Charakterisierung interpartikulärer Kräfte

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Chemie Ingenieur Technik Volume 80, Issue 3 , Pages 393 - 397

Charakterisierung interpartikulärer Kräfte für Fest/Flüssig-Trennverfahren mittels Analytischer Zentrifugation

T. Sobisch, D. Lerche
Dispersionen • Partikel • Trennverfahren • Zentrifugation

Das Verhalten von Dispersionen, gekennzeichnet durch Entmischungs-, Fließ- und Packungsverhalten, wird durch Art und Stärke der interpartikulären Wechselwirkungskräfte bestimmt. Dies ist von grundlegender Bedeutung für die Anwendung von Dispersionen auf verschiedensten Gebieten aber auch für Fest/Flüssig-Trennverfahren. Der folgende Beitrag berichtet über die Anwendung der Analytischen Zentrifugation zur Untersuchung der Kinetik und Polydispersität von Trennprozessen sowie des Packungs- und Kompressionsverhaltens am Beispiel polydisperser Feinstpartikelsuspensionen. Die Analytische Zentrifuge misst die lokalen und zeitlichen Änderungen der Transmission mittels STEP-Verfahren. Innerhalb der untersuchten Feinstpartikelsuspensionen variiert der Grad der Partikelwechselwirkung von repulsiv bis stark attraktiv und deckt somit den gesamten Bereich typischer Trennaufgaben ab. Die Charakteristik der Trennprozesse (Einzelkorn- oder Zonensedimentation, freie oder behinderte Sedimentation, Konsolidierungsverhalten, Polydispersität) lässt sich aus der Form und dem Verlauf der gemessenen Transmissionsprofile bestimmen. Repulsive Partikelwechselwirkungen führen zu einem polydispersen Sedimentationsverhalten, d. h. die Teilchen sedimentieren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit entsprechend ihrer Größe. Im Fall stark attraktiver Wechselwirkungen bewegen sich insbesondere bei hohen Volumenkonzentrationen alle Partikel gemeinsam mit dergleichen Geschwindigkeit. Wenn nur schwache Anziehungskräfte wirken, bildet sich eine Sedimentationsfront, die den Großteil der Partikel einschließt, ein Teil der kleineren Partikel zeigt aber weiterhin polydisperses Sedimentationsverhalten. Die erzielbare Packungsdichte wird gleichfalls durch die Stärke der Partikelwechselwirkungen bestimmt. Aus technologischer Sicht steht die Packungsdichte im direkten Zusammenhang mit der Entwässerbarkeit bzw. dem Entfeuchtungsverhalten sowie der Redispergierbarkeit. Für kolloidchemisch stabile Dispersionen (repulsive Wechselwirkungen) werden auch bei relativ geringer Zentrifugalbeschleunigung hohe Packungsdichten erreicht, die Sedimente sind nahezu inkompressibel. Bei polydispersen Systemen tritt in diesem Fall Partikelsegregation auf. Mit Zunahme der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen ist ausgeprägtes Kompressionsverhalten zu beobachten, die Packungsdichte ist stark vom ausgeübten Zentrifugaldruck abhängig. Bei stark geflockten Systemen werden selbst bei sehr hohen Drücken nur moderate Entfeuchtungsgrade erzielt.