Väittelijä kehitti ratkaisuja staattisen sähkön aiheuttamiin jauheteollisuuden ongelmiin (FM Janne Peltonen, 25.5.2019, fysiikka)
Teollisissa prosesseissa, joissa käsitellään toisiaan vasten hankautuvia eristäviä jauheita, esiintyy lähes aina merkittävissä määrin sähköistä varautumista. Tämä aiheuttaa ongelmia esimerkiksi jauheiden kuljetukseen, sekoitukseen ja pakkaamiseen. Janne Peltonen tutki Turun yliopistoon tekemässään fysiikan alan väitöskirjassa uusia menetelmiä, joilla voidaan mitata hankausvarautumisen vaikutusta jauheiden ja jauheseosten käyttäytymiseen.
Staattinen sähkö on arkipäiväinen, usein varsin ikäväksi koettu ilmiö, joka on seurausta materiaalien hankausvarautumisesta. Pinnat varautuvat hangattaessa jopa kilovolttien jännitteisiin. Staattisen sähkön purkautuminen voi tapahtua esimerkiksi kosketuksessa metallisen ovenkahvan tai portaikon kaiteen kanssa, jolloin voidaan kokea epämiellyttävä sähköisku.
– Keinokuitupaitaa vasten varattu ilmapallo voi helposti olla niin sähköinen, että se tarttuu paitaan kiinni eikä putoa maahan. Aivan vastaavasti varautuneet jauheet tarttuvat esimerkiksi tuotantolinjaston pinnoille, minkä takia tuotanto voidaan joutua toistuvasti keskeyttämään puhdistusta varten. Liian sähköisiä jauheita voi olla vaikeaa, jos ei jopa mahdotonta, punnita tarkasti. Jauheseoksen pitoisuus voi olla pielessä, jos toinen materiaali on varautumisen takia takertunut siirtolinjastoon kiinni, Peltonen sanoo.
Staattisen sähkön teoria on ilmiön arkipäiväisyydestä huolimatta erittäin huonosti tunnettu. Tästä syystä sen aiheuttamat ilmiöt on aina mitattava tapauskohtaisesti. Tärkeimpiä mitattavia asioita ovat varaus ja materiaalien resistiivisyys. Varaus kuvaa kertyvän sähköisyyden määrää ja resistiivisyys sitä, kuinka nopeasti kertynyt varaus pääsee purkautumaan. Tilannetta hankaloittaa se, että materiaalin varautuminen ei riipu vain materiaalista itsestään: oleellista on myös materiaali, jota vasten se hankautuu.
Peltonen kehitti tutkimuksessaan uusia menetelmiä juuri varautumisen ja resistiivisyyden mittaamiseksi todellisten jauheteollisuuden prosessien näkökulmasta.
– Teollisuuden leijupetireaktoreissa, esimerkiksi muovien tuotannossa, jauheita leijutetaan ylöspäin virtaavan kaasun avulla, jolloin ne varautuvat voimakkaasti. Tutkimuksessani kehitimme työryhmän kanssa mittausantureita, joilla varautumisen reaaliaikaista kehitystä voidaan seurata. Siten voidaan ennalta välttyä varautumisen aiheuttamilta ongelmilta, Peltonen kertoo.
Uudella mittausmenetelmällä tuloksia nopeammin
Peltonen tutki jauheiden varautumista prosesseissa, joissa jauheet liukuvat pintaa pitkin.
– Lääkejauheiden varautuminen voi heikentää esimerkiksi jauheinhalaattorin toimintaa. Työssäni tutkimme työryhmän kanssa lääkejauheseosten varautumista eri kosteuksissa, kun jauhe liukuu pintaa pitkin. Kosteuden lisääminen vähensi varautumista, mutta sai aikaan sen, että jauhepartikkelit takertuivat toisiinsa kiinni, Peltonen sanoo.
– Havaitsimme, että tietyillä pitoisuuksilla jauhe ei juurikaan varautunut. Syynä tähän oli se, että liu’utuspintaan tarttui jauhetta. Jos jauhe liukui tällaista pintaa vasten, jäivät kosketukset jauheen ja pinnan välillä vähäisiksi. Seurauksena jauhe oli lähes varauksetonta, Peltonen jatkaa.
Peltonen tutki lisäksi jauheseosten resistiivisyyttä. Jauheiden resistiivisyyden tutkimiseksi Peltosen työryhmä kehitti menetelmän, jossa resistiivisyyden riippuvuus kosteudesta saatiin mitattua huomattavasti nopeammin kuin perinteisesti on mitattu.
– Perinteisellä tavalla jauheen kosteuden annetaan kussakin kosteudessa tasoittua ennen mittauksen suoritusta. Jos mittauksia tehdään useissa kosteuksissa, vie mittaussarja kokonaisuuksissaan viikkoja. Uudessa menetelmässä ideana oli mitata resistiivisyyttä reaaliaikaisesti, kun jauhe kostuu kuivasta kosteaksi. Tätä varten piti kehittää uusi mittausjärjestely. Uudella menetelmällä mittaukset saadaan suoritettua jopa yhdessä vuorokaudessa, Peltonen kertoo.
***
FM Janne Peltonen esittää väitöskirjansa “Electrostatic instrumentation and measurements on powders and powder mixtures” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 25.5.2019 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori Maciej Noras (University of North Carolina at Charlotte, Yhdysvallat) ja kustoksena professori Petriina Paturi (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.
Väittelijän yhteystiedot: 0405373976, jamape@utu.fi
