Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6916

Magnettechnologie in der Verfahrenstechnik wässriger Medien

Matthias Franzre

Zusammenfassung
Die Magnetseparation und hier insbesondere die sogenannte Hochgradienten-Magnetseparation (HGMS) stellt als relativ neues Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eine interessante Alternative zu konventionellen Methoden wie z.B. der Sedimentation oder der Tiefenfiltration dar. Die vorliegende Habilitationsschrift beschreibt daher in Kapiteln zur Theorie der Magnetseparation, zu den verfahrenstechnischen Aspekten, zur Herstellung magnetischer Zusatzstoffe, zu den Bautypen magnetischer Separatoren sowie schließlich zu Anwendungen im industriellen und kommunalen Bereich den aktuellen Stand der Theorie und Praxis zur Nutzung dieses Verfahrens in der Wassertechnologie.

Das umfassende theoretische Kapitel erläutert zunächst die Annahmen und Vereinfachungen, die von den exakten, jedoch oftmals komplexen, physikalischen Grundgleichungen zu den in den Berechnungsmodellen eingesetzten Zusammenhängen führen. Im Falle der magnetischen Eigenschaften der Abscheidematrix und der abzuscheidenden Partikel zeigt sich, dass hierbei insbesondere die Phänomene stark magnetischer Substanzen wie Selbstdemagnetisierung und magnetische Sättigung beachtet werden müssen. Im Falle paramagnetischer Partikel tritt dagegen das Phänomen der magnetischen Sättigung im Bereich praktisch nutzbarer Flussdichten nicht auf. Neben der Diskussion des Magnetfeldeinflusses werden im theoretischen Teil die in den Berechnungsmodellen verwandten hydrodynamischen Modellvorstellungen kritisch betrachtet und verglichen sowie für das Modell der zähen Zylinderumströmung erstmals eine allgemeingültige Näherungslösung vorgestellt. Trotz der Erweiterung und Verifizierung der Beschreibung der hydrodynamischen Verhältnisse innerhalb eines HGMS ist ein Rechenmodell mit fixen Werten für Partikelgröße und Partikelsuszeptibilität jedoch nicht in der Lage, die experimentellen Ergebnisse von Experimenten zur magnetischen Abscheidung magnetithaltiger, amorpher Fällungsprodukte zu beschreiben. Durch die Einführung einer separat ermittelten Flockendichte-Funktion gelingt demgegenüber eine befriedigende Vorhersage der experimentell über Mikroskopbeobachtung und Videoauswertung bestimmten Daten.

Im folgenden Kapitel werden zwei Synthesewege zur Herstellung von Magnetitsuspensionen mit Partikelgrößen der primären Magnetitkristalle von nur ca. 10 – 30 nm vorgestellt. Diese Partikel eignen sich wesentlich besser als Zusatzstoff zur Erhöhung des magnetischen Moments von Fällungsprodukten, als z. B. natürlicher Magnetit im Größenbereich von 2 – 3 µm. Das Kapitel zu den Bautypen magnetischer Separatoren liefert eine Übersicht der möglichen Magnetfeldquellen sowie deren Einsatz im Zusammenhang mit Trommelmagnetscheidern, Hochgradienten-Magnetseparatoren (HGMS) und Offene-Gradienten-Magnetseparatoren (OGMS). Besonderes Augenmerk gilt dabei den vom Autor speziell für die Wassertechnologie entwickelten Technologien eines Karussell-Magnetseparators unter Einsatz von Permanentmagneten sowie der sogenannten magnetischen Barriere, einem kontinuierlich arbeitenden OGMS-System.

Als Beispiele für potenzielle Anwendungen magnetischer Verfahren in der Wassertechnologie werden der Ferritprozess sowie die Schwermetall- und Phosphatelimination durch Hochgradienten-Magnetseparation unter Verwendung eines magnetischen Zusatzes vorgestellt. Das Anwendungskapitel endet mit einer Übersicht zu weiteren in Verbindung mit wässrigen Medien stehenden Einsatzgebieten der Magnetseparation und den Ergebnissen entsprechender Versuche am Forschungszentrum Karlsruhe. Zu diesen Einsatzgebieten gehören insbesondere die Abtrennung metallischer Feinstpartikel aus Reinigungsbädern und Spülwässern der Stahl- und Automobilindustrie. Den Abschluss der Habilitationschrift bildet ein ausführlicher Ausblick, der ausgehend von dem erarbeiteten Stand der Magnettechnologie in der Verfahrenstechnik wässriger Medien die in Zukunft anzugehenden Fragestellungen identifiziert.

Magnetic technology in the processing of aqueous media

Abstract
Magnetic separation, in particular the so-called high-gradient magnetic separation (HGMS), represents a relatively new method for solid/liquid separation and an interesting alternative to conventional methods, such as sedimentation or depth filtration. The present professorial dissertation therefore describes the theory of magnetic separation, process technology aspects, the production of magnetic additives, types of magnetic separators as well as applications in industry and the municipal sector. Hence, it deals with the current state of theory and practice of the use of this method in water technology.

The comprehensive theoretical section first explains the assumptions and simplifications that lead from the exact, but often complex, basic physical equations to the relationships used in the calculation models. As far as magnetic properties of the separation matrix and the particles to be separated are concerned, it is found that the phenomena of strongly magnetic substances, e.g. self-demagnetization and magnetic saturation, have to be observed. Paramagnetic particles, however, do not exhibit the phenomenon of magnetic saturation in the range of practically usable flux densities. Apart from the discussion of the magnetic field effect, the theoretical part contains a critical review and comparison of the hydrodynamic model conceptions used in the calculation models. For the model of viscous flow around a cylinder, a generally valid approximative solution is presented for the first time. In spite of the extended and verified description of hydrodynamic conditions in an HGMS, however, a calculation model with fixed values for particle size and particle susceptibility cannot describe the results of experiments regarding the magnetic separation of magnetite-containing, amorphous precipitation products. In contrast to this, introduction of a separately determined floc density function allows for a satisfactory prediction of experimental data to be obtained by microscope observation and video evaluation.

The following sections present two synthesis paths for the production of magnetite suspensions with particle sizes of the primary magnetite crystals being in the range of about 10 – 30 nm only. These particles are a far better suited additive to increase the magnetic momentum of precipitation products than e.g. natural magnetite of 2 – 3 µm in size. The section dealing with the types of magnetic separators gives a survey of potential sources of magnetic fields as well as of their use in drum-type magnetic separators, high-gradient magnetic separators (HGMS), and open-gradient magnetic separators (OGMS). Particular emphasis is put on carrousel-type magnetic separators based on permanent magnets or the so-called magnetic barrier, a continuously operating OGMS system, which has been specially developed by the author for use in the field of water technology.

As examples of potential applications of magnetic processes in water technology, the ferrite process as well as heavy metal and phosphate elimination by high-gradient magnetic separation using a magnetic additive are presented. The section dealing with the applications of the latter method is completed by a survey of additional fields of use of magnetic separation in connection with aqueous media and the results of corresponding tests at Forschungszentrum Karlsruhe. These fields of use include the separation of finest metal particles from cleaning baths and rinsing waters of steel and automotive industry. The professorial dissertation ends with a detailed outlook, in which the problems to be dealt with in the future are identified on the basis of the present state of the art of magnetic technology in the processing of aqueous media.

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