Cake filtration of recycled cemented carbide powder

Abstract

Cake filtration is one of the most common ways to separate solid and liquid phases from each other. In cake filtration, the solid material accumulates on top of the filter medium, forming a cake layer. The properties of this filter cake, such as specific cake resistance, compressibility, and porosity, have a significant effect on the filtration. Some filter cake properties, most importantly specific cake resistance, can be determined with a series of constant pressure filtration experiments. Knowledge of filter cake properties is an essential part of cake filtration process design, and can be used e.g., in scale-up of the process.

In addition to filter cake properties, it is often advisable to examine properties of the solid particles in the slurry. Particle properties, i.e., particle size and shape, particle size distribution and particle interactions in solution environment affect the filtration by influencing the aforementioned filter cake properties. Particle properties of the slurry can be altered by changing conditions in previous process steps, or by physical or chemical pretreatment of the slurry. Chemical pretreatment methods include addition of flocculating or coagulating agents, and addition of filter aids.

In the experimental part, the effect of leaching conditions on the slurry filtration properties was examined with two recycled cemented carbide samples. The effect of acid (H₂SO₄) concentration, leaching time and filtration pressure to the specific resistance of the filter cake was tested with a series of leaching and filtration experiments. The original hypothesis is that advanced leaching erodes the particle properties of the slurry, making the filtration more challenging. The hypothesis was tested by analyzing the particle properties before and after leaching, in addition to analysis of leaching results. Ways to improve the filtration were suggested based on the literature part of the thesis, along with topics for further research.

Kakkusuodatus on yksi yleisimmistä kiintoaineen ja nesteen erotusmenetelmistä. Kakkusuodatuksessa kiintoaine kasaantuu suodatinmateriaalin päälle, muodostaen huokoisen kerroksen eli suodatuskakun materiaalin pinnalle. Tämän suodatuskakun ominaisuuksilla, kuten kakun ominaisvastuksella, puristuvuudella ja huokoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuksen kulkuun. Suodatuskakun ominaisuuksia, merkittävimpänä kakun ominaisvastus, voidaan määrittää toteuttamalla sarja suodatuskokeita vakiopaineissa. Suodatuskakun ominaisuuksien selvittäminen on tärkeä osa painesuodatusprosessin suunnittelua, sillä niitä voidaan käyttää esimerkiksi suodatusprosessin mitoittamisessa.

Suodatuskakun ominaisuuksien lisäksi myös lietteen partikkeliominaisuuksien tutkinta on usein aiheellista. Partikkeliominaisuudet, eli partikkelien koko ja muoto, partikkelikokojakauma, sekä partikkelien keskeiset vuorovaikutukset liuosolosuhteissa vaikuttavat lietteen suodatusominaisuuksiin suodinkakun ominaisuuksien kautta. Lietteen partikkeliominaisuuksia voidaan modifioida esimerkiksi muuttamalla suodatusta edeltävien prosessivaiheiden olosuhteita, tai lietteen fysikaalisilla tai kemiallisilla esikäsittelyillä. Kemiallisina esikäsittelykeinoina voidaan käyttää esimerkiksi flokkulantteja, koagulantteja, tai suodatuksen apuaineita.

Työn kokeellisessa osassa tutkittiin liuotusolosuhteiden vaikutusta kahden kierrätysmetallinäytteen lietteiden suodatusominaisuuksiin. Liuotus- ja suodatuskokeissa tutkittiin käytetyn hapon (H₂SO₄) määrän, liuotusajan ja suodatuspaineen vaikutusta suodinkakun vastuksen suuruuteen. Liuotuksen oletettiin edetessään heikentävän lietteen partikkeliominaisuuksia, ja tekevän näin näytteen suodatuksesta haasteellisempaa. Tätä hypoteesia arvioitiin tutkimalla kokeellisesti näytteen partikkeliominaisuuksia ennen ja jälkeen liuotuksen, sekä liuotuksen saantoa. Keinoja suodatusominaisuuksien parantamiseksi, sekä jatkotutkimuskohteita esiteltiin työn kirjallisen osan pohjalta.