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- Design of experiment (1)
- Geometric surface area (1)
- Geopolymer (1)
- Specific grinding energy (1)
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The coal gangue (CG), a prominent industrial coal mining waste, for sustainable construction materials is a key focus of this research. We employed mechanical activation via a planetary ball mill to enhance coal gangue reactivity for geopolymer application. A systematic experimental design explored the influence of crucial rinding parameters: grinding media size dGM, rotational speed (rpm), and grinding time (tg). A primary objective was to optimize the specific grinding energy (Em), recognizing the substantial energy consumption associated with ball milling. The effectiveness of mechanical activation was rigorously evaluated by analysing changes in particle size distribution (PSD), stressing conditions (CF, SE and SI), phases analysis X-ray diffraction (XRD), morphological of powder by scanning electron microscopy (SEM), and chemical bonding by Fouriertransform infrared spectroscopy (FT-IR). Subsequently, the performance of the developed geopolymers was comprehensively assessed through visual observation, compressive strength measurements, and detailed analysis of reaction mechanisms. Our results demonstrate a significant improvement in geopolymer properties directly attributable to increased geometric specific surface area and reduced particle size of the mechanically activated coal gangue. This research elucidates a strong correlation between particle characteristics (size and geometric surface area), specific grinding energy Em and stressing intensity SI, and the overall mechanically activated coal
gangue, ultimately its efficacy in geopolymer applications.
Caking stellt ein häufig auftretendes Phänomen dar, das beim Umgang mit und Transport von feinen Pulvern in verschiedenen Industrien auftritt. Besonders betroffen sind die chemische, pharmazeutische, Lebensmittel- und Bauindustrie. Dieses Phänomen ist durch die Bildung von Klumpen und Ablagerungen gekennzeichnet, die den Produktionsprozess stören, zu Stillständen führen und die Qualität des Endprodukts negativ beeinflussen können [1]. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten wird das Cakingverhalten eines fluidisierten Modellpulvers untersucht. Hierfür wurde ein eigens entwickelter Versuchsstand konzipiert, der es ermöglicht, das Verhalten des Pulvers in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern und Wandmaterialien praktisch zu analysieren. Ein besonderer Fokus der Studie liegt auf einer seit Jahren diskutierten [2] – [4], jedoch bislang nicht eindeutig beantworteten Frage: Hat die Wahl des Wandmaterials einen Einfluss auf das Cakingverhalten von Pulvern? In diesem Zusammenhang wurden insbesondere die Auswirkungen der Oberflächenenergie und der Oberflächenstruktur von Wandmaterialien untersucht. Die Versuchsbedingungen wurden gezielt so gewählt, dass der Einfluss des Wandmaterials unter trockenen Bedingungen bei Umgebungstemperatur beobachtet werden konnte und an reale Prozessbedingungen angepasst wurde.
Quellen
[1] U. Zafar, V. Vivacqua, G. Calvert, M. Ghadiri, und J. A. S. Cleaver, „A review of bulk powder caking“, Powder Technology, Bd. 313, S. 389–401, Mai 2017, doi: 10.1016/j.powtec.2017.02.024.
[2]: L. Ozmen und T. A. G. Langrish, „An Experimental Investigation of the Wall Deposition of Milk Powder in a Pilot-Scale Spray Dryer“, Drying Technology, Bd. 21, Nr. 7, S. 1253–1272, Jan. 2003, doi: 10.1081/DRT-120023179.
[3]: M. W. Woo, W. R. Wan Daud, S. M. Tasirin, und M. Z. M. Talib, „Effect of Wall Surface Properties at Different Drying Kinetics on the Deposition Problem in Spray Drying“, Drying Technology, Bd. 26, Nr. 1, S. 15–26, Dez. 2007, doi: 10.1080/07373930701781033.
[4]: P. Sundararajan et al., „Driving Spray Drying towards Better Yield: Tackling a Problem That Sticks Around“, Pharmaceutics, Bd. 15, Nr. 8, S. 2137, Aug. 2023, doi: 10.3390/pharmaceutics15082137.
Influence of additives on classification and transportation efficiency in fine powder handling
(2023)
In this study, the effect of additives on very fine limestone powder was investigated for a fine limestone powder with regard to construction and pharmaceutical applications. Three different additives were considered in an attempt to reduce the tendency towards agglomeration and caking, which are occuring effect, reducing process efficiency and stability. The selection of these additives was based on their performance in previous studies on the limestone and lactose material systems during dry grinding [1] – [3]. Instead of grinding especially separation and transport processes were taken into account. To test the efficiency of the additives used, the sieving capacity of the powders, the separation behavior in a zig-zag air classifier as well as the flow behavior in a vibratory feeder were tested. Here, only the results of the sieve analysis for the additive heptanoic acid are described since heptanoic acid showed the most significant effect compared to the other additives. Additionally, the results of the dynamic image analysis, laser diffraction spectroscopy and the flowability measurements are provided and will be discussed.
[1] P. Prziwara, S. Breitung-Faes, und A. Kwade, „Impact of grinding aids on dry grinding performance, bulk properties and surface energy“, Advanced Powder Technology, Bd. 29, Nr. 2, S. 416–425, Feb. 2018, doi: 10.1016/j.apt.2017.11.029.
[2] L. Miethke, P. Prziwara, J. H. Finke, und S. Breitung-Faes, „Opposing Effects of Additives in Dry Milling and Tableting of Organic Particles“, Pharmaceutics, Bd. 13, Nr. 9, S. 1434, Sep. 2021, doi: 10.3390/pharmaceutics13091434.
[3] P. Prziwara, L. D. Hamilton, S. Breitung-Faes, und A. Kwade, „Evaluation of the capturing of dry fine particles between grinding media by drop-weight tests“, Powder Technology, Bd. 363, S. 326–336, März 2020, doi: 10.1016/j.powtec.2020.01.012.
Additives are applied to dry, fine powders to achieve a wide range of objectives, including the reduction of energy consumption, refinement of particle size distributions, enhancement of product throughput or dosing behavior. These modifications often result in improvements in flowability, a reduction in agglomeration tendency, decreased frictional resistance, and the development of anti-stick properties. While numerous individual studies have investigated various additives across diverse processes, many results remain fragmented, and a comprehensive understanding of the mechanisms underlying the actions of different additives is still lacking. Consequently, the selection of suitable additives continues to rely predominantly on empirical knowledge. In this work, the addition of liquid additives from various substance classes to powders was investigated in greater detail. In particular, the effects of additive incorporation on the behavior of powders during interactions with other materials were examined—whether during the admixing of additives in different mixing systems or upon contact with various surfaces in the fluidized state, using a specially developed experimental setup. While simple geometries and varying process parameters can be tested in the experimental rig, practical testing of the additive products was also conducted in more complex systems. Simultaneously, other properties—e.g., changes in surface energy, dusting propensity, or agglomerate strength—were also studied. The results obtained aim to broaden the understanding of the effects of specific additive classes on products from different perspectives, thereby increasing the transparency and soundness of the additive selection process for diverse future applications.
Caking ist ein häufig auftretendes Phänomen im Bereich des Transports und der Handhabung von feinen Pulvern. Charakteristisch für diesen Prozess ist das Entstehen von Agglomeraten und großen Klumpen, die an der Wandoberfläche haften und die Produktionsprozesse in Bezug auf Effizienz und Produktqualität negativ beeinträchtigen. Eine der kennzeichnenden Ursachen dafür sind die Wechselwirkungen zwischen Partikeln sowie zwischen Partikeln und Wand. Im Rahmen dieses Projekts wurden einerseits die Einflüsse von drei verschiedenen Additiven auf zwei Modellstoffe im Hinblick auf das Transport- und Trennverhalten untersucht. Andererseits wurden die ersten Schritte zur Entwicklung eines geeigneten Versuchsstandes unternommen, um die industrienahen Bedingungen des Partikel-Wand-Kontakts zu bewerten.
Caking ist ein häufig auftretendes Phänomen bei der Handhabung und dem Transport sehr feiner Pulver in verschiedenen Industriezweigen. Besonders oft tritt dieses Phänomen in den Bereichen der chemischen, pharmazeutischen, Lebensmittel- oder Bauindustrie auf. Charakteristisch für Caking ist die Bildung von störenden Klumpen und Anhaftungen, welche zu Betriebsunterbrechungen, Stillständen und Qualitätsabweichungen von Produkt führen können [1].
In Rahmen einer Vorlaufforschung wurde der Effekt von drei Additiven verschiedener Substanzklassen auf das Transport- und Trennverhalten von zwei Modellstoffen, Lactose und Kalkstein, untersucht. Der Wahl der Additive, Heptansäure, Triethanolamin und Natriumstearylfumarat, basierte auf den vorherigen Untersuchungen [2] – [4], welche sich mit geeigneten Mahlhilfen für Zerkleinerungsprozessen befassten. Zur Untersuchung des Trennverhalten wurden Experimente in einem Siebturm sowie einem Zick-Zack-Windsichter durchgeführt. Die Untersuchung des Transportverhaltens erfolgte mit Hilfe von Vibrationsrinnen. Ergänzend wurden Messungen der Partikel- und Agglomeratgrößen sowie die Bestimmung der Fließfähigkeit in einer Ringscherzelle durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigten, dass insbesondere die Zugabe von Heptansäure zur Veränderung der Pulvereigenschaften führte. Dabei lagen die beiden Modellstoffe in feinem Zustand vor und die Agglomeratenbildung wurde unterdrückt, während die Staubneigung von Pulvern deutlich zunahm. Die Zugabe von Triethanolamin führte im Fall der Lactose zu einer deutlichen Abnahme der Anhaftungsneigung bei einer leichten Zunahme der mittleren Agglomeratgröße. Im Fall von Kalkstein wurde dieses Verhaten jedoch nicht mehr beobachtet. Die Zugabe von Natriumstearylfumarat führte zu den geringsten Veränderungen im Verhalten der beiden Modelstoffe.
Im Allgemeinen haben die Untersuchungen gezeigt, dass das Verhalten von sehr feinen Pulvern nicht direkt mit der Partikel- oder Agglomeratgröße in Verbindung gebracht werden kann. Durch die Untersuchung der Fließfähigkeit mit der Ringscherzelle kann das Pulververhalten bei den Transport- und Trennvorgängen ebenfalls nicht prognostiziert werden. Demgegenüber haben gerade die Betriebsparameter und Oberflächengeometrien einen beträchtlichen Einfluss auf das Pulververhalten.