Triboelectric charge behavior of minerals at microscale for understanding the triboelectrostatic separation process

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die tribo-elektrostatische Sortierung (TS) beruht auf Unterschieden des elektrostatischen Aufladeverhaltens von nichtleitenden Materialien. Obwohl die Elektroscheidung nach Triboaufladung (TA) als technischer Prozess gut eingeführt ist, gibt es derzeit noch kein umfassendes Modell, das zur Reduktion der Versuchsanzahl bei der Bestimmung geeigneter Prozessparameter dienen könnte. Die Vielzahl an Einflussfaktoren bezüglich Partikelaufladung, die komplexen elektrostatischen Wechselwirkungen mit lokalem Charakter sowie das Fehlen geeigneter Untersuchungsmethoden stellen die Herausforderungen an die Forschung dar. Diese Arbeit zielt auf das Identifizieren, Beschreiben und Einteilen der Einflussfaktoren auf das Aufladeverhalten von Nichtleitern ab. Untersucht wird das Kalzit-Quarz System. Die TA atomar flacher Einkristalle erfolgt im Mikromaßstab mittels Rasterkraftmikroskop (AFM). Die Kombination von lokaler Aufladung durch AFM im Kontakt-Modus und der Raster-Kelvin-Sonden-Mikroskopie erlaubt die Messung des lokalen Oberflächenpotentials in Submikrometerauflösung vor und nach dem Aufladen der Einkristalle. Die Kontaktaufladung der Oberfläche erfolgt auf drei verschiedene Arten: Reiben, statische Aufladung und statische Aufladung im Punktraster. Das Reiben entspricht einer gleitenden Bewegung von Partikeln im Kontakt, während die statische Aufladung unbewegte Kontakte darstellt – entweder in einem einzelnen Punkt oder in vielen Punkten gleichzeitig. Bei manchen Messungen wurde über die Messspitze eine elektrische Vorspannung aufgebracht, was dem Kontakt mit einem bereits aufgeladenen Partikel oder dem Kontakt in einem externen elektrischen Feld entspricht. Zusätzlich wurde die zeitliche Veränderung des Oberflächenpotentials beobachtet, um den Verlust bzw. die Neuverteilung der aufgebrachten Ladungen zu beschreiben. Die Aufladung der Einkristalle erfolgte durch den Kontakt sowohl mit den Titannitrid-Spitzen der kommerziellen AFM-Cantilever, als auch mit Mineralpartikeln (Quarz oder Kalzit), die an den Cantilevernenden angeklebt wurden. Im Zentrum der Untersuchungen steht der Einfluss von Kontaktart, Material der Kontaktpartner, Berührungskraft, Aufladegeschwindigkeit und Anzahl der Linien beim Darüberziehen bzw. der Punkte bei der Aufladung im Raster bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Temperatur von 30 bis 50°C, relative Luftfeuchtigkeit von 5 bis 60%r.H). Die wichtigste Beobachtung in dieser Arbeit ist der grundlegende Unterschied der Quarz- und Kalzit-Einkristalle bei der TA: Quarz tendiert zu negativer Aufladung, während Kalzit eher positiv aufgeladen wird. Besonders die Ergebnisse bei niedriger Luftfeuchtigkeit sind zu beachten: bei der TA in trockener Stickstoff-Atmosphäre entstanden sowohl auf der Quarzoberfläche als auch auf dem Kalzit starke lokale Ladungen. Aus den Untersuchsergebnissen lassen sich für einen zufriedenstellenden Sortiererfolg einer Quarz-Kalzit-Mischung mittels TA und Elektroscheidung die folgenden Randbedingungen ableiten: niedrige Luftfeuchtigkeit; Sortierung direkt im Anschluss an trockene Mahlung; Schaffung neuer Oberflächen in der Ladeeinheit bei schwachen Kontaktskräften. Weitere Schlussfolgerungen gehen über das System Quarz-Kalzit hinaus. Zum einen kann diese Vorgehensweise auf andere primäre und auch sekundäre Rohstoffe angewandt werden, um den Trennerfolg zu verbessern. Zum anderen können die gewonnenen Erkenntnisse allgemein in Bereichen Anwendung finden, wo durch Berührungen Ladungen aufgebracht werden – beispielsweise zur Vermeidung von elektrostatischer Entladung, die unter anderem elektronische Bauteile schädigen oder pulverförmige Isolierstoffe zur Explosion bringen kann. Weiters sind die beobachteten Effekte wie lokalisierte, bipolare und nicht lokalisierte Ladungsverteilungen möglicherweise allgemein gültige Eigenheiten der TA. Damit stellt die vorliegende Arbeit einen Baustein zur Modellierung der TA dar.

Details

Titel in ÜbersetzungTriboelektrisches Ladungsverhalten von Mineralien im Mikromaßstab zum Verständnis der tribo-elektrostatischen Sortierung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2016