Interfacial dynamics of hydrophilic and lipophilic surfactants and particles in turbulent oil–water emulsions

Abstract

Diese Dissertation untersucht turbulente Emulsionen, die mit Tensiden und Partikeln beladen sind, unter Verwendung direkter numerischer Simulationen (DNS). Im Fokus stehen die Auswirkungen der Löslichkeit von Tensiden und der Benetzbarkeit von Partikeln auf deren Adsorption und Aufnahme an Grenzflächen. Die Dispersionen werden durch eine Phasenfeldmethode beschrieben, die auf dem thermodynamischen Grundsatz der freien Energie basiert, die lösliche Tenside berücksichtigt. Die Partikel werden mittels eines Lagrange-Ansatzes verfolgt und sind über Grenzflächenkräfte mit der Phasengrenze und damit der Phasenfeldfunktion gekoppelt.Der erste wesentliche methodische Fortschritt dieser Arbeit ist die Einführung der hydrophil-lipophilen Balance (HLB) des Tensids – also seiner chemischen Affinität zu Wasser oder Öl – in die mathematis-che Beschreibung der freien Energie, wodurch die Simulation von sowohl hydrophilen als auch lipophilen Tensiden ermöglicht wird. Mithilfe von DNS turbulenter Öl-in-Wasser-Emulsionen untersucht der erste Teil der Dissertation, wie die Löslichkeit von Tensiden die Grenzflächenadsorption und letztlich die Verform-barkeit von Tröpfchen beeinflusst. Das wichtigste Ergebnis ist, dass öllösliche Tenside in deutlich höheren Konzentrationen an den Phasenoberflächen auftreten als wasserlösliche. Trotz der damit verbundenen Ver-ringerung der Grenzflächenspannung wird die Gesamtmorphologie der Emulsion nur schwach beeinflusst. Dies ist auf eine erhöhte Heterogenität in der Grenzflächenverteilung des Tensids zurückzuführen, die mit der erhöhten mittleren Konzentration einhergeht und die Marangoni-Spannungen verstärkt, was wiederum einen versteifenden Effekt auf die Tropfenoberflächen hat, der der Deformation entgegenwirkt. Analysen von Tensidflüssen und des chemischen Potentials zeigen, dass die höhere Grenzflächenadsorption lipophiler Tenside aus einem Zusammenspiel zwischen Grenzflächenanreicherung und bevorzugter Verteilung in den unterschiedlichen Phasen resultiert. Thermodynamische Nachteile im Zusammenhang mit der Löslichkeit treiben lipophile Tenside, die in die kontinuierliche Wasserphase desorbieren, zurück zur Oberfläche der Öl-tröpfchen, was zu einer erhöhten Grenzflächenadsorption führt.Darüber hinaus untersucht die Dissertation die Partikelabscheidung durch deformierbare Tropfen in tur-bulenten Strömungen. Die Benetzbarkeit der Partikel wird durch eine Grenzflächenkraft modelliert, die proportional zum Phasengradienten ist, wodurch die Partikel hydrophiles oder lipophiles Verhalten zeigen können. Dies stellt den zweiten wichtigen methodischen Fortschritt der Arbeit dar, da dadurch großskalige Simulationen benetzbarkeitsgetriebener Abscheidungen in turbulenten Mehrphasenströmungen ermöglicht werden. DNS einer mit Öltröpfchen beladenen Wasserkanalströmung zeigen, dass die Effizienz der Abschei-dung bezüglich der Benetzbarkeit asymmetrisch ist und für lipophile Partikel maximiert wird. Die Analyse der Partikelablösungsraten zeigt, dass diese Asymmetrie aus der benetzbarkeitsabhängigen Konfiguration von an der Grenzfläche eingeschlossenen Partikeln resultiert. Lipophile Partikel befinden sich bevorzugt im Inneren der Öltröpfchen, wo sie gegenüber der Turbulenz der kontinuierlichen Wasserphase abgeschirmt sind. Diese Konfiguration verringert die Ablösungsraten und erhöht die Abscheidungseffizienz im Vergleich zu hydrophilen Partikeln, die durch die Trägerströmung leichter von den Oberflächen entfernt werden. Insgesamt liefert diese Arbeit einen umfassenden und thermodynamisch fundierten Rahmen zur Unter-suchung der Tensid- und Partikeldynamik in turbulenten Mehrphasenströmungen. Die Ergebnisse heben die zentrale Rolle der bevorzugten Löslichkeit und Benetzbarkeit sowie der Strömungsasymmetrien zwischen kon-tinuierlicher und disperser Phase bei der Kontrolle von Transport-, Adsorptions- und Abscheidungsprozessenhervor. Dies hat Relevanz für Anwendungen von Emulsions- und Abscheidetechniken bis hin zu Umwelt-phänomenen.

This thesis studies turbulent emulsions laden with surfactants and particles using direct numerical simula-tions (DNS), focusing on the effects of surfactant solubility and particle wettability on interfacial adsorption and capture. The dispersions are described by a phase field formulation based on a free energy functional that accounts for soluble surfactants, with particles tracked using a Lagrangian approach and coupled to the interface through interfacial forces.The first key methodological advance of this work is the introduction of the surfactant hydrophilic-lipophilic balance (HLB)–that is, its chemical affinity for water or oil–into the free energy functional, enabling the sim-ulation of both water-soluble and oil-soluble surfactants. Using DNS of turbulent oil-in-water emulsions, the first part of the thesis investigates how surfactant solubility influences interfacial adsorption and eventually droplet deformability. The main result is that oil-soluble surfactants reach significantly higher interfacial concentrations than water-soluble ones. Despite the associated reduction in interfacial tension, the overall emulsion morphology is only weakly affected. This is attributed to enhanced heterogeneity in the surfactant interfacial distribution accompanying the increased mean concentration, which is expected to strengthen Marangoni stresses and induce a rigidifying effect that counteracts droplet deformability. Analysis of sur-factant fluxes and chemical potentials shows that the higher interfacial adsorption of lipophilic surfactants results from a balance between interfacial accumulation and preferential phase partitioning. Thermodynamic penalties associated with solubility drive lipophilic surfactants that desorb into the water carrier phase back toward the oil droplet surfaces, leading to increased interfacial adsorption.The thesis further investigates particle capture by deformable droplets in turbulent flows. Particle wettability is modeled through an interfacial force proportional to the phase-field gradient, allowing particles to exhibit hydrophilic or lipophilic behavior. This constitutes the second key methodological advance of the thesis, as it enables large-scale simulations of wettability-driven scavenging in turbulent multiphase flows. DNS of a water channel flow laden with oil droplets show that capture efficiency is asymmetric with respect to wetting and is maximized for lipophilic particles. Analysis of particle detachment rates reveals that this asymmetry arises from the wettability-dependent configuration of particles trapped at the interface. Lipophilic particles preferentially reside on the inner side of the oil droplet surface, where they are shielded from the turbulence of the carrier phase. This configuration reduces detachment rates and enhances capture efficiency compared to hydrophilic particles, which are more readily removed by the carrier flow.Overall, this work provides a comprehensive and thermodynamically grounded framework for studying sur-factant and particle dynamics in turbulent multiphase flows. The results highlight the central role of prefer-ential solubility and wettability, together with bulk flow asymmetries between the continuous and dispersed phases, in controlling transport, adsorption, and capture processes, with relevance for processes ranging from emulsification and separation technologies to environmental phenomena.