Zum Einfluss des Oberflächenwachstums auf die Größenverteilung von Rußpartikeln

Die Rußbildung in Flammen erfolgt durch die Bildung von Primärpartikeln sowie durch Wachstum
der Primärpartikel durch Koagulation und heterogenes Oberflächenwachstum. Ggf. kann auch
Oxidation bzw. Ausbrand von Rußpartikeln eintreten. Frühere Untersuchungen der Rußbildung
wurden hauptsächlich mit optischen Methoden sowie mittels Elektronenmikroskopie in
vergleichsweise stark rußenden Flammen durchgeführt. Dabei ergab sich, dass die Bildung von
Primärpartikeln auf einen relativ kleinen Bereich hinter der Hauptreaktionszone beschränkt ist,
während sich der überwiegende Teil der Rußmasse anschließend im Abgas durch das
Oberflächenwachstum bildet. Neuere Untersuchungen mit SMPS, die vorzugsweise in schwach
rußenden Flammen durchgeführt wurden, zeigen jedoch häufig eine bimodale Größenverteilung der
Rußpartikel, wobei auch weit im Abgas noch ein Primärpartikelmode neben dem üblichen
Koagulationsmode sichtbar ist. Die Bimodalität wird teilweise mit einer andauernden
Primärpartikelbildung parallel zum Oberflächenwachstum begründet. In der vorliegenden Arbeit wird
ein sektionales Aerosolmodell verwendet, um das Zusammenspiel der Bildung von Primärpartikeln,
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Oberflächenwachstum und Koagulation modelltheoretisch zu untersuchen. Dabei wird die
Primärpartikelbildung nach dem Vorbild des HACA-Mechanismus vereinfacht als “Polymerisation“
von Acetylen dargestellt, wobei die Dichte mit ansteigender Masse zunimmt, bis bei einer Masse von
ca. 5000 amu schließlich die Dichte von Ruß (1.8 g/cm3) erreicht ist. Dies entspricht einem (Primär-)
Partikeldurchmesser von ca. 2 nm. Im sektionalen Aerosolmodell können als Folge des Polymerisationsprozesses
Primärpartikel mit Durchmessern über dP = 2 nm entstehen. Der Bereich lässt sich
wahlweise verkleinern und auch auf eine einzige Größe beschränken. Dies hat Auswirkungen auf die
Form der berechneten Größenverteilung. Darüber hinaus kann auch die Wahl des Auflösungsvermögens,
logdP, die Form der Größenverteilung beeinflussen. Eine Bimodalität der Größenverteilung
wird nach diesem Modell begünstigt, wenn bereits die Primärpartikel mehrere Größenklassen
umfassen. Die Senke zwischen Primärpartikelmode und Koagulationsmode wird mit zunehmender
Geschwindigkeit für das Oberflächenwachstum und mit zunehmender Gesamtrußmenge zunächst
deutlicher sichtbar; noch weitere Zunahme führt zum Verschwinden des Primärpartikelmodes.