Study on the Separation of Water and Oil Emulsions Induced by High-Power EM Field Exposure in the ISM Frequency Bands

ÖI-in-Wasser(Ö/W)-Emulsionen werden heutzutage meistens mittels Zugabe von umwelt- und gesundheitsgefährdenden Chemikalien gespalten. In der vorliegenden Dissertation werden ausgewählte Aspekte einer alternativen umweltschonenden Methode untersucht, die für die Wasser-und-Öl-(W-Ö)Emulsionen-Spaltung elektromagnetische (EM) Felder in den sogenannten ISM-Frequenzbereichen verwendet.
In der Fachliteratur und in Patenten werden nur wenige mögliche physikalische Mechanismen der Mikrowellen(MW)-basierten Spaltung beschrieben. Eine weitere Emulsionsspaltmethode, Elektrokoaleszenz, verwendet zur Spaltung der Wasser-in-Öl(W/Ö)-Emulsionen niederfrequente (bis zu 2 kHz) elektrische Felder mit hohen Amplituden (um 1 kV/cm). Diese Methode basiert auf den durch die elektrische Feldstärke induzierten dielektrophoretischen Kräften zwischen anliegenden Wassertropfen.
Die vorgelegte Arbeit richtet sich auf die systematische Untersuchung der Phänomene, die auftreten bei einer Einwirkung von EM Feldern in den ISM-Frequenzbändern. Dazu gehören resistive und dielektrische Erwärmung sowie Induktion von dielektrophoretischen Kräften. Diese Studien erlauben die Überprüfung von möglichen Verbindungen zwischen der beobachteten effizienteren MW-Spaltung und der Elektrokoaleszenz. Eine solche Verbindung wird, soweit dies dem Autor bekannt ist, nicht in der Fachliteratur erwähnt.
Die Untersuchungen gehen von der Kenntnis der temperaturabhängigen nicht-elektrischen Material-Eigenschaften und der frequenz- und temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften der beiden Hauptkomponenten der W-Ö- Emulsionen, Wasser und Öl, aus. Die frequenz- und temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Öl wurden gemessen und es wurden numerische Modelle aufgestellt.
Weiterhin werden auch „effektive“ dielektrische Eigenschaften von W-Ö-Emulsionen untersucht. Diese sind für den Entwurf von Applikatoren und für die Modellierung der resistiven und dielektrischen Erwärmung wichtig. Die effektiven dielektrischen Eigenschaften der W-Ö-Emulsionen werden mittels sogenannter Mixing Formulas und auch mittels eines adaptierten numerischen Konzepts berechnet. Das aus der Literatur schon bekannte 2D-Konzept für die numerische Bestimmung der effektiven dielektrischen Eigenschaften des Gemisches (z.B. Emulsion) wird auf eine 3D-Version erweitert. Im Konzept wird mittels eines MATLAB® Skripts eine zufällige räumliche Anordnung der Tropfen im Rechengebiet generiert und es werden alle Randbedingungen automatisch bestimmt. Weiterhin wird mit dem MATLAB® Skript eine numerische Simulation in COMSOL Multiphysics® gestartet und es werden aus der Verteilung der E-Felder die effektiven dielektrischen Eigenschaften der Emulsion evaluiert. Durch die Erweiterung dieses Konzepts wird erstmals der direkte Vergleich der berechneten effektiven dielektrischen Eigenschaften von W-Ö-Emulsionen mit den gemessenen Daten ermöglicht. Der Vergleich wird für berechnete, gemessene und mit Hilfe von zwei populären Modellen sogenannter Mixing Formulas abgeschätzte effektive dielektrische Eigenschaften von Emulsionen durchgeführt. Die Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Daten ist sehr gut.
Die Untersuchung der resistiven und dielektrischen Emulsionenerwärmung erfolgte zuerst mittels Durchführung gekoppelter numerischer Simulationen, die gleichzeitig die Verteilung der elektrischen Felder, die resistiven und dielektrischen Verluste und die entsprechende Wärmeerzeugung und Wärmeleitung berechnen. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen, dass für die untersuchte Parametermenge die Erwärmung in der betrachteten Emulsionsprobe gleichmäßig im ganzen Volumen verläuft. Die Wärmeleitung kann also vernachlässigt und damit die Analyse des Problems wesentlich vereinfacht werden. Als Ergebnis erhalt man ein rein analytisches Modell, das die Beziehung zwischen der gesamten Temperaturerhöhung im Laufe des Prozesses, der Expositionsdauer und der Amplitude angewandter elektrischer Feldstärke beschreibt.
Die Erkenntnisse über die realistische Amplitude der angewandten elektrischen Feldstärke werden nachfolgend bei der Analyse der durch die elektrische Feldstärke induzierten Kräfte zwischen zwei benachbarten Tropfen verwendet. Es wird ein geeignetes Verfahren (aus dem Elektrokoaleszenz-Bereich) für die Abschätzung der Zeit verwendet, die für die Annäherung zweier benachbarter Tropfen von der Ausgangsposition bis zum gegenseitigen Kontakt benötigt wird. Diese Zeit wird schließlich mit den Parametern bereits existierender MW-Prozesse verglichen. Es wird gezeigt, dass die Elektrokoaleszenz eine wichtige Rolle auch im ISM-Frequenzbereich spielt.
In der vorgelegten Dissertation wird zum ersten Mal die Verbindung zwischen der beobachteten effizienteren MW Spaltung und der Elektrokoaleszenz identifiziert und durch die systematische Analyse des untersuchten Problems bestätigt. Die hier vorgestellte Methodik und die hier vorgestellten Modelle ermöglichen zukünftig eine Optimierung der MW-Spaltung von W-Ö-Emulsionen.