Filtrations- und Trenneigenschaften von mehrphasigen Fest-Flüssig-Flüssig-Suspensionen (Mehrkomponentensuspensionen)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Projekt hat sich mit der mechanischen Trennung von Fest-Flüssig-Flüssig-Suspensionen mittels kuchenbildender Filtration beschäftigt. Derartige Suspensionen bestehen aus Feststoffpartikeln, die in einer kontinuierlichen Mutterflüssigkeit dispergiert sind. Zusätzlich enthalten diese Suspensionen eine weitere, mit der Mutterflüssigkeit nicht-mischbare Flüssigkeit, die ebenfalls feindispergiert in Tropfenform vorliegt. Ziel des Projektes war es Effekte, die bei der kuchenbildenden Filtration einer solchen dreiphasigen Suspoemulsion auftreten aufzuzeigen und so den Trennprozess zu untersuchen. Mittels Experimenten an einem Modellsystem wurden Suspoemulsionen unterschiedlicher Zusammensetzung zunächst hinsichtlich ihrer Stabilität charakterisiert. Anhand Filtrations- und Waschversuchen konnten Erkenntnisse über die Vorgänge während der Kuchenbildung, den Aufbau der Kuchenstruktur sowie die Mobilisierbarkeit der Tropfen im Filterkuchen gewonnen werden. Ergänzt wurden diese Untersuchungen mittels hochauflösender tomographischer Messungen ausgewählter Messpunkte, um die auftretenden mikroskopischen Effekte erkennen und verstehen zu können. Im untersuchten Modellsystem war in der ursprünglichen Suspension keine Agglomeration von Partikeln und Tropfen festzustellen. Die Tropfen werden bis hin zu Volumenverhältnissen von Tropfenvolumen zu Feststoffvolumen von 120 % während der Filtration vollständig im Filterkuchen zurückgehalten und bilden somit einen festen Teil der Kuchenstruktur. Der Zusammenhang zwischen Porosität des gebildeten Porensystems und Durchströmungswiderstand ist dabei durch gängige Modelle für die einphasige Durchströmung von Kugelschüttungen gut zu beschreiben. Hohe Tropfenanteile führen zu einer erhöhten Verformbarkeit bei hoher Porosität und damit zu einem kompressiblen Verhalten des Haufwerks. In einem Pressfiltrationsversuchsstand war es zudem möglich, die Filterkuchen zusätzlich durch einen Pressstempel zu komprimieren. So konnten die Tropfen teilweise in koaleszierter Form aus dem Haufwerk gepresst werden. Jedoch ist anzumerken, dass auch hier bevorzugt die Mutterflüssigkeit aus dem Haufwerk entfernt wurde und das verbleibende Hohlraumvolumen zwischen den Feststoffpartikeln zu Versuchsende vollständig mit Tropfen, bzw. der (koaleszierten) Ölphase gefüllt war. Ein Zusammenfließen der Tropfen innerhalb der Kuchenstruktur konnte auch über die tomographischen Messungen festgestellt werden, wobei höhere Beladungen zu einem größeren Volumen der diskreten Tropfen führte. Ein kontinuierlich vorliegende und über den Porenraum hinweg vernetzte Ölphase wurde allerdings nicht beobachtet. Die Deformation der Tropfen nahm allerdings stark zu. Auch eine Waschung, bei der die Filterkuchen mit Mutterflüssigkeit bei hohen Drücken durchströmt werden, führte nicht zu einem Ausspülen der Tropfen. Allerdings konnte hier nach bestimmten Versuchszeiten ein erheblicher Abfall des Durchströmungswiderstandes festgestellt werden, der auf eine Umlagerung der Tropfen in der Kuchenstruktur hindeutet. Durch die Verlagerung der Tropfen oder auch eine mögliche Zerteilung können sich Vorzugsporen bilden wodurch der Widerstand abnimmt. Somit konnte festgestellt werden, dass in dem hier untersuchten Modellsystem die Tropfen bis hin zu hohen Volumenanteilen in der ursprüngliche Suspoemulsion vollständig im Filterkuchen abgeschieden wurden. Dieser Effekt ist beispielsweise für die Klärung ölhaltiger Abwässer von Interesse, bei denen eine Abtrennung durch ein Filtermedium z.B. aufgrund von Koalszenz nicht einfach möglich ist. Die Öltropfen werden hier analog einer Anschwemmfiltration in einem durchströmbaren Filterkuchen abgeschieden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Kuchenfiltration von mehrphasigen Fest/Flüssig/Flüssig-Suspensionen," Chemie Ingenieur Technik, vol. 89, pp. 1782-1787, 2017
S. Kühne und U. A. Peuker
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"Cake Filtration of Multicomponent Suspensions," Chemical Engineering & Technology, vol. 41, pp. 96-101, 2018
S. Kühne and U. A. Peuker
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“A comparison of filtration characterisation devices for compressible suspensions using conventional filtration theory and compressional rheology“. Powder Technology, vol. 346, pp. 49-56, 2019
E. Höfgen, S. Kühne, U. A. Peuker, A. D. Stickland
