Das Sedimentationsverhalten feinstdisperser Teilchen hängt nicht nur von den rein-physikalischen Eigenschaften von Feststoff und Flüssigkeit ab, sondern auch von der Feststoffkonzentration, der Zentrifugalbeschleunigung und den physikochemischen Suspensionseigenschaften wie pH-Wert und Ionenstärke. Je nach physikochemischem Zustand können die Partikeln dispergiert oder koaguliert vorliegen.
Der disperse Zustand der Partikeln bestimmt maßgeblich das Separationsverhalten des Feststoffs beispielsweise in einer Dekantierzentrifuge. Für Klassierungsprozesse, d. h. eine Auftrennung der Partikeln in zwei Fraktionen unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung, müssen die Partikeln dispergiert in einer stabilisierten Suspension vorliegen. Dagegen ist es für eine Abscheidungs- bzw. Kläraufgabe vorteilhaft, wenn die Partikeln koaguliert in einer destabilisierten Suspension vorliegen, so dass auch die feinsten Partikeln zusammen mit den Koagulaten abgeschieden werden. Die Untersuchung des Einflusses der physikochemischen Suspensionsparameter auf das Sedimentationsverhalten feinster Feststoffe stand im Zentrum dieses Forschungsvorhabens.
Zu diesem Zweck wurde eine Laborzentrifuge gebaut, mit der die Sinkgeschwindigkeitsverteilung polydisperser Partikeln bis zu einer Zentrifugalbeschleunigung von 4000 g untersucht werden kann. Das komplexe Zusammenspiel aus stabilisierenden und destabilisierenden Mechanismen während des Absetzvorgangs wurde eingehend untersucht. Die Zusammenhänge zwischen physikalischen und chemischen Stoffeigenschaften und dem Sedimentationsverhalten wird anhand umfangreicher experimenteller Untersuchungen an unterschiedlichen Partikelsystemen (Kalkstein, Quarz, Titandioxid, Aluminiumoxid, Kaolin) im submikronen Größenbereich aufgezeigt. Die Beurteilung der Stabilität einer Suspension erfolgt auf der Basis des Zetapotentials der Suspension bzw. anhand der DLVO-Theorie.
Das Sedimentationsverhalten stabilisierter polydisperser Partikelsysteme in Abhängigkeit von der Feststoffkonzentration und der Zentrifugalbeschleunigung lässt sich mit dem Ansatz von Richardson und Zaki beschreiben. Der Ansatz von Scott hingegen kann zur Βerechnung des Sedimentationsverhaltens destabilisierter Partikelsysteme in Abhängigkeit von der Feststoffkonzentration herangezogen werden. Dieses aus den Sedimentationsuntersuchungen gewonnene Ergebnis wurde genutzt, das Klassierungs- bzw. das Abscheidungsverhalten einer Dekantierzentrifuge zu berechnen. Zu diesem Zweck wurde die Theorie der äquivalenten Klärfläche unter Berücksichtigung des realen Sedimentationsverhaltens polydisperser Feststoffe erweitert. Die berechneten Separationsergebnisse stimmen dabei sehr gut mit der Praxis überein.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurde aufgezeigt, wie die Stabilität einer Suspension beurteilt und wie das Sedimentationsverhalten stabilisierter und destabilisierter Partikelsysteme beschrieben werden kann. Eine Erweiterung der Theorie der äquivalenten Klärfläche ermöglicht die Berechnung des Klassierungs- bzw. des Abscheidungsergebnisses beispielsweise einer Dekantierzentrifuge. Das Ziel dieses Vorhabens wurde somit erreicht.
Forschungsstelle:
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) der Universität Karlsruhe (TH)
Leiter des Projektes: Prof. Dr.-Ing. Werner Stahl
Laufzeit: 01.08.2003 – 31.01.2006
Betreut durch: AK 3
Das IGF-Vorhaben Nr. 13690 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.