Methoden und Möglichkeiten zur Herstellung strukturierter, hochporöser Agglomerate

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Tomas Kerner
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1 Methoden und Möglichkeiten zur Herstellung strukturierter, hochporöser Agglomerate Kontakt Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Ay BTU Cottbus-Senftenberg Fak. Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik Tel Dipl.-Ing. Claudia Glaser BTU Cottbus-Senftenberg Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

2 Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

3 Herstellung mikrostrukturierter Agglomerate Zielstellungen Durchströmbarkeit hohe Porosität /adsorptive Oberflächen Adsorption von Schadstoffen aus flüssigen und gasförmigen Medien Entwässerungsverhalten Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

4 Agglomeration lat. agglomero = Zusammenballen im verfahrenstechnischen Sinn Verfahren der Kornvergößerung Zusammenlagern von Teilchen durch Ausnutzung von Haftkräften gezielte Agglomeration 1. Flockung (Fällung) ---- Pelletierungsflockung 2. Aufbauagglomeration 3. Pressagglomeration 4. Sintern Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

5 Porenmodell Poren Mikroporen Mesoporen Makroporen Porendurchmesser kleiner 2 nm 2 50 nm größer 50 nm Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

6 Flockung Partikelagglomeration durch Entstabilisierungsmechanismen (Ladungsneutralisation, Brückenbildung) Zugabe von Flockungsmitteln --- Destabilisierung der Suspension unter Bildung von Mikroflocken (Intensivmischphase) Weiterer Energieeintrag --- Bildung von Makroflocken (Langsammischphase) Praxisbeispel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

7 Flockungsmechanismen Koagulation Flockulation Praxisbeispel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

8 Pelletierungsflockung - Prozessmodell + Kollision und Anlagerung und Verdichtung Praxisbeispel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

9 Pelletierungsflockung - Verdichtungsprozess Praxisbeispel Mechanische Synärese Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

10 Aufbauagglomeration Praxisbeispel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

11 Aufbauagglomeration Grundprinzip Erzeugung von Grünpellets geringer Festigkeit Pelletnachbehandlung notwendig, z.b. Trocknung Einstufige / Mehrstufige Prozessführung (Primär)Pellets mit strukturierter äußerer Oberfläche und Mikroporen (Sekundär)Pellets mit strukturierter innerer und äußerer Oberfläche und Makroporen Primäragglomerate Sekundäragglomerate (fraktale Strukturen) Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

Schritt: Fraktaler Aufbau Neue Materialien und Verfahren für die

12 Aufbauagglomeration 1. Schritt - Primäragglomeratbildung 2. Schritt - Sekundäragglomeratbildung äußere Porosität innere 3. Schritt: Fraktaler Aufbau Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

13 Pressagglomeration mit porenbildenden Zuschlagstoffen in Kombination mit dem Einbringen von Aktivierungsenergie (Entfernen der Zuschlagstoffe Porenbildung) Porenbildung im Inneren der Agglomerate Äußere Porosität durch Softpelletierung realisierbar Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

14 Pelletierungsflockung / Schlammpelletierung Ein- und mehrstufige Aufbauagglomeration Pressagglomeration Für die Erzeugung pöroser Agglomerate ist eine Kombination der Verfahren möglich und notwendig Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

15 Schlammpelletierung - Taylor-Couette Reaktor bei Rotation des inneren Zylinders Bildung von Taylor Wirbeln Partikelagglomeration Variation der Strömungsbedingungen Flockungsmittelzugabe Strömungsgeschwindigkeit,Spaltbreite, Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

16 Schlammpelletierung - Plattenreaktor Darstellung Ablauf Pelletbildung von Kaolin- Suspension im Platten-Spalt-Reaktor (laufende Forschungsarbeiten) Zielstellung: Übertragung der Ergebnisse auf Eisenhydroxid-Suspension Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

17 Aufbauagglomeration Pelletierteller Ausbildung von Flüssigkeitsbrücken Pelletkeime wandern im Materialbett nach oben Austrag über Tellerrand Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

18 Aufbauagglomeration Mischeragglomeration Horizontale Kreisbewegung + vertikale Durchmischung Zentrifugalkraft + Gewichtskraft Verdichtung der Pellets Erzeugung von Agglomeraten mit hoher äußerer Porosität möglich Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

Sekundäragglomeraten Bindemittel Einzelpartikel Primäragglomerate Sekundäragglomerate Neue

19 Wirbelschichtagglomeration Agglomeration aus der Suspension Bildung von Primäragglomeraten Zusammenlagerung von Primäragglomeraten durch weitere Zugabe von Bindemittel - Bildung von Sekundäragglomeraten Bindemittel Einzelpartikel Primäragglomerate Sekundäragglomerate Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

20 Oxidationsverwitterung von Pyrit FeS 2 + 3,5 O 2 + H 2 O Fe SO H + Eisen-II-Oxidation: 4 Fe 2+ + O H 2 O 4 Fe(OH) H + Braunkohletagebau - Grubenwasser Schlamm Eisenhydroxid unlöslich Weiterverarbeitung Abwasserreinigung (Biogas-H 2 S, Arsen) Praxisbeipiel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

21 Schlammpelletierung Praxisbeispel Flockungsversuche Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

22 Schlammpelletierung Praxisbeispel Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

23 ab, ähnlich wie Puder. Ansonsten zeigten sie eine sehr dichte Struktur ohne Fak. 4 - Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik Hohlräume. Durch Umfüllen der Pellets konnten keine Schäden festgestellt werden. Außerdem mussten beim Versuch die Pellets zu zerdrücken und aufzuschneiden erhebliche Kräfte aufgebracht werden. Die Beobachtungen weisen auf eine hohe Mischagglomeration Festigkeit, Dichte sowie eine geringe Porosität hin. Abbildung 4.3: Agglomerate aus dem Eirich-Mischer [Eigene Abbildung] Die Bildung von Eisenhydroxidagglomeraten im Eirich-Mischer ist möglich, benötigt bei einem großen Flüssigkeitsanteil im Schlamm aber viel Zeit und Energie. Die hohen Kräfte durch den Rührer und den entgegenlaufenden Behälter bewirken den Aufbau von kleinen Pellets mit hoher Dichte und Festigkeit. Wie im Theorieabschnitt erwähnt, führen die hohen Kräfte der Durchmischung zu einer Zerstörung von gebildeten Pellets, sodass nur die stärksten Bindungen bestehen bleiben. Diese Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau Selektion lässt sehr festen Pellets entstehen. Eventuell bilden sich die Pellets bei

24 Wirbelschichtagglomeration Wirbelschichtgranulation der geflockten Eisenhydroxid- Suspension Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

25 Pressagglomeration Erprobung verschiedener organischer Zuschlagstoffe, Variation von Zugabeanteil, Korngröße, Feuchtegehalt der Zuschlagstoffe, Variation Geschwindigkeit und Anpressdruck der Walzenelemente Variation wichtiger Verfahrensparameter für die thermische Behandlung (Art und Leistung des Energieeintrages (Mikrowelle, Ultraschall, Wärme) Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

26 Verfahrensentwicklung Untersuchungen der Zusammensetzung der Ausgangsprodukte Bestimmung wichtiger Qualitätsparameter der Agglomerate (Porosität, Adsorptionsverhalten, Festigkeit) Zusammenstellung Verfahrensparameter, Abschätzung des technisch-technologischen Aufwandes zum Bau und Betrieb einer Produktionsanlage Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

27 Verfahrensentwicklung Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik Westsächsische Hochschule Zwickau

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