Agglomeratie: trommelagglomerators

Agglomeratieprocessen komen veelvuldig voor in de procestechniek, of het nu gewenste agglomeratie is via een proces, of ongewenste agglomeratie zoals bijvoorbeeld klontering ("caking"). Deze pagina beoogt uit te leggen welke fysische fenomenen agglomeratie van poederdeeltjes veroorzaken, aangezien een dergelijk begrip cruciaal is om ervoor te zorgen dat een fabriek correct functioneert in processen zoals wervelbed-agglomerators, walzencompactors, tabletteerpersen, extrusie of sinteren.

1. Wat is de agglomeratie van poederdeeltjes?

Agglomeratie is de actie waarbij oorspronkelijk gescheiden vaste deeltjes worden samengevoegd tot een conglomeraat, dat een massa deeltjes is die aan elkaar hechten.

Het agglomeratieproces kan worden uitgevoerd met verschillende agglomeratietechnologieën, waarvan de meest voorkomende de volgende zijn:

• Schijfagglomerators
• Hoge-scherkrachtmengers
• Trommelmengers
• Wervelbed-agglomerators
• Tabletteerpersen
• Walzencompactors
• Extrusie
• Sinteren

Elk van deze technologieën maakt gebruik van een ander mechanisme om ervoor te zorgen dat vaste deeltjes een agglomeraat vormen dat sterk genoeg is om aan de gewenste producteigenschappen te voldoen.

2. Bindingsmechanismen bij agglomeratie

De agglomeratie van vaste deeltjes kan worden veroorzaakt door 5 verschillende categorieën van bindingsmechanismen. Bij een specifiek agglomeratieproces kan één of meerdere van deze mechanismen een rol spelen.

2.1 Vaste bruggen

Vaste bruggen zijn de sterkste verbinding die tussen deeltjes kan ontstaan tijdens agglomeratie, omdat ze direct met elkaar verbonden raken door een vaste stof.

Vaste bruggen kunnen ontstaan door de volgende fenomenen:

• Sinteren (de deeltjes, voldoende verhit, "versmelten")
• Gedeeltelijk smelten van de contactoppervlakken tussen deeltjes (verschillend van het sinterprincipe hierboven beschreven)
• Chemische reacties
• HerKristallisatie, wat vaak optreedt bij aanwezigheid van water, waarbij het vaste materiaal onder bepaalde omstandigheden oplost en vervolgens verdampt. Dit kan ook worden bereikt door een oplossing met colloïdaal materiaal te gebruiken om de vaste deeltjes te bevochtigen, die daarna verdampt en colloïdale deeltjes achterlaat die vaste bruggen vormen.

2.2 Adhesie- en cohesiekrachten

Deze krachten treden typisch op wanneer een laag van een bepaalde stof zich tussen twee deeltjes bevindt.

Dit is het agglomeratiemechanisme dat wordt gebruikt door viskeuze vloeibare bindmiddelen die tussen de deeltjes komen en ze aan elkaar plakken. Het bindmiddel wordt tijdens het agglomeratieproces toegevoegd; afhankelijk van de hoeveelheid kan het zelfs een matrixbindmiddel worden, wat betekent dat de gehele ruimte tussen de deeltjes (niet alleen een laag) door het bindmiddel wordt ingenomen.

De deeltjes kunnen ook moleculen adsorberen aan hun oppervlak. Deze zeer dunne laag kan bij relatief kleine deeltjes een rol spelen, aangezien twee adsorptielagen op twee deeltjes elkaar kunnen aantrekken en de twee gastdeeltjes bij elkaar kunnen houden.

2.3 Opperspannings- en capillaire krachten: vloeistofbruggen

De aanwezigheid van een vloeistof, meestal water, is een van de belangrijkste oorzaken van agglomeratie van deeltjes. Water op het oppervlak van vaste deeltjes kan vloeistofbruggen vormen dankzij vrij water of capillaire condensatie. Wanneer water de poriën van de vaste stof vult tot aan het oppervlak, kan een negatieve capillaire druk in de porie ontstaan, wat een kracht genereert aan het uiteinde van de vloeistofbrug en de deeltjes bij elkaar houdt.

Deze vloeistofbruggen ontstaan op het "contactpunt" of coördinatiepunt tussen twee deeltjes.

2.4 Aantrekkingskrachten tussen vaste stoffen

Deze krachten zijn significant op zeer kleine schaal, tussen moleculen, en kunnen op deze schaal hoog zijn. Zodra de afstand tussen deeltjes toeneemt, worden deze krachten echter verwaarloosbaar ten opzichte van de andere in dit hoofdstuk genoemde mechanismen. Omdat ze op zeer korte afstand tussen deeltjes werken, zijn ze voornamelijk significant voor zeer fijn poeder (enkele tientallen micrometers, of zelfs nanopartikels).

Aantrekkingskrachten kunnen van moleculaire, elektrische of magnetische oorsprong zijn. De betrokken krachten zijn als volgt:

• Van der Waals-krachten
• Valentiekrachten
• Niet-valentie-associaties (bijv. waterstofbruggen)
• Elektrostatische krachten
• Magnetische krachten

2.5 Mechanische vergrendeling

Het mechanische vergrendelingsfenomeen, dat deeltjes helpt bij elkaar te houden in een conglomeraat, hangt af van de vorm van de deeltjes en hoe ze mechanisch elkaars beweging op deeltjesniveau blokkeren. Bijvoorbeeld: vezels of lange deeltjes kunnen een rol spelen bij het vergrendelen met andere deeltjes en hun beweging beperken. Dit is ook het geval bij compressie van poeder, waarbij sommige deeltjes kunnen breken, vervormen en zich "om andere deeltjes wikkelen", waardoor de binding tussen hen versterkt wordt.

Bron

[Pietsch] Agglomeratieprocessen (Fenomenen, Technologieën, Apparatuur), Pietsch, Wiley-VCH, 2004