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Dünnschichtfiltration zur mechanischen Abtrennung fester kolloidaler Partikelsysteme aus einer Suspension

Dünnschichtfiltration zur mechanischen Abtrennung fester kolloidaler Partikelsysteme aus einer Suspension
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Project Group:DFG

 

Erzeugung und Funktionalisierung maßgeschneiderter fester, kolloidaler Partikelsysteme erfolgen vielfach in flüssiger Umgebung. In den meisten Fällen müssen die Systeme nach deren Erzeugung, zum Transport oder zur Weiterverarbeitung, in trockene und redispergierbare Pulver überführt werden. Dies erfordert in der Prozesskette vor der abschließenden thermischen Trocknung notwendigerweise eine mechanische Flüssigkeitsabtrennung. Eine Abtrennung der Partikel ist auch dann notwendig, wenn während des Prozesses eine Waschung oder ein Lösungsmittelwechsel ansteht.

Die besonderen Eigenschaften grenzflächenbestimmter fester Kolloidsysteme mit Partikeldurchmessern von wenigen 100 nm stellen Anforderungen an den mechanischen Trennschritt, die durch den heutigen Stand der Technik nur unzureichend oder nicht erfüllt werden. In diesem Partikelgrößenbereich sind weder die Vorgänge bei der Abscheidung noch die Auswirkungen des Abscheidevorganges auf die sich nachfolgend einstellenden Eigenschaften des Partikelsystems ausreichend verstanden oder bekannt. Die grundlagenorientierten Untersuchungen haben das Ziel, wesentliche Wissenslücken beim mechanischen Flüssigkeitsentzug aus diskret dispersen, kolloidalen Partikelsystemen durch kuchenbildende Filtration zu schließen, um die Grundlage für innovative und an die speziellen Erfordernisse des Produktes angepasste Trennverfahren zu entwickeln. Der innovative Forschungsansatz zur kontinuierlichen Abscheidung dünner Partikelschichten von maximal ca. 1 mm Stärke basiert auf der systematischen Analyse von Filtrationsvorgängen mit stark kompressiblen Haufwerken. Die besonderen Eigenschaften grenzflächenbestimmter Partikelsysteme führen dabei zu einem Paradigmenwechsel hinsichtlich der herkömmlichen Regeln für die Filtration und Aufarbeitung grobdisperser Suspensionen.

Durch die über die Massenkräfte dominierenden Partikel-Partikel-Wechselwirkungen sind die Filtrationseigenschaften ebenfalls durch diese festgelegt. Durch Variation der Physikochemie lassen sich die Wechselwirkungen gezielt einstellen. Ein Maß für die Wechselwirkungskräfte ist das Zetapotential. Der Einfluss des Zetapotentials auf die sich bildenden Haufwerke ist in Abbildung 1 modellhaft dargestellt.

Abbildung 1: Auswirkung der Partikel-Partikelwechselwirkung auf die Haufwerksstruktur

Zur Charakterisierung der Filtrationseigenschaften dienen einerseits Versuche an einer Labordrucknutsche, die für die kompressiblen Stoffsysteme einen integralen Mittelwert des Haufwerkswiderstandes und der Haufwerksporosität liefern. Durch nicht invasive Untersuchungen des Haufwerks in einem Kernspintomographen (NMR) lässt sich der Porositätsgradient im Haufwerk darstellen (Abbildung 2) und mit den Drucknutschenergebnissen verknüpfen.

Abbildung 2: Abbildung der Filterzelle im Tomographen. Das Haufwerk ist der schmale zylindrische Teil oberhalb der Mitte. Links: Porositätsgradient im Haufwerk (Farbverlauf von blau über grün nach gelb) mit überstehender Suspension (rot) Rechts: Konsolidiertes Haufwerk, bei dem der Gradient durch den anliegenden Gasdruck abgebaut und die Porosität auf den kleinsten Wert gebracht wurde