CIS - Vernetzungsdoktoranden

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Um die Arbeit an grenzflächengetriebenen Fragestellungen voranzutreiben und den Start des Centers zu unterstützen, ist das Center of Interface Studies mit drei gezielt platzierten Vernetzungsdoktoranden ausgestattet. Diese forschen institutsübergreifend an drängenden Themen wie z. B. der Entwicklung von Ressourcentechnologien zur Verringerung der Abhängigkeit Deutschlands und Europas von kritischen Rohstoffen und der Sicherstellung des Verbleibs radioaktiver Materialien in Endlagern. Die konkreten Themen sind:

• Dünnfilm-Interferometrie für Ressourcenprozesse
• Grenzflächenbasierte Lösung für einen Seltene-Erden-Separator mit magnetunterstützter Lösungsmittelextraktion vor dem Gleichgewichtszustand
• Stochastische Multiskalenansätze für Oberflächeneffekte in heterogenen Mineralphasen zur Transportmodellierung in der Endlagerforschung

Dünnfilm-Interferometrie für Ressourcenprozesse

Die Schaumflotation ist eine weit verbreitete Technologie zur Trennung von Wertstoffen und Gangmaterialien durch selektive Anlagerung der Partikel an Luftblasen. Ein kritischer Aspekt dieses Verfahrens ist der Aufriss von Flüssigkeitsfilmen. Dieser Prozess tritt sowohl bei der Partikelanhaftung an Luftblasen, bei der Blasenkoaleszenz im Flotationsapparat und bei der Filmkoaleszenz in der Schaumphase auf. Dennoch ist die Dynamik von Flüssigkeitsfilmen in partikelhaltigen Systemen nur unzureichend erforscht. Die Dünnfilm-Interferometrie ist ein vielseitiges Instrument zur Untersuchung der Filmdynamik.

In diesem Projekt sollen einerseits die Auswirkungen heterogener Oberflächeneigenschaften auf die Bildung der Dreiphasenkontaktlinie bei der Anhaftung von Partikeln an Blasen untersucht werden. Zum anderen wird die Stabilität von Flüssigkeitsfilmen in Gegenwart von hydrophoben Partikeln betrachtet. Das gewonnene Wissen findet Einsatz bei der Modellierung des Flotationsprozesses und der Simulation von Mehrphasenströmungen. Zudem sind die Zusammenhänge zur Filmstabilität für eine effiziente Performance und Steuerung des Flotationsprozesses erforderlich, z. B. für eine optimale Dosierung von Reagenzien.

Grenzflächenbasierte Lösung für einen Seltene-Erden-Separator mit magnetunterstützter Lösungsmittelextraktion vor dem Gleichgewichtszustand

Die Lösungsmittelextraktion (SX) ist ein modernes Verfahren zur Trennung von Gemischen aus dreiwertigen Seltenen Erden, RE(III), das seit den 1960er Jahren eingesetzt wird. Sie basiert auf einem Kationenaustausch an der Grenzfläche zwischen organischer und wässriger Phase. Die herkömmliche SX hat einen nicht idealen Trennungsfaktor aufgrund der ähnlichen chemischen Gleichgewichtskonstanten der verschiedenen REs.

Dieses Projekt erforscht eine neuartige Methode um eine höhere Trennungsselektivität von RE(III) zu erreichen, indem während der Lösungsmittelextraktion ein maßgeschneidertes Magnetfeld angelegt wird und die Phasen bereits vor dem Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes getrennt werden. Dadurch sollen wertvolle und schwere RE(III) mit hoher magnetischer Suszeptibilität, z. B. Dy(III), bei gleichzeitig vorhandenen leichten Seltenen Erden, Pr(III) und Nd(III), mit Hilfe der durch die Kelvin-Kraft induzierten solutomagnetischen Konvektion selektiv angereichert werden. Dies umfasst die Entwicklung, den Bau und den Funktionsnachweis des Konzepts in einem mehrphasigen Grenzflächenreaktor. Direkte Anwendung findet das Thema im Hinblick auf das immer wichtiger werdende Problem des Recyclings von Seltenerdmagneten am Ende ihrer Lebensdauer.

Stochastische Multiskalenansätze für Oberflächeneffekte in heterogenen Mineralphasen zur Transportmodellierung in der Endlagerforschung

In der Forschung für die Endlagerung werden relevante Aspekte von Heterogenitäten über mehrere Raumskalen, Lösungsgleichgewichte und Mineralumbildungen bisher mangels geeigneter Methoden nur unzureichend berücksichtigt. Auch in der Lagerstättenkunde ist essentiell, welche Gesteine (inklusive ihrer Heterogenität) eine gute Rückhaltefähigkeit für kritische Metall-führende Fluide aufweisen. Da für die Modellierung der Mobilität von Radionukliden häufig chemische Analoga genutzt werden, ähneln sich die Elementensembles, die in beiden Themengebieten relevant sind, so z. B. die Lanthaniden (Seltene Erden), Barium, Nickel und Kobalt.

In diesem Projekt sollen Methoden zur Quantifizierung der Effekte von Mikro-, Meso-, und Makrostrukturen der Erde und ihrer Verwendung in Modellen der geologischen Barriere, insbesondere für den reaktiven Transport auf Oberflächen, entwickelt werden. Dazu werden stochastische Modelle der relevanten geologischen Strukturen an Daten für Realstrukturen an Endlagern in den drei Skalen angepasst. Diese Skalen adressieren zum einen die Ebene der Porenräume und Wegsamkeiten im Bereich der Mikrometer, zum zweiten den Bereich der Mineralkörner bis in den Millimeterbereich, und schließlich den Übergang zur Kontinuumskala bis in den für Validierungen noch experimentell zugänglichen Dezimeterbereich. Hierzu werden Methoden und Modelle aus der stochastischen Geometrie, Multiple Point Statistics (MPS) bzw. der Geostatistik für die jeweilige Skala verwendet. Von einem verbesserten Verständnis der Prozesse und Prinzipien profitieren die Bewertungen von geologischen Barrieren eines Tiefenlagers für radioaktive Abfälle oder von der Metallogenese von Lagerstätten, relevant sowohl für deren Erkundung als auch für deren effizienten Abbau.