Hienojakoisen, jopa mikro- ja nanometrin, kokoluokan kiintoainejauheen kysyntä on kas-vanut vuosiuhannen vaihteen jälkeen huomattavasi. Tähän ovat vaikuttaneet muun muassa korkean tietotekniikan tarve yhä paremmille raaka-aineille, metallurgian tarve hienojakoi-sille metallijauheille sintraamista ja metallien 3d -tulostamista varten sekä arkisempia, esi-merkiksi pinnoite- ja kosmetiikkateollisuuden tarpeita varten. Näissä sovelluksissa raaka-aineen ominaisuudet yleisesti ottaen paranevat partikkelikoon pienentyessä ja osassa teol-lisuuden aloja vaaditaan raaka-aineelta hyvinkin tarkkaa kokojakaumaa.
Saatavilla oleva tutkimus on kuitenkin ollut liki yksimielinen siitä, että alle mikrometrin partikkelien luokitus perinteisin menetelmin on vähintäänkin haastavaa. Ja teollisten mää-rien valmistaminen riittävän pienellä partikkelikoolla, riittävän terävällä kokojakaumalla ja riittävän suurella luokituskapasiteetillä lisää haasteellisuutta. Tässä kirjallisuuskatsauk-sessa esitettiin, kuinka tutkijat ovat näitä haasteita ratkaisseet.
Saatavilla olevan tutkimuksen valossa näyttää siltä, että jauheiden luokitus on yleisempää veden suspensiossa kuin ilmassa, vaikka märkä luokitus lisää kuivan jauheen luokitukseen verrattuna uuden prosessivaiheen, kuivauksen. Tämä voi johtua siitä, että alle mikrometrin kokoluokan partikkelien käsittely on hallittavampaa veden suspensiossa kuin ilmassa.
Sykloneista ja sentrifugisista lajittelijoista löytyi käsitellyistä laitteista eniten tutkittua tie-toa. Tämä voi mahdollisesti kertoa näiden laitteiden yleisyydestä tosielämän jauheen luo-kittelun prosesseissa ja ainakin niiden soveltuvuudesta alle mikrometrin hienojakoisen jau-heen luokitukseen.
Tieteellisten artikkelien perusteella on hyvin yleistä parantaa lajittelua elektroforeesin avulla. Miltei jokaisessa käsitellyssä laitteessa pystyttiin tutkimuksien perusteella hyödyn-tämään elektroforeesia jollakin tapaa, ja sen avulla pystyttiin saavuttamaan hyvin alhaisia-kin, noin mikrometrin kymmenyksen, katkaisukokoja sekä erittäin teräviä luokituksia.
Alle mikrometrin keskimääräisen partikkelikoon jauheiden teollisesta valmistuksesta on löydettävissä vain niukasti tietoa. Jauheiden valmistusprosessi on kuitenkin samankaltai-nen kuin suuremmillakin partikkelikoilla. Prosessin ensimmäisamankaltai-nen päävaihe on raaka-ai-neen saattaminen tarpeeksi pieraaka-ai-neen partikkelikokoon esimerkiksi jauhamalla ja etenkin
metallijauheiden tapauksessa sumuttamalla (eng. atomization) sulanutta metallia, sähkösa-ostamalla (eng. electrodeposition) sekä pelkistämällä metallin oksideja kiinteässä olomuo-dossa (European powder metallurgy association 2021). Tämän jälkeen jauheesta erotetaan haluttua kokoluokkaa suuremmat partikkelit jollakin kyseiseen tarkoitukseen sopivaksi katsotulla luokitusmenetelmällä, tai niiden yhdistelmillä. Luokitusmenetelmiä on käsitelty tämän työn kolmannessa kappaleessa.
Lähdeluettelo
BARIMANI, M., GREEN, S. and ROGAK, S., 2018. Particulate concentration distribution in centrifugal air classifiers. Minerals Engineering, 126, pp. 44-51.
BRAR, L.S. and ELSAYED, K., 2017. Analysis and optimization of multi-inlet gas cy-clones using large eddy simulation and artificial neural network. Powder Technology, 311, pp. 465-483.
CHU, K.W., WANG, B., XU, D.L., CHEN, Y.X. and YU, A.B., 2011. CFD–DEM simu-lation of the gas–solid flow in a cyclone separator. Chemical Engineering Science, 66(5), pp. 834-847.
ELSAYED, K. and LACOR, C., 2013. The effect of cyclone vortex finder dimensions on the flow pattern and performance using LES. Computers & Fluids, 71, pp. 224-239.
EUROPEAN POWDER METALLURGY ASSOCIATION, 2021, Powder manufacture, [verkkoaineisto], [viitattu 12.5.2021], Saatavilla: https://www.epma.com/powder-metal-lurgy-powder-manufacture
FU, P., WANG, F., MA, L., YANG, X. and WANG, H., 2016. Fine particle sorting and classification in the cyclonic centrifugal field. Separation and purification technology, 158, pp. 357-366.
FUJITA, T., ITO, R., TOKORO, C., SADAKI, J., DODBIBA, G., TSUKAMOTO, R., OKUDA, H. and YAMANE, H., 2007. Classification of submicron Ni particles by hetero-coagulation. Powder Technology, 173(1), pp. 19-28.
FUKASAWA, T., ONO, K., ISHIGAMI, T. and FUKUI, K., 2020. Electrophoretic classi-fication based on differences in electrophoretic mobility caused by change in the applied electric field. Powder Technology, 362, pp. 586-590.
GALK, J., PEUKERT, W. and KRAHNEN, J., 1999. Industrial classification in a new impeller wheel classifier. Powder Technology, 105(1), pp. 186-189.
GUIZANI, R., MHIRI, H. and BOURNOT, P., 2017. Effects of the geometry of fine pow-der outlet on pressure drop and separation performances for dynamic separators. Powpow-der Technology, 314, pp. 599-607.
IINOYA, K., FUYUKI, T., YAMADA, Y., HISAKUNI, H. and SUE, E., 1993. Dry Sub-micron Classification by a Small Blow Down Cyclone. KONA Powder and Particle Jour-nal, 11, pp. 223-227.
KARUNAKUMARI, L., ESWARAIAH, C., JAYANTI, S. and NARAYANAN, S.S., 2005. Experimental and numerical study of a rotating wheel air classifier. AIChE Journal, 51(3), pp. 776-790.
KING, R.P., Modeling and Simulation of Mineral Processing Systems (2nd Edition). So-ciety for Mining, Metallurgy, and Exploration (SME), pp 133-137.
KONRATH, M., BRENNER, A., DILLNER, E. and NIRSCHL, H., 2015. Centrifugal clas-sification of ultrafine particles: Influence of suspension properties and operating parame-ters on classification sharpness. Separation and Purification Technology, 156, pp. 61-70.
KONRATH, M., HACKBARTH, M. and NIRSCHL, H., 2014. Process monitoring and control for constant separation conditions in centrifugal classification of fine particles. Ad-vanced Powder Technology, 25(3), pp. 991-998.
KULRATTANARAK, T., VAN DER SMAN, R. G. M., SCHROËN, C. G. P. H. and BOOM, R.M., 2008. Classification and evaluation of microfluidic devices for continuous suspension fractionation. Advances in Colloid and Interface Science, 142(1), pp. 53-66.
LI, C., CHANG, S., WU, C., CHANG, C. and YU, R., 2017. Newly designed diblock dis-persant for powder stabilization in water-based suspensions. Journal of colloid and inter-face science, 506, pp. 180-187.
LIM, K.S., LEE, K.W. and KUHLMAN, M.R., 2001. An experimental study of the perfor-mance factors affecting particle collection efficiency of the electrocyclone. Aerosol Sci-ence and Technology, 35(6), pp. 969-977.
LÖSCH, P., NIKOLAUS, K. and ANTONYUK, S., 2021. Fractionating of finest particles using cross-flow separation with superimposed electric field. Separation and Purification Technology, 257, pp. 117820.
MAKABE, R., AKAMATSU, K. and NAKAO, S., 2019. Effect of electrolytes on stable permeation of submicron silica particles through microfiltration membranes. Separation and Purification Technology, 212, pp. 580-585.
MAKABE, R., AKAMATSU, K. and NAKAO, S., 2017. Classification and diafiltration of polydispersed particles using cross-flow microfiltration under high flow rate. Journal of Membrane Science, 523, pp. 8-14.
MAKABE, R., AKAMATSU, K. and NAKAO, S., 2016. Mitigation of particle deposition onto membrane surface in cross-flow microfiltration under high flow rate. Separation and Purification Technology, 160, pp. 98-105.
MANN, H., ROLOFF, C., HAGEMEIER, T., THÉVENIN, D. and TOMAS, J., 2017.
Model-based experimental data evaluation of separation efficiency of multistage coarse particle classification in a zigzag apparatus. Powder Technology, 313, pp. 145-160.
MEIER, J., KLEIN, G.-. and KOTTKE, V., 2002. Crossflow filtration as a new method of wet classification of ultrafine particles. Separation and Purification Technology, 26(1), pp.
43-50.
MORIMOTO, H. and SHAKOUCHI, T., 2003. Classification of ultra fine powder by a new pneumatic type classifier. Powder Technology, 131(1), pp. 71-79.
RAOUFI, A., SHAMS, M., FARZANEH, M. and EBRAHIMI, R., 2008. Numerical sim-ulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 47(1), pp. 128-137.
REN, W., LIU, J. and YU, Y., 2016. Design of a rotor cage with non-radial arc blades for turbo air classifiers. Powder Technology, 292, pp. 46-53.
SATO, K., LI, J., KAMIYA, H. and ISHIGAKI, T., 2008. Ultrasonic Dispersion of TiO2 Nanoparticles in Aqueous Suspension. Journal of the American Ceramic Society, 91(8), pp. 2481-2487.
SHIRASAWA, N., MATSUZAWA, M., FUKAZAWA, T., FUKUI, K. and YOSHIDA, H., 2017. Fine particle classification by a vertical type electrical water-sieve with various particle dispersion methods. Separation and Purification Technology, 175, pp. 107-114.
SPÖTTER, C., LEGENHAUSEN, K. and WEBER, A.P., 2018. Separation Characteristics of a Deflector Wheel Classifier in Stationary Conditions and at High Loadings: New In-sights by Flow Visualization. Kona; KONA, 35, pp. 172-185.
SUN, X. and YOON, J.Y., 2018. Multi-objective optimization of a gas cyclone separator using genetic algorithm and computational fluid dynamics. Powder Technology, 325, pp.
347-360.
SUN, Z., SUN, G., LIU, J. and YANG, X., 2017. CFD simulation and optimization of the flow field in horizontal turbo air classifiers. Advanced Powder Technology, 28(6), pp.
1474-1485.
TUE NENU, R.K., HAYASE, Y., YOSHIDA, H. and YAMAMOTO, T., 2010. Influence of inlet flow rate, pH, and beads mill operating condition on separation performance of sub-micron particles by electrical hydrocyclone. Advanced Powder Technology, 21(3), pp.
246-255.
TUE NENU, R.K., YOSHIDA, H., FUKUI, K. and YAMAMOTO, T., 2009. Separation performance of sub-micron silica particles by electrical hydrocyclone. Powder Technol-ogy, 196(2), pp. 147-155.
WADENPOHL, D.-.C., 2004. Production of powder coatings with defined particle size distribution by grinding and inline classification. International Journal of Mineral Pro-cess-ing, 74, pp. S155-S164.
WANG, X., GE, X., ZHAO, X. and WANG, Z., 1999. Study on horizontal turbine classi-fication. Powder Technology, 102(2), pp. 166-170.
YAMAMOTO, T., KAGEYAMA, T., YOSHIDA, H. and FUKUI, K., 2016. Effect of new blade of centrifugal separator on particle separation performance. Separation and purifica-tion technology, 162, pp. 120-126.
YAMAMOTO, T., OSHIKAWA, T., YOSHIDA, H. and FUKUI, K., 2016. Improvement of particle separation performance by new type hydro cyclone. Separation and Purification Technology, 158, pp. 223-229.
YAMAMOTO, T., SHINYA, T., FUKUI, K. and YOSHIDA, H., 2011. Classification of particles by centrifugal separator and analysis of the fluid behavior. Advanced Powder Technology, 22(2), pp. 294-299.
YAMAMOTO, T., WATANABE, N., FUKUI, K. and YOSHIDA, H., 2009. Effect of in-ner structure of centrifugal separator on particle classification performance. Powder Tech-nology, 192(3), pp. 268-272.
YE, J., XU, Y., SONG, X. and YU, J., 2019. Novel conical section design for ultra-fine particles classification by a hydrocyclone. Chemical Engineering Research and Design, 144, pp. 135-149.
YOSHIDA, H., FUKUI, K., PRATARN, W. and TANTHAPANICHAKOON, W., 2006.
Particle separation performance by use of electrical hydro-cyclone. Separation and Purifi-cation Technology, 50(3), pp. 330-335.
YOSHIDA, H., FUKUI, K., YAMAMOTO, T., HASHIDA, A. and MICHITANI, N., 2009. Continuous fine particle classification by water elutriator with applied electro-poten-tial. Advanced Powder Technology, 20(4), pp. 398-405.
YOSHIDA, H., INADA, Y., FUKUI, K. and YAMAMOTO, T., 2009. Improvement of gas-cyclone performance by use of local fluid flow control method. Powder Technology, 193(1), pp. 6-14.
YOSHIDA, H., NISHIMURA, Y., FUKUI, K. and YAMAMOTO, T., 2010. Effect of apex cone shape on fine particle classification of gas-cyclone. Powder Technology, 204(1), pp.
54-62.
YU, Y., LIU, J. and LI, G., 2013. Empirical study of classification process for two-stage turbo air classifier in series. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 26(3), pp. 526-531.
YUAN, F., YU, J. and ZHENG, X., 2020. Experimental study on fine particle separation in a wet electrostatic classifier. Chemical Engineering and Processing - Process Intensifi-cation, 156, pp. 108108.
ZHANG, C., WEI, D., CUI, B., LI, T. and LUO, N., 2017. Effects of curvature radius on separation behaviors of the hydrocyclone with a tangent-circle inlet. Powder Technolo-gy, 305, pp. 156-165.