Die Kuchenfiltration wird in der Literatur oft als Oberflächenfiltration eingestuft, obwohl Tiefenfiltrationseffekte vorhanden sind. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Kieselgur-Kuchenfiltration von Bier im allgemeinen und auf den Tiefenfiltrationsanteil im speziellen untersucht. Zunächst wird festgestellt, dass man die schlechte Filtrierbarkeit von bestimmten Bieren auf das Vorhandensein erheblicher Mengen von Trubstoffen < 2 µm zurückführen kann. Deshalb wird die Abtrennung dieser Trubstoffe getrennt von jenen > 2 µm bewertet. Die Bierfiltration beruht zu großen Teilen auf mechanischen Vorgängen. Feine Trubstoffe werden bevorzugt in der Filterschichttiefe abgetrennt, gröbere Partikeln eher am Schichteintritt. Aufgrund der Versuchsergebnisse wird eine Modellvorstellung zum Abtrennungsverhalten und ein einfaches Rechenmodell zur Optimierung der eingesetzten Filterhilfsmittelkonzentration vorgestellt.

Die Kuchenfiltration wird in der Literatur oft als Oberflächenfiltration eingestuft, obwohl Tiefenfiltrationseffekte vorhanden sind. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Kieselgur-Kuchenfiltration von Bier im allgemeinen und auf den Tiefenfiltrationsanteil im speziellen untersucht. Zunächst wird festgestellt, dass man die schlechte Filtrierbarkeit von bestimmten Bieren auf das Vorhandensein erheblicher Mengen von Trubstoffen < 2 µm zurückführen kann. Deshalb wird die Abtrennung dieser Trubstoffe getrennt von jenen > 2 µm bewertet. Die Bierfiltration beruht zu großen Teilen auf mechanischen Vorgängen. Feine Trubstoffe werden bevorzugt in der Filterschichttiefe abgetrennt, gröbere Partikeln eher am Schichteintritt. Aufgrund der Versuchsergebnisse wird eine Modellvorstellung zum Abtrennungsverhalten und ein einfaches Rechenmodell zur Optimierung der eingesetzten Filterhilfsmittelkonzentration vorgestellt.

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.

In the available work the usability of pile fibre stitch-bonded nonwovens was examined as depth filter medium. Different pile fibre stitch-bonded nonwovens were manufactured and tested based on the structure of textile depth filter media and stitch-bonding process expertise. Experimental work involved technological investigations about characteristics of pile fibre stitch-bonded nonwovens 'Kunit' regarding fibre material and machine related parameters. The qualitative influence of the density gradient between flow-in and flow-out side was further investigated. Hydrodynamic application of webs by means of high-energy water jets and laminating of fine fiber spun-bonded nonwovens (Meltblown) were described as suitable processes for one-sided compression of pile fibre stitch-bonded nonwovens. The compressed samples are called 'Hycoknit' and 'Melaknit'. Manufactured pile fibre stitch-bonded nonwovens were evaluated based on textile-physical and particle-related tests. In the analyses results were compared with commercial depth filter media of filter classes F5 to F8. Therefore, the new pile fibre stitch-bonded nonwovens possess high dust storage capacities. Initial separation efficiency is comparable with standard filter media values of filter classes F5/F6. Separation efficiency vastly increases and reaches the level of fine dust filter media of filter classes F7/F8 at the end of testing. Depending on manufacturing parameters, pressure difference and separation efficiency are in a wide range producible. Thereby, economically meaningful and environmentally friendly multiple use of filter media becomes possible. Due to various characteristics, the new materials can be used, apart from filter media, for insulation, protection, upholstery as well as hygienic and medical purposes. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Einsetzbarkeit von Polfaser-Vlieswirkstoffen als Tiefenfiltermedium untersucht. Basierend auf dem Aufbau textiler Tiefenfiltermedien und den Kenntnissen zur Nähwirktechnik wurden unterschiedliche Polfaser-Vlieswirkstoffe gefertigt und getestet. Die experimentellen Arbeiten umfassten technologische Untersuchungen zu erzielbaren Eigenschaften von Polfaser-Vlieswirkstoffen Kunit in Abhängigkeit vom Faserstoff und maschinen-technischen Parametern. Ein weiterer Schwerpunkt war die zielgerichtete Beeinflussung des Dichtegradienten zwischen An- und Ausströmseite. Beschrieben wurden als geeignete Verfahren zur einseitigen Verdichtung von Polfaser-Vlieswirkstoffen das hydrodynamische Aufbringen von Vliesen mittels energiereicher Wasserstrahlen und das Auflaminieren von Feinfaser-Spinnvliesstoff (Meltblown). Die verdichteten Varianten werden mit Hycoknit und Melaknit bezeichnet. Bewertet wurden die gefertigten Polfaser-Vlieswirkstoffe auf Basis textil-physikalischer und partikelbezogener Prüfungen. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte im Vergleich zu handelsüblichen Tiefenfiltermedien der Filterklassen F5 bis F8. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen Polfaser-Vlieswirkstoffe hohe Staubspeicherkapazitäten besitzen. Der Anfangsabscheidegrad ist vergleichbar mit den Werten von Standardfiltermedien der Filterklassen F5/F6. Bereits nach kurzer Bestaubungszeit steigt der Abscheidegrad steil an und befindet sich am Ende der Prüfungen auf dem Niveau von Feinstaubfiltermedien der Filterklassen F7/F8. In Abhängigkeit von den Fertigungsparametern sind sowohl der Druckdifferenzverlauf als auch der Abscheidegrad in einem breiten Bereich einstellbar. Im Filtermedium angesammelte Partikel sind durch Druckluftimpulse im beträchtlichen Umfang entfernbar. Eine ökonomisch sinnvolle und umweltbewusste Mehrfachnutzung der Filtermedien wird damit möglich. Anwendbar sind die neuartigen Materialien auf Grund des möglichen breiten Eigenschaftsspektrums neben dem Einsatz als Filtermedium unter anderem für Isolationszwecke, im Schutzbereich, zur Polsterung sowie in der Hygiene und Medizin.

Die eingereichte Dissertation beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung sowie der Modellierung von Haftkräften zwischen rauen Oberflächen. Dabei wurden durch Variation von Flüssigkeiten sowie dem Nutzen beschichteter Oberflächen verschiedene Benetzungseigenschaften eingestellt und untersucht. Zusätzlich wurden neben dem Kontaktwinkel der untersuchten Systeme die freien Ober- und Grenzflächenenergien bestimmt und mit den Kräften korreliert. Es zeigte sich, dass Haftkräfte auf rauen Oberflächen stets über mehrere Größenordnungen verteilt vorliegen. Die Beschreibung der ermittelten Verteilungen ist dabei entweder durch statistischer Funktionen oder zumindest teils auch durch eine im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierung möglich. Weiterhin zeigte sich, dass eine Unterteilung in verschiedene Haftmechanismen (durch Kapillarbrücken oder van der Waals- sowie polare Wechselwirkungen) vorgenommen werden kann. Kapillarbrücken bilden dabei die größten Kräfte aus. Sie entstehen auf Grund nanoskaliger Blasen (Nanobubbles), welche vor allem auf schlecht benetzenden Oberflächen existieren.

In the available work the usability of pile fibre stitch-bonded nonwovens was examined as depth filter medium. Different pile fibre stitch-bonded nonwovens were manufactured and tested based on the structure of textile depth filter media and stitch-bonding process expertise. Experimental work involved technological investigations about characteristics of pile fibre stitch-bonded nonwovens 'Kunit' regarding fibre material and machine related parameters. The qualitative influence of the density gradient between flow-in and flow-out side was further investigated. Hydrodynamic application of webs by means of high-energy water jets and laminating of fine fiber spun-bonded nonwovens (Meltblown) were described as suitable processes for one-sided compression of pile fibre stitch-bonded nonwovens. The compressed samples are called 'Hycoknit' and 'Melaknit'. Manufactured pile fibre stitch-bonded nonwovens were evaluated based on textile-physical and particle-related tests. In the analyses results were compared with commercial depth filter media of filter classes F5 to F8. Therefore, the new pile fibre stitch-bonded nonwovens possess high dust storage capacities. Initial separation efficiency is comparable with standard filter media values of filter classes F5/F6. Separation efficiency vastly increases and reaches the level of fine dust filter media of filter classes F7/F8 at the end of testing. Depending on manufacturing parameters, pressure difference and separation efficiency are in a wide range producible. Thereby, economically meaningful and environmentally friendly multiple use of filter media becomes possible. Due to various characteristics, the new materials can be used, apart from filter media, for insulation, protection, upholstery as well as hygienic and medical purposes. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Einsetzbarkeit von Polfaser-Vlieswirkstoffen als Tiefenfiltermedium untersucht. Basierend auf dem Aufbau textiler Tiefenfiltermedien und den Kenntnissen zur Nähwirktechnik wurden unterschiedliche Polfaser-Vlieswirkstoffe gefertigt und getestet. Die experimentellen Arbeiten umfassten technologische Untersuchungen zu erzielbaren Eigenschaften von Polfaser-Vlieswirkstoffen Kunit in Abhängigkeit vom Faserstoff und maschinen-technischen Parametern. Ein weiterer Schwerpunkt war die zielgerichtete Beeinflussung des Dichtegradienten zwischen An- und Ausströmseite. Beschrieben wurden als geeignete Verfahren zur einseitigen Verdichtung von Polfaser-Vlieswirkstoffen das hydrodynamische Aufbringen von Vliesen mittels energiereicher Wasserstrahlen und das Auflaminieren von Feinfaser-Spinnvliesstoff (Meltblown). Die verdichteten Varianten werden mit Hycoknit und Melaknit bezeichnet. Bewertet wurden die gefertigten Polfaser-Vlieswirkstoffe auf Basis textil-physikalischer und partikelbezogener Prüfungen. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte im Vergleich zu handelsüblichen Tiefenfiltermedien der Filterklassen F5 bis F8. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen Polfaser-Vlieswirkstoffe hohe Staubspeicherkapazitäten besitzen. Der Anfangsabscheidegrad ist vergleichbar mit den Werten von Standardfiltermedien der Filterklassen F5/F6. Bereits nach kurzer Bestaubungszeit steigt der Abscheidegrad steil an und befindet sich am Ende der Prüfungen auf dem Niveau von Feinstaubfiltermedien der Filterklassen F7/F8. In Abhängigkeit von den Fertigungsparametern sind sowohl der Druckdifferenzverlauf als auch der Abscheidegrad in einem breiten Bereich einstellbar. Im Filtermedium angesammelte Partikel sind durch Druckluftimpulse im beträchtlichen Umfang entfernbar. Eine ökonomisch sinnvolle und umweltbewusste Mehrfachnutzung der Filtermedien wird damit möglich. Anwendbar sind die neuartigen Materialien auf Grund des möglichen breiten Eigenschaftsspektrums neben dem Einsatz als Filtermedium unter anderem für Isolationszwecke, im Schutzbereich, zur Polsterung sowie in der Hygiene und Medizin.

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.:Inhaltsverzeichnis III Danksagung VII Eidesstattliche Erklärung IX 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Metallschmelzefiltration 4 2.2 Benetzbarkeit 18 2.3 Wechselwirkungskräfte zwischen Feststoffen 25 2.4 Tiefenfiltration 34 2.4.1 Transportmechanismen 42 2.4.1.1 Sedimentation 43 2.4.1.2 Trägheit 44 2.4.1.3 Sperreffekt 44 2.4.1.4 Strömungseffekte 45 2.4.2 Haftmechanismen 49 2.5 Einzelkollektormodell 53 3 Materialien und Methoden 57 3.1 Charakterisierung verwendeter Feststoffe 57 3.1.1 Aluminiumoxid 59 3.1.2 Polytetrafluorethylen 62 3.1.3 Beschichtung des Aluminiumoxids 64 3.2 Keramische Filterstrukturen 65 3.2.1 Schaumfilter 65 3.2.2 Einzelkollektoren 72 3.3 Eigenschaften der kontinuierlichen Phase 74 3.4 Versuchsanlagen und Analytik 74 3.4.1 Filtrationsanlagen 75 3.4.2 Einzelkollektorversuchsstand 77 3.4.3 Analytik 80 3.5 Versuchsdurchführung 82 3.5.1 Kleine Filtrationsversuchsanlage 83 3.5.2 Einzelkollektorversuchsstand 86 3.5.3 Statistische Versuchsplanung 88 4 Entwicklung eines Abscheidemodells für Partikel in flüssigen Medien mithilfe numerischer Simulationen 93 4.1 Beschreibung der numerischen Strömungssimulation 94 4.2 Einfluss der hydrodynamischen Hemmung auf den Partikelaufprall 98 4.3 Experimentelle Ermittlung der Haftenergie 105 4.4 Berechnung der Haftwahrscheinlichkeit (Hiller-Zahl) 109 5 Modellhafte Untersuchungen mithilfe des Einzelkollektorkonzeptes 114 5.1 Grundlagenuntersuchungen zum Einzelkollektorkonzept 115 5.2 Parameterstudie zum Abscheideverhalten beim Einzelkollektoraufbau 119 6 Ergebnisse der Filtrationsversuche 128 6.1 Einfluss der Benetzung auf die Filtrationseffizienz 128 6.2 Einfluss der Fluidgeschwindigkeit und des Benetzungszustandes auf die Filtrationseffizienz 134 6.3 Redispergierungseffekte in keramischen Schaumfiltern 139 6.4 Einfluss der relativen Dichte auf die Filtrationseffizienz im komplett hydrophoben System 146 6.5 Vergleich der numerisch modellierten und der experimentell ermittelten Filtrationseffizienz 150 7 Zusammenfassung 155 8 Ausblick 159 9 Symbolverzeichnis 161 Lateinische Symbole 161 Symbol 161 Einheit 161 Bedeutung 161 Griechische Symbole 165 Indizes 166 Abkürzungen 167 10 Literaturverzeichnis 168 11 Anhang 189 11.1 Herstellung Polytetrafluorethylen Pulver 189 11.2 Berechnung der vdW-Kräfte und der Kapillarkräfte basierend auf Kapitel 2.3 190 11.3 Rezeptur zur Herstellung der Dynasylan-Beschichtung 192 11.4 Ergebnistabelle der statistischen Versuchsplanung am Einzelkollektorsystem 193

Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendung tomographischer und bildverarbeitender Methoden an Partikelabscheidungen in Filterschüttungen. Im betrachteten Tiefenfilter wird dabei der besonders praxisrelevante Fall abstoßender Wechselwirkung zwischen der Filterkorn-Oberfläche und Kolloid realisiert. Die durch Röntgentomographie erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze werden unter Zuhilfenahme eines einfachen geometrischen Modells ausgewertet, wodurch Aussagen zur lokalen Position der Kolloidabscheidungen an einem repräsentativen Filterkorn getroffen werden können. Die experimentellen Ergebnisse werden hinsichtlich der derzeit bekannten Filtertheorie diskutiert.

Die eingereichte Dissertation beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung sowie der Modellierung von Haftkräften zwischen rauen Oberflächen. Dabei wurden durch Variation von Flüssigkeiten sowie dem Nutzen beschichteter Oberflächen verschiedene Benetzungseigenschaften eingestellt und untersucht. Zusätzlich wurden neben dem Kontaktwinkel der untersuchten Systeme die freien Ober- und Grenzflächenenergien bestimmt und mit den Kräften korreliert. Es zeigte sich, dass Haftkräfte auf rauen Oberflächen stets über mehrere Größenordnungen verteilt vorliegen. Die Beschreibung der ermittelten Verteilungen ist dabei entweder durch statistischer Funktionen oder zumindest teils auch durch eine im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierung möglich. Weiterhin zeigte sich, dass eine Unterteilung in verschiedene Haftmechanismen (durch Kapillarbrücken oder van der Waals- sowie polare Wechselwirkungen) vorgenommen werden kann. Kapillarbrücken bilden dabei die größten Kräfte aus. Sie entstehen auf Grund nanoskaliger Blasen (Nanobubbles), welche vor allem auf schlecht benetzenden Oberflächen existieren.

Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendung tomographischer und bildverarbeitender Methoden an Partikelabscheidungen in Filterschüttungen. Im betrachteten Tiefenfilter wird dabei der besonders praxisrelevante Fall abstoßender Wechselwirkung zwischen der Filterkorn-Oberfläche und Kolloid realisiert. Die durch Röntgentomographie erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze werden unter Zuhilfenahme eines einfachen geometrischen Modells ausgewertet, wodurch Aussagen zur lokalen Position der Kolloidabscheidungen an einem repräsentativen Filterkorn getroffen werden können. Die experimentellen Ergebnisse werden hinsichtlich der derzeit bekannten Filtertheorie diskutiert.