Project

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SADOA - Surface Area Determination by Ozone Adsorption

Applicant Friebel Franz
Number 195035
Funding scheme Bridge - Proof of Concept
Research institution
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.07.2020 - 31.12.2021
Approved amount 195'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Physical Chemistry

Keywords (10)

nanoparticle; surface area determination; aerosol particle; nanoparticle analytics; online measurements; process integration; carbon black; ozone; gas adsorption; silica

Lay Summary (German)

Lead
Nanoskalige Materialien besitzen besondere Eigenschaften welche sie für eine Vielzahl an Anwendungen unverzichtbar machen. So ist das grosse Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis die Grundlage für z.B. die Wirksamkeit von Katalysatoren. Die oftmals komplexe Struktur verleiht z.b. Carbon Black eine hohe Porosität. Die Kleinskaligkeit der Materialien stellt jedoch eine grosse Herausforderung für die Analytik dar. So ist die spezifische Oberfläche und die Schüttdichte von Carbon Black für Pulver recht einfach zu ermitteln, aber es ist kaum Möglichkeiten die selben Zahlenwerte auf der Ebene einzelner Partikel zu messen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
In diesem Projekt wurde ein Prototyp gebaut welcher die Oberfläche und Struktur von Materialien wie Carbon Black charakterisieren kann. Dafür wurden etablierte aerosolbasierte Messmethoden mit einer Vorrichtung zur Probenaufbereitung kombiniert, welche die Grundbausteine aus einem Material herauslöst um sie separat zu messen. Die Probennahme erfolgt dabei kontinuierlich.

Ein Abrastern aller Partikelgrössen und der -massen in einer Probe erlaubt es Rückschlüsse auf die Materialstruktur zu ziehen. Die Oberfläche wird ermittelt, indem Partikel mit Ozon beladen werden. Dies führt zu einem messbaren Zuwachs in der Partikelmasse welcher proportional zur spezifischen Oberfläche ist.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Pro t Carbon Black werden 2 t CO2 emittiert. Je nach Prozess liegen bis zu 10%  der produzierten Menge ausserhalb der Spezifikationen. Ein höhere Messfrequenz kann diesen Anteil signifikant senken, Produktionskosten sparen und den ökologische Schaden reduzieren.

Ein Grossteil des produzierten Carbon Blacks wird als Zuschlagsstoff für Autoreifen und Kunststoffe verwendet. Mitunter variieren die Eigenschaften des Endprodukt obwohl alle Rohstoffe innerhalb ihrer Spezifikationen liegen. Es gibt also nicht messbare Materialeigenschaften. Eine Charakterisierung von Carbon Black auf Ebene einzelner Partikel kann diesen blinden Fleck abdecken.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 11.02.2022

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Enhanced soot particle ice nucleation ability induced by aggregate compaction and densification
Gao Kunfeng, Friebel Franz, Zhou Chong-Wen, Kanji Zamin A. (2021), Enhanced soot particle ice nucleation ability induced by aggregate compaction and densification, in Atmos. Chem. Phys. Discuss., 1.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Pyrum Innovations AG Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
3P Adsorptions-Workshop Talk given at a conference Surface area determination of carbon black aerosols 15.04.2021 online, Germany Friebel Franz;


Abstract

Nanoparticles (NPs) play an important role in many areas such as health, climate, and industrial processing. Nanoparticles show significantly different properties than the bulk material. This is mainly due to the increased surface to volume ratio and, thus, the enhancement of all surface-related properties. The resulting properties can be exploited in some areas, e.g., drug delivery or microelectronics manufacturing, but can be disadvantageous in others, e.g., toxicity. Overall, NPs are useful in many industrial applications and products, ranging from sunscreen via solar cells to NPs for drug delivery. The market for customized NP is expected to reach 53.7bn CHF by 2022, which results in a market potential for SA determination of 53.7mio CHF.[3]NPs can be aerosolized and are then called aerosol particles (APs). Exposure to high concentrations of certain APs has been clearly associated with adverse health effects such as acute lower respiratory disease and causes 400.000 premature deaths with the EU.[1] Risk assessments of inhaled nanoparticles (NP) have revealed that the surface area (SA) is toxicologically a more meaningful dose metric than the particle mass or particle number concentration currently used.[2] In many of these applications, surface properties of the NPs are of interest. Nevertheless, an easy and fast determination of the geometric SA of particles in aerosolized state is not available. The most common method to measure the SA of powders is the Brunauer, Emmet and Teller (BET) method (ISO 9277). However, this method cannot measure particles directly in aerosolized state. Other methods that can characterize the SA of APs do not measure the geometric SA, but SA surrogates, e.g., the lung-deposited SA. Here, I propose an alternative method for determination of the geometric SA of nanoparticles that is capable of: (1) Measuring small quantities of particles (ng-µg), (2) measuring particles in aerosolized state without preconditioning, (3) that is significantly faster than the standard BET method and (4) generates data at a fraction of the cost. This novel method makes use of the quantitative adsorption of ozone on the surface of nanoparticles, which can be detected by an increase in the single-particle mass. The aim of this project is (i) to construct a standalone mobile prototype that is (ii) capable of determining the SA of nanoparticles in a laboratory environment to create a particle database, (iii) can be integrated in a particle production process and (vi) will tremendously accelerate the particle characterization procedure of an industrial partner.
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