Spektrometer (E) aufgezeichnet.
Arbeitsablauf der dielektrophoretischen Partikelchromatographie (DPC). (A) Aufsicht auf die mikrofluidische Vorrichtung (Skizze). (B) Die mikrofluidische Trennsäule (Seitenansicht, Höhe h = 80 μm und Elektrodenbreite/Abstand d1 = d2 = 100 μm) wird kontinuierlich mit einer Trägerflüssigkeit gespült. Das Gerät wird für zwei verschiedene Arten von Experimenten verwendet. (I) Die Crossover-Frequenz der Partikel wird unter Verwendung der Feldflussfraktionierung (FFF) bei einer festen Frequenz f durch Vergleich der Elutionsprofile mit und ohne angelegte Spannung (V0) bestimmt (C). Die erhaltenen Partikeleigenschaften wurden als Eingabeparameter für ein in COMSOL Multiphysics realisiertes Simulationsmodell in Originalgröße verwendet, um geeignete Prozessparameter zu finden (D). (II) Schließlich wird der Satz von Prozessparametern als Ausgangspunkt für Experimente verwendet, um eine chromatographische Trennung unter Verwendung von frequenzmoduliertem (f = f(t)) DPC zu erreichen (E).
Relevante Publikationen zu diesem Thema
Giesler, J. M. (2024). Process Development of Electrode-Based Dielectrophoretic Separators. Dissertation, Universität Bremen (Germany).
https://doi.org/10.26092/elib/2759
Giesler, J., Weirauch, L., Thöming, J., & Baune, M. (2024). Compensation of capacitive currents in high-throughput dielectrophoretic separators. Scientific Reports, 14(1), 16491.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-67030-9
Giesler, J., Weirauch, L., Rother, A., Thoming, J., Pesch, G. R., & Baune, M. (2023). Sorting lithium-ion battery electrode materials using dielectrophoresis. ACS omega, 8(29), 26635-26643.
https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04057
Giesler, J., Weirauch, L., Thöming, J., Pesch, G. R., & Baune, M. (2024). Dielectrophoretic Particle Chromatography: From Batch Processing to Semi-Continuous High-Throughput Separation. Powders, 3(1), 54-64.
Kontakt:
Dr.-Ing. Laura Weirauch
Raum UFT 2110
Tel. 0421- 218 - 63496
lweirauchprotect me ?!uni-bremenprotect me ?!.de