Filtration of nanoparticles: Evolution of cake structure and pressure-drop

Abstract

a b s t r a c tThe detailed three-dimensional accumulation of deposits and the build-up of pressuredrop during filtration of compressible gases laden with nanoparticles (diameter d p =50 nm) through capillaries (1-4 mm radius) was investigated by Langevin dynamics (LD) at Peclet number, Pe, 0.01-10. At low Pe, highly porous (98%) deposits were formed while at higher Pe the porosity was slightly reduced including a void cone upstream of the capillary inlet. Three distinct deposition regimes were identified: capillary deposition, clogging and cake growth. At the time of clogging (t cl ), a filter cake with constant solid volume fraction began to form, accompanied with build-up of pressuredrop which was in excellent agreement with classic cake filtration theory. An expression for the solid volume fraction of the cake (f sd,c ) was obtained as a sole function of Pe. In addition, the filtration efficiency became 1 after clogging, since the cake acts as a perfectly efficient filter. Penetration of nanoparticles takes place until the onset of cake filtration at high Pe (1-10) while for smaller ones (0.01-0.1) it is negligible at the employed capillary radii and length (10 mm). Analytical expressions for the time of capillary clogging and height of the void cone were derived and were in agreement to LD simulations. The height of the void cone is in the order of one capillary diameter at high Pe.

Effect of particle-fiber friction coefficient on ultrafine aerosol particles clogging in nanofiber based filter

“…The cake formation for 0, 750, 2,500, 5,000, 7,500, 10,000, 15,000, 20,000, 25,000 and 50,000 particles on the filter tested in this work are depicted in Figure 5. Clearly, deposited particles form dendrites in the beginning of the filtration process (at the filter top and in through the depth) as well as at the end where predominant filter cake formation takes place, which is in good agreement with the open literature [12].…”

“…A number of theoretical studies considering the above described filter clogging mechanism [12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22] have already been performed for micro-fibrous filters.…”

Halbleitergassensoren: Trockensynthese und Anwendung

“…[50,51] Zwar ermöglichen Impaktoren eine bessere Kontrolle über die Translationsgeschwindigkeit (und somit über die resultierende Morphologie) als Thermophoresesysteme, doch erfordern sie Niederdruckbedingungen (Abbildung 8; HWLP [39] oder SCBD [132] ), und der Prozess ist technisch anspruchsvoller. [50,51] Die Aerosolabscheidung von Nanopartikeln (Abbildung 14 b) führt selbst auf porösem Substrat zur schnellen Bildung kontinuierlicher Filme, [134] was Abbildung 14. Eigenschaften eines Films, der durch Abscheidung einzelner (a,b) [134] und agglomerierter (c,d) [133] Nanopartikel [13] erhalten wird, in Abhängigkeit von der Peclet-Zahl (Pe); d P : Primärpartikeldurchmesser, D f : fraktale Dimension, N P : Zahl der Primärpartikel im Agglomerat, k f : fraktaler Vorfaktor, R c : Kapillarenradius.…”

“…[50,51] Die Aerosolabscheidung von Nanopartikeln (Abbildung 14 b) führt selbst auf porösem Substrat zur schnellen Bildung kontinuierlicher Filme, [134] was Abbildung 14. Eigenschaften eines Films, der durch Abscheidung einzelner (a,b) [134] und agglomerierter (c,d) [133] Nanopartikel [13] erhalten wird, in Abhängigkeit von der Peclet-Zahl (Pe); d P : Primärpartikeldurchmesser, D f : fraktale Dimension, N P : Zahl der Primärpartikel im Agglomerat, k f : fraktaler Vorfaktor, R c : Kapillarenradius. a) Nanopartikel, die die Oberfläche mit der Geschwindigkeit V p erreichen, sind verschiedenen Kräften ausgesetzt, einer Widerstandskraft (drag) F d und einer Brownschen Kraft F B .…”

“…Eine solche Abscheidung führt selbst auf porösem Substrat zur Bildung kontinuierlicher Filme. [134] Die erhaltene Filmporosität wird durch die Pe-Zahl bestimmt (Verhältnis der Translations-und Diffusionsgeschwindigkeiten). Kleine Pe-Zahlen (b) ergeben sehr große Porositäten e (z.…”