Separation of Microplastic Particles from Sewage Sludge Extracts Using Magnetic Seeded Filtration

Microplastic particles (MP) are efficiently retained in wastewater treatment plants and enriched in sewage sludge. For monitoring MP contents in wastewater systems, sewage sludge is thus well suited, but also requires an isolation of MP from the sludge matrix, as other sewage sludge components may interfere with the MP identification and quantification. Although organic matter in sludge samples can be removed through acid and enzymatic digestion procedures, cellulose -mainly from toilet paper -remains in the digests, due to its high chemical resistivity and similar density to MP. We apply the separation concept of magnetic seeded filtration to isolate MP through selective hetero-agglomeration with magnetic seed particles. MP and cellulose differ in their hydrophobic properties and we investigate to what extent these differences can be exploited to selectively form MP-magnetite hetero-agglomerates in the presence of cellulose. These hetero-agglomerates are subsequently separated using a magnet. Five MP types (Polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), low density polyethylene (LDPE), polyvinyl chloride (PVC) and polystyrene (PS)) and cellulose particles were mixed in different combinations with both hydrophilic and hydrophobic (silanized) magnetite particles. PET, PP, LDPE and PS only poorly agglomerated with pristine (hydrophilic) magnetite, but efficiently formed hetero-agglomerates with hydrophobic magnetite and were successfully removed from suspensions (80-100%). PVC agglomerated more efficiently with pristine than with hydrophobic magnetite and cellulose only agglomerated to a limited extent with either hydrophilic or hydrophobic magnetite, resulting in a high process selectivity. Results from experiments conducted at different ionic strengths and with hydrophilic and hydrophobic magnetite suggests that the agglomeration process was dominated by hydrophobic interactions. Enzymatic and oxidative treatment of the MP only marginally affected the separation efficiencies and (treated) MP spiked to sewage sludge extracts were successfully recovered using magnetic seeded filtration

Mehrdimensionale Trennung mit Hilfe magnetischer Partikel

In der Partikeltechnik wurden aufgrund erheblicher Forschungsanstrengungen in den letzten Jahren große Fortschritte mit immer breiteren Anwendungsmöglichkeiten erzielt. Diese Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Partikelsysteme hinsichtlich diverser Qualitätskriterien, was wiederum Trennschritte bezüglich verschiedenster Eigenschaften, wie z. B. Partikelgröße, Oberflächeneigenschaften und Partikelform während der Herstellung erforderlich macht. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit besteht in der Weiterentwicklung der wenig bekannten magnetic seeded filtration (MSF) zu einem selektiven und mehrdimensionalen Fest-Flüssig-Trennverfahren. Bei diesem Verfahren werden der aufzutrennenden Suspension in einem ersten Schritt magnetische Hilfspartikel zugegeben. Anschließend erfolgt eine selektive Agglomeration zwischen den magnetischen und nichtmagnetischen Partikeln und die gebildeten Hetero-Agglomerate werden anschließend über eine Magnetseparation abgetrennt. Im ersten Teil stehen die Oberflächeneigenschaften als Trennmerkmal im Fokus. Das Zusammenspiel der verschiedenen Partikel-Partikel Wechselwirkungen legt fest, ob eine Agglomeration stattfindet oder nicht. Im Fall einer ladungsbasierten Trennung entscheiden besonders $pH$-Wert und Ionenstärke über den Abscheidegrad: Der $pH$-Wert beeinflusst maßgeblich die Ladung der Partikel und folglich die Stärke der repulsiven elektrostatischen Wechselwirkung, während die Ionenstärke deren Reichweite bestimmt. Liegen hydrophobe Oberflächen vor, so bestimmen besonders deren hydrophobe Wechselwirkungen das Agglomerationsverhalten. Diese Arbeit zeigt experimentell, dass hohe bzw. nahezu vollständige Abscheidegrade mittels MSF auch in verdünnten Suspensionen umsetzbar sind und identifiziert die wesentlichen Prozessparameter. Für die angestrebte mehrdimensionale Trennung ist die Abhängigkeit bezüglich eines zweiten Trennkriteriums erforderlich. Grundlegende Experimente zeigen, dass der Trenngrad mit steigender Partikelgröße zunimmt, was sich anhand der Abhängigkeiten von Kollisionsfrequenz und Agglomerationswahrscheinlichkeit erklären lässt. Der Übergang in die Mehrstoffsuspension stellt insbesondere die Selektivität, d. h. das Verhältnis der Abscheidegrade der nichtmagnetischen Stoffsysteme in den Vordergrund. Eine selektive Trennung auf Basis der Oberflächenladung ist zwar möglich, jedoch führt die unerwünschte Hetero-Agglomeration zwischen nichtmagnetischen Partikeln zu einer reduzierten Selektivität. Dieser Effekt ist bei einer Trennung auf Basis der Hydrophobizität nicht zu beobachten, was in hoch selektiven Trennprozessen resultiert. Die Kombination aller gewonnenen Erkenntnisse resultiert in der erstmaligen Umsetzung einer mehrdimensionale Trennung, d. h. Partikel einer Mischsuspension werden in einem einzelnen Trennschritt bezüglich Oberflächenladung sowie Partikelgröße klassiert. Die experimentellen Untersuchungen basieren auf Analysen vor und nach dem Trennschritt und erlauben keine Einblicke in die ablaufenden Mikroprozesse. Aus diesem Grund etabliert die vorliegende Arbeit die parallele, modellhafte Berechnung der Agglomerationsvorgänge mittels Populationsbilanzen. Nach einer allgemeinen Validierung des Modells erfolgt die Anwendung auf experimentelle Parameterstudien. Hierbei wird deutlich, dass die prädiktive Berechnung der Agglomerationsraten bzw. die Genauigkeit der zugrunde liegenden Stoffdaten limitierend ist. Die Integration von Korrekturfaktoren erlaubt zwar die experimentellen Abscheidegrade zufriedenstellend wiederzugeben, jedoch resultiert hieraus eine undurchsichtige Modellstruktur und ein komplexes Optimierungsproblem. Als Alternative wird ein hybrider Ansatz vorgestellt, bei dem ein datengetriebenes Modell aus dem Bereich des maschinellen Lernens die Berechnung der Agglomerationsraten ersetzt. Auch dieser Ansatz bildet, trotz deutlich reduzierter Modellkomplexität, die experimentellen Daten zufriedenstellend ab. Das Modell gewährt Einblicke in nicht messbare Größen, wie z. B. die zeitlich aufgelöste Agglomerat-Zusammensetzungsverteilung und liefert anschauliche Darstellungen der ablaufenden Agglomerationsprozesse. Abschließend widmet sich die vorliegende Arbeit Fragestellungen hinsichtlich der Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Hierzu werden drei Strategien zum Wiederaufschluss der abgetrennten Agglomerate sowie der Rückgewinnung der eingesetzten magnetischen Hilfspartikel experimentell untersucht: Beim thermischen Aufschluss wird die nichtmagnetische Fraktion unter erhöhten Temperaturen zersetzt, beim chemischen Aufschluss erfolgt ein Auflösen der nichtmagnetischen Fraktion in einem geeigneten Lösungsmittel und beim mechanischen Aufschluss werden die Agglomerate unter Energieeintrag aufgebrochen. Die rückgewonnenen magnetischen Partikel werden über mehrere Zyklen ohne Zugabe neuen Materials eingesetzt, um eventuelle Langzeiteffekte zu identifizieren. Alle Strategien zeigen hohe Recyclingraten der magnetischen Komponente und folglich auch hohe Abscheidegrade über den Verlauf der Versuchsreihen. Auch die Rückgewinnung der separierten, nichtmagnetischen Fraktion ist zu einem hohen Anteil möglich. Dargelegte Optimierungsansätze geben Anhaltspunkte zur zukünftigen Verbesserung von Abscheidegrad und Rückgewinnungsrate und die durchgeführte Studie trägt somit dazu bei, die MSF wettbewerbsfähig und anwendungsorientiert umzusetzen

Real-Time Modeling of Volume and Form Dependent Nanoparticle Fractionation in Tubular Centrifuges

A dynamic process model for the simulation of nanoparticle fractionation in tubular centrifuges is presented. Established state-of-the-art methods are further developed to incorporate multi-dimensional particle properties (traits). The separation outcome is quantified based on a discrete distribution of particle volume, elongation and flatness. The simulation algorithm solves a mass balance between interconnected compartments which represent the separation zone. Grade efficiencies are calculated by a short-cut model involving material functions and higher dimensional particle trait distributions. For the one dimensional classification of fumed silica nanoparticles, the numerical solution is validated experimentally. A creation and characterization of a virtual particle system provides an additional three dimensional input dataset. Following a three dimensional fractionation case study, the tubular centrifuge model underlines the fact that a precise fractionation according to particle form is extremely difficult. In light of this, the paper discusses particle elongation and flatness as impacting traits during fractionation in tubular centrifuges. Furthermore, communications on separation performance and outcome are possible and facilitated by the three dimensional visualization of grade efficiency data. Future research in nanoparticle characterization will further enhance the models use in real-time separation process simulation

Spray Flame Synthesis and Multiscale Characterization of Carbon Black–Silica Hetero-Aggregates

The increasing demand for lithium-ion batteries requires constant improvements in the areas of production and recycling to reduce their environmental impact. In this context, this work presents a method for structuring carbon black aggregates by adding colloidal silica via a spray flame with the goal of opening up more choices for polymeric binders. The main focus of this research lies in the multiscale characterization of the aggregate properties via small-angle X-ray scattering, analytical disc centrifugation and electron microscopy. The results show successful formation of sinter-bridges between silica and carbon black leading to an increase in hydrodynamic aggregate diameter from 201 nm to up to 357 nm, with no significant changes in primary particle properties. However, segregation and coalescence of silica particles was identified for higher mass ratios of silica to carbon black, resulting in a reduction in the homogeneity of the hetero-aggregates. This effect was particularly evident for silica particles with larger diameters of 60 nm. Consequently, optimal conditions for hetero-aggregation were identified at mass ratios below 1 and particle sizes around 10 nm, at which homogenous distributions of silica within the carbon black structure were achieved. The results emphasise the general applicability of hetero-aggregation via spray flames with possible applications as battery materials

The Making of ADHD: A Comparative Content Analysis of Teachers’ and Doctors’ Worldviews

Little is known about how teachers and doctors make sense of ADHD. Drawing on a corpus of online accounts, we reconstructed their worldviews with a qualitative analysis. While both professional groups referred to a male troublemaker and to the German literary figure of the Fidgety Phil, they also expressed rival expert claims. Doctors represented the scientific authority in labeling and diagnosing ADHD, whereas teachers attached objective meaning to the medical judgement by pathologizing deviant behavior and justifying measures of control