Beeinflussung der Filtration geflockter Quarzmehlsuspensionen

Schwerpunktthemen
Beeinflussung der Filtration
geflockter Quarzmehlsuspensionen
durch ein elektrisches Feld
L. Petersen*, H. Hamm, F. Feser, S. Ripperger, S. Antonyuk*
Die Filtration feinster Partikeln aus wässrigen Suspensionen ist in der Regel aufwändig, da sie aufgrund der
meist gleichsinnigen Ladung eine geringe Tendenz zu Aggregation aufweisen und Filterkuchen mit einem hohen
spezifischen Strömungswiderstand verursachen. Die Sedimentation im Schwerefeld erfordert aufgrund der geringen
Sinkgeschwindigkeit lange Verweilzeiten und entsprechend große Klärflächen. Eine Möglichkeit, die Abscheidung
zu erleichtern, besteht darin, die Partikeln mittels polymerer Flockungsmitteln zu koagulieren und abschließend zu
filtrieren. Bei der Verwendung von mikroporösen Membranen kann eine Überdosierung polymerer Flockungsmittel die
Filtration allerdings negativ beeinflussen. Es wurde daher untersucht, in welchem Umfang die Filtration feinster Partikel
in Verbindung mit einem polymeren Flockungsmittel mittels eines elektrischen Feldes beeinflusst werden kann.
1. Einführung
In vielen technischen Bereichen, wie
beispielsweise in der Metall- und der
Papierindustrie, der Abwasserbehandlung
und der Biotechnologie, müssen feinste
Partikeln aus Flüssigkeiten entfernt werden. Zunehmend werden hierzu mikroporöse Membranen verwendet. Feine
Partikeln weisen sehr geringe Sedimentationsgeschwindigkeiten auf und bilden
Filterkuchen mit sehr hohen Strömungswiderständen aus.
Eine Methode zur Verbesserung der
Fest-Flüssig-Trennung besteht darin,
die Partikeln durch Flockung in größere
Verbände zu überführen. Die gebildeten
Flocken weisen eine erhöhte Sedimentationsgeschwindigkeit auf. Zudem bilden
Flocken in der Regel einen sehr porösen
und damit sehr permeablen Filterkuchen
aus. Die Flockung kann dabei durch
Flockungsmittel oder Flockungshilfsmittel
ausgelöst werden. Als Flockungsmitteln
werden Stoffe bezeichnet, welche die
Ladung der Partikeln so beeinflussen,
dass die elektrostatische Abstoßung verringert wird und die Partikeln bei einer
Kollision aufgrund anziehender van-derWaals-Kräfte zu Flocken aggregieren. Als
Flockungsmittel werden meist Metallsalze
verwendet [1].
Flockungshilfsmittel sind Makromoleküle, welche gleichzeitig Bindungen zwischen mehreren Partikeln ausbilden und
so für eine Brückenbildung zwischen den
Partikeln sorgen. Flockungshilfsmittel sind
in der Regel wasserlösliche Polymere. Sie
* Dipl.-Wirtsch.-Ing. Lars Petersen
Helga Hamm
Dipl.-Ing. Frank Feser
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger
Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk
TU Kaiserslautern
Tel.: 0631-205-21
www.uni-kl.de/mvt
F & S Filtrieren und Separieren
lassen sich nach ihrem Ladungscharakter,
der chemischen Natur ihrer funktionellen Gruppen sowie nach Ladungsdichte
und Molmasse bzw. der Länge der Molekülketten unterteilen [2]. In der Regel
werden synthetische Flockungshilfsmittel
eingesetzt, weil molekulare Parameter
wie Ladungsdichte und Molmasse durch
Variation der Synthesebedingungen auf bestimmte Anwendungen angepasst werden
können. Häufig werden Polyacrylamide als
Homopolymerisate und PolyacrylamideCopolymer eingesetzt. Aufgrund der
ungleichförmigen elektrischen Ladungsverteilung an Partikeln in wässrigen
Lösungen und dem ionischen Charakter
polymerer Flockungsmittel können die
Stoffsysteme durch ein elektrisches Feld
beeinflusst werden. Entsprechend kann die
Kinetik der Fest-Flüssig-Trennung durch
Anlegen eines elektrischen Feldes verändert werden. Damit kann z.B. bei einer
Sedimentation die Absetzgeschwindigkeit
der zumeist negativ geladenen Partikeln
erhöht werden. Bei einer Filtration kann
ein angelegtes elektrisches Feld die
Kuchenbildung am Filtermittel ganz oder
teilweise verhindern [3],[4]. Auf diese
Weise kann die Filtrationsgeschwindigkeit
wesentlich erhöht werden.
Beim Einsatz polymerer Flockungshilfsmittel in Verbindung mit einer
Filtration wurde in vielen Studien eine
optimale Dosiermenge an Flockungshilfsmitteln ermittelt [5]-[9]. Bei einer
zu niedrigen Konzentration sind nicht
alle Partikeln in Flocken eingebunden.
Eine zu hohe Konzentration kann zu
einer Stabilisierung der Partikeln führen.
Insbesondere bei kationischen Polymeren
kann eine Überdosierung dazu führen,
dass das Polymer an den Oberflächen
der Partikeln absorbiert wird und so die
Partikel jeweils einhüllt. Dabei ist es
möglich, dass eine ursprünglich negativ geladene Partikel nach außen positiv
Jahrgang 30 (2016) Nr. 1
wirkt. Dies kann dazu führen, dass sich
die Partikeln wieder abstoßen [2],[10].
Bei einer zu hohen Konzentration an
Flockungshilfsmitteln kommt es so auch
zu einer Anreicherung von ungebundenem
Polymer im Filterkuchen. Beim Einsatz
einer mikroporösen Membran können
zudem ungebundene Polymere abgetrennt
werden und so eine niedrig permeable
Gelschicht auf der Membran ausbilden,
welche den Durchströmungswiderstand
stark erhöht [9].
Im Rahmen dieses Beitrages wurde
untersucht, in welchem Umfang sich
der negative Effekt einer Überdosierung
auf die Filtrationskinetik durch ein
elektrisches Feld verringern lässt. Als
Flockungshilfsmittel wurde ein kationisches Polymer verwendet. Um die Makromoleküle vom Filtermedium fern zu halten,
wurden die Anode unter dem Filtermedium
in Form einer Sintermetallplatte und die
Kathode in Form eines Lochblechs fern
vom Filtermedium darüber angebracht.
Durch diese Anordnung ist kein positiver
Effekt des elektrischen Feldes auf die
eigentliche Filtration zu erwarten, da die
Partikeln aufgrund ihrer negativen Ladung
verstärkt zum Filtermittel wandern.
2. Messprinzip und
Versuchsaufbau
Die Filtrationsversuche wurden mittels einer am Lehrstuhl für Mechanische
Verfahrenstechnik der TU Kaiserslautern
konstruierten Filternutsche durchgeführt.
Die Nutsche ist Abb. 1 dargestellt.
Im Inneren der Nutsche ist das
Lochblech mit einem Durchmesser von
50 mm auf einer Gewindestange aus PVC
angebracht. Dadurch kann die Höhe des
Lochbleches und damit die die Stärke des
elektrischen Feldes stufenlos verändert
werden. Das Lochblech fungiert dabei als
Kathode. Am Boden der Nutsche befindet
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Schwerpunktthemen
Abb. 1: Aufbau der Filternutsche
sich eine Sintermetallplatte, die als Anode
fungiert. Über der Sintermetallplatte wird
das Filtermedium eingespannt. Auf dem
oberen Deckel befinden sich ein Anschluss
für die Spannungsquelle, ein Füllstutzen
für die Suspension und ein Anschluss für
die Druckluftzufuhr. An der Unterseite
ist ein Trichter befestigt, über den das
Filtrat in einen Auffangbehälter fließt.
Das Gewicht des Behälters wird bei der
Filtration von einer elektronischen Waage
aufgenommen und von einem Computer
aufgezeichnet. Der Innendurchmesser der
Nutsche beträgt 50 mm, die Höhe 300 mm.
Zur Temperierung ist die Filternutsche
mit einem Doppelmantel versehen. Der
Versuchsablauf ist in Abb. 2 schematisch
dargestellt.
Als Flockungshilfsmittel wurde Fennopol
K 4250 T der Fa. Kemira AG verwendet.
Es ist ein kationisches polymeres
Flockungsmittel auf der Basis von
Acrylamid. Die Suspensionen wurden
aus destilliertem Wasser und Microsil
M 500 der Fa. Euroquarz GmbH hergestellt. Microsil M 500 besteht aus
Siliziumdioxid (>99%) und weist eine
mittlere Partikelgröße von x50,3 = 3,2 μm
auf. Die Partikelgrößenverteilung wurde
mit dem Laserbeugungsspektrometer
LA-950 der Fa. Horiba bestimmt. Als
Filtermittel wurde Nadir MV020 der Fa.
Microdyn-Nadir GmbH verwendet. Es
handelt sich dabei um eine Membran aus
Polyvinylidenfluorid mit einer nominalen
Porengröße von 0,2 μm. Es kann von einer
nahezu vollständigen Rückhaltung der
Feststoffpartikeln ausgegangen werden.
Zunächst wurde eine wässrige Lösung
mit 0,1 Ma-% Flockungshilfsmittel angesetzt. Dies ist zum Lösen und Quellen
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Abb. 2: Versuchsanordnung
des Flockungshilfsmittels notwendig [7].
Die Quellzeit betrug 20 Minuten. Partikel
und Wasser wurden zunächst dispergiert und anschließend wurde Flockungshilfsmittellösung 100 g der Suspension
unter langsamem Rühren zugegeben. Das
so entstandene Gemisch wurde durch
den Füllstutzen in die Nutsche gegeben,
die Spannungsquelle angeschaltet und
der Druck durch Öffnen des Druckgasanschlusses eingestellt.
Alle Versuche wurden bei einer Druckdifferenz von 2 bar durchgeführt. Die Siliziumdioxidkonzentration betrug 5 Ma-%,
die Suspensionstemperatur 25,8±0,2 °C.
Der Standardabstand der Elektroden
betrug 20 mm. Die Spannung betrug entweder 0 oder 60 V, was einer elektrischen
Feldstärke von 0 bzw. 3 V·mm-1 entspricht.
Die Reproduzierbarkeit der Versuche
war hoch. Bei einem Elektrodenabstand
von 20 mm befindet sich die Kathode
in Form des Lochblechs bis zu einem
Filtratvolumen von ca. 63 mL unterhalb
des Flüssigkeitspegels. Unterschreitet der
Flüssigkeitspegel das Lochblech, ist die
Mobilität der Teilchen im elektrischen
Feld eingeschränkt. Aus diesem Grund lag
der Fokus der Versuchsauswertung auf
dem Filtratverlauf bis zum Erreichen von
63 mL bzw. 63 g Filtrat.
3. Ergebnisse
Zunächst wurde die Wirkung des elektrischen Feldes auf eine reine Lösung mit
Flockungshilfsmittel untersucht. Dabei
konnte beobachtet werden, dass das
Polymer teilweise von der Membran
zurückgehalten wurde. Mit steigender
Konzentration an Flockungshilfsmittel
(FHM) wurde das Filtrat deutlich viskoser.
Nach Versuchsende war auf der Membran
eine deutliche Gelschicht zu erkennen,
die bei höheren Konzentrationen erwartungsgemäß dicker war. Die zeitlichen
Filtratverläufe bei an- und ausgeschaltetem elektrischen Feld sind in Abb. 3
grafisch dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Dauer
der Filtration für einen Filtratmasse von
63 g sich mit zunehmender Konzentration verlängert. Wird die Spannungsquelle angeschaltet, reduziert sich die
Filtrationsdauer deutlich. Da ein kationisches Flockungshilfsmittel verwendet wurde, wirkt bei der untersuchten
Elektrodenanordnung eine elektrische Kraft
auf die Moleküle entgegen der Filtrationsrichtung. Dadurch wird dem Aufbau
der Gelschicht entgegengewirkt und der
Filtratstrom wird erhöht. In Tabelle 1 sind
die Filtrationsdauern für unterschiedliche
Flockungshilfsmittelkonzentrationen bei
an- und ausgeschalteter Spannungsquelle
zusammengefasst.
Die Dauer zur Filtration von 63 g
Filtrat ist bei allen Konfigurationen mit
Flockungshilfsmitteln wesentlich größer
als die Filtrationsdauer bei Verwendung
von reinem Wasser. Der Filtrationswiderstand wird demnach nicht von der
Membran, sondern von der sich ausbildenden Gelschicht dominiert. Die
Verringerung der Filtrationszeit durch das
elektrische Feld erfolgt in allen Fällen
im selben Umfang von 51-56%. Da die
verringerte Filtrationszeit immer noch
wesentlich größer als die von reinem
Wasser ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Polymere nur teilweise von
der Membran ferngehalten werden.
F & S Filtrieren und Separieren
Jahrgang 30 (2016) Nr. 1
Schwerpunktthemen
In weiteren Versuchen wurden reine
Suspensionen ohne Flockungshilfsmittel
filtriert. Hier wurde ein geringer negativer Effekt durch das elektrische Feld
festgestellt. Dieser kann dadurch erklärt
werden, dass die negativ geladenen
Partikeln durch ein elektrisches Feld
verstärkt in Richtung der Anode und
damit der Membran wandern. Der Filterkuchenaufbau wird dadurch beschleunigt, was den Filtrationsprozess verlangsamt. In einer weiteren Versuchsreihe
wurden mit Flockungshilfsmitteln versetzte Suspensionen filtriert. In Abb. 4
sind die Filtratverläufe für Flockungshilfsmittelkonzentrationen von 0, 0,002
und 0,004 Ma-% grafisch dargestellt.
Ohne elektrisches Feld ist die Filtrationsdauer bei einer Flockungshilfsmittelkonzentration von 0,002 Ma-%
am geringsten. Bei 0,004 Ma-% liegt
offensichtlich eine Überdosierung vor, da
die Filtrationsdauer wesentlich größer ist
als ohne Verwendung von Flockungshilfsmitteln. Die Partikeln sind zwar in
Flocken gebunden, allerdings liegen überschüssige Polymere vor. Diese werden an
einzelnen Partikeln adsorbiert oder bilden
eine Gelschicht auf der Membran aus
und erhöhen so den Filtrationswiderstand
deutlich. Wird das elektrische Feld zugeschaltet, liegen die zeitlichen Verläufe der
Filtratmasse bei 0,002 und 0,004 Ma-%
F & S Filtrieren und Separieren
Tab. 1: Filtrationszeiten, bei der eine Filtratmasse von 63 g erreicht wurde, für reine FHMLösungen
Abb. 3: Filtratmasse in Abhängigkeit von der Filtrationszeit für reine FHM-Lösungen ohne (links)
und mit (rechts) angelegtem elektrischem Feld
über dem von 0 Ma-% Flockungshilfsmitteln. Die nicht gebundenen Polymere
und die von Polymeren umhüllten Partikeln
werden teilweise von der Membran und
dem Filterkuchen ferngehalten und verringern so die Filtrationsdauer deutlich. Die
erzielten Filtrationszeiten bei unterschiedlichen Flockungshilfsmittelkonzentrationen
sind in Tabelle 2 und in Abb.5 dargestellt.
Jahrgang 30 (2016) Nr. 1
Mit steigender Konzentration an
Flockungshilfsmittel nimmt die Filtrationszeit zunächst ab und durchläuft
bei 0,002 Ma-% ein Minimum. Wird
die Konzentration weiter erhöht, steigt
die Filtrationszeit an. Ohne elektrisches
Feld ist der Anstieg der Filtrationszeit
mit zunehmender Konzentration sehr
hoch. Bei einer Konzentration von 0,01
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Schwerpunktthemen
Tab. 2: Filtrationszeit, bei der eine Filtratmasse von 63 g erreicht wurde, für Suspensionen mit 5
Ma-% Feststoff bei unterschiedlichen FHM-Konzentrationen mit und ohne angelegtem E-Feld
Mit steigender Feldstärke sinkt die
Filtrationsdauer, bei der eine Filtratmasse
von 63 g erreicht wurde. Es ist zu erkennen, dass die geringste Filtrationszeit bei
einem Elektrodenabstand von 10 mm
niedriger ist, als das Minimum der vorherigen Versuchsreihe bei einer Konzentration
von 0,002 Ma-%. Dies deutet darauf
hin, dass bei 0,004 Ma-% bereits eine
Überdosierung an Flockungshilfsmittel
vorliegt. Durch eine Erhöhung der Feldstärke werden die gebildeten Flocken verstärkt von der Membran ferngehalten und
die Filtrationszeit sinkt.
4. Schlussfolgerungen
Abb. 4: Filtratmasse in Abhängigkeit von der Filtrationszeit von Suspensionen (5 Ma-% Feststoff)
mit und ohne FHM, ohne (links) und mit (rechts) angelegtem elektrischem Feld
Ma-% übersteigt die Filtrationsdauer
das 13-fache der Filtrationsdauer ohne
Zugabe von Flockungshilfsmittel. Mit
zugeschaltetem Feld verläuft der Anstieg
der Filtrationszeit wesentlich flacher. Bei
0,01 Ma-% ist die Filtrationsdauer ca.
20% größer als ohne Flockungshilfsmittel.
Bei Konzentrationen, die geringer als
die Optimalkonzentration sind, hat das
elektrische Feld einen geringen negativen
Einfluss auf die Filtrationsdauer. Da sich
die Anode unter dem Filtermedium befindet und nicht alle Partikeln in Flocken
gebunden sind, wird der Filterkuchen
schneller gebildet. Bei einer Konzentration
von polymeren Flockungshilfsmitteln, die
über der optimalen Konzentration liegt,
besitzt das elektrische Feld einen stark
positiven Einfluss auf die Filtrationsdauer.
Die elektrostatische Kraftwirkung wirkt
auf die mit dem Polymer verbunde-
nen Partikeln sowie das ungebundene
Polymer in Richtung Kathode, d. h. vom
Filtermedium weg. Auf diese Weise werden diese von der Membran ferngehalten.
Allerdings ist das elektrische Feld nicht
stark genug um alle positiv geladenen
Teilchen von der Membran fernzuhalten,
da mit steigender Konzentration auch die
Filtrationsdauer steigt.
In einer weiteren Versuchsreihe wurde
die Stärke des elektrischen Feldes variiert.
Dazu wurde die Spannung von 60 V beibehalten und der Abstand des Lochblechs
von der Membran, der in den vorigen Versuchen 20 mm betrug, verändert. In Abb. 6
sind die Filtratverläufe für eine Suspension
mit 0,004 Ma-% Flockungshilfsmitteln für
eine Höhe des elektrischen Feldes von 10,
15 und 20 mm grafisch dargestellt. Dies
entspricht einer elektrischen Feldstärke
von 6, 4 und 3 V·mm-1.
Abb. 5: Filtrationszeit, bei der eine
Filtratmasse von 63 g erreicht wurde, für
Suspensionen mit 5 Ma-% Feststoff bei
unterschiedlichen FHM-Konzentrationen mit
und ohne angelegtem E-Feld
Abb. 6: Filtratmasse in Abhängigkeit von
der Filtrationszeit für Suspensionen mit 5
Ma-% Feststoff und 0,004 Ma-% FHM bei
unterschiedlichen elektrischen Feldstärken
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Das Filtrationsverhalten geflockter
Suspensionen wurde unter Einfluss eines
elektrischen Feldes untersucht. Zur Flockung wurde ein kationisches polymeres Flockungsmittel verwendet. Sowohl
bei an- als auch bei ausgeschaltetem
elektrischem Feld wurde eine optimale Konzentration für die Dosierung des
Flockungshilfsmittels ermittelt. Die optimale Konzentration war bei an- und ausgeschaltetem elektrischem Feld gleich. Bei
einer Konzentration des Polymers unterhalb der optimalen Konzentration hat das
elektrische Feld einen schwachen negativen Einfluss auf die Filtration. Liegt eine
Überdosierung an Flockungshilfsmitteln
vor, hat das elektrische Feld einen stark
positiven Einfluss auf die Filtraion. Es
kann angenommen werden, dass überschüssiges Polymer in diesem Fall infolge
des elektrischen Feldes von der Membran
teilweise ferngehalten wird. Der untersuchte Prozess mit einem elektrischen
Feld könnte sinnvoll angewendet werden, wenn die Partikelkonzentration stark
schwankt und so die optimale Dosierung
eines Flockungshilfsmittels erschwert wird.
Durch ein elektrisches Feld können dadurch
auch bei hohen Überdosierungen verhältnismäßig hohe Filtratströme erzielt werden.
Literatur:
[1] S. Schwarz et al., Chem. Ing. Tech 2006, 78 (8), 1093.
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[10] J. Gregory in The Scientific Basis of Filtration (Ed.
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F & S Filtrieren und Separieren
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