Dynamic visualization of deposition processes within porous media by means of MRI
Creators: name: Ranzinger, Florian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: MRI
Porous media

description: Poröse Medien finden sich in technischen oder natürlichen Systemen wieder. Speziell in der Wasser- und Abwasseraufbereitung sind poröse Medien weit verbreitet. So werden Festbettfilter gezielt zum Rückhalt von partikulären Stoffen verwendet, dienen der Adsorption von gelösten Stoffen, oder fungieren als Aufwuchsfläche für Mikroorganismen, um den biologische Abbau zu verbessern. Während dem Betrieb kommt es innerhalb der porösen Medien zu Ablagerungen, die einen maßgebenden Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften und damit einhergehend auf die Leistung dieser Verfahren nehmen können. Mithilfe bildgebender Verfahren lassen sich detaillierte Aufnahmen der Ablagerungsvorgänge anfertigen. Diese dienen der qualitativen Prozessaufklärung realer Systeme und können zu deren Optimierung herangezogen werden. Aufgrund der 3-dimensionalen Struktur sind poröse Medien nur wenigen bildgebenden Verfahren zugänglich. In der gegenwärtigen Dissertation wurde die Magnetresonanztomographie (MRI; engl. Magnetic Resonance Imaging) verwendet, aufgrund der Möglichkeit Aufnahmen in-situ, zerstörungsfrei und ohne Tiefenlimitierung anzufertigen. Zudem lassen sich mithilfe der MRI neben strukturellen Aufnahmen auch Strömungsmessungen durchführen. In der gegenwärtigen Arbeit wurde sich im Detail mit den folgenden drei Themen befasst: (I) Dem Aufwuchs von Biofilm auf ein poröses Medium unter alternierender Wasserverfügbarkeit; (II) Dem Verbleib von Partikeln innerhalb von granulierten Belebtschlammbecken während dem anaeroben Füllen des Reaktors; (III) der Abscheidung von Partikeln innerhalb von granulierten Aktivkohlefiltern und der einhergehenden Veränderung des Strömungsfeldes. In Kapitel 2 wurde das Wachstum von Biofilm unter zyklischen Entwässerungs- und Bewässerungsphasen thematisiert. Der Versuch erlaubte die Visualisierung aller vier Bestandteile (Biofilm, poröses Medium, Wasser und Luft). Es zeigte sich, dass der Biofilm hauptsächlich an Porenhälsen aufwuchs, die permament Flüssigkeitsbedeckt blieben. Zu geringerem Ausmaß wurde der Bewuchs von Hohlräumen oder freier Oberflächen festgestellt. Durch das Biofilmwachstum wurde die Wasserrückhaltung nach Entwässerung erhöht. Im Gegenzug erhöhte sich ebenfalls der Einschluss von Luft nach zyklischer Wasserzufuhr. Zusätzlich konnte eine erhöhte Konnektivität der Wasserphase nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass der Biofilm Stoffübergangsprozesse in teilgesättigten porösen Medien durch den Rückhalt von Wasser verbessert. Kapitel 3 thematisiert den Transport und Rückhaltemechanismen verschiedener Partikelgruppen innerhalb von porösen Medien aus granuliertem Belebtschlamm. Im Falle der aeroben Granula wurde gezeigt, dass der Rückhalteprozess von Partikeln größenabhängig ist. Die Partikel im Nanometerbereich waren in der Lage die aeroben Granula zu penetrieren. Gleichzeitig fand eine Immobilisation innerhalb des Biofilms statt, wodurch die Nanopartikel an der Oberfläche des Biofilms immobilisierten und nicht tiefer als 300 µm eindrangen. Die Partikel im Mikrometerbereich konnten zu einem Großteil abgefangen werden und sammelten sich in den Hohlräumen zwischen den aeroben Granula an. Ein Eindringen der Partikel in den Biofilm wurde nicht festgestellt. Aufgrund der Größe der Anhäufungen wird deutlich, dass diese überwiegend nicht direkt an den aeroben Granula anhaften, sondern sich vielmehr in den Hohlräumen ansammeln. In der darauffolgenden Belüftungsphase des Reaktorbetriebs werden Partikelansammlungen mitsamt den aeroben Granula aufgewirbelt, wodurch die Partikel der gesamten Biomasse zwecks Anhaftung und Abbau zur Verfügung stehen. In Kapitel 4 befasst sich mit der Rückhaltung von partikulären Stoffen (SS; engl. suspended solids) auf einem granulierten Aktivkohlefilter (GAC; engl. granulated activated carbon). Bei abwärts gerichteter Durchströmung wurden SS sowohl auf als auch innerhalb des GAC-Filters zurückgehalten. Durch die schrittweise Zugabe von SS konnte der Aufbau des Filterkuchens, Umschichtungen im porösen Medium als auch Änderungen der Einströmwege und Fließgeschwindigkeiten detailliert erfasst werden. Das Auftreten von bevorzugten Einströmwegen hebt hervor, dass die Deckschicht nicht die komplette Oberfläche bedeckte, und SS tiefer in das poröse Medium eingetragen wurden. Neben der Bedeckung des Filters, zeigte eine zunehmende Blockade von Porenhälsen und Komprimierung von SS mögliche Gründe für die schnell ansteigenden Druckverluste auf, die in realen oder pilot-Anlagen beobachtet wurden. Channeling war bereits vor Beginn der Filtration präsent. Hier zeigt sich das mit einer Äquivalentgeschwindigkeit von 28.8 m/h, der GAC Filter weitaus schneller durchströmt wird wie erwartet. Die Grundannahme einer mittleren Fließgeschwindigkeit von 5 m/h bzw. 12.5 m/h (inklusive Porosität), wurde um den Faktor 2,3 übertroffen. Mit zunehmender Filtrationsdauer wurden die Channelingeffekte deutlicher. Nach 3.75 h wurde eine Äquivalentgeschwindigkeit von 68.4 m/h gemessen, die nach 7.75 h auf 100.8 m/h anstieg. Insgesamt ist der Filtrationsprozess aufgrund des rasch zu erwartenden Druckanstiegs nachteilig, weshalb eine separierte und vorgeschaltete Filtration plausibler für die Prozessführung erscheint. Die Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der MRI zur Prozessaufklärung von Ablagerungsprozessen in porösen Medien. Mithilfe der MRI war es möglich, Multikomponentensysteme durch die Auswahl der Aufnahmeparameter und weitergehender Bildanalyse zu visualisieren und zeitlich nachzuverfolgen. Weiterhin stellen die Ergebnisse einzigartige Abbildungen der Ablagerungsvorgänge dynamisch dar, die das bestehende Wissen erweitern und zur Optimierung großtechnischer Prozessabläufe beitragen können.