Isolatorbasierte DEP-Filtration
Die meisten herkömmlichen DEP-Anwendungen basieren auf mikrofluidischer Technik, also auf sehr kleinen Maßstäben der Kanäle und Elektroden, und werden bei geringen Durchflüssen betrieben. Maßstabsvergrößerungen sind schwierig, da der Feldgradient sehr stark mit der Entfernung vom erzeugenden Elektrodenarray abnimmt. Mit der dielektrophoretischen Filtration forschen wir an einer Möglichkeit, diese inhärente Limitierung zu umgehen. Hierbei wird der für die DEP notwendige Feldgradient durch die Störung des Felds an isolierenden Strukturen erzeugt. Die isolierenden Strukturen können z. B. poröse Keramiken, Glaskugelschüttungen oder Polymergewebe sein, die dann als (elektrisch) schaltbare Filter fungieren. Hierin ist der Feldgradient vom Durchsatz entkoppelt, was ein Betrieb im präparativen oder sogar industriellen Maßstab möglich macht. Sind die Filterstrukturen groß genug gewählt, sodass keine Partikel durch Größenausschluss abgetrennt werden, so lassen sich gefangene Partikel nach Abschalten des Feldes rückgewinnen.
Aktuelle Forschungsthemen sind die materialselektive Trennung von Mikropartikeln z. B. Elektrodenmaterialien aus Lithium-Ionen-Batterien oder das Vordringen in den Nanoplastikbereich bei Beibehaltung der hohen Durchsätze.
Entwicklung der DEP-Kanalgröße über die Projektlaufzeit. Links: DEP-Mikrokanal zur Untersuchung der grundlegenden Zusammenhänge. Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 5 µm werden in den Gradientenmaxima an den Feldstörern (Säulen) reversibel gefangen und können anschließend durch Remobilisierung wieder freigesetzt werden. Rechts: DEP-Filter, bei dem die mikroskopischen Säulen durch ein regelmäßig gewebtes Kunststoffgitter ersetzt wurden. Der Durchsatz konnte in diesem Prototyp bereits um den Faktor 1000 gesteigert werden.
Prinzipskizze einer mehrdimensionalen Trennung nach Größe, Form und Material in einem DEP-Filter. In mehreren Schritten werden zunächst alle Partikel bis auf eine Art im Filter zurückgehalten und anschließend selektiv wieder herausgelöst. Die Abscheidung und Remobilisierung werden durch die Frequenz f des elektrischen Feldes gesteuert und erfolgen eigenschaftsspezifisch. Der Graph auf der linken Seite zeigt, welche Partikel im Verlauf des Experiments am Kanalauslass detektiert werden.
Offene DEP Filterzelle als Beispiel für DEP-Filtration in porösen Medien. In der Mitte ist die Filterkeramik zwischen den beiden Elektroden zu sehen.
Im Streckprozess umgeformte fluoreszierende Polystyrol-Mikropartikel zur Untersuchung des Formeinflusses.
Relevante Publikationen zu diesem Thema
Kepper, M. (2025). Tailoring of filtration matrix design in dielectrophoretic filtration: towards selective separation for industrial tasks. Dissertation, Universität Bremen (Germany).
https://doi.org/10.26092/elib/3617
Weirauch, L., Giesler, J., Pesch, G. R., Baune, M., & Thöming, J. (2024). Sorting microparticle mixtures by multiple properties in a single dielectrophoretic filter. Results in Engineering, 23, 102641.
https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102641
Kepper, M., Rother, A., Thöming, J., & Pesch, G. R. (2024). Polarisability-dependent separation of lithium iron phosphate (LFP) and graphite in dielectrophoretic filtration. Results in Engineering, 21, 101854.
https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.101854
Weirauch, L. (2023). Multidimensional sorting of microparticles in electrically switchable dielectrophoretic filters. Dissertation, Universität Bremen (Germany).
https://doi.org/10.26092/elib/2692
Pesch, G. R., & Du, F. (2021). A review of dielectrophoretic separation and classification of non‐biological particles. Electrophoresis, 42(1-2), 134-152.
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