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Dokumentenidentifikation DE10235866A1 04.03.2004
Titel Verfahren zur thermischen Behandlung von Kieselgur, thermisch behandelte Kieselgur und Verwendung einer derartigen Kieselgur
Anmelder Technische Universität München, 80333 München, DE;
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 91058 Erlangen, DE
Erfinder Ruß, Winfried, Dr., 85405 Nandlstadt, DE;
Meyer-Pittroff, Roland, Prof. Dr., 85354 Freising, DE;
Mörtel, Heinrich, Dr., 91096 Möhrendorf, DE
Vertreter Patentanwaltskanzlei Liermann-Castell, 52349 Düren
DE-Anmeldedatum 05.08.2002
DE-Aktenzeichen 10235866
Offenlegungstag 04.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.03.2004
IPC-Hauptklasse B01J 20/14
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur thermischen Behandlung von Kieselgur wird vor oder während der thermischen Behandlung der Kieselgur mindestens ein kristallchemischer Inhibitor zugegeben. Vorzugsweise werden als kristallchemischer Inhibitor Kaliumverbindungen zugegeben. Calziumionen können die Kristallphasenbildung begünstigen.
Eine derartige Behandlung führt zu einer Kieselgur mit einem Glühverlust von unter 2%, die weniger als 1% Cristobali aufweist.
Eine derartige Kieselgur eignet sich insbesondere zur Tiefenfiltration von flüssigen Medien.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kieselgur, eine thermisch behandelte Kieselgur mit einem Glühverlust von unter 2 %, vorzugsweise unter 1 %, und eine Verwendung einer derartigen Kieselgur.

Kieselgur ist ein feinkörniges, lockeres, leichtes zu den Kieselgesteinen gehörendes kreideartiges Sediment. Da Kieselgur von Organismen stammt, enthält sie auch kleine Mengen von Phosphor, Schwefel, Calcium, Titan und dergleichen. Die gewöhnliche geglühte Kieselgur ist chemisch sehr widerstandsfähig und besteht aus den sehr mannigfaltig geformten Kieselsäure-gerüsten einzelliger, mikroskopisch kleiner Algen (Diatomeen). Die vom Sandanteil gereinigte Kieselgur wird durch Trocknen in Drehöfen und anschließendes Erhitzen auf ca. 700 °C aufbereitet. Das Erhitzen oder Glühen dient dazu organische Substanzen zu verbrennen, wodurch die Kieselgur gereinigt wird. Ein Erhitzen auf höhere Temperaturen führt zum Kalzinieren, wobei die Kieselgur weiß und inert wird. Das Fluxkalzinieren mit einem Flussmittel führt zu einem Sinterprozess und damit zu gröberen Korngrößen.

Kieselgur wird zum Beispiel für die Tiefen- oder Anschwemmfiltration von schwerfiltrierbaren Medien benötigt. Ein typisches Einsatzbeispiel ist die Bierfiltration. Nach Gärung und Lagerung müssen aus dem Bier zur Erzielung einer bestimmten Glanzfeinheit und Stabilität Mikroorganismen und Eiweißtrübstoffe entfernt werden. Diese Stoffe belegen und blockieren sehr schnell jede Membranoberfläche. Um dies zu vermeiden, wird bei einer Tiefenfiltration die Kieselgur als hochporöses Filterhilfsmittel der Strömung beidosiert. Dieses Filterhilfsmittel bewirkt einen ständigen Neuaufbau der Partikeloberfläche und einen räumlichen Einbau der abfiltrierten Partikel. Bei der Filtration von Bier sind Kieselgurdosagen zwischen 80 und 200 g/hl üblich.

Natürliche Kieselguren können nach dem Abbau aus natürlichen Lagerstätten einem Brennprozess zur Entfernung organischer Bestandteile unterzogen werden. Werden die Temperaturen unter 500 °C gehalten, so bleibt die amorphe Struktur des Siliziumdioxidanteils weitgehend erhalten. Bei höheren Brenntemperaturen entsteht vermehrt kristallines Siliziumdioxid in verschiedenen Strukturmodifikationen.

Kalzinierte Kieselguren enthalten Siliziumdioxid zu 20–25 Mass.-% als Quarz und bis zu 30 Mass.-% Cristobalit. Fluxkalzinierte Kieselguren enthalten bis 45 Mass.-% Cristobalit.

Die Korngrößenverteilung liegt zu 80% zwischen 1 und 50 &mgr;m. Kieselgur ist deshalb derzeit als mindergiftig einzustufen. Der entsprechende MAK-Wert liegt bei 0,3 mg/m3.

Die International Agency for Research on Cancer (IARC) der WHO stuft Quarz und Cristobalit in Kieselguren in die höchste Krebsrisikoklasse 1 ein.

Diese Einstufung führt zu arbeitsschutzrechtlichen und entsorgungstechnischen Problemen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kieselgur zu entwickeln, das zu einer thermisch behandelten Kieselgur führt, die weniger gesundheitsgefährdend ist. Außerdem wird eine bevorzugte Verwendung einer derartigen Kieselgur vorgeschlagen.

Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe mit einer thermischen Behandlung von Kieselgur gelöst, bei der vor oder während der thermischen Behandlung der Kieselgur mindestens ein kristallchemischer Inhibitor zugegeben wird.

Vorteilhafterweise hat sich herausgestellt, dass durch den Einsatz kristallchemischer Inhibitoren die Bildung von Cristobalit bei der thermischen Behandlung von Kieselgur gesenkt werden kann.

Bei einer thermischen Behandlung von Kieselgur wird vorzugsweise von Temperaturen zwischen 100 und 1500 °C ausgegangen. Vorteilhaft sind Temperaturen über 500°C wie beispielsweise von etwa 700°C.

Unter den einsetzbaren unterschiedlichen kristallchemischen Inhibitoren haben sich die Kaliumverbindungen als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Verwendung von Kaliumverbindungen ermöglicht es sogar im wesentlichen cristobalitfreie gesinterte Kieselgur herzustellen.

Eine vorteilhafte Verfahrenvariante sieht vor, dass die Kieselgur zur Partikelvergröberung gesintert wird und der kristallchemische Inhibitor vor der Sinterung zugegeben wird oder zugleich als Flussmittel für eine Fluxkalzinierung verwendet wird.

Eine andere Verfahrensvariante sieht vor, dass zur Vergröberung zwischen Kiselgurpartikeln Kristallphasen gebildet werden und dabei der kristallchemische Inhibitor zugegeben wird.

Vorteilhaft ist es, wenn aus Kalzium, Silizium und Wasser bzw. Wasserstoff C-S-H-Phasen gebildet werden. Derartige kristalline CSH-Phasen verbinden die Kieselgurpartikel. Das vergröberte Gemisch wird anschließend getrocknet und gegebenenfalls gemahlen.

Zur Kristallphasenbildung können Calziumionen zugegeben werden. Der Einsatz von Calzium begünstigt, insbesondere bei höheren Temperaturen, die Bildung von Cristobalit und Tridymit der nicht zu CSH-Phasen verbrauchten Kieselsäure. Diese Reaktion kann jedoch erfindungsgemäß durch kristallchemische Inhibitoren unterbunden werden.

Vorteilhaft ist es, wenn zur Kristallphasenbildung eine wässrige Phase in geschlossenem Behälter auf mindestens 100 °C erhitzt wird. Gerade der Überdruck im geschlossenen Behälter führt in der wässrigen Phase zu einer vorteilhaften Kristallphasenbildung.

Versuche haben gezeigt, dass die wässrige Phase auf mindestens 200 °C, vorzugsweise auf etwa 300 °C erhitzt werden sollte, um bei noch moderaten Drücken die chemische Reaktion zu beschleunigen.

Durch die beschriebene thermische Behandlung entsteht eine vergröberte Kieselgur, die anschließend durch einen Mahlprozess auf eine definierte Partikelgröße zerkleinert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer thermisch behandelten Kieselgur mit einem Glühverlust von unter 2%, vorzugsweise unter 1 %, die weniger als 1 % Cristobalit aufweist. Eine derartige Kieselgur hat gegenüber den bisher verwendeten Kieselguren keinerlei technische Nachteile. Der geringe Prozentsatz an Cristobalit erleichtert den Umgang mit der Kieselgur und ist für die mit der Kieselgur in Berührung kommenden Personen von größtem Vorteil, da bei der Verwendung dieser Kieselgur das Krebsrisiko zumindest deutlich reduziert wird.

Dies ist besonders relevant für die Verwendung thermisch behandelter Kieselguren zur Tiefenfiltration von flüssigen Medien. Beim Filtrationsprozess wird die Kieselgur teilweise offen gelagert und transportiert, um die Kieselgur in größere Behältnisse zu schütten. Dabei entsteht erheblicher Staub, der von den Arbeitern zwangsläufig eingeatmet wird. Gerade diese Staubbelastung, führt jedoch zu arbeitsschutzrechtlichen Bedenken und zu einer starken Belastung des Personals.

Ein Ausführungsbeispiel zur thermischen Behandlung von Kieselgur wird im Folgenden näher beschrieben.

Unterschiedliche Kieselguren werden mit stark basischen Calziumverbindungen wie beispielsweise Branntkalk in wässrigem Milieu mit Kaliumionen wie beispielsweise Kalilauge vermischt und unter Druck bei etwa 250 bar auf Temperaturen bis maximal 300 °C erhitzt. Dieser Autoklarierungsprozess wird bei Temperaturen zwischen 200 bis 300 °C durchgeführt. Bei Sattdampfbedingungen entstehen somit die entsprechenden Drücke. Hierbei entstehen aus dem Calzium, dem Silizium und dem Wasser kristalline CSH-Phasen, die dazu führen, dass sich die Kieselgurpartikel zu größeren Partikeln verbinden. Dass hierdurch vergröberte Gemisch wird anschließend getrocknet und gegebenenfalls . auf eine definierte Korngrößenverteilung gemahlen.

Insbesondere bei den verwendeten höheren Temperaturen begünstigt der Einsatz von Calzium die Bildung von Cristobalit und Tridymit, der nicht zu CSH verbrauchten Kieselsäure. Diese Reaktion wird jedoch durch kristallchemische Inhibitoren unterbunden, die in Form der Kalilauge als Kaliumverbindung der Kieselgur zugegeben werden bzw. die Ca-Quelle wird durch eine K-Quelle ersetzt. Die CSH-Phase besteht dann aus K-Ionen, Si-Ionen und Wasser.

Eine alternative thermische Behandlung sieht vor, dass Kieselguren mit Kaliumverbindungen vermischt werden und die Mischung anschließend gebrannt wird. Die thermische Behandlung führt zu einer Hygienisierung der Kieselgur. Das durch die Behandlung vergröberte und gegebenenfalls gesinterte Gemisch ist in Folge der Zugabe der Kaliumverbindungen cristobalitfrei und kann anschließend gemahlen werden, um eine Kieselgur mit einer definierten Korngrößenverteilung zu erhalten.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Kieselgur, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während der thermischen Behandlung der Kieselgur mindestens ein kristallchemischer Inhibitor zugegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselgur bei Temperaturen von 100 °C bis 1.500 °C, vorzugsweise über 500 °C behandelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kristallchemische Inhibitor eine Kaliumverbindung ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselgur zur Partikelvergröberung gesintert wird und der kristallchemische Inhibitor vor der Sinterung zugegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kieselgur zur Vergröberung Kristallphasen gebildet werden und dabei der kristallchemische Inhibitor zugegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Kalzium, Silizium und Wasser bzw. Wasserstoff C-S-H-Phasen gebildet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kristallphasenbildung Kalziumionen zugegeben werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kristallphasenbildung eine wässrige Phase in geschlossenem Behälter auf mindestens 100 °C erhitzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase auf mindestens 200 °C, vorzugsweise etwa 300 °C, erhitzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor vergröberte Kieselgur durch einen Mahlprozess auf eine definierte Partikelgröße zerkleinert wird.
  11. Thermisch behandelte Kieselgur mit einem Glühverlust von unter 2 %, vorzugsweise unter 1 %, dadurch gekennzeichnet, dass sie weniger als 1 % Kristobalit aufweist.
  12. Verwendung einer thermisch behandelten Kieselgur nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Tiefenfiltration von flüssigen Medien.
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