Hienojakoisen kiintoaineen luokitusmenetelmät

(1)

Kandidaatintyö

Hienojakoisen kiintoaineen luokitusmenetelmät

Lappeenranta 2021 Teemu Harjunen

(2)

Tiivistelmä

Lappeenrannan – Lahden teknillinen yliopisto LUT LUT School of Engineering Science

Kemiantekniikan koulutusohjelma Teemu Harjunen

Hienojakoisen kiintoaineen luokitusmenetelmät

Kandidaatintyö 2021 34 sivua, 6 kuvaa

Ohjaaja: Tutkijatohtori Teemu Kinnarinen

Hakusanat: mikropartikkelit, luokitusmenetelmät, hienojakoinen kiintoaine, jauheen luokittelu

Hienojakoisesta kiintoaineesta koostuvan jauheen kysyntä on esimerkiksi korkean tietotekniikan, metallurgian ja pinnoitteiden valmistuksen tarpeiden kasvaessa noussut voimakkaasti kuluvan vuosituhannen aikana. Näiden jauheiden ominaisuudet paranevat partikkelikoon pienentyessä alle mikrometriin ja monilla teollisuudenaloilla vaaditaan lisäksi ka- peaa partikkelikokojakaumaa.

Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa, mitä menetelmiä tutkimuksen perusteella on ny- kyään käytössä halkaisijaltaan alle mikrometrin kiintoainepartikkelien luokitukseen ilmassa ja veden suspensiossa. Lisäksi työssä perehdytään tarvittavissa määrin taustalla vai- kuttavaan teoriaan ja lopuksi pyritään selvittämään keinoja, joilla luokitusmenetelmiä voi tehostaa. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena ja työn pohjana käytettiin noin 50 tieteel- listä artikkelia.

Lopputuloksena todettiin, että aiheesta tehtyjen tutkimuksien valossa veden suspensiossa luokittelu on yleisempää ja syklonit sekä sentrifugiset lajittelijat lienevät yleisimmät me- netelmät hienojakoisen kiintoaineen luokitukseen. Elektroforeesi, eli partikkeleiden omaa varausta hyödyntävä menetelmä oli yleisin tapa tehostaa luokitusta, ja sitä oli tutkimuksissa sovellettu liki jokaiseen käsiteltyyn luokitusmenetelmään.

(3)

Sisällysluettelo

Tiivistelmä ... 1

1. Johdanto ... 3

1.1 Työn esittely ... 3

1.2 Taustat ... 3

1.3 Työssä käsiteltävät luokitusmenetelmät ... 4

1.4 Materiaalit ja menetelmät ... 5

2. Luokituksen teoriaa ... 5

2.1 Partikkelikoko ... 5

2.2 Pyörimisliikkeeseen perustuva lajittelu... 7

2.3 Suodatus ja seulonta ... 9

2.4 Elektroforeesin vaikutus ... 9

3. Luokitusmenetelmät ... 11

3.1 Kaasu- ja hydrosyklonit ... 11

3.2 Pneumaattinen lajittelija ... 13

3.3 Sentrifuginen lajittelija ... 14

3.4 Dynaamiset lajittelijat ... 15

3.5 Cross flow mikrosuodatus ... 18

3.6 Elektroninen vesiseulonta ... 20

3.7 Heterokoagulaatio ... 21

4. Luokitusmenetelmien tehostaminen ... 21

4.1 Kaasu- ja hydrosyklonien tehostaminen ... 22

4.2 Sentrifugisen lajittelijan tehostaminen ... 24

4.3 Dynaamisten lajittelijoiden tehostaminen ... 25

4.4 Suodatukseen ja seulontaan perustuvien menetelmien tehostaminen ... 26

4.5 Dispersioaineiden vaikutus veden suspensiossa ... 27

5. Johtopäätökset ... 28

Lähdeluettelo ... 30

(4)

1. Johdanto

1.1 Työn esittely

Työ käsittelee alle mikrometrin kokoluokan kiintoainepartikkelien luokittelua perustuen niiden tiheyteen ja kokoon. Oletettavaa on, että jauhemaista ainetta luokiteltaessa ei partikkelien välillä esiinny tiheyseroja. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään kyseisen kokoluokan partikkelien erotus ja luokittelu teorian tasolla, aiemmin tehdyn tutkimuksen valossa nykyisin käytössä olevat luokitusmenetelmät ilmassa, vedessä ja vesiliuoksessa sekä poh- ditaan, kuinka näitä menetelmiä voi mahdollisesti tehostaa.

Yksittäisistä menetelmistä oli saatavilla tutkittua tietoa aiheeseen liittyen jo melko paljon.

Tässä työssä käsitellään ensimmäistä kertaa useita alle mikrometrin kokoluokan partikkelien erotukseen kykeneviä menetelmiä kootusti.

1.2 Taustat

Äärimmäisen hienoille jauheille, joissa keskimääräinen partikkelikoko pienenee jopa alle mikrometriin, on käyttönsä laajalla teollisuuden skaalalla. Käyttökohteita löytyy muun muassa kaivosteollisuudesta ja metallurgiasta, korkean tason elektroniikasta ja puolijohteista, mutta myös maalien ja muiden pinnoitteiden sekä kosmetiikan valmistuksesta. Christoph Wadenpohlin (2004) mukaan pinnoitteiden valmistuksessa hyvin tarkastikin määritelty jauheen partikkelikoko ja kokojakauma ovat ensisijaisen tärkeitä. Partikkelikoon pienen- tyessä yleensä jauheiden ominaisuudet paranevat. Muun muassa maaleissa käytettävän jauheen partikkelikoon pienentyessä saadaan maalikerroksesta matalampi ja sen kuivumisaika lyhenee. Metallurgian alalla ultrahienoista metallijauheista voidaan sintraamalla tai metallin 3d tulostamista hyödyntämällä valmistaa yhä monimutkaisempia komponentteja eri tek- nologian alojen tarpeisiin. Vuosituhannen alussa informaatioteknologian edelleen jatkuva räjähdysmäinen kasvu loi uusia tarpeita erittäin hienoille ja kokojakaumaltaan hyvin ka- peille jauhemaisille raaka-aineille. Tästä syystä näille ultra hienoille jauheille on jatkuvasti etsittävä korkeamman saannon ja tarkemman kokojakauman luokitusmenetelmiä. (Mori- moto, Shakouchi 2003) (Wadenpohl 2004)

(5)

Partikkelikoon pienentyessä erotus ja luokittelu vaikeutuu. Alle mikrometrin partikkelien luokitus seulontaan perustuvalla menetelmällä vaatii huomattavan pitkän laskeutumisajan, kun taas hydrosyklonilla erotukseen vaaditaan suuri paine tarvittavien voimien aikaansaamiseksi (Shirasawa, Matsuzawa et al. 2017) (Yamamoto, Oshikawa et al. 2016). Usein yhdellä menetelmällä pystytään erottamaan vain hieno aines karkeasta, jolloin laitteita tar- vitaan useita kappaleita sarjassa halutun luokituksen saavuttamiseksi. Tämä taas voi kulut- taa huomattavan paljon energiaa (Fu, Wang et al. 2016). On myös odotettavissa, että tar- vittavan laadukkaan erotuksen aikaansaamiseksi, jossa yhdistyvät alle mikrometrin partikkelien erotus, matala partikkelin maksimikoko sekä kapea partikkelikokojakauma ja teollisia sovelluksia varten riittävän suuri lajittelun kapasiteetti, on käytettävä useita eri luoki- tusmenetelmiä. Tällöin yhdellä menetelmällä voidaan saavuttaa karkea erotus riittävän kustannustehokkaasti ja muilla vaiheilla lopullinen hieno erotus.

Luokituksen haasteellisuutta lisäävät useissa luokitusmenetelmissä esiintyvä, niin sanottu ongenkoukku -ilmiö, jossa pienimmillä partikkeliko’oilla luokiteltujen partikkelien pro- sentuaalinen määrä ensin laskee hieman ja sen jälkeen nousee voimakkaasti, jolloin partikkelien prosentuaalisen osuuden kuvaaja partikkelikoon funktiona muistuttaa ongenkouk- kua (Wang, Ge et al. 1999). Muita haasteita ovat partikkelien kasaantuminen ryppäisiin lajittelun jälkeen ja partikkelien pienestä koosta johtuva haitallisuus ihmisille.

1.3 Työssä käsiteltävät luokitusmenetelmät

Tässä kirjallisuuskatsauksessa käsitellään lajittelumenetelmät, joilla on mahdollista erottaa alle mikrometrin kokoluokan partikkeleita ilmassa ja veden suspensiossa. Ilma-kiintoaine seoksessa tapahtuvaa lajittelua käsitellään kaasusyklonin ja sen eri variaatioiden sekä pyö- rivään roottoriin perustuvien dynaamisten lajittelijoiden näkökulmasta.

Veden suspensiossa tapahtuvaa mikropartikkelien erotusta tarkastellaan laitteiden: hydrosykloni, sentrifugi, crossflow -mikrosuodatus ja vesiseulan tasolla. Myös spiraaliluokit- telijan (eng. spiral classifier) sisällyttämistä työhön harkittiin, mutta laitteen soveltuvuudesta alle mikrometrin partikkelien erotukseen ei löytynyt tutkittua tietoa.

(6)

1.4 Materiaalit ja menetelmät

Tämä kandidaatintyö toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Tärkeimpänä tiedonhankinta- alustana käytettiin LUT Primon omaa tietokantaa. Muita alustoja olivat Scopus ja Google scholar. Hakusanoja, joilla tietolähteitä etsittiin, olivat muun muassa: ”fine particle classification”, ”fine powder separation”, ”submicron classification” ja muut samankaltaiset.

Yhteensä työn laatimisessa on käytetty noin 50 eri tieteellistä artikkelia.

2. Luokituksen teoriaa

2.1 Partikkelikoko

Luokitellun aineen partikkelien kokoluokan määrittämiseksi on käytössä useita keinoja, kuten keskimääräinen partikkelikoko, partikkelien mediaani ja moodi sekä tutkimuksissa ja kaupallisissa tarkoituksissa laitteen lajittelun kykyä kuvaava 50 prosentin katkaisukoko (eng. cut size), d50. Tämä on lajittelijassa se partikkelikoko, jolla on 50 prosentin mahdollisuus päätyä lajitellun hienon materiaalin sekä karkean materiaalin puolelle.

Luokitukseen ei ole täydellistä laitetta, joka erottaisi vain ja ainoastaan tietyn kokoluokan partikkelit muista kokoluokista. Luokiteltuun hienoon aineeseen päätyy siis aina eri kokoi- sia partikkeleita, myös ilmoitettua 50 prosentin katkaisukokoa suurempia partikkeleita.

Toisaalta myös lajitellun aineen karkeaan osaan päätyy hienoja partikkeleita. Lajittelijan suorituskykyä voidaan kuvata lajitellun aineen kokojakaumalla, jossa partikkelien prosen- tuaalinen osuus on esitettynä partikkelikoon funktiona ja kumulatiivisella jakaumalla, jossa nimensä mukaan kumulatiivinen prosenttiosuus esitetään partikkelikoon funktiona. Esi- merkki erään lajittelijan koko- ja kumulatiivisestä jakaumasta on esitetty Kuvassa 1. Luo- kitellun aineen jakaumaa on perinteisesti tutkittu seula-analyysin avulla. Alle mikrometrin kokoluokan partikkeleille seula-analyysi on kuitenkin vaikea, ellei mahdoton, suorittaa.

Tässä kokoluokassa partikkelien kokoa analysoidaan esimerkiksi laser diffraktion avulla.

(7)

Kuva 1. Erään lajittelijan partikkelikoon taajuus- ja kumulatiivinen jakauma (Yuan, Yu et. al 2020).

Teollisia sovelluksia silmällä pitäen on oleellista, että luokitus on paitsi tarkkaa, mutta myös tehokasta. Eli luokiteltavasta aineesta on pystyttävä erottamaan tietyn kokoluokan partikkelit tarpeeksi suurella tehokkuudella, jotta luokitusta voidaan pitää kannattavana.

Tarkasteltavan laitteen luokituksen tehokkuutta voidaan määritellä esimerkiksi yhtälön 1 avulla. (Yamamoto, Oshikawa et al. 2016) (Yoshida, Fukui et al. 2009) (Yamamoto, Shi- nya et al. 2011)

Δ𝜂 = 𝑚 𝑓 𝐷 Δ𝐷 − 𝑚 𝑓 𝐷 Δ𝐷

𝑚 𝑓 𝐷 Δ𝐷 (1)

Jossa: Δη on luokituksen tehokkuus

mo ja mf on alkuperäisen ja hienon jauheen massa

fo ja ff on alkuperäisen ja hienon jauheen partikkelikokojakauma Dp on partikkelikoko

(8)

Toinen tärkeä lajittelun tehokkuutta mittaava suure on erotuksen terävyys, κ. Se on yksi- kötön suure, joka kuvaa lajitellun jauheen kahden eri prosentuaalisen osuuden, esimerkiksi 25 ja 75 prosenttia vastaavien partikkelikokojen suhdetta.

𝜅 = 𝐷

𝐷 (2)

Jossa: κ on luokituksen terävyys

D25 ja D75 ovat tiettyä prosenttiosuutta vastaavat partikkelikoot

Ideaalisen lajittelijan terävyys, κ, on yksi. lajittelijan voidaan katsoa olevan riittävän hyvä terävyyden arvon ollessa noin 0,3–0,6. Kuitenkin mitä lähempänä yhtä lajittelijan terävyy- den arvo on, sitä parempi. (Mann, Roloff et al. 2017)

2.2 Pyörimisliikkeeseen perustuva lajittelu

Pyörimisliikkeeseen perustuvat menetelmät toimivat jokaiseen yksittäiseen partikkeliin kohdistuvien keskipakoisvoimien ja väliaineesta johtuvan partikkelin liikettä vastustavien voimien yhteisvaikutukseen perustuen. Se partikkelikoko, johon kohdistuvat voimat, ulos- päin suuntautuva keskipakoisvoima ja sisäänpäin suuntautuva liikettä vastustava voima (eng. drag force), ovat tasapainossa, määrittää lajittelijan katkaisukoon (eng. cut size). Tällä partikkelikoolla on 50 prosentin mahdollisuus päätyä sekä lajitellun aineen hienoon, että karkeaan osaan, koska voimien tasapainosta johtuen se pyrkii lajittelijan sisällä ympyrän muotoiselle lentoradalle. Katkaisukokoa pienemmät partikkelit päätyvät useammin lajitellun aineen hienoon osaan, ja vastaavasti raskaammat karkeaan. Jos esimerkiksi partikkelin vastuskerroin (eng. drag coefficient) ja koko on tiedossa, pystytään siihen kohdistuvat keskipakoisvoima ja vastustava voima määrittämään. (King 2012)

(9)

𝐾𝑒𝑠𝑘𝑖𝑝𝑎𝑘𝑜𝑖𝑠𝑣𝑜𝑖𝑚𝑎 = 𝑣

𝑟 𝑉 𝜌 − 𝜌 (3)

Jossa: v on partikkelin tangentin suuntainen nopeus r on partikkelin lentoradan säde

Vp on partikkelin tilavuus ρp on partikkelin tiheys

ρf on väliaineen (fluidin) tiheys

𝑉𝑎𝑠𝑡𝑢𝑠𝑡𝑎𝑣𝑎 𝑣𝑜𝑖𝑚𝑎 = 0,5𝐶 (𝑣 − 𝑢 ) 𝜌 𝐴 (4)

Jossa: CD on partikkelin vastuskerroin vr on väliaineen kulmanopeus ur on partikkelin kulmanopeus

A partikkelin läpileikkauksen pinta-ala

Sykloneissa ja muissa samankaltaisissa lajittelijoissa partikkelien pyörimisliike saadaan ai- kaan sisään syötettävän fluidin ja kiintoaineen seoksen paineella. Dynaamisissa lajittelijoissa pyörimisliike muodostuu laitteen komponentin, esimerkiksi roottorin pyörimisestä.

Näissä lajittelijan katkaisukoko on se partikkelikoko, jossa roottorin ulkolaidalla partikkeliin vaikuttavat keskipakoisvoimat ja vastustavat voimat ovat tasapainossa. Tähän katkai- sukokokoon vaikuttavat muun muassa roottorin pyörimisnopeus, halkaisija ja syötön ilma- virran nopeus. (Galk, Peukert et al. 1999)

(10)

2.3 Suodatus ja seulonta

Perinteisesti seulonta on ollut pääasiallinen lajittelumenetelmä kiintoainepartikkeleille veden suspensiossa. Alle mikrometrin kokoluokan partikkeleilla kuitenkin lajittelu pelkäs- tään niiden laskeutumiseen painovoiman varassa on hyvin hidasta ja epäkäytännöllistä niiden alhaisen laskeutumisnopeuden takia. Partikkelin terminaalinen nopeus, eli se maksiminopeus, jolla partikkeli voi laskeutua fluidissa, voidaan selvittää Stokesin lain avulla (Shirasawa, Matsuzawa et al. 2017)

𝑣 = 2 9

𝜌 − 𝜌

𝜇 𝑔𝐷 (5)

jossa: vt on partikkelin terminaalinen nopeus μ on väliaineen dynaaminen viskositeetti g on putoamiskiihtyvyys

Dp on partikkelin halkaisija

Käytännölliseen lajitteluun vaaditaan siis vielä muita partikkeleihin kohdistuvia voimia, kuten voimakas keskipakoisvoima tai sähköisen kentän aiheuttama vetovoima.

2.4 Elektroforeesin vaikutus

Elektroforeesi tarkoittaa partikkelien liikkumista sähköisessä kentässä. Tässä partikkelien liikkeen nopeus ei riipu partikkelikoosta, vaan partikkelien omasta sähköisestä varauksesta, tai zeta -potentiaalista. Tämän menetelmän yhdistäminen muihin menetelmiin, kuten hydrosykloniin, vesiseulaan ja sedimentointiin, on todettu hyödylliseksi, etenkin sen

(11)

luokituksen tarkkuutta parantavan ja katkaisukokoa pienentävän vaikutuksen takia.

(Yoshida, Fukui et al. 2006) (Tue Nenu, Yoshida et al. 2009) (Yoshida, Fukui et al. 2009) (Shirasawa, Matsuzawa et al. 2017) (Fukasawa, Ono et al. 2020)

Esimerkiksi syklonissa sähkökenttä luodaan asettamalla korkean jännitteen omaava johdin keskelle syklonia, jolloin johtimen ja syklonin uloimman seinän välille syntyy potentiaali- gradientti. Elektroforeesin vaikutuksesta varaukselliset partikkelit liikkuvat helpommin kohti syklonin ulointa seinää, jonka varaus on partikkeleihin nähden vastakkainen, ja luokituksen terävyys paranee. Sykloneissa elektroforeesi tukee siis keskipakoisvoimia, joihin raskaiden partikkelien erotus perustuu. (Tue Nenu, Yoshida et al. 2009)

Yksittäisten luokiteltavien partikkeleiden varaus voidaan päätellä luokiteltavan suspension zeta-potentiaalista tai toisin sanoen elektrokineettisestä potentiaalista. Elektroforeesin tehokkuus tukemassa muita luokitusmenetelmiä riippuu siis paljolti suspension zeta -potentiaalista. Esimerkiksi Nenu, Yoshida et. al (2009) huomasivat syklonin katkaisukoon kasvavan syötettävän suspension zeta -potentiaalin kasvaessa. Shirazawa, Matsuzawa et. al (2017) taas huomasivat suspension zeta -potentiaalin negatiivisen arvon nousevan suspension keskimääräisen partikkelikoon noustessa, joka taas johtaa parempaan liikkuvuuteen sähkökentässä.

Myös staattisen sähkön hyväksikäyttö kiintoainepartikkelien luokituksessa kuivassa sys- teemissä vaikuttaa houkuttelevalta ratkaisulta. Kuitenkin saatavilla olevien artikkeleiden perusteella esimerkiksi staattista sähköä hyödyntäviä pölynerottimia (eng. precipitator) käytetään lähinnä partikkelisaasteen vähentämiseen hiilivoimaloissa ja vastaavissa prosesseissa, eikä niinkään partikkelikooltaan alle mikrometrin jauheiden teolliseen valmistamiseen.

(12)

3. Luokitusmenetelmät

3.1 Kaasu- ja hydrosyklonit

Sykloneiden toiminta perustuu kevyiden ja raskaiden partikkelien erotukseen voimak- kaasta pyörivästä virtauksesta johtuvan keskipakovoiman takia, kartion muotoisen syklonin sisällä joko ilmassa, kaasuseoksessa tai vedessä. Luokiteltava aines syötetään sykloniin sen huipulta, tangentin suuntaisesti, jolloin aines joutuu nopeaan spiraalimaiseen virtaukseen. Keskipakovoiman takia raskaat partikkelit joutuvat syklonin reunoille, josta ne vajoavat syklonin pohjalle. Kevyet partikkelit taas erottuvat syklonin keskelle, johon muodostuu matalan paineen alue ja kevyet partikkelit nousevat syklonin huipulle. Partikkelien luokituksessa ja erotuksessa käytetään sykloneita hyvin laajalti, karkeiden sekä hienojen partikkelien erotuksessa, niiden yksinkertaisen rakenteen, käytön edullisuuden, toiminta- varmuuden ja korkean partikkelien erotustehon takia. (Chu, Wang et al. 2011) (Sun, X., Yoon 2018)

Kaasusyklonin on näytetty pystyvän alle mikrometrin, jopa 0,4 mikrometrin, partikkelien erotukseen vuonna 1993 Iinoya et al. toimesta. Heidän kehittämänsä ”blow down” -kaasusykloni mahdollisti kuivien jauheiden tehokkaan luokittelun matalalla energiankulutuk- sella. (Iinoya, Fuyuki et al. 1993)

Hydrosykloneilla on huomattavaa, että pelkästään syötön painetta ja täten koko systeemin paine-eroa lisäämällä ja syklonin mittoja muuttamalla on päästy vain noin kahden mikrometrin partikkelien erotukseen, siispä vain keskipakoisvoimiin perustuvalla hydrosyklonilla ei pystytä erottamaan halkaisijaltaan alle mikrometrin partikkeleita (Tue Nenu, Hayase et al. 2010). Yoshida, Fukui et al. (2006) ehdottivatkin artikkelissaan sähköisten vetovoimien käyttöä hydrosyklonissa erotuksen tehostamiseksi. Tässä syklonin keskelle asetetaan elektrodi, johon johdetaan negatiivinen varaus. Tämä taas vetää puoleensa posi- tiivisen varauksen omaavia partikkeleita. Tätä ilmiötä kutsutaan elektroforeesiksi. Artik- kelissa todettiin, että alle mikrometrin partikkelien erotus saavutettiin 40–100 voltin jän- nitteen alueella.

(13)

Samaa periaatetta on käytetty myös kaasusykloneissa, mutta näissä tarvittava jännite alle mikrometrin partikkelien luokitteluun on huomattavasti suurempi, jopa 9 kilovolttia. (Lim, Lee et al. 2001)

Alle mikrometrin luokitukseen pystyvä kaasusykloni on usein kooltaan pieni, halkaisijaltaan usein alle 100 millimetriä. Kaasusykloneissa käytettävä kaasun tilavuusvirta on usein huomattavan korkea, useita satoja litroja minuutissa. Luokiteltavaa kiintoainetta on kuitenkin fluidin mukana vain joitakin grammoja minuutissa tarpeeksi tehokkaan luokituksen aikaansaamiseksi. (Yoshida, Inada et al. 2009)

Hydrosyklonissa samalla periaatteella halkaisijaltaan pieni hydrosykloni mahdollistaa par- haiten hienon jauheen luokituksen matalalla luokiteltavan aineen tilavuusvirralla syötössä ja suurella painehäviöllä systeemissä. Muita hydrosyklonin luokituksen tehokkuuteen liit- tyviä tekijöitä ovat: luokiteltavan aineen konsentraatio syötössä, elektrodiin johdettava jän- nite sekä jopa käytettävän fluidin pH -arvo. (Tue Nenu, Yoshida et al. 2009) (Tue Nenu, Hayase et al. 2010)

Pienen kokonsa vuoksi mikropartikkeleista koostuvien jauheiden valmistamiseen vaaditaan useita kymmeniä sykloneita teollisten tuotantomäärien saavuttamiseksi. Tämä taas ku- luttaa energiaa huomattavissa määrin. Teollisten sovellusten kannalta voikin olla järke- vämpää käyttää sykloneita yhdessä jonkin muun erotusmenetelmän kanssa.

Sykloneilla luokitus kuitenkin perustuu vain tietyn katkaisukoon kohdalla erikokoisten partikkelien erotukseen laitteen ylitteeseen sekä alitteeseen. Luokitellakseen alle mikrometrin kokoluokan partikkeleita eri kategorioihin koon mukaan, on sykloneita asetettava useita sarjaan siten, että syklonien katkaisukoko pienenee sarjan edetessä.

Myös partikkelien lajittelijaa, joka kykenee lajittelemaan jauhemaisen aineen useampaan kokosegmenttiin, on tutkittu laboratoriotasolla. Fu, Wang, et al. (2016) esittivät artikkelissaan kehittelemänsä kaasusyklonin tapaisen partikkelien kokolajittelijan, jossa lajiteltu aines jakaantui 12 eri kokosegmenttiin. Tämä perustuu partikkelien kokoerojen aiheuttamiin eroihin niiden lentoradassa lajittelijan sisällä. Laitteen lajitellun kiintoaineen poistoputki oli jaettu 12 pienempään osaan (kolme rinnakkain ja neljä päällekkäin) ja partikkelit laji- teltiin koon mukaan näihin siten, että raskaimmat partikkelit päätyivät lajittelijaan nähden uloimpaan alakulmaan ja kevyimmät, eli pienimmät, sisimpään yläkulmaan. Vaikka

(14)

tutkimuksessa ei alle mikrometrin erotukseen päästy, niin silti tutkimuksen tulosten todettiin olevan: ”hyödyllisiä monen tuotteen lajittelua ajatellen jauheteknologiassa”. (Fu, Wang et al. 2016)

3.2 Pneumaattinen lajittelija

Morimoto ja Shakouchi (2003) esittelivät artikkelissaan aikanaan uudenmallisen lajittelu- menetelmän (Kuva 2.), joka kaasusyklonin tapaan perustuu partikkeleihin kohdistuvien keskipakoisvoimien aiheuttamaan erotukseen kartion muotoisessa laitteessa. Myöskään tämä lajittelija ei sisällä liikkuvia osia, mikä tekee siitä toimintavarman ja edullisen käyttää.

Sykloneista poiketen kuitenkin tässä menetelmässä kartion muotoinen laite on asetettuna terävä kärki ylöspäin.

KUVA 2. Morimoton ja Shakouchin pneumaattisen ilmalajittelijan poikkileikkaus ja toiminta (Morimoto, Shakouchi 2003).

(15)

Morimoton ja Shakouchin lajittelija, on toiminnaltaan jaettu kolmeen osaan: dispersioalu- eeseen, josta lajiteltava materiaali ja paineilma syötetään laitteeseen, lajittelualueeseen, missä kiintoaines joutuu kartion sisällä voimakkaaseen pyörivään liikkeeseen ja karkeat eli raskaat partikkelit eroavat hienoista eli kevyistä ja kartion pohjalla olevaan säleikköaluee- seen, jossa laitteeseen syötetään sekundäärinen ilmavirtaus ja erotettu jauhe sekä karkea materiaali poistuvat laitteesta. Artikkelissaan Morimoto ja Shakouchi totesivat, että alle mikrometrin partikkelien erotus on laitteella mahdollista, mutta itse kokeessa he pääsivät parhaimmillaan 0,95 mikrometrin erotukseen. Partikkelikokojakauma oli kuitenkin tiheä ja maksimipartikkelikoko lajitellussa jauheessa verrattain matala, alle kaksi mikrometriä.

(Morimoto, Shakouchi 2003)

3.3 Sentrifuginen lajittelija

Sentrifugiset erotusmenetelmät perustuvat sykloneiden tapaan partikkeleihin kohdistetta- vaan keskipakoisvoimaan. Sentrifugien kiintoaine-neste suspensioon kohdistama keskipa- kovoima voi olla jopa 50 000 g:n kiihtyvyyttä vastaava voima. Sen takia erikokoiset partikkelit joutuvat eri lentoradoille ja partikkelien erotus on mahdollinen. Sykloneista poiketen keskipakovoimia ei synny syötettävän aineen paineesta, vaan itse sentrifugin pyörimis- liikkeestä. Sentrifugi on lajittelumenetelmänä kompakti ja tehokas ja tämän takia se on laajasti käytössä eri teollisuuden aloilla. Mikropartikkelien erotuksen kannalta paras sentrifugin malli on korkea ja kapea putkilomainen kulho, kuten Kuvassa 3., sillä se mahdollistaa nopeimman pyörimisliikkeen, joka halutun lajittelun saavuttamiseksi on jopa 15 000 kier- rosta minuutissa. Pyörimisnopeus onkin suurin lajittelijan katkaisukokoon vaikuttava te- kijä. Sentrifugin katkaisukoon on huomattu pienenevän, kun laitteen pyörimisnopeus kasvaa ja kiintoaine-neste tilavuusvirtaus pienenee. (Konrath, Brenner et al. 2015) (Yama- moto, Shinya et al. 2011)

(16)

KUVA 3. Erään sentrifugisen lajittelijan toimintaperiaate (Yamamoto, Kageyama et. al.

2016).

On myös tyypillistä, että neljä lapainen terä asennetaan sentrifugin sisälle, parantamaan erotuksen tehokkuutta. Tämän terän rakenteen vaikutuksesta erotuksen tehokkuuteen on tehty tutkimuksia. Niissä todettiin, että neljälapainen terä, jonka keskellä on sylinterimäi- nen rakenne parantaa erotuksen tehokkuutta huomattavasti, sillä se estää partikkelien liik- kumisen sentrifugin kuvitteellisen keskiakselin lävitse. Tästä syystä partikkeleihin kohdistuva keskipakoisvoima on suurempi. (Yamamoto, Watanabe et al. 2009) (Yamamoto, Ka- geyama et al. 2016)

Sykloneihin verrattuna sentrifugilla saavutetaan alle mikrometrin partikkelien lajittelu tar- kemmin ja käyttäen vähemmän energiaa. Sentrifugien toiminnan akilleen kantapäänä voidaan kuitenkin pitää sen toimintavarmuutta, sillä useita kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa pyörivä laite vaatii tarkkaa huoltoa. (Shirasawa, Matsuzawa et al. 2017)

3.4 Dynaamiset lajittelijat

Tyydyttämään teollisuuden tarpeita korkean saannon ja terävän partikkelikokojakauman lajittelijalle partikkelikoon pienentyessä jopa alle mikrometriin kehitettiin rotating wheel - tyyppinen lajittelija ”MikroCut MC”, jota Galk, Peukert et. al. esittelivät artikkelissaan.

Tietyillä aineilla kyseisellä laitteella voidaan lajitella useita satoja kilogrammoja jauhetta tunnissa sekä voidaan saavuttaa lajittelu, jossa suurimmatkin partikkelit ovat läpimitaltaan alle 1,7 mikrometriä. Kyseisen laitteen tehokkuus perustuu partikkeleihin kohdistettaviin,

(17)

äärimmäisen suuriin, keskipakovoimiin, jopa 15 000 g:tä (Galk, Peukert et al. 1999). Tämä on ultra hienon jauheen teollisen tuotannon näkökannalta tärkeää. Laitetta ja muita dy- naamisia lajittelijoita on sittemmin kehitetty yhä eteenpäin.

Rakenteeltaan ja sisäiseltä geometrialtaan dynaamiset lajittelumenetelmät ovat syklonisiin menetelmiin verrattuna huomattavasti monimutkaisempia. Partikkelien erotus perustuu edelleen suurien keskipakoisvoimien aiheuttamiin eroihin eri kokoisten partikkelien lento- radoissa spiraalimaisessa virtauksessa, mutta sykloneista poiketen tämän pyörivän liikkeen aiheuttaa laitteen sisällä nopeasti, useita tuhansia kierroksia minuutissa pyörivä roottori.

Tästä syystä korkeita paineita fluidin tarpeeksi nopean spiraalimaisen virtauksen saavuttamiseksi ei tarvita. Myöskään tarvittava ilmanvirtaus on pienempi kuin sykloneissa. (Karu- nakumari, Eswaraiah et al. 2005) (Galk, Peukert et al. 1999)

Roottori sijaitsee lajittelijan keskellä litteässä kuoressa ja ilma, sekä lajiteltava aines syö- tetään sen ulkokehälle yläpuolelta. Ilma ja kevyet partikkelit sen mukana kulkeutuvat laitteen keskelle ja poistuvat laitteen alapuolella sijaitsevasta poistoputkesta, kun taas raskaat partikkelit sinkoutuvat roottorin ulkopuolelle, jolloin ne joko painovoiman tai ilmavirtauksen takia laskeutuvat omiin poistoputkiinsa. Erotus perustuu siis ilmavirtauksen aiheuttaman vetovoiman ja pyörivän roottorin aiheuttaman keskipakoisvoiman yhteisvaikutukseen. Kevyet partikkelit kulkeutuvat ilman mukana ja raskaat ajautuvat keskipakoisvoimien takia roottorin kehän ulkolaidoille. (Barimani, Green et al. 2018)

MikroCut MC:n tapauksessa on hyödynnetty vielä sekundääristä ilmavirtausta, jolla ai- kaansaadaan terävämpi partikkelikokojakauma lajitellulla aineella. Se syötetään sisään lajittelijan alalaidan ulkokehältä kuljettaen vielä osan hienoista partikkeleista, jotka muuten olisivat joutuneet karkeiden partikkeleiden mukana lajittelijan ulkokehälle, takaisin lajitellun hienon aineksen poistoon lajittelijan keskelle. Tämä virtaus laski tutkimuksen mukaan hienojen partikkeleiden häviötä lajittelun aikana 78 prosenttia. (Galk, Peukert et al. 1999) Turbo air lajittelija on myös eräänlainen laitteen sisällä pyörivään renkaaseen perustuva, dynaaminen lajittelija. Laitteen sisältämä roottori voi sijaita joko vaaka, tai pystyasennossa (kuva 4.). Ilma ja kiintoainepartikkelit syötetään tangentin suuntaisesta putkesta lajittelijaan sisään myötäpäivään pyörivän roottorin alapuolelle. Yhdessä ilmanvirtauksen ja pyö- rivän roottorin vaikutuksesta ilma ja kevyet partikkelit imeytyvät ylös roottorin sisäpuo- lelle. Raskaat partikkelit taas vajoavat lajittelijan pohjalle. (Sun, Z., Sun et al. 2017)

(18)

KUVA 4. Vaaka- ja pystysuorat turbo air -tyyppiset lajittelijat (Sun, Sun et. al. 2017).

Viime aikoina turbo air -tyyppisen lajittelijan suorituskykyä on tutkittu laajasti, sen sisäisen rakenteen ja laitteen toiminnan parametrien, kuten roottorin pyörimisnopeuden kannalta.

Huomattavaa on, että mediaaniltaan alle mikrometrin partikkelien erotus voi olla turbo air -lajittelijalla haastavaa. Yu, Liu et. al. (2013) saavuttivat tutkimuksessaan kaksivaiheisella lajittelijalla, joka sisälsi kaksi peräkkäistä turbo air -lajittelijaa, erotuksen, jossa yli 80 % partikkeleista oli halkaisijaltaan alle viisi mikrometriä ja noin 50 % alle kaksi mikrometriä.

He kuitenkin huomasivat myös, että roottorin pyörimisnopeutta lisättäessä lajittelun partikkelikoon pienentämiseksi, niin sanottu ongenkoukku -ilmiö vahvistui.

Turbo air -lajittelijalla saavutetaan kuitenkin korkea lajittelukapasiteetti alle 10 mikrometrin erotuksella, kymmeniä kilogrammoja tunnissa. Tämän lisäksi jatkuvatoiminen lajittelu on laitteella mahdollista. Turbo air -lajittelija saattaa siis olla hyödyllinen monivaiheisessa, alle mikrometrin partikkelien, lajitteluprosessissa karkeana lajittelijana, ennen esimerkiksi syklonia.

Lajitellun aineen hienon osan ja lajittelussa käytettävän ilman erottamiseen on mahdollista käyttää kaasusyklonia tai pussisuodatinta (eng. bag filter), tai näiden yhdistelmää (Spötter, Legenhausen et al. 2018). Etenkin kaasusyklonia käyttämällä voidaan vielä mahdollistaa partikkelien lajittelu vielä hienompaan osaan. Näiden erotusmenetelmien käyttö yhdessä

(19)

vaikuttaa saatavilla olevan tiedon valossa olevan yleisin tapa lajitella ilmassa hienojakoisia, alle mikrometrin partikkeleita.

3.5 Cross flow mikrosuodatus

Partikkelien erotus koon perusteella, cross flow -tyyppisellä mikrosuodatusmenetelmällä, perustuu lajiteltavan aineen syöttöön membraanin ohitse veden suspensiossa paineella. Itse membraanit voidaan valmistaa muun muassa polymeeristä, keramiikasta tai piistä (Kul- rattanarak, van der Sman, R. G. M. et al. 2008). Mikrosuodatuksen toimintaperiaatetta on esitetty Kuvassa 5.

Kuva 5. Erään mikrosuodatuslaitteiston konfiguraatio. Kuvassa komponentti 4. on mem- braani ja sen kotelo (Makabe, Akamatsu et. al. 2016).

Aikaisemmin membraaneihin perustuvaa suodatusta on käytetty etenkin elintarvike-, bio-, ja farmasiateollisuudessa sekä veden puhdistuksessa. Menetelmässä lajiteltavan aineen suspensio pumpataan membraaniin, useiden tuntien ajan, kunnes haluttu partikkelien erotus on saavutettu. Erotus perustuu siis membraanin käyttöön eräänlaisena seulana ja

(20)

erotettava partikkelikoko, jopa alle mikrometrin kokoluokassa voidaan valita membraa- nilla, jonka huokoskoko on sopiva. Jo vuosituhannen alussa tämän menetelmän todettiin pystyvän hienojen, jopa mikrometrin partikkelien terävään lajitteluun, mutta membraanien likaantuminen ja tukkeutuminen partikkeleista lajittelun alkuvaiheessa huomattiin ongel- maksi. Membraanien huokoset voivat tukkeutua, joko membraanin pinnalla huokosia suuremmista partikkeleista tai huokosten sisällä huokoskokoa pienemmistä partikkeleista.

(Meier, Klein et al. 2002) (Makabe, Akamatsu et al. 2019)

Makabe, Akamatsu et. al. (2016) ratkaisivat membraanien likaantumisesta koituvan ongel- man tutkimuksissaan. He huomasivat, että virtausta membraanin läpi kasvattamalla hydro- dynaamiset nostovoimat ehkäisevät tehokkaasti tai jopa estävät kokonaan membraanien tukkeutumisen huokosia suuremmista partikkeleista koko lajittelun aikana. He myös testa- sivat menetelmää lajittelemalla 0,6 ja 1,5 mikrometrin piidioksidipartikkeleita sisältävän suspension lupaavin tuloksin. Membraanien sisäistä tukkeutumista he käsittelivät myö- hemmässä artikkelissaan (2019). Tällöin he totesivat, että elektrolyytin lisääminen kiintoaine-neste seokseen ehkäisee tehokkaasti huokosten sisäistä tukkeutumista. Kokeessaan elektrolyyttinä he käyttivät natriumhydroksidia. (Makabe, Akamatsu et al. 2016)(Makabe, Akamatsu et al. 2019)

Myöhemmin he kehittivät suurta virtaamaa hyödyntävän cross flow tyyppisen lajittelijan.

Aiemmista lajittelijoista poiketen tässä menetelmässä hyödynnettiin toista suodatusta, millä viimeisetkin hienot partikkelit saadaan erotettua karkeiden seasta ja täten molem- missa osissa saavutetaan kapeampi partikkelikokojakauma. Tätä menetelmää testattiin sus- pensiolla, jonka partikkelien koko vaihteli 0,1 ja 3 mikrometrin välillä, 26 tunnin lajitte- lulla, ja todettiin tehokkaaksi. (Makabe, Akamatsu et al. 2017)

Tuorein tutkimus aiheesta ehdottaa sähkökentän lisäämistä erotuslaitteistoon, jolloin elektroforeesin aiheuttama voima edesauttaa partikkelien erotusta membraanissa. Hydro- dynaamisten ja elektroforeesin voimien yhdistämistä erotuksen tehostamiseksi pidettiin lu- paavana kehityssuuntana jopa teollisen mittakaavan lajittelun aikaansaamiseksi. Laitteisto oli, sähkökenttää lukuun ottamatta, hyvin saman kaltainen kuin Makaben, Akamatsu et al.

(2017) tutkimuksessa. Teollisia sovelluksia silmällä pitäen tällä menetelmällä pystyttiin myös jatkuvatoimiseen erotukseen. Simulaatioilla todettiin sähkökentän ja hydrodynaa- misten voimien yhdistämisellä olleen merkittävä vaikutus partikkelien erotukseen koon

(21)

mukaan. Ehdotettiin myös, että jatkossa menetelmää voisi käyttää myös lajitteluun muiden partikkelien ominaisuuksien, kuten muodon tai lajiteltavan aineen kemiallisen koostumuksen ja fyysisten ominaisuuksien perusteella. (Lösch, Nikolaus et al. 2021)

3.6 Elektroninen vesiseulonta

Perinteisin menetelmin seulan käyttäminen alle mikrometrin partikkelien luokitukseen on käytännössä mahdotonta partikkelien kevyestä massasta johtuvan äärimmäisen pitkän, laskeutumisajan vuoksi. Laskeutumisaikaa saadaan kuitenkin lyhennettyä suorittamalla erotus siten, että erotus tapahtuu painovoiman sekä sähköisten vetovoimien avulla. (Yoshida, Fukui et al. 2009)

Yoshida, Fukui et al. (2009) esittelivät artikkelissaan uudenlaisen hienojen partikkelien erotusmenetelmän, joka perustui sedimentointiin ja lajiteltavan aine – vesi virtaukseen näh- den kohtisuoraan sähkökenttään. Heidän kehittämässä lajittelijassa lajiteltava aines syöte- tään laitteeseen sen ylälaidasta. Tällöin raskaat partikkelit vajoavat kevyitä nopeammin ja poistuvat laiteen toisesta päästä, sen alalaidasta. Sähkökenttä tehostaa lajittelua ja hidastaa kevyiden partikkelien vajoamista. Kevyet partikkelit poistuvat laitteen ylälaidasta. Huo- mattiin, että sähkökentän jännitettä muuttamalla pystytään lajiteltavien partikkelien medi- aanikokoa muuttamaan. Laitteella saavutettiinkin noin mikrometrin partikkelien lajittelu 10 voltin jännitteellä. Menetelmän etuna on myös sen mahdollinen käyttö jatkuvatoimi- sessa erotuksessa, mikä on teollisten sovellusten kannalta tärkeää. Sähkökentän vaikutus erotukseen perustuu elektroforeesiin, kuten hydrosyklonin tapauksessakin kappaleessa 3.1.

Shirasawa, Matsuzawa et al. (2017) sovelsivat tätä tekniikkaa pystysuorassa vesiseulas- saan. Siinä lajitteluastiaan asetetaan kaksi rei’itettyä metallista levyä vaakatasossa ja niiden välille johdetaan jännite. Lajiteltava suspensio syötetään laitteen keskitasosta sisään ja ylöspäin, jolloin kevyet partikkelit erottuvat laitteen ylitteeseen. Huomattavaa oli, että lajiteltavien partikkelien kokoa pystyttiin muuttamaan, jopa alle mikrometrin kokoisilla partikkeleilla, säätämällä jännitettä 0 ja 30 voltin välillä. 30 voltin jännitteellä saavutettiin jopa 0,55 mikrometrin katkaisukoko.

(22)

Yuan, Yu et. al. (2020) käsittelivät artikkelissaan samankaltaista vesiseulaa. He tutkivat lajiteltavan aineen syöttövirran ja sen konsentraation vaikutusta erotukseen, sekä haastei- den, kuten ongenkoukkuilmiön ja partikkelien kasautumisen vaikutuksia erotukseen. He päättelivät ongenkoukkuilmiön aiheutuvan lajittelijassaan, kun suuremmat partikkelit kul- jettavata mukanaan hienojakoisia partikkelien laskeutuessa lajittelijassa. Myös pienien partikkeleiden kasaantumisen epäiltiin aiheuttavan ongenkoukku -ilmiötä.

3.7 Heterokoagulaatio

Mielenkiintoinen menetelmä mikropartikkelien erotukseen, jota on laboratoriotasolla tutkittu, on heterokoagulaatioon perustuva erotus. Fujita, Ito, et al. (2007) tutkivat artikkelissaan (2007) uutta edullista tapaa erottaa alle mikrometrin nikkelipartikkeleita suuremmista valuttamalla se veden suspensiossa byretin ja sen sisältämän substraatin lävitse. Tässä erotus perustuu siihen, että suuremmat partikkelit liikkuvat laminaarin virtauksen sisällä kohti substraattia ja tarttuvat siihen samalla, kun pienet alle mikrometrin partikkelit virtaavat byretin lävitse. Substraattina kokeessa käytettiin kuonavillaa, lasihelmiä tai ohuita lasiput- kia. Kokeessa Fujita, Ito et al. selvittivät, että substraatin ja lajiteltavien partikkelien zeta- potentiaalien ollessa eri merkkiset, suuremmat partikkelit tarttuivat tehokkaasti substraat- tiin ja pienet partikkelit virtasivat byretin lävitse.

4. Luokitusmenetelmien tehostaminen

Alle mikrometrin kiintoainepartikkelien kysynnän kasvaessa, on syytä tutkia, kuinka eri luokitusmenetelmien luokituksen tarkkuutta tai luokituskapasiteettia voidaan parantaa.

Myös tapoihin, joilla lajittelijan katkaisukokoa saadaan pienennettyä, on perehdyttävä.

Keinoja lajittelijoiden tehostamiseen on monia, mutta lajittelijan rakenteen ja lajiteltavan aineen koostumuksen optimointi lienevät yleisimpiä.

(23)

4.1 Kaasu- ja hydrosyklonien tehostaminen

Saavuttaakseen riittävän pienen partikkelikoon erotuksen, täytyy syklonien olla kooltaan pieniä sekä niissä käytettävän painehäviön on oltava suuri. Tyypillinen alle mikrometrin katkaisukokoon kykenevä hydrosykloni on halkaisijaltaan vain noin 20 mm ja toimii korkealla painehäviöllä.

Eri syklonin osien, varsinkin syklonien sisäiseen virtaukseen vaikuttavien osien, vaikutusta on tutkittu laajalti. Näihin kuuluvat muun muassa syklonin suutinten määrä, niiden muoto ja syklonin pohjalla sijaitsevan kartio-osan (eng. apex cone) lisääminen sekä sisäisen ulostuloputken (eng. vortex finder) mitat.

Raoufi, Shams et. al. (2008) tutkivat kaasusyklonin ulostuloputken mittojen vaikutusta laitteen suorituskykyyn. He simuloivat erikokoisia ja muotoisia ulostuloputkia ja huomasivat näiden välillä eroja painehäviöissä. Huomattavaa oli myös, että mitä suurempi ulostuloputken halkaisija oli, sitä enemmän partikkeleita jäi lajitellulle puolelle. Erotus oli siis tehok- kaimmillaan halkaisijaltaan pienimmällä ulostuloputkella.

Elsayed ja Lacor totesivat tutkimuksessaan (2013) ulostuloputken halkaisijan laskiessa myös painehäviön laskevan, mutta painehäviö kasvoi hieman putken pituutta lisätessä.

Myös tangentin suuntaisen partikkelin maksiminopeuden huomattiin laskevan hieman ulostuloputken halkaisijaa kasvattaessa. Kun putken halkaisijaa laskettiin 40 % kasvoi partikkelien maksiminopeus 25 %.

Yoshida, Inada et. al. (2009) esittivät, että käyttämällä kahta kaasuilmaseoksen syöttöä yhden sijaan, kaasusyklonin katkaisukoko pienenee ja lajittelun tarkkuus kasvaa. Brar ja El- sayed (2017) kehittivät periaatetta pidemmälle optimoidessaan kahdella aineen sisään- syötöllä varustettua kaasusyklonia. He huomasivat virtaamien välisen suhteen ja sisään- syöttöjen leikkauksen pinta-alojen välisen suhteen olevan kaasusyklonin katkaisukoon, lajittelun tehokkuuden ja painehäviön kannalta merkittäviä.

Kaasusyklonin pohjalle, karkean osan keräysastian päälle, asetettavaa kartiota voidaan myös käyttää kaasusyklonin tehostamiseen. Sen toiminta perustuu syklonin pohjalta, karkean lajitellun aineksen seasta, pyörivien ylöspäin suuntautuneiden virtausten vähentämi- seen. Kaasusyklonin lajittelun tehokkuus kasvoi huomattavasti kartiota käyttävässä

(24)

mallissa verrattuna malliin ilman kartiota. Optimaaliseksi kartion huipun kulmaksi havaittiin 70°. (Yoshida, Nishimura et al. 2010)

Hydrosykloniin pätevät pääosin samat tekijät kuin kaasusykloniinkin. Pienin katkaisukoko saavutetaan pienellä hydrosyklonin halkaisijalla ja korkealla painehäviöllä. Kaasusyklo- neista poiketen hydrosykloneissa voi olla järkevää käyttää elektroforeesia hyödyksi lajittelun tehostamista varten partikkelien sähköisiä varauksia hyödyntämällä. Kuitenkin myös itse hydrosyklonin rakennetta voi optimoida.

Zhang, Wei et. al. (2017) tutkivat Kuvassa 6 nähtävää lajiteltavan aineen syöttöputken kaa- revuuden positiivista vaikutusta lajitteluun. Pienemmällä syötön kaarevan alueen säteellä huomattiin partikkelien tangentin suuntaisen nopeuden kasvavan. Tällä taas on positiivinen vaikutus lajittelijan katkaisukokoon sekä lajittelun tarkkuuteen.

KUVA 6. Ye, Xu et. al. kehittämä luokituksen kannalta optimaalinen kaksiosainen suppilo. Kuvassa nähtävissä myös kaareva lajiteltavan aineen sisäänsyöttöputki (Ye, Xu et.

al. 2019).

(25)

Ye, Xu et. al. (2019) pyrkivät hydrosyklonin sisäistä virtausta mallintamalla selvittämään lajittelun tehokkuuden ja terävyyden kannalta optimaalisen suppilon (eng. hopper) mittoja ja muotoa. Heidän tutkimuksensa keskittyi yhdentoista eri pituisen ja muotoisen suppilon tarkasteluun. Näistä luokituksen kannalta tehokkaimmaksi osoittautui malli, jonka suppilo oli jaettu kahteen alueeseen, pitkään ylempään suppiloon ja lyhyempään alempaan suppiloon.

Tue Nenu, Hayase et. al. (2010) tutkivat elektroforeesia hyödyntävässä hydrosyklonissaan syötön konsentraation ja virtaaman sekä lajiteltavan seoksen pH -arvon vaikutusta lajittelun suorituskykyyn. He huomasivat tutkimuksessaan, että syötön virtaamaa vähentämällä syklonin lajittelun teho ja terävyys kasvoivat. Tämän pääteltiin johtuvan siitä, että elektroforeesi vaikuttaa yksittäisiin partikkeleihin kauemmin vähäisellä syötön virtaamalla. Myös jännitteen lisääminen lajittelijassa paransi suorituskykyä

Samassa artikkelissa käsiteltiin pH -arvon vaikutusta lajitteluun. Kokeessaan he tutkivat negatiivisesti varautuneiden hienojakoisten pii partikkeleiden luokitusta. Lajiteltavan seoksen pH:n kasvattamisen huomattiin lisäävän partikkeleiden negatiivista varausta, jonka an- siosta lajittelu tehostui. Seoksen pH:ta tutkittiin välillä 6–9 ja sen kontrolloimiseen käytet- tiin 0,1 molaarista NaOH -liuosta. (Tue Nenu, Hayase et al. 2010)

4.2 Sentrifugisen lajittelijan tehostaminen

Sentrifugisen lajittelijan rakenne koostuu pitkästä ja kapeasta sylinterimäisestä kulhosta, joka pyörii voimakkaasti akselinsa ympäri. Sylinterimäisen sentrifugisen lajittelijan on todettu soveltuvan alle mikrometrin partikkelien lajitteluun esimerkiksi sykloneita parem- min, sillä sentrifugilla on saavutettavissa suurempi partikkeleihin kohdistuva keskipakoisvoima (Yamamoto, Kageyama et al. 2016). Alle mikrometrin kokoluokassa lajittelu vie kuitenkin sentrifugienkin lajittelukyvyn äärirajoille. Tästä syystä lajittelijan toimintaa on syytä kehittää ja parantaa jatkuvasti mikro ja nanopartikkelien kysynnän noustessa.

Kuten kappaleessa 3.3 kävi ilmi, on tavanomaista, että sentrifugin pyörivän sylinterin sisä- puolelle asennetaan kaksi kohtisuoraa lapaa manipuloimaan lajittelijan sisäistä neste-kiintoaine virtausta lajittelun eduksi. Tämä yksinkertainen rakenne kuitenkin jättää lajittelijan keskelle, jossa pyörimisnopeus ja keskipakoisvoima ovat heikompia, paljon tyhjää tilaa.

(26)

Tämä ongelma voidaan ratkaista asentamalla lapojen yhteyteen sentrifugin sisälle sylinteri, joka estää partikkelien ajautumisen sentrifugin keskelle ja pitää partikkelit lähellä sentrifugin reunoja, jossa keskipakoisvoimat ovat suuret. Tämän todettiin parantavan lajittelun tehokkuutta ja terävyyttä huomattavasti. Lisäksi lajittelun tehokkuuden huomattiin kasvavan sisäisen sylinterin halkaisijaa kasvattamalla lähelle lapojen ulkoreunaa. Samalla kuitenkin lajittelijan painehäviö kasvoi. (Yamamoto, Watanabe et al. 2009)

Sylinteristä ja lavoista koostuvaa keskusrakennetta kehitettiin vielä eteenpäin. Tavoitteena oli säilyttää, ja parantaa, lapa-sylinteri mallisen keskusrakenteen tuomat edut ja estää pai- nehäviön kasvaminen lajittelijassa. Tämä saavutettiin lisäämällä syliterin ympärille neljä rengasta vaakatasoon. Tämä johtuu renkaiden vaikutuksesta partikkelien liikerataan sentrifugin sisällä. Sileällä sylinterillä partikkelit liikkuvat liki kohtisuorassa sylinteriin nähden, mutta kun rakenteeseen lisätään renkaat vaakatasoon, muuttuu partikkelien liike sylinteriin nähden aaltoilevaksi renkaiden kohdalla. Tämä todettiin simuloimalla partikkelien liikera- toja eri mallisilla sentrifugin keskusrakenteilla. (Yamamoto, Kageyama et al. 2016) Sentrifugi on partikkelien lajitteluun erissä hyvin soveltuva laite, mutta laitteen likaantumisesta johtuvan lajittelijan suorituskyvyn heikkenemisen vuoksi se soveltuu jatkuvatoimiseen käyttöön huonosti. Jatkuvatoiminen lajittelu taas on teollisten lajittelumäärien kannalta tehokkain tapa tuottaa jauheita. Konrath, Hackbarth et. al. (2014) tutkivat mahdollista jatkuvatoimista sylinterimäistä sentrifugia, jossa valonsirontasensoria hyödyntämällä visu- alisoitiin lajittelun aikana sedimentoitumisesta johtuvaa suorituskyvyn heikkenemistä. La- jiteltavan aineen sedimentoitumisen negatiivinen vaikutus pystyttiin korjaamaan sentrifugin pyörimisnopeutta säätämällä. Tutkijat arvioivat tekniikan olevan askel kohti jatkuvatoimista sentrifugista lajittelijaa.

4.3 Dynaamisten lajittelijoiden tehostaminen

Roottorin pyörimisliikkeeseen perustuvien, eli dynaamisten, lajittelijoiden tehostamisesta ja optimoinnista liittyen alle mikrometrin partikkelikoon erotukseen on viime vuosina tehty vain niukasti tutkimusta. Tämä voi johtua siitä, että partikkelien lajittelu ilmassa on käy- tännöllisempää esimerkiksi kaasusyklonilla. Myös partikkelien lajittelu kokonaisuudes- saan vaikuttaa olevan yleisempää vesiliuoksessa. Tämä voi olla, koska partikkelit

(27)

dispergoituvat helpommin veden suspensiossa kuin ilmassa, tai jauheiden käsittely veden suspensiossa on vain käytännöllisempää (Fukasawa, Ono et al. 2020). Dynaamisilla lajit- telijoilla voi kuitenkin olla käyttöä eräänlaisena esilajittelijana, joka erottaa esimerkiksi alle 10 mikrometrin partikkelit jauheesta ennen lopullista hienoa lajittelua.

Guizani, Mhiri et. al. (2017) tutkivat dynaamisessa lajittelijassa lajitellun hienon ulostuloputken muodon ja putkien määrän vaikutusta lajittelijan sisäiseen ilma-kiintoaine virtaukseen ja täten lajittelijan suorituskykyyn. He huomasivat, että lajittelijan malli, jossa hienojakoinen materiaali poistui yhden putken sijaan neljästä, oli lajittelun suorituskyvyltä parempi. Usealla ulostuloputkella lajittelijan sisäiset tangentin suuntaiset virtausnopeudet sekä painehäviö olivat suurempia. Ulostulojen muodon vaikutuksen havaittiin olevan vä- häisempi. Vaikka ulostulojen määrään lisäämisellä ei ollut vaikutusta lajittelijan katkaisukokoon, havaittiin negatiivisen ongenkoukku -ilmiön olevan lievempi lajittelijalla, jossa oli neljä hienon aineksen ulostuloputkea.

Myös lajittelijassa pyörivän roottorin lapojen muodon ja kulman vaikutusta lajittelijan suorituskykyyn ja katkaisukokoon on tutkittu. Eräässä tutkimuksessa todettiin, että mitä pienempi roottorin lapojen kallistuskulma oli, sitä pienempi katkaisukoko ja suurempi lajittelijan tehokkuus saavutettiin (Wang, Ge et al. 1999). Toisessa tutkimuksessa keskityttiin lapojen kulman lisäksi niiden muotoon. Suorien lapojen sijaan käyttämällä hieman kaare- via lapoja huomattiin positiivinen vaikutus sekä lajittelijan katkaisukokoon, että lajittelun tehokkuuteen (Ren, Liu et al. 2016).

4.4 Suodatukseen ja seulontaan perustuvien menetelmien tehostaminen

Kuten aiemmassa kappaleessa kävi ilmi, on membraaneihin perustuvassa mikrosuodatuk- sessa suurimpana haasteena membraanin tukkeutuminen niin sen sisä-, kuin myös ulkopin- noiltakin. Nämä ongelmat pystytään kuitenkin minimoimaan suorittamalla suodatus korkealla virtaamalla ja elektrolyyttejä sisältävässä liuoksessa. (Makabe, Akamatsu et al.

2016) (Makabe, Akamatsu et al. 2019)

Elektroforeesia hyödyntävän vesiseulan on hiljattain havaittu olevan potentiaalinen laite alle mikrometrin kokoluokan kiintoainepartikkelien luokitukseen. Yuan, Yu et. al. (2020)

(28)

tutkivat syötön ja syötön konsentraation sekä seulassa käytettävien levyjen välisen jännit- teen vaikutusta luokituksen tehokkuuteen. Tutkimuksen tuloksena saatiin selville, että luokituksen tehokkuus näytti kasvavan lisätessä syötön virtaamaa ja syötön kiintoainekonsent- raatiota. Lajittelijan katkaisukoko pieneni levyjen välistä jännitettä lisäämällä. Pienin katkaisukoko saavutettiin 150 V jännitteellä. (Yuan, Yu et al. 2020)

Myös Shirazawa, Matsuzawa et. al. (2017) päätyivät tutkimuksessaan katkaisukoon kannalta samaan tulokseen. Heidän kokeissaan käyttämä jännite oli kuitenkin huomattavasti matalampi, noin 30 V.

4.5 Dispersioaineiden vaikutus veden suspensiossa

Veden suspensiossa tapahtuvassa hienon jauhemaisen kiintoaineen lajittelussa on järkevää käyttää dispersioaineita (eng. dispersing agent). Tällä voidaan vähentää muun muassa partikkeleiden kasaantumista, joka on eräs hienon kiintoaineen lajittelun haasteista. Yleisin veden suspensiossa käytettävä dispersioaine lienee polyelektrolyytit, joilla saavutetaan korkea dispersio (Li, Chang et al. 2017). Uusia, ominaisuuksiltaan parempia, dispergoin- tiaineita, tutkitaan ja kehitetään kuitenkin jatkuvasti.

Li, Chang et. al. (2017) tutkivat artikkelissaan uudenlaisen rakenteeltaan monimutkaisen polyakrylaatin, käyttäytymistä dispergointiaineena. He huomasivat sen olevan kaupallisiin polyakrylaatteihin verrattuna parempi dispergoimaan jauhemaisia aineita veden suspensiossa.

Myös ultraäänien käyttäminen suspensioiden dispergoimiseksi on tavallista. Tätä voidaan käyttää partikkeleiden kasautumisen estämisessä esimerkiksi silloin, kun suspension se- koittaminen on mahdotonta Ultraäänien aiheuttamat aallot aiheuttavat suspensiossa kiintoainepartikkelien törmäämisen, mikä auttaa partikkelien kasaantumien hajottamisessa.

(Sato, Li et al. 2008)

(29)

5. Johtopäätökset

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, esimerkiksi pinnoite- ja kosmetiikkateollisuuden tarpeita varten. Näissä sovelluksissa raaka- aineen ominaisuudet yleisesti ottaen paranevat partikkelikoon pienentyessä ja osassa teollisuuden 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 kirjallisuuskatsauksessa 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 tietoa. Tämä voi mahdollisesti kertoa näiden laitteiden yleisyydestä tosielämän jauheen luokittelun prosesseissa ja ainakin niiden soveltuvuudesta alle mikrometrin hienojakoisen jauheen 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 ensimmäinen päävaihe on raaka-aineen saattaminen tarpeeksi pieneen partikkelikokoon esimerkiksi jauhamalla ja etenkin

(30)

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.

(31)

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 simulation 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-metallurgy-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 classification 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.

(32)

GUIZANI, R., MHIRI, H. and BOURNOT, P., 2017. Effects of the geometry of fine powder outlet on pressure drop and separation performances for dynamic separators. Powder 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 classification 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 interface science, 506, pp. 180-187.

LIM, K.S., LEE, K.W. and KUHLMAN, M.R., 2001. An experimental study of the performance 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.

(33)

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 simulation 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.

(34)

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 classification. 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 purification 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.

(35)

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.

(36)

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.