Entwicklung und experimentelle Überprüfung eines Modells der magnetischen Filtration von magnetithaltigen Schwermetallhydroxiden

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe das Verhalten eines magnetischen Filters berechnet werden kann. Ein magnetisches Filter besteht im Wesentlichen aus ferromagnetischen Drahtnetzen, die in einem unmagnetischen Filtergehäuse geschichtet sind. Die Filtereinheit wird in ein Magnetfeld gebracht, um die Drähte zu magnetisieren. Die sich in der Drahtumgebung ausbildenden starken Magnetfeldgradienten sind die Ursache für das Zustandekommen einer magnetischen Kraft, die auf Partikeln mit ausreichend guten magnetischen Eigenschaften in Richtung zur Drahtoberfläche wirkt.
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Die magnetische Filtration wurde zur Abtrennung von Schwermetallausfällungen eingesetzt. Die Schwermetallhydroxide wurden in einem Flockungsprozesses, der im Beisein von Magnetitteilchen duchgeführt wurde, zu magnetisch abtrennbaren Teilchenagglomeraten geformt.
Die aus der Massenbilanz und einem kinetischen Ansatz resultierende Filtergleichung weist zwei Filterkonstanten auf, die unter Einbeziehung der Partikelabscheideprozesse im Filterinnern bestimmt werden können. Mit den in dieser Arbeit vorgestellen Einzeldrahtmodellen ist es möglich, beide Filterkonstanten zu berechnen.
Zur Verifizierung der Modelle wurde eine Versuchsapparatur aufgebaut, mit der unter dem Mikroskop der Partikelabscheideprozess am Einzeldraht visuell verfolgt werden konnte. Mit einer Bildauswertesoftware wurden die Partikelbahnen und die Anlagerungszonen vermessen, die sich um einen magnetisierten Einzeldraht ausbildeten. Somit konnten die theoretischen Berechnungen direkt einer experimentellen Überprüfung unterzogen werden. Die Berechnungen beruhten auf zwei wesentlichen Neuerungen: Einer Lösung der Bewegungsgleichung bei schleichender Drahtumströmung und einem Ansatz zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Flockensuszeptibilität und Flockengröße.
Neben den Beobachtungen zur Partikelbewegung am Einzeldraht wurden Filterexperimente durchgeführt. Auf der Basis der mittels der Einzeldrahtexperimente optimierten Rechenmodelle war schließlich die Modellierung von Filterdurchbruchskurven mit zufriedenstellendem Resultat möglich.

Development and Testing of a Model for Magnetic Filtration of Magnetite-Bearing Heavy Metal Hydroxides.
A model was developed for predicting the behavior of a magnetic filter. A magnetic filter mainly consists of a non-magnetic casing filled with ferromagnetic wire nets. The filter unit is introduced into a magnetic field to magnetize the wires. The strong magnetic field gradients in the vicinity of the wires give rise to a magnetic force which attracts particles with a sufficient magnetic quality in the direction of the wire surface.
Magnetic filtration was applied for the separation of heavy metal precipitates. ... mehrDue to the insufficient magnetic quality of the heavy metal hydroxides a flocculation process with magnetite particles has to be performed to make magnetite-bearing agglomerates which are easily magnetically separable.
The fundamental equation describing the filter breakthrough results from the macroscopic conservation equation and the rate equation. The two filter constants incorporated can be predicted with single wire models which describes the particle attachment process inside the filter.
To verify the models a test facility was developed which allowed the visual observation of the attachment of particles to a single wire by microscope. The particle tracks and the attachment zones around a magnetized single wire were measured by an image analyzing system. Thus, the results of theoretical calculation could be checked directly against experimental findings. The calculations were based upon two essential innovations: A new solution of the equation of particle motion at creeping flow conditions and a new expression describing the connection between the floc susceptibility and the floc size.
In addition to the study of particle motion at single wires filter experiments were performed. With the filter constants resulting from the improved single wire models the calculation of the filter breakthrough was possible.