Die Dissertation verfolgt das Ziel, das Sedimentationsverhalten kolloidaler Suspensionen in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration und den Partikelwechselwirkungen zu untersuchen und die Grenzen einer Sedimentationsanalyse im Zentrifugalkraftfeld auszuarbeiten. Um Effekte der Partikelagglomeration von den anderen Einflussfaktoren unterscheiden zu können, wurde besonderes Augenmerk auf die Gewährleistung der Suspensionsstabilität und deren messtechnischen Nachweis gerichtet. Im Submikrometerbereich gewinnen die zwischen den einzelnen Partikeln wirkenden nicht-hydrodynamischen Kräfte gegenüber Trägheits- oder Feldkräften an Bedeutung und können diese sogar dominieren. Infolgedessen ist der Zustand einer kolloidalen Suspension nicht mehr allein über die Partikelgrößenverteilung und die Partikelkonzentration definiert, sondern gleichfalls abhängig von den bestehenden Grenzflächeneigenschaften, die wiederum von solchen Eigenschaften der kontinuierlichen Phase wie pH-Wert oder Elektrolytgehalt abhängen. Im Zentrum der experimentellen Arbeiten stand die Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration auf das Sedimentationsverhalten feinster Partikelsysteme. In der Literatur existiert keine einheitliche Beschreibung des Konzentrationseinflusses. In der Dissertation wurde die Suspensionsstabilität von Siliziumdioxid-Suspensionen gezielt beeinflusst, um deren Einfluss auf das Sedimentationsverhalten zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass nur für instabile Suspensionen die erwartete Sinkgeschwindigkeitsüberhöhung existiert. Es wurde aber auch gezeigt, dass die bei unterschiedlichen Drehzahlen erhaltenen Sinkgeschwindigkeiten nicht über das Beschleunigungsvielfache skaliert werden können. Weiterhin wurde demonstriert, dass in solchen Systemen eine komplexe Abhängigkeit vom Feststoffgehalt existiert, weil die Koagulationsgeschwindigkeit auch von der Partikelkonzentration abhängt. Als geeignetes Kriterium zur Bewertung des Agglomerationszustandes monodisperser Partikelsysteme konnte die Breite der Sinkgeschwindigkeitsverteilung nachgewiesen werden. In Ergänzung zu den im Zusammenhang mit der Partikelkoagulation instabiler Suspensionen führen insbesondere bei elektrostatisch stabilisierten Partikelsystemen die mit der elektrochemischen Doppelschicht verbundenen Wechselwirkungen zu einer Beeinflussung der Suspensionsstruktur und folglich zu einer Beeinflussung hydrodynamischer Phänomene. Das wird in den bekannten Modellen nicht berücksichtigt und in der vorgelegten Arbeit am Sedimentationsverhalten monodisperser Partikelsysteme bei verschiedenen Elektrolytgehalten der kontinuierlichen Phase untersucht. Zu diesem Zweck wurden aus einer konzentrierten Suspension von 200 nm Partikeln und dem ihr zugehörigen Zentrifugat Suspensionsproben unterschiedlichen Feststoffgehaltes zubereitet. Mit einem Potenzansatz, wie er bereits von Richardson und Zaki für die Sedimentation von Mikrometerpartikeln verwendet wurde, konnte der experimentell bestimmte Zusammenhang zwischen der Sinkgeschwindigkeit und der Suspensionsporosität beschrieben werden. Dabei ist die Sedimentationsbehinderung umso ausgeprägter, je kleiner der Elektrolytgehalt, d.h. je ausgedehnter die Doppelschichtdicke ist. Die stark mit dem Elektrolytgehalt korrelierenden Werte für den Exponenten dieses Ansatzes liegen zwischen 5 und 10 im Gegensatz zu Richardson und Zaki von 4,65. Untersuchungen zum Konzentrationseinfluss mit gröberen Partikeln in elektrolytarmen Lösungsmitteln bestätigten die gegenüber dem Mikrometerbereich stärkere Sedimentationsbehinderung elektrostatisch stabilisierter kolloidaler Suspensionen. Zusätzlich zu den wissenschaftlichen Untersuchungen erfolgte die Konstruktion einer einfachen und robusten Sedimentationszelle mit optischer Messwerterfassung. Es wurde die Funktionstüchtigkeit eines zuverlässigen, partikelgrößenselektiven Messgerät z.B. für Industrielabore zur Optimierung von Sedimentationsprozessen demonstriert. / The sedimentation of stabilized suspensions strongly depends on the particle concentration. Even for dilute systems the decrease of the settling velocity compared to that of isolated particles is quite significant. This is primarily due to hydrodynamic interactions (HI), which are long-range interaction, since disturbances in the flow field decline reciprocally with the distance from the surface. The sedimentation of colloidal particles is additionally affected by the electric double layer surrounding them. The double layer leads to electro-viscous effects as well as to electrostatic repulsion between neighboring particles. Both phenomena can amplify the hydrodynamic hindrance to considerable extent. In this dissertation thesis an experimental study on the influence of double layer thickness on the sedimentation of charged colloidal particles is presented. Investigations were carried out using an optical centrifuge, in which the sedimentation velocity of monosized sub-micrometer silica particles were studied at different particle concentration and varying ionic strength. The results are discussed with regard to the applicability of theoretical models and (semi-)empirical approximations. Richardson and Zaki had determined a power law exponent of 4.65 for hard sphere systems in the 100 micrometer range. In the experimental work for sub-micrometer particles the exponent was determined between 5 (low double layer thickness at high electrolyte concentration) and 10 (high double layer thickness at low electrolyte concentration). Additionally a simple and robust device for gravitational sedimentation analysis by optical signal sensing was designed. It enables industrial application for the optimization of sedimentation processes.

Die Dissertation verfolgt das Ziel, das Sedimentationsverhalten kolloidaler Suspensionen in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration und den Partikelwechselwirkungen zu untersuchen und die Grenzen einer Sedimentationsanalyse im Zentrifugalkraftfeld auszuarbeiten. Um Effekte der Partikelagglomeration von den anderen Einflussfaktoren unterscheiden zu können, wurde besonderes Augenmerk auf die Gewährleistung der Suspensionsstabilität und deren messtechnischen Nachweis gerichtet. Im Submikrometerbereich gewinnen die zwischen den einzelnen Partikeln wirkenden nicht-hydrodynamischen Kräfte gegenüber Trägheits- oder Feldkräften an Bedeutung und können diese sogar dominieren. Infolgedessen ist der Zustand einer kolloidalen Suspension nicht mehr allein über die Partikelgrößenverteilung und die Partikelkonzentration definiert, sondern gleichfalls abhängig von den bestehenden Grenzflächeneigenschaften, die wiederum von solchen Eigenschaften der kontinuierlichen Phase wie pH-Wert oder Elektrolytgehalt abhängen. Im Zentrum der experimentellen Arbeiten stand die Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration auf das Sedimentationsverhalten feinster Partikelsysteme. In der Literatur existiert keine einheitliche Beschreibung des Konzentrationseinflusses. In der Dissertation wurde die Suspensionsstabilität von Siliziumdioxid-Suspensionen gezielt beeinflusst, um deren Einfluss auf das Sedimentationsverhalten zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass nur für instabile Suspensionen die erwartete Sinkgeschwindigkeitsüberhöhung existiert. Es wurde aber auch gezeigt, dass die bei unterschiedlichen Drehzahlen erhaltenen Sinkgeschwindigkeiten nicht über das Beschleunigungsvielfache skaliert werden können. Weiterhin wurde demonstriert, dass in solchen Systemen eine komplexe Abhängigkeit vom Feststoffgehalt existiert, weil die Koagulationsgeschwindigkeit auch von der Partikelkonzentration abhängt. Als geeignetes Kriterium zur Bewertung des Agglomerationszustandes monodisperser Partikelsysteme konnte die Breite der Sinkgeschwindigkeitsverteilung nachgewiesen werden. In Ergänzung zu den im Zusammenhang mit der Partikelkoagulation instabiler Suspensionen führen insbesondere bei elektrostatisch stabilisierten Partikelsystemen die mit der elektrochemischen Doppelschicht verbundenen Wechselwirkungen zu einer Beeinflussung der Suspensionsstruktur und folglich zu einer Beeinflussung hydrodynamischer Phänomene. Das wird in den bekannten Modellen nicht berücksichtigt und in der vorgelegten Arbeit am Sedimentationsverhalten monodisperser Partikelsysteme bei verschiedenen Elektrolytgehalten der kontinuierlichen Phase untersucht. Zu diesem Zweck wurden aus einer konzentrierten Suspension von 200 nm Partikeln und dem ihr zugehörigen Zentrifugat Suspensionsproben unterschiedlichen Feststoffgehaltes zubereitet. Mit einem Potenzansatz, wie er bereits von Richardson und Zaki für die Sedimentation von Mikrometerpartikeln verwendet wurde, konnte der experimentell bestimmte Zusammenhang zwischen der Sinkgeschwindigkeit und der Suspensionsporosität beschrieben werden. Dabei ist die Sedimentationsbehinderung umso ausgeprägter, je kleiner der Elektrolytgehalt, d.h. je ausgedehnter die Doppelschichtdicke ist. Die stark mit dem Elektrolytgehalt korrelierenden Werte für den Exponenten dieses Ansatzes liegen zwischen 5 und 10 im Gegensatz zu Richardson und Zaki von 4,65. Untersuchungen zum Konzentrationseinfluss mit gröberen Partikeln in elektrolytarmen Lösungsmitteln bestätigten die gegenüber dem Mikrometerbereich stärkere Sedimentationsbehinderung elektrostatisch stabilisierter kolloidaler Suspensionen. Zusätzlich zu den wissenschaftlichen Untersuchungen erfolgte die Konstruktion einer einfachen und robusten Sedimentationszelle mit optischer Messwerterfassung. Es wurde die Funktionstüchtigkeit eines zuverlässigen, partikelgrößenselektiven Messgerät z.B. für Industrielabore zur Optimierung von Sedimentationsprozessen demonstriert. / The sedimentation of stabilized suspensions strongly depends on the particle concentration. Even for dilute systems the decrease of the settling velocity compared to that of isolated particles is quite significant. This is primarily due to hydrodynamic interactions (HI), which are long-range interaction, since disturbances in the flow field decline reciprocally with the distance from the surface. The sedimentation of colloidal particles is additionally affected by the electric double layer surrounding them. The double layer leads to electro-viscous effects as well as to electrostatic repulsion between neighboring particles. Both phenomena can amplify the hydrodynamic hindrance to considerable extent. In this dissertation thesis an experimental study on the influence of double layer thickness on the sedimentation of charged colloidal particles is presented. Investigations were carried out using an optical centrifuge, in which the sedimentation velocity of monosized sub-micrometer silica particles were studied at different particle concentration and varying ionic strength. The results are discussed with regard to the applicability of theoretical models and (semi-)empirical approximations. Richardson and Zaki had determined a power law exponent of 4.65 for hard sphere systems in the 100 micrometer range. In the experimental work for sub-micrometer particles the exponent was determined between 5 (low double layer thickness at high electrolyte concentration) and 10 (high double layer thickness at low electrolyte concentration). Additionally a simple and robust device for gravitational sedimentation analysis by optical signal sensing was designed. It enables industrial application for the optimization of sedimentation processes.