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Ladungsbasierte selektive Trennung submikroner Partikeln aus Zerkleinerungsprozessen

Projektbearbeiter: Christoph Peppersack

Das vorgestellte Projekt ist Teil des DFG-Schwerpunktprogramms SPP2045 „MehrDimPart“ (Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen).
Im Anwendungsgebiet von pharmazeutischen und Life-Science-Produkten sowie als Intermediate für optische Applikationen werden Suspensionen mit Partikelgrößen im Submikron-/Nanometerbereich und höchsten Qualitätsstandards gefordert. Beim Top-Down-Verfahren in bspw. Rührwerkskugelmühlen stellen Verschleißerscheinungen (Abrieb) der Mühlenbestandteile, vorrangig der Mahlkörper, eine wesentliche Herausforderung dar. Durch die mit der Zerkleinerungszeit zunehmende Kontamination der Suspensionen mit Verschleißpartikeln erfahren die Produkte einen Qualitätsverlust und können häufig nur noch eingeschränkt eingesetzt werden.

Abbildung 1: Hauptmechanismus der Verschleißentstehung

Eine rein mechanische Abtrennung der Verschleißkomponenten aus dem Zerkleinerungsprozess ist dabei nicht ohne weiteres möglich, da diese i.d.R. ähnliche Partikelgrößen wie die Wertkomponenten aufweisen und sich ihre Partikelgrößenverteilung mit zunehmender Zerkleinerungszeit verändert (permanente Erzeugung neuen Abriebs, Zerkleinerung der Verschleißpartikeln). Im Rahmen des Projektes sollen hierzu innovative Verfahren zur Verschleißseparation untersucht werden. Grundlegendes Ziel ist, das physikalische Prinzip der elektrostatisch induzierten, selektiven (Hetero-)Agglomeration zu nutzen, um die Struktur der Verschleißpartikeln (Größe, Ladung, Form und/oder Masse) während des Zerkleinerungsvorgangs gezielt zu modifizieren. Hierdurch kann gewährleistet werden, die agglomerierten Verschleißpartikeln in einem nachgeschalteten Trennverfahren zu separieren oder bereits innerhalb des Beanspruchungsprozesses kontinuierlich zu trennen und abzuführen. Mit Stahl und Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid (Y2O3-ZrO2) als Mahlkörper- bzw. Verschleißmaterialien werden fundierte Untersuchungen unterschiedlicher Agglomerationsstrategien durchgeführt und die Agglomerationskinetik sowie die mechanische Festigkeit der entstehenden Agglomerate bewertet. Mit Quarz bzw. Anthrachinon als beispielhafte Produkte für organische und anorganische Materialien werden diese anschließend während/nach der Zerkleinerung angewandt. Im Fokus der Analysen stehen hierbei zum einen die Selektivität der Agglomerationsmethoden im Produkt-Verschleiß-Gemisch als auch der Einfluss der sich über den Zerkleinerungsprozess verändernden Anzahlverteilung der Verschleißpartikelgrößen. In Abhängigkeit, welche der verfolgten Strategien sich für die selektive Verschleißagglomeration eignen, gilt es folgend die Abtrennung der agglomerierten Spezies zu betrachten. Neben gängigen Trennmethoden wie der Filtration, Zentrifugation und Hydrozyklonierung werden unter Berücksichtigung sinnvoller Trennmerkmale auch innovative, neue Verfahren wie z. B. die Flash-Flotation herangezogen. Ziel ist es, eine Möglichkeit zur kontinuierlichen Abtrennung zu schaffen. Hierzu werden verfahrenstechnische Konzepte für eine Prozessintegration der selektiven Agglomeration und Trennung ausgearbeitet.

Abbildung 2: Prozessintegration von Zerkleinerung, selektiver Agglomeration und Trennung

Projektrelevante Publikationen:
Flach, F., Breitung-Faes, S., Kwade, A., (2017) Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 522, 140-151.
Breitung-Faes, S., (2017) Minerals Engineering,10, 33-42.
Flach, F., Breitung-Faes, S., Kwade, A., (2016). Chemie Ingenieur Technik, 88(7), 850-856.
Flach, F., Konnerth, C., Peppersack, C., Schmidt, J., Damm, C., Breitung-Faes, S., Peukert, W., Kwade, A., (2016) Advanced Powder Technology, 27, 2507-2519.
Breitung-Faes, S., Kwade, A., (2014). Chemical Engineering & Technology, 37, 819-826.
Breitung-Faes, S., Kwade, A., (2011). Powder Technology, 212, 383-389.


AG – Mitarbeiter

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