Haftung von mineralischen Einzelpartikeln und Partikelsystemen an starren keramischen Membranen in wässrigen Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ablösung von haftenden Partikeln in wässrigen Systemen spielt in vielen Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle. Insbesondere in der Mikro- und Ultrafiltration ist die Effizienz eines Prozesses eng mit dem Ressourcenverbrauch für die kontinuierliche oder bedarfsgerechte Reinigung verknüpft. Während die Anlagerung von Partikeln auf Membranoberflächen in der Literatur zahlreich diskutiert wird, sind Arbeiten über die Ablösung von Partikeln nur vereinzelt zu finden. Bei der Regeneration von Membranoberflächen muss, anders als bei undurchlässigen Oberflächen, neben der herrschenden Haftkraft auch der Einfluss der Filtratkraft in den Überlegungen zur Partikelablösung berücksichtigt werden. In dem bearbeiteten Projekt sind Experimente mit einer Versuchsanlage zur zeitlich aufgelösten Messung der Partikelablösung bei der Querstromfiltration durchgeführt worden. Hierzu wurde ein reproduzierbarer Filterkuchen auf eine Membran auffiltriert und unter definierten Versuchsparametern abgelöst. Die abgelösten Partikeln können sekundengenau in Konzentration und Größenverteilung gemessen werden, wodurch indirekt die herrschende Haftkraft bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine speziell auf die Aufgabenstellung ausgerichtete Versuchsanlage entworfen und konstruiert. Die Anlage kann zum Aufbau von Filterkuchen mit gleichem Ablöseverhalten und zur Filterkuchenablösung verwendet werden. Dabei ist es erstmalig möglich, den Ablösevorgang im wässrigen Medium durch die sekundengenaue Messung von Partikelanzahlkonzentration und Partikelgrößenverteilung zeitlich differenziert zu erfassen. Durch die Messung der Ablösung dieser Partikeln bei unterschiedlichen Querstromgeschwindigkeiten kann ein Zusammenhang zwischen der Querstromgeschwindigkeit und dem zeitlichen Ablöseverhalten von Partikeln unterschiedlicher Größen hergestellt werden. Bei der Verwendung von polydispersen SiO2-Partikeln zeigten die Messungen eine Verschiebung der abgelösten Partikelverteilungsdichte von gröberen zu feineren Partikeln über die Zeit. Dies bestätigt qualitativ die aus der Theorie abgeleitete Annahme, dass eine Ablösung größerer Partikeln bereits in den ersten Sekunden stattfindet. Die Messungen ergeben, dass die Ablösung ihr Maximum bei einer für alle Versuche konstanten Wandschubspannung erreicht. Dieser Wert ist unabhängig von der Endgeschwindigkeit der Querströmung. Die Messungen zeigen zusätzlich, dass die zu erreichende Endgeschwindigkeit der Querströmung, welche die Steigung der Wandschubspannung bestimmt, einen Einfluss auf die Menge der abgelösten Partikeln hat. Darüber hinaus wurde durch den Einsatz von monodispersen, sphärischen PMMA-Partikeln eine grobe Quantifizierung der Kräfte erreicht. Die Versuche zeigten, dass die zur Ablösung von PMMA-Partikeln mit einer Größe von 10 µm im Kugel-Platte-Kontakt notwendige Wandschubspannung um den Faktor 1,5…2 höher liegt, als die notwendige Wandschubspannung für PMMA-Partikeln mit einer Größe von 20 µm. Diese Messergebnisse werden von ESEM-Aufnahmen bestätigt, die vor und nach den Ablöseversuchen erstellt worden sind. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen und grundlegenden Berechnungen zu Strömungs- und Haftkräften sowie deren Momenten wird ein Berechnungsmodell zur Partikelablösung in der Querstromfiltration vorgestellt. Aus der Literatur sind verschiedene Modellvorstellungen zur Abbildung der Partikelablösung von einer Oberfläche bekannt. Die Veröffentlichungen aus dem Bereich der Membrantechnik zeigen, dass der Partikeltransport zwischen Suspension und Membranoberfläche bei der Mikro- und Ultrafiltration am besten mit Modellen zur Kräftebetrachtung an der Einzelpartikel dargestellt werden kann. Aus diesem Grunde wurde sich für die Darstellung der zur Ablösung notwendigen Kräfte für den Einsatz eines mikroskopischen Modells entschieden, dessen Berechnung in einem C++-Programm umgesetzt wurde. Die Grundlage hierfür bildet ein bereits erfolgreich genutztes Programm zur Modellierung der Wiederaufwirbelung von Einzelpartikeln in Gasen von undurchlässigen Oberflächen. Um die Vorgänge im Experiment korrekt abbilden zu können, wurde das Programm zum Einsatz im wässrigen Medium modifiziert und um die Einflüsse des Filtratvolumenstroms erweitert. Das Modell ist in der Lage, nicht nur die Kräftebilanz sondern auch die Momentenbilanz für eine frei angeströmte, einzeln liegende Partikel aufzustellen. Darüber hinaus wird das Modell um die Betrachtung von Partikeln im Partikelbett erweitert. So kann mit diesem Modell auch die Ablösung einer Partikel im Partikelbett abgebildet werden. Hierbei werden sowohl die Änderung der Haftkräfte in Abhängigkeit der Anzahl ihrer Kontakte zu anderen Partikeln als auch eine Änderung der Strömungs- und Haftkräfte durch ihre Lage im Partikelbett berücksichtigt. Die physikalischen Einflüsse durch Partikelgröße und Querstromgeschwindigkeit werden in dem Modell gut wiedergegeben. Ein Vergleich zwischen aus der Literatur bekannten experimentellen Daten und Berechnungen zu herrschenden Kräften und den eigenen Berechnungen zeigt eine gute Übereinstimmung. Die durchgeführten Experimente zeigen, dass eine zeitlich aufgelöste Darstellung des Ablöseverhaltens von auf Membranoberflächen haftenden Partikeln durch die Messung der Partikelanzahlkonzentration und der Partikelgrößenverteilung möglich ist. Das Ziel einer auf den Experimenten basierenden rechnerischen Quantifizierung der herrschenden Haftkräfte beim Ablösevorgang ist erreicht worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bench-scale Unit for Characterisation of Particle Adhesion on Ceramic Membrane Surfaces, Filtech 2009, Wiesbaden, II 768 - 772
Quadt, T., Schmidt, E.
- Adhesion of Particles on Ceramic Membranes - Stage of Experiments, 13th Aachener Membran Kolloquium, 2010, Aachen, 435 - 442
Quadt, T., Schmidt, E.
- Adhesion of SiO2 Particles and Particle Systems on Ceramic Membranes, World Congress on Particle Technology 6, 2010, Nürnberg, H_H_1_0_00040
Quadt, T., Schmidt, E.
- Optimierungen bei der Membranfiltration, Ingenieur Forum Westfalen-Ruhr (2011) 2, 60 - 62
Quadt, T., Schmidt, E.
- Optimising the Regeneration of Ceramic Membranes, Filtration + Separation 48 (2011), 6, 26 - 28
Quadt, T., Schmidt, E.
- Resuspensions` Characterisation of Membrane Filter Cake Particles in Liquid Media, Filtech 2011, Wiesbaden, II 622 - 627
Quadt, T., Schmidt, E.
- Versuchsanlage zur Untersuchung der Deckschichtablösung von keramischen Membranen, Chem. Ing. Tech. 82 (2011), 8, 1295 - 1299
Quadt, T., Schmidt, E.
- Ablösung abiotischer Partikeln von starren, keramischen Membranen in wässrigen Systemen, Dissertation, Shaker Verlag, Aachen 2012, ISBN 978-3-8440-1089-3
Quadt, T.
- Characterisation of Resuspended Filter Cake Particles During a Regeneration Process, 11th World Filtration Congress, 16 – 20 April 2012, Graz, M04 - Crossflow Processes
Quadt, T., Schmidt, E.
- Deckschichtablösung von keramischen Membranen, Chem. Ing. Tech. 84 (2012), 6, 823 - 831
Quadt, T., Schmidt, E.
- Resuspension of Abiotic Particles from Ceramic Membranes, Chemical Engineering Technology, 35 (2012) 10, 1885 - 1891
Quadt, T., Schmidt, E.
- Untersuchungen zur Haftkraftberechnung bei der Partikelablösung in der Querstromfiltration, Filtrieren Separieren, 26 (2012), 3, 175 - 181
Quadt, T., Schmidt, E.
