Agglomeration und Flotation
Kontaktperson: Dr.-Ing. Karin Schwarzenberger
Motivation
Während der zahlreichen Schritte der Erzaufbereitung oder des Recyclings können Partikel eine Größe von einigen Mikrometern oder weniger erreichen. Andere Arten von Partikeln, wie z.B. Mikroalgenzellen, haben natürlichweise diese Größenordnung. Klassische Trenntechnologien wie die Schaumflotation stoßen bei dieser ultrafeinen Partikelfraktion an ihre Grenzen. Durch das Induzieren einer attraktiven Partikel-Partikel-Wechselwirkung findet ein Agglomerationsprozess statt, so dass die entstehenden größeren Teilchen abgetrennt werden können.
Algenflotation
Anhaftung von Algenagglomeraten an der Oberfläche von Mikrobläschen
Algenbiomasse ist eine vielversprechende Ressource, z.B. für die Herstellung von Biokraftstoffen. Die energieintensive Entwässerung der Algenbiomasse aus dem Kulturmedium bleibt eine der großen Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Produktionsprozess. Aufgrund ihrer Skalierbarkeit und einfachen Konstruktion zeigt die Schaumflotation ein erhebliches Potenzial für einen kosteneffizienten ersten Entwässerungsschritt. Chitosan als biokompatibler Kollektor wurde für die Hydrophobierung und Agglomeration von Mikroalgenzellen eingesetzt. Es konnte eine deutliche Korrelation zwischen der Ausbeute und dem isoelektrischen Punkt der Algensuspension in Abhängigkeit von der Chitosankonzentration gezeigt werden. Durch Abstimmung der Agglomerat- und Blasengröße wurde die hydrodynamische Wechselwirkung für eine effiziente Anlagerung der Algenzellen an die aufsteigenden Blasen optimiert.
Magnetische Carrierflotation
Die magnetische Carrierflotation hat das Potenzial, sehr kleine Partikel abzutrennen, indem hydrophobierte magnetische Mikropartikel anstelle von Mikrobläschen verwendet werden. Die Voraussetzungen für die Carrierflotation sind eine effiziente Durchmischung sowie eine hohe Wahrscheinlichkeit für Kollision und Anhaftung von Carrier- und Wertstoffpartikeln. Für ein tieferes Verständnis dieser Prozesse auf der Mikroskala wurden Modellexperimente mit fluoreszierenden Mikrokugeln als Wertstoffpartikel durchgeführt. Ein Anhaftvorgang, bei dem ein Cluster magnetischer Nanopartikel mit einer Mikrokugel agglomeriert wird, besteht typischerweise aus drei Schritten:
- Annäherung der beiden Partikel aufgrund ihrer Relativgeschwindigkeit
- Kontakt der Partikeloberflächen mit attraktiver Partikel-Partikel-Wechselwirkung
- Neuausrichtung des frisch gebildeten Aggregats im Strömungsfeld
Partikelgrößenverteilung bei der Agglomeration von magnetischen Nanopartikeln mit PMMA-Mikrokugeln
Durch Anlegen eines Magnetfeldes bildeten sich große Aggregate mit mehreren Clustern aus magnetischen Nanopartikeln und Mikrokugeln. Diese stark bedeckten Wertstoffpartikel konnten an die gewünschte Stelle im Behälter gelenkt und abgetrennt werden. Nach dem Entfernen des Magnetfelds zerfielen die großen Cluster wieder, so dass die meisten Trägerpartikel zurückgewonnen werden konnten. Diese können anschließend dem Prozesskreislauf wieder zugeführt werden.
Publikationen
C. Matho, K. Schwarzenberger, K. Eckert, B. Keshavarzi, T. Walther, J. Steingroewer, F. Krujatz, Bio-compatible flotation of Chlorella vulgaris: Study of zeta potential and flotation efficiency. Algal Research, 44 (2019), 101705.
S. P. Schwaminger, K. Schwarzenberger, J. Gatzemeier, Z. Lei, K. Eckert, Magnetically Induced Aggregation of Iron Oxide Nanoparticles for Carrier Flotation Strategies. ACS Applied Materials & Interfaces, 13 (2021), 20830-20844.