Durch den immer größer werdenden Bedarf an Rohstoffen in der Industrie und Gesellschaft ist es notwendig nicht nur neue Ressourcen zu erschließen und abzubauen, sondern auch bereits verbrauchte Güter wieder zu recyclen und damit in die Kreislaufwirtschaft einzubringen. Oftmals sind Recycling-Prozesse jedoch aufwendig und teuer, da die zu gewinnenden Materialien nur unter Einsatz von chemischen Zusätzen in der Nassphase (bspw. Flotation) zu gewinnen sind. Eine der größten Schwierigkeiten besteht darin, dass, sobald zwei Materialien dieselbe Dichte aufweisen und sich keine anderen Eigenschaften, wie bspw. Magnetismus oder Leitfähigkeit für die Trennung eignen, diese nicht mehr in der Trockenphase zu trennen sind. Die Nassphase ermöglicht das Ausnutzen weiterer Eigenschaften (z.B. Benetzbarkeit), sodass eine Trennung dennoch ermöglicht werden kann. Durch den bereits erwähnten Einsatz von chemischen Mitteln bedeutet dies zusätzlich eine teure Abwasserentsorgung/-aufbereitung und eine Trocknung der generierten Fraktionen, was wiederum mit einem höheren Energieaufwand verbunden ist. Es ist demnach erstrebenswert in der Trockenphase zu verbleiben, sofern die zu trennenden Materialien bereits in der Trockenphase vorliegen.
Vor der Sortierung von Partikeln ist meist eine Vorkonditionierung notwendig. Bspw. müssen grobes Gestein oder Schlacken, dessen Partikel aus mehreren Bestandteilen bestehen erst zerkleinert werden, um die eingeschlossenen Bestandteile freizulegen. Bevor also die Sortierung (Trennung nach Stoffeigenschaften wie Dichte, Benetzbarkeit, etc.) stattfinden kann, muss eine ausreichende Zerkleinerung garantiert werden und die feinen Partikel von den Groben getrennt werden. Diese Sortierung nach Grob- und Feingut kann durch eine vorgeschaltete Klassierung (Trennung nach Feinheitsmerkmalen wie Partikelgröße) geschehen.
In dieser Arbeit wurde ein solcher zweidimensionaler Trennprozess (1. Trennung nach Partikelgröße; 2. Trennung nach Material) in der Trockenphase realisiert. Für den ersten Schritt der Klassierung wurde ein Abweiseradsichter verwendet, da dieser für industriell relevante Mengen den Bereich der Feinstpartikel dominiert und bei hohen Beladungen Trenngrenzen im Bereich einiger Mikrometer und kleiner aufweist. Da für die Befreiung des Wertstoffes aus Gestein und Erzen eine kleine Partikelgröße erreicht werden muss, wurde eine dementsprechend kleine Trenngrenze des Sichters angestrebt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein neuer Sichter mit einer Trenngrenze von unter 10 μm konstruiert, der Einfluss von verschiedenen modularen Bauteilen (vor allem Sichtrad und dessen Peripherie) und dessen Bedeutung für das Trennverhalten untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss unterschiedlicher Aufgabegüter auf den Klassierprozess (Kalkstein und Spinell) betrachtet, aber auch die sogenannte triboelektrische Aufladung, welche durch die Stöße der Partikel mit Bauteilen des Abweiseradsichters entsteht.
Im Normalfall ist die triboelektrische Aufladung unerwünscht, da diese durch spontane Entladung zu Staubexplosionen führen kann. Jedoch handelt es sich hierbei um einen materialspezifischen Auflademechanismus, der bei nahezu jedem Partikeltransport auftritt. Während der im Recyclingprozess ohnehin notwendigen Klassierung im Abweiseradsichter werden die Partikel ohne weiteren Energieeintrag oder Aufwand aufgeladen.
Durch die Integration eines elektrischen Abscheiders bzw. Sortierers in die Feingutleitung, kann so die triboelektrische Aufladung für die Materialsortierung verwendet werden. Da die triboelektrische Aufladung noch weitgehend unerforscht ist, werden zusätzlich verschiedene Einflüsse auf diese und die anschließende Trennung untersucht. Das geschieht zunächst im Labormaßstab, um anschließend die so gewonnenen Erkenntnisse für den
Einbau eines elektrostatischen Trenners in den Abweiseradsichter zu nutzen. Die frei verfügbare triboelektrische Aufladung wird somit als Sortiermerkmal ausgenutzt, ohne dabei den erwähnten Aufwand mit (chemischen) Vorbehandlungen und aufwendigen Aufbereitungsverfahren - wie in der Nassphase - hinnehmen zu müssen.Because of the constantly increasing need for raw materials in society and industry, it is necessary to not only develop and mine new resources but also recycle previously used products and feed them into the circular economy. However, because the components to be recovered may only be retrieved by utilizing chemical additives in the wet phase, recycling procedures are frequently complicated and expensive (e.g. flotation). One of the main challenges is that two materials cannot be separated in the dry phase once they share a comparable density and no other qualities, such as conductivity or magnetism, are accessible for separation. Other characteristics, including wettability, can be used in the wet phase to still allow a successful separation. Owing to the previously indicated usage of chemical agents, this also entails costly wastewater disposal/treatment and drying of the produced fractions, which is linked to increased energy consumption. So, if the materials to be separated are already present in the dry phase, it is preferable to stay there.
In most cases, preconditioning is required before particles can be sorted. For instance, it is necessary to first crush coarse stones or slags whose particles are made up of numerous components to reveal the desired materials. Consequently, substantial size reduction is required before sorting (separation according to material characteristics such as density, wettability, etc.) can occur and a separation of the fine material from the coarse is neccessary. This sorting into coarse and fine material can be done by upstream classification (separation by fineness characteristics such as particle size).
In this work, such a two-dimensional separation process (1. separation by particle size; 2. separation by material) was realized in the dry phase. For the first step of classification, a deflector wheel classifier was used, since it dominates the range of ultra-fine particles for industrially relevant quantities and has separation limits in the range of less than a few micrometers for high mass loadings. Since the liberation of the valuable material from rocks and ores requires the achievement of a small particle size, a correspondingly small cut size of the classifier was aimed for. In the context of this work, a new classifier with a separation limit of less than 10 μm was built. The relevance of the separation behavior and the influence of various modular components, particularly the classifier wheel and its periphery, were examined as well as the impact of various feed materials on the classification process such as limestone and spinel. Due to particle collisions with deflector wheel classifier components the so-called triboelectric charging occurs during the separation process, which was additionally investigated.
Triboelectric charging is typically undesired since it might cause spontaneous discharges that result in dust explosions. However, it is a material-specific charging mechanism that occurs in almost every particle transport. Thus the particles are charged during the separation process in the deflector wheel classifier without any additional energy input or effort as the separation process is required for the recycling process anyway. By integrating an electrical precipitator or sorter into the fines tube, triboelectric charging can be used for material sorting. Since triboelectric charging is still largely unexplored, various influences on it and subsequent separation are also being investigated. This will first be done on a laboratory scale, and the knowledge gained will then be used for the installation of an electrostatic precipitator in the deflector wheel classifier. Hence, the freely available triboelectric charge is utilized as a sorting feature without facing the previously described costs of (chemical) pretreatment and complex preparation operations, as in the wet phase
