Rheologische Eigenschaften feindisperser Suspensionen während ihrer Fest-Flüssig-Trennung in Filtern und Zentrifugen

Die Herstellung, die Verarbeitung und der Einsatz von Fest-Flüssig-Systemen mit Teilchen kolloidaler Größe (ca. 10 - 1000 nm) sind in der Industrie von außerordentlicher Bedeutung. Zu technischen Kolloiden zählen u.a. hochdisperse Füllstoffe, Beschichtungs- und Veredelungsmaterialien, Pigmente, Katalysatoren, keramische Produkte oder auch industrielle und kommunale Abwässer, die aufgearbeitet bzw. umweltgerecht entsorgt werden müssen.Die oben genannten Stoffsysteme treten in Form von Suspensionen, Pasten, Sedimenten und Filterkuchen als Zwischen- oder Endprodukte in zahlreichen verfahrenstechnischen Prozessen auf. Dies betrifft insbesondere die sich an die Feststoffbildung (z.B. durch Kristallisation oder Fällung) anschließende Fest-Flüssig-Trennung durch Sedimentation, Zentrifugation und Filtration.Die Fest-Flüssig-Trennung und die Handhabung derart oberflächenreicher Stoffsysteme stellen häufig verfahrenstechnische Herausforderungen dar. Der Hauptgrund hierfür ist der starke Einfluss interpartikulärer Wechselwirkungen und der resultierenden Mikrostruktur (dispergiert, koaguliert, geflockt, gelartig etc.) auf das trenntechnische und rheologische Stoffverhalten. Bereits geringe Variationen der physiko-chemischen Bedingungen (z.B. pH, Ionenstärke) oder der Betriebseinstellungen führen zu großen Änderungen der Stoffeigenschaften und des Prozessergebnisses, die nicht anhand der für grobpartikuläre Systeme bekannten Parameterabhängigkeiten beschrieben werden können. Dies kann in der Praxis zu schwer kontrollierbaren Prozessen und starken Schwankungen der Produkteigenschaften führen. Durch die aktuelle technische Entwicklung hin zu immer feineren Partikelsystemen (submikronale und nanoskalige Suspensionen) wird diese Problematik weiter verstärkt.Neben den trenntechnischen Eigenschaften sind insbesondere die rheologischen Eigenschaften des verarbeiteten Stoffsystems in Bezug auf Fest-Flüssig-Trennschritte und ihre Prozessintegration von großer Bedeutung. Einerseits hängt die Funktion vieler Fest-Flüssig-Trennapparate maßgeblich von den Fließeigenschaften ab. Hierbei spielen vor allem die Förderung der feststoffreichen Phase innerhalb des Trennapparates (kontinuierliche Prozesse) und deren Austrag eine große Rolle. Andererseits muss das Fließverhalten des ausgetragenen Produkts bestimmten Anforderungen genügen, um die verfahrenstechnische Funktion von sich an die Fest-Flüssig-Trennung anschließenden Prozessschritten (z.B. Förderung, thermische Trocknung) zu gewährleisten. Liegen im Trenngerät oder beim Transfer des Stoffstroms an die nachgeschaltete Prozessstufe ungünstige Fließeigenschaften vor, kommt es zur Fehlfunktion und in der Folge zu mangelhafter Produktqualität bzw. wirtschaftlichen Einbußen.Aus verfahrenstechnischer Sicht ist dabei meist das beginnende Fließen eines Filterkuchens oder Sediments der entscheidende Materialzustand. Dieser wird durch die hierzu erforderlichen Spannungen, sog. Fließgrenzen, charakterisiert.Ein Ansatz, welcher die für feindisperse Stoffsysteme notwendige Integration rheologischer Eigenschaften bei der Auslegung von Fest-Flüssig-Trennprozessen beinhaltet, existiert bisher nicht. Um das Risiko von Fehlauslegungen zu vermeiden, besteht der Bedarf, bisher gebräuchliche überwiegend empirische Auslegungsmethoden um physikalisch begründete quantitative Ansätze zu erweitern, welche die rheologischen Stoffeigenschaften berücksichtigen. Hierzu soll die vorgelegte Arbeit einen Beitrag leisten.Hauptgegenstand ist die Erarbeitung einer Methode zur zeit- und ortsaufgelösten Vorausbestimmung der Fließgrenze von Sedimenten und Filterkuchen während ihrer Bildung und Verdichtung in Fest-