Vorstellung des Instituts

Der Freiberger Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik gehört zu den bekanntesten und traditionsreichsten Lehrstühlen der Mechanischen Verfahrenstechnik. Prof. Heinrich Schubert hat die Freiberger Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik seit den 1960er Jahren stark geprägt. Weiterhin werden die Arbeiten durch die Karlsruher Schule der Mechanischen Verfahrenstechnik von Prof. H. Rumpf und jene der Mechanischen Fest-Flüssig- Trenntechnik von Prof. W. Stahl beeinflusst. Auf dieser Basis wendet sich die Forschung am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik den aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen zu, insbesondere der Mechanischen Trenntechnik und der Aufbereitungstechnik.

Beschreibung der Forschungsgebiete am Institut Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik

Schwerpunkt Partikelwechselwirkungen

Partikelbasierte Materialien sind in vielen Wirtschaftszweigen die Grundlage für ein technologisches Produkt, da die Partikel eine spezielle Funktionalität in das Material/den Werkstoff einbringen. Um die Strukturierung innerhalb des Materials definiert einstellen zu können und damit die makroskopischen Eigenschaften des Materials zu beeinflussen, ist die Kenntnis der Wechselwirkung der Partikel untereinander notwendig. Diese Informationen werden über grundlegende Messungen mittels cp-AFM, der Oberflächenladung oder der Rheologie erarbeitet.

AFM-Bild von Nanobubbles auf einer hydrophoben Aluminiumoxidfläche, genauer: winzig kleine Bläschen auf einem Stück glatt polierter Oberfläche, die man erst sieht, wenn man einen winzigen Balken mit einem noch kleineren Partikel dran geklebt auf diese Oberfläche drückt. Sachen gibt's...

Auf Basis einer umfassenden Charakterisierung von Partikeleigenschaften entwickeln die aktuellen Forschungsarbeiten neue und verbesserte Prozesse und neue Anwendungen für Partikelsysteme. Neben der Erfassung der Partikelgrößenverteilungen der beteiligten dispersen Systeme, stehen weitere Partikeleigenschaften, wie bspw. Partikelform oder stoffliche, kristallographische Zusammensetzung der Partikel im Mittelpunkt. Das Partikelsystem muss daher mehrdimensional beschrieben werden. Diese Thematik ist auch zentrale Fragestellung im Schwerpunktprogramm 2045 „MehrDimPart“ der DFG, das durch den Lehrstuhl MVT koordiniert wird.

Eine zentrale Methode zur experimentellen Quantifizierung von Partikelwechselwirkungen ist der Einsatz der Raster-Kraft-Mikroskopie (engl.: Atomic Force Microscopy, AFM). Insbesondere mit der Partikelsonden-Methode (engl. colloidal probe) ist es möglich, die Wechselwirkungskräfte bzw. -energien zwischen einem Partikel und einer Unterlage direkt zu messen. Hierbei stehen insbesondere die Wechselwirkungskräfte in flüssiger Phase im Fokus, bei denen DLVO-Wechselwirkungen und zusätzlich hydrophobe Wechselwirkungen eine zentrale Rolle spielen. Auf schlecht benetzenden, realen, technisch rauhen Oberflächen können sogenannte Nano-Bubbles detektiert werden, die starke attraktive kapillare Wechselwirklungen bewirken und damit einen signifikanten Einfluss auf Agglomerations- und Abscheideprozesse besitzen. Mit dieser Thematik ist der Lehrstuhl in den SFB 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration“ zur verfahrenstechnischen Beschreibung der Tiefenfiltration von Metallschmelzen eingebunden.

Die Gründung des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie Freiberg (HIF)hat für den Lehrstuhl einen neuen und engen Kooperationspartner geschaffen. Von der Gründung bis 2014 hatte Prof. Peuker in Doppelfunktion die kommissarische Leitung der Abteilung Aufbereitungstechnik am HIF inne, wodurch eine enge fachliche und personelle Verzahnung von Helmholtz-Institut und Bergakademie möglich wurde.

Seit 2015 steht dem Lehrstuhl über die Großgeräteförderung der DFG ein hochauflösender Computertomograph (Zeiss XRadia 510 Versa) zur Verfügung. Dieser ist mit mehreren in-situ Messmöglichkeiten ausgestattet, sodass beispielsweise in Kooperation mit dem SFB 799 und dem SFB 920 Druckproben untersucht werden können. Die selbst entwickelte in-situ-Filternutsche ermöglicht die Betrachtung der Porenstruktur eines Filterkuchens sowie bei einer Auflösung mehrerer Phasen auch die Verteilung von entfeuchteten und nicht entleerten Porenbereichen bei der Gas-Differenzdruckentfeuchtung. Die Computertomographie wird ebenfalls intensiv genutzt, um die Entwicklung von korrelativen Charakterisierungsmethoden für Partikelsysteme mit mehrdimensionalen Eigenschaften zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit dem HIF wird die 3D-Strukturanalyse über Tomographie mit der mineralogischen Analyse mittels Mineral Liberation Analysis (MLA) zusammengeführt, sodass eine vollständige dreidimensionale Information über Geometrie und stoffliche bzw. mineralogische Zusammensetzung vorliegt.

Schwerpunkt Mechanische Trenntrechnik

Die mechanische Trenntechnik mit den Schwerpunkten Mechanische Flüssigkeitsabtrennung und Trennen nach stofflichen Eigenschaften (Sortieren) ist eine der drei Säulen der Forschungsaktivitäten. Ausgehend von der kuchenbildenden Filtration werden Prozessgesetze entwickelt und präzisiert. Die umfassende Erfahrung und Laborausstattung ermöglicht es, in einer Vielzahl von Fragestellungen zu einer Prozessintensivierung beizutragen oder auch eine trenntechnische Lösung für neue Herausforderungen zu entwickeln. Ein gutes Beispiel hierfür sind die Untersuchungen zur nichtwässerigen Extraktion kanadischer Ölsande (Tewes, 2016). In Kombination mit der hochauflösenden Computertomographie soll ein neues dreidimensionales Verständnis der Vorgänge im Filterkuchen während bspw. der Gasdifferenzdruckentfeuchtung erarbeitet werden. Neben konventionellen wässrigen Suspensionen liegt der aktuelle Forschungsschwerpunkt auf der Filtrierbarkeit von Suspensionen, die organische Flüssigkeiten und Lösungsmittel oder Emulsionen enthalten.

Schwerpunkt Mechanische Aufbereitungstechnik

Die Mechanische Aufbereitungstechnik ist thematisch traditionell im Freiberger Lehrstuhl stark vertreten. Im Interesse stehen die aktuellen Herausforderungen der Ressourcenwirtschaft, d.h. sowohl die Aufbereitung komplexer primärer Rohstoffvorkommen als auch das Recycling von Materialien und Komponenten aus Hochtechnologieanwendungen. Seit 2010 liegt ein Schwerpunkt auf der Entwicklung eines mechanischen Recyclingkonzepts für Li-Ionen-Batterien. In diesem Zusammenhang zeigt es sich, dass die Prozessentwicklung kontinuierlich auf die schnelle technologische Entwicklung reagieren muss. Die Entwicklung von Aufbereitungskonzepten muss aufgrund der Komplexität der Rohstoffquellen neue verfahrenstechnische Ansätze nutzen, die zielgerichtet entwickelt oder adaptiert werden. Hierzu zählen die energieeffiziente Aufschlusszerkleinerung, sowie die Sortier- und Trenntechnik für den Partikelgrößenbereich kleiner 10 µm.

Lehre am Institut

In der Lehre werden vom Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik zahlreiche Vorlesungen, Seminare und Praktika angeboten. Die Vertiefungsrichtung „Mechanische Verfahrenstechnik“ innerhalb des Diplom-Studiengangs Verfahrenstechnik sowie innerhalb des Master-Studiengangs Verfahrenstechnik sind am Institut beheimatet. Diese Vertiefung bietet zwei Spezialisierungen in die Vertiefungsfächer Partikeltechnologie und Aufbereitungstechnik an.

Der Schwerpunkt der Lehre der Partikeltechnologie liegt auf den Gebieten der Fein- und Feinstpartikeltechnik und umfasst das Herstellen, Verarbeiten und Charakterisieren feiner und feinster Pulver, Suspensionen, Tropfen und Blasen, mit einem besonderen Fokus auf mechanischen Trennprozessen. Im Vertiefungsfach Aufbereitungstechnik werden grundlegende Kenntnisse auf den Gebieten Mineralogie und Geowissenschaften sowie der Gewinnungs- und Zerkleinerungsmaschinen vermittelt. Dazu werden Aufbereitungsanlagen für mineralische Rohstoffe vorgestellt. Das Praxissemester im Diplom-Studiengang, bzw. das Fachpraktikum im Bachelor-Studiengang, zahlreiche Praktika am Lehrstuhl und die enge Verbindung zu Industrie und nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen garantieren eine praxisnahe Ausbildung. Diese an der TU Bergakademie Freiberg vermittelten Kenntnisse und Fähigkeiten eröffnen den Absolventinnen und Absolventen des Instituts Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik ausgezeichnete berufliche Chancen in nahezu allen Industriebereichen.

Weiterführende Literatur

Tewes, E. (2016), Aufbereitung von Athabasca Ölsand. Dissertationsschrift, TU Bergakademie Freiberg.

Leißner, T. (2016), Beitrag zur Kennzeichnung von Aufschluss- und Trennerfolg am Beispiel der Magnetscheidung. Dissertationsschrift, TU Bergakademie Freiberg. 978-3-86012-532-8

Ditscherlein, L., Fritzsche, J., Peuker, U. A. (2016), Study of nanobubbles on hydrophilic and hydrophobic alumina surfaces. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 497: 242-250. doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.03.011