Klimaanlagen

1.12 Modellbasierte Entwicklung keramischer Filter für Masken, Luftreiniger und Klimaanlagen

Die Covid-19-Pandemie hat gezeigt, wie wichtig geeignete Filter zur Vermeidung von Infektionen sind und dass effizientere und nachhaltigere Filterlösungen benötigt werden. Keramische Filter haben einige wesentliche Vorteile hinsichtlich ihrer Sterilisierbarkeit und Umweltverträglichkeit. Deshalb werden von einem interdisziplinären Team der ZHAW neuartige Keramikfilter mit einem modellbasierten Ansatz entwickelt. Dabei wird die komplexe keramische Filterstruktur virtuell nachgebildet. Durch die Simulation des Druckverlustes und der Filtereffizienz vieler virtueller Filterdesigns können Designrichtlinien für eine geeignete Fertigung der keramischen Filter erstellt werden.

Mitwirkende: P. Marmet, L. Holzer, R. Kontic, M. Gorbar, D. Penner Partner: Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) Finanzierung: ZHAW Dauer: 2020–2021

In einem intern von der School of Engineering der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften geförderten Projekt untersucht ein Forschungsteam massgeschneiderten Keramikfilter für die Aerosolfiltration und Virenbeseitigung. Keramische Filter haben gegenüber den Standardfiltern aus Polymerfaservliesen einige signifikante Vorteile. Die Mikrostruktur und Geometrie der Porenkanäle der Keramik lässt sich über einen weiten Bereich nach Wunsch einstellen. Keramik lässt sich problemlos durch einfaches Erhitzen sterilisieren und macht dadurch Mehrfachgebrauch eines Filters möglich. Keramik ist völlig unkritisch bezüglich Umweltbelastung und Recycling während der massive Gebrauch und unkontrollierte Abfall polymerer Mikrovliesfasern eine signifikante Quelle von Mikroplastik darstellt. Ein Team aus Forschern vom Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) und vom Institute of Computational Physics (ICP) erstellt virtuelle Modelle der im Labor hergestellten porösen Keramiken, um den Druckverlust, die Permeabilität und die Filtrationsleistung zu untersuchen. Basierend auf Mikroskopieaufnahmen (Abb. 1 a, b) wird die Mikrostruktur mit der Software GeoDict virtuell rekonstruiert. Dabei werden die mesoskaligen und die mikroskaligen Strukturen in zwei verschiedenen geometrischen Modellen erfasst (Abb. 1 b, c). In einem ersten Schritt werden die Permeabilität und die Filtereffizienzstatistik der Mikroskala ermittelt. Anschliessend werden Strömungs- und Filtrationssimulationen (Abb. 2 a, b) auf der Mesoskala durchgeführt, wobei die Mikrostruktur als poröses Medium modelliert ist, kalibriert durch die Permeabilitäts- und Filtereffizienzstatistik der Mikroskalensimulation. Damit können die Permeabilität und die Filtereffizienzstatistik für die komplexe Multiskalenstruktur bestimmt werden. Die Ergebnisse können dann mit realen Messungen an einzelnen Keramikproben verglichen werden.

a) b) d)

c)

Abb 1: Mikroskopische Aufnahme der keramischen Multiskalenstruktur der Mesoskala a) und Mikroskala b). Virtuelle Rekonstruktion der mesoskaligen c) und mikroskaligen Struktur des Filters mit GeoDict.

Abb. 2: a) Simulation des Druckabfalls zur Bestimmung der Permeabilität und b) Filtrationssimulation zur Bestimmung der Filtereffizienz mit GeoDict. Die Mikroskala der Struktur wird durch die Kalibrierung der Permeabilität und der Filtereffizienzstatistik in der porösen Zone der mesoskaligen Struktur berücksichtigt.

a)

Poröses Medium kalibriert mit der Simulation der Mikroskale

b)

Nach der Validierung des Modells können aus Hunderten von virtuell erzeugten Strukturen Gesetzmässigkeiten abgeleitet werden, die wiederum den Keramikforschern als Designgrundlage für die Weiterentwicklung dienen. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Laborversuche zur Entwicklung optimierter Filtermaterialien.