Die Erfindung betrifft die Herstellung von Produkten, die gefälltes Calciumcarbonat enthalten. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von gefälltem Calciumcarbonat in einem wässrigen Medium, das gegebenenfalls nichtverbrauchende Feststoffe enthält, die von dem Calciumcarbonat eingefangen und/oder gebunden werden sollen.

Es gibt die synthetische Herstellung von Calciumcarbonat zur Verwendung als feinteiliges Pigmentmaterial bei Anwendungen, wie beim Papierfüllen und bei der Papierbeschichtung.

Aus EP-A-0604095 ist ebenfalls bekannt, dass sich ein feinteiliger Feststoff, bspw. Abfallmaterial, leichter aus einem wässrigen Medium trennen lässt, in dem es suspendiert ist, wenn ein Erdalkalimetallcarbonat, und insbesondere Calciumcarbonat, in der wässrigen Suspension derart gefällt wird, dass das Feinstoffmaterial in den Kristallen des Erdalkalimetallcarbonat-Niederschlags eingefangen und daran gebunden wird.

Andere Literaturstellen des Standes der Technik beschreiben die Herstellung von gefälltem Calciumcarbonat in einem wässrigen Medium, das andere nichtverbrauchende Feststoffe enthält, bspw. Fasern, wie sie bei der Papierherstellung verwendet werden, wobei sich das Verbundprodukt dann bei der Papierherstellung eignet.

Es gibt Verfahren zur Herstellung von gefälltem Calciumcarbonat, unabhängig davon, ob es eingefangene und/oder gebundene nicht-verbrauchende Feststoffe enthält.

Die TAPPI-Monographie-Reihe Nr. 30, "Paper Coating Pigments", S. 34-35, beschreibt drei kommerzielle Hauptverfahren zur Herstellung von gefälltem Calciumcarbonat, welches sich besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Produkten zur Verwendung in der Papierindustrie eignet. In allen drei Verfahren wird Kalkstein zuerst gebrannt, so dass gebrannter Kalk erhalten wird. Der gebrannte Kalk wird dann in Wasser gelöscht, so dass Calciumhydroxid oder Kalkmilch erhalten wird. In dem ersten Verfahren wird die Kalkmilch direkt mit Kohlendioxidgas karbonisiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass kein Nebenprodukt entsteht. Die Eigenschaften und die Reinheit des Calciumcarbonatprodukts lassen sich zudem relativ leicht steuern. In dem zweiten Verfahren wird die Kalkmilch mit Sodaasche zusammengebracht, so dass durch Doppelzersetzung ein Niederschlag aus Calciumcarbonat und eine Natriumhydroxidlösung entsteht. Das Natriumhydroxid muss im wesentlichen vollständig von dem Calciumcarbonat getrennt werden, wenn sich dieses Verfahren kommerziell lohnen soll. In dem dritten kommerziellen Hauptverfahren wird die Kalkmilch zuerst mit Ammoniumchlorid zusammengebracht, so dass eine Calciumchlorid-Lösung und Ammoniakgas erhalten wird. Die Calciumchlorid-Lösung wird dann mit Sodaasche zusammengebracht, so dass durch Doppelzersetzung gefälltes Calciumcarbonat und eine Natriumchlorid-Lösung erhalten wird.

Soll das calciumcarbonathaltige Produkt als Füllstoff oder als Beschichtungspigment in der Papierindustrie verwendet werden, wird im Allgemeinen das vorstehend beschriebene erste Verfahren bevorzugt verwendet, nämlich die direkte Karbonisierung der Kalkmilch mit kohlendioxidhaltigem Gas, weil dieses Verfahren keine ungewünschten Nebenprodukte ergibt, die entfernt werden müssen, bevor das calciumcarbonathaltige Produkt in der Papierindustrie verwendet werden kann. Das Verfahren zur Karbonisierung der Kalkmilch erfolgt gewöhnlich auf der Basis von Chargen. Ein Gefäß wird mit einer Menge Kalkmilch bei einer geeigneten Temperatur und Konzentration beschickt, und man lässt ein kohlendioxidhaltiges Gas in das Gefäß hinein, gewöhnlich in der Form feiner Blasen. Mechanische Rührvorrichtungen können bereitgestellt werden, damit der Gefäßinhalt auf jeden Fall gut gemischt wird, und damit die Bildung und Weiterleitung kleiner Blasen des kohlendioxidhaltigen Gases gefördert wird. Das Einlassen des kohlendioxidhaltigen Gases wird gewöhnlich so lange fortgesetzt, bis im Wesentlichen das gesamte vorhandene Calciumhydroxid in Calciumcarbonat umgewandelt ist. Dies wird geeigneterweise angezeigt, indem der pH-Wert der Suspension in dem Gefäß überwacht wird. Fällt der pH-Wert auf etwa 7, wobei bei diesem Wert die Suspension eine im Wesentlichen neutrale Reaktion zeigt, wird die Reaktion als beendet angesehen. Das Verfahren kann in zwei oder mehr Stufen mit den vorstehend beschriebenen Gefäßtypen erfolgen, die in Reihe miteinander verbunden sind, jedoch erfolgt jede Stufe auf einer Chargen-Basis. Das Chargen-Verfahren hat gewöhnlich den Nachteil, dass es einen hohen Grad an Überwachung benötigt, und das Produkt variiert von Charge zu Charge. Es wäre wünschenswert, wenn man das Calciumcarbonat-Fällungsverfahren auf einer vollständig kontinuierlichen Basis statt auf der Basis von Chargen durchführen könnte. Die Reaktanten bewegen sich fortlaufend durch die Reaktionszone in einer kontinuierlichen Reaktion. Man muss eine Prozessanlage bereitstellen, die es ermöglicht, dass die Reaktanten für eine angemessene Dauer in der Anlage verweilen, damit das Calciumhydroxid vollständig karbonisiert wird. Die Verweildauer der Reaktanten in der Anlage ist direkt proportional zur Länge des Wegs, den die Reaktanten durch die Anlage zurücklegen. Zur Erhöhung der Verweildauer muss man daher die physikalische Größe der Anlage Vergrößern, was wiederum die Investitionskosten der Anlage vergrößert. Vom ökonomischen Standpunkt muss die chemische Reaktion der Karbonisierung des Calciumhydroxids daher so schnell wie möglich stattfinden.

WO-A-97/05061 (Unikristall) beschreibt eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von gefälltem Calciumcarbonat. Die Anlage umfasst gewöhnlich 10 bis 15 miteinander verbundene Zellen, die jeweils mit einer Einlassleitung für eine Suspension versehen sind, welche Calciumhydroxid enthält, eine Auslassleitung für eine Suspension aus teilweise karbonisiertem Calciumhydroxid, eine Propeller-Rührer, der mit einer Hohlwelle angetrieben wird, durch die kohlendioxidhaltiges Abgas nach unten geführt wird, wobei die Welle von einer zylindrischen Röhre umgeben ist. Die Einlassleitung kommuniziert mit dem Raum zwischen der Welle und der zylindrischen Röhre, und die Auslassleitung gelangt nur durch die äußere Wand der Zelle, und zieht die Suspension aus dem Teil der Zelle zwischen der zylindrischen Röhre und der Zellwand. Wird der Rührer angeschaltet, steigt der Pegel der Suspension nahe der Zellwand, so dass die Suspension durch die Auslassleitung überfließt, und zugleich wird frische Suspension durch die Einlassleitung eingezogen. Währenddessen wird kohlendioxidhaltiges Gas durch die Welle nach unten geschickt und durch den Rührer verteilt, und dieses steigt durch die Suspension in Form feiner Bläschen nach oben. Diese erzeugen eine große Kontaktoberfläche zwischen der calciumhydroxidhaltigen Suspension und dem Kohlendioxidgas. Jede Zelle hat einen Wassermantel, mit dem die Temperatur des Zelleninhalts geregelt wird.

DE-A-2742829 (Shiraishi Kogyo Kaisha) beschreibt eine Anlage für die kontinuierliche Produktion von gefälltem Calciumcarbonat, wobei in einem dreistufigen Verfahren Tröpfchen einer Calciumhydroxid-Suspension gegenläufig auf ein Gas gesprüht werden, das 10 bis 40 Vol.% Kohlendioxid enthält und durch eine Säule nach oben strömt. Die Größen der Suspensionströpfchen in den drei Stufen sind jeweils 0,2 – 1,0 mm, 1,0 – 2,0 mm bzw. 1,5 – 2,0 mm, und die erzielten Karbonisierungsgrade in den drei Stufen sind jeweils 5 – 15%, 95 – 98% bzw. 100%. Dieses Anordnung lässt sich als Fall einer Umkehrphasenreaktion bezeichnen, weil die Tröpfchen der flüssigen Calciumhydroxidsuspension in einer Gasphase suspendiert sind.

US-A-48888160 (Kosin et al.) beschreibt ein Carbonisierungsverfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat aus von Kalkstein hergeleitetem Calciumhydroxid, welches eine verbesserte Ausnutzung des bei dem Karbonisierungsverfahren verwendeten Gases bereitstellt. Ein kohlendioxidhaltiges Gas wird in einen rezirkulierenden Strom injiziert, der in einem mit einem Reaktionsgefäß kommunizierenden Rezyklier-Rohrsystem fließt. Das kohlendioxidhaltige Gas wird an einem Verwirbelungspunkt oder einer Verwirbelungsfläche eingespritzt, die sich in dem Rezyklier-Rohrsystem befindet, bspw. dort, wo der Strom eine 90°-Biegung durchläuft. Vorzugsweise befindet sich mindestens ein statischer Inline-Mischer in dem Rezyklierrohrsystem, am stärksten bevorzugt direkt stromabwärts der Eintrittsstelle für das kohlendioxidhaltige Gas. Dies ist ein rezirkulierendes und kein "Durchlauf-"System.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt zur kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Herstellung eines Produktes, das gefälltes Calciumcarbonat enthält, in einem wässrigen Medium, umfassend das Durchleiten einer wässrigen Suspension von Calciumhydroxid durch eine Reihenfolge von mindestens zwei statischen Inline-Mischern, während an oder vor den Mischern jeweils Kohlendioxid in die Suspension eingebracht wird, so dass in den Mischern jeweils das Kohlendioxid mit der wässrigen Suspension eng vermengt wird, und die Umsetzung des Kohlendioxids mit dem in dem wässrigen Medium gelösten Calciumhydroxid erleichtert ist, wobei das Calciumhydroxid in der Suspension, die der Reihe von statischen Inline-Mischern zugeführt wird, fortlaufend verbraucht wird und zu Calciumcarbonat umgewandelt wird, wie die Suspension durch die Reihe läuft.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reihe der statischen Inline-Mischer mindestens drei, vorzugsweise vier bis sieben, derartige Mischer umfassen. Die statischen Inline-Mischer weisen jeweils ein Außengehäuse und eine Anzahl statischer Innenflügel oder Prallflächen auf, welche bewirken, dass die behandelte wässrige Suspension Richtungsänderungen erfährt, bspw. viele rasche Änderungen. Die statischen Inline-Mischer ermöglichen jeweils, dass das Kohlendioxid in der gemischten Suspension gleichmäßig in Form feiner Blasen verteilt wird.

Die Geschwindigkeit der Reaktion bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hängt unter anderem von der Kontaktfläche zwischen dem kohlendioxidhaltigem Gas und der wässrigen Suspension von dem Calciumhydroxid ab. Dieser Kontaktbereich kann erhöht werden, indem gewährleistet wird, dass das kohlendioxidhaltige Gas in Form kleinstmöglicher Blasen durch die Suspension wandert. Es ist daher wichtig, dass das Gas in Form kleiner Blasen in die Suspension eintritt, dass die Blasen in der Suspension gut verteilt sind, und dass die Blasen im Wesentlichen während ihrer Wanderung durch die Anlage klein bleiben. Die Erfindung ermöglicht, dass diese Anforderungen erfüllt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt die wässrige Suspension vorzugsweise bei einem hydraulischen Druck im Bereich von 50 kPa bis 100 kPa in den ersten der Mischerreihe ein. Der hydraulische Druck der wässrigen Suspension sinkt mit dem Durchgang durch die Reihe statischer Inline-Mischer praktischerweise fortlaufend ab. Das Kohlendioxid, das so zugeführt wird, dass es mit der Suspension in dem ersten Inline-Mischer der Reihe gemischt wird, kann einen Druck im Bereich von 50 kPa bis 150 kPa aufweisen. Das Kohlendioxid, das so zugeführt wird, dass es in mindestens zwei aufeinander folgenden Inline-Mischern der Reihe mit der Suspension gemischt wird, kann Drücke aufweisen, die von Mischer zu Mischer fortlaufend geringer werden. Das mit der Suspension zu mischende Kohlendioxid wird in den statischen Inline-Mischern jeweils über eine eigene Leitung dem jeweiligen Gemisch mit der Suspension zugeführt. Das Kohlendioxid, das über die Leitungen jeweils zugeführt wird, wird von einer gemeinsamen Kohlendioxidquelle bereitgestellt. Die Leitungen haben jeweils Vorrichtungen zum unabhängigen Einstellen des Drucks des zugeführten Kohlendioxids, welches mit der wässrigen Suspension gemischt werden soll.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält die Suspension, in der das gefällte Calciumcarbonat durch Umsetzung von Calcium- und Carbonationen aus Kohlendioxid erzeugt werden soll, nicht-verbrauchende Feststoffe, d.h. Feststoffe, die an der chemischen Reaktion im Wesentlichen nicht teilnehmen und die in den Kristallen des gefällten Calciumcarbonats im wässrigen Medium eingefangen und/oder daran gebunden werden. Die nicht-verbrauchenden Feststoffe umfassen Fasern, bspw. Cellulosefasern der Art, wie sie bei der Papierherstellung verwendet werden, oder in einem Abstrom eines Papierherstellungsbetriebs vorliegen. Die Fasern in einem Abstrom können zusammen mit Teilchenmaterial vorkommen, bspw. als Gemisch von Pigment- oder Füllstoffmaterialien.

Die nicht-verbrauchenden Feststoffe machen 0,5 bis 20 Gew.% der wässrigen Suspension der nicht-verbrauchenden Feststoffe in dem wässrigen Medium aus.

Das Verhältnis, bezogen auf das Trockengewicht, von nicht-verbrauchenden Feststoffen zum zugeführten Calcium-hydroxid, das mit dem Kohlendioxid im ersten Inline-Mischer gemischt werden soll, ist vorzugsweise im Bereich von 1:10 bis 10:1.

Die nicht-verbrauchenden Feststoffe können aus einem wässrigen Abstrom eines Industrieverfahrens erhalten werden, bspw. aus einem Papierherstellungs-, Papierbeschichtungs- oder Papierentfärbungsverfahren.

Enthält die wässrige Suspension bspw. nicht-verbrauchende Feststoffe, d.h. Feinteilchen aus einem Industrieabstrom, kann das Verfahren wie in EP-A-604095A oder EP-A-658606 des Anmelders beschrieben durchgeführt werden.

Alternativ können die nicht-verbrauchenden Feststoffe Fasern enthalten, die nicht aus Abströmen erhalten wurden, und zwar mit oder ohne anorganische Füllstoffteilchen oder Pigmentmaterial, wie bspw. in EP-0 892 019-A1 des Anmelders. Die nicht-verbrauchenden Feststoffe können in einer Menge vorliegen, die zu einem Aggregatprodukt führt, einschließlich gefälltem Calciumcarbonat, das 10 bis 90 Gew.%, bspw. 25 bis 75 Gew.% nicht verbrauchende Feststoffe, enthält. In einigen Fällen können mindestens 20% der nicht-verbrauchenden Feststoffe nicht-faserige Pigmentteilchen oder Füllstoffmaterial umfassen.

Das wässrige Medium kann Leitungswasser umfassen, oder es kann alternativ eine verdünnte Suspension von nicht-verbrauchenden Feststoffen, bspw. Fasern und/oder feinteiliges Abfallmaterial, umfassen, wobei sich die Feinteilchen schwer durch herkömmliche Maßnahmen von dem Wasser trennen lassen. Solche verdünnten Suspensionen werden bspw. als Weißwasserabstrom eines Verfahrens zur Herstellung von Papierbahnen in einer Papiermühle erzeugt. Diese Suspensionen umfassen im Allgemeinen Feinstoffe, die man im Stand der Technik als "Feinteilchen" kennt, und mit denen man solche Feststoffe meint, die durch ein rundes Loch mit 76 &mgr;m Durchmesser passen. Die "Feinteilchen" umfassen gewöhnlich Feincellulose und andere Fasern und feine Mineralteilchen, bspw. Mineralteilchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 2 &mgr;m oder weniger.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, auf kontinuierliche, und nicht chargen-artige Weise, ein calciumcarbonathaltiges Produkt herzustellen, worin gegebenenfalls nicht-verbrauchendes Feststoffmaterial, bspw. Fasern und/oder Feinteilchen, eingefangen und/oder daran gebunden ist, und somit in bekannten Anwendungen, wie nachstehend beschrieben, nützlich gemacht wird.

Das in dem wässrigen Medium in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Calciumhydroxid kann gesondert hergestellt und zu dem wässrigen Medium gefügt werden, oder es kann alternativ in situ in dem wässrigen Medium hergestellt werden, bspw. durch Löschen von Calciumoxid. Umfasst das wässrige Medium durch Löschen erzeugtes Calciumhydroxid, liegt das Calciumhydroxid in Form einer Suspension vor. Calciumionen gehen schlecht in Lösung und werden mit fortschreitender Umsetzung mit Kohlendioxid kontinuierlich verbraucht und ersetzt. Vorzugsweise enthält eine derart hergestellte Suspension zwischen 0,5 und 3,0 Mol, insbesondere 1,0 bis 2,0 Mol, Calciumhydroxid. Zum Löschen kann die Temperatur des wässrigen Mediums 0 bis 80°C betragen. Die Temperatur steigt während des Löschverfahrens, und hat das wässrige Medium nach dem Löschen nicht die geeignetes Temperatur, kann es vor dem Einbringen des kohlendioxidhaltigen Gases gekühlt werden.

Eine effiziente Verteilung und Auflösung von Calciumhydroxid kann durch Bewegen unterstützt werden, bspw. durch Rühren der wässrigen Suspension, so dass das teilchenförmige Feststoffmaterial, welches das Hydroxid umfasst, gleichmäßig verteilt wird.

Das wässrige Medium, das die Erdalkalimetallionen enthält, welche mit Kohlendioxid in dem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden, kann ebenfalls eine oder mehrere Chemikalien enthalten, die bei der Herstellung des Niederschlags verwendet werden, bspw. kann es eine Pufferlösung enthalten, die dem Produkt eine sogenannte Säuretoleranz verleiht, oder ein organisches Additiv, von dem man im Stand der Technik weiß, dass es die Keimbildung von Niederschlagskristallen erleichtert.

Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Kohlendioxid kann im Wesentlichen reines Kohlendioxid sein, wie es bspw. kommerziell in einem Druckgasbehälter bereitgestellt wird, oder es kann in einem Gemisch mit anderen Gasen vorliegen. Das zugeführte Kohlendioxid kann alternativ mit anderen Inertgasen verdünnt werden, bspw. mit Luft, Stickstoff, usw. Das Kohlendioxid kann als Gemisch von verbrauchten Gasen vorliegen, wie Abgasen, die bspw. aus einer Kalk-Brennanlage erhalten werden, in der gebrannter Kalk hergestellt wird und in gelöschten Kalk umgewandelt wird (zur Verwendung in dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt). Das Kohlendioxid in dem wässrigen Medium ist als Blasen zugegen, vorzugsweise als feine Blasen, und das Calciumhydroxid, das mit dem Kohlendioxid zusammengebracht wird, kann wie bereits erwähnt ein wässriges Medium umfassen, das Calcium- und Hydroxylionen enthält, sowie eine Suspension von festem Calciumhydroxid, das in dem wässrigen Medium gelöst wird, wenn die Calciumionen durch Umsetzung mit dem Kohlendioxid verbraucht werden.

Die Temperatur des wässrigen Mediums ist bei der Zugabe des kohlendioxidhaltigen Gases vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80°C, insbesondere 20 bis 60°C.

Das calciumcarbonathaltige gefällte Produkt, das in dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt wird, lässt sich weiter verarbeiten, bspw. durch Entwässern und/oder durch Unterwerfen der Suspension, die den Niederschlag enthält, einer Zerkleinerung, bspw. durch Reibmahlen mit einem Reibmahlmedium, wie bspw. in der Parallelanmeldung EP 96307320.0 des Anmelders beschrieben.

Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte gefällte Produkt, kann unabhängig davon, ob es aus im Wesentlichen reinen gefällten Calciumcarbonat-Kristallen hergestellt wurde, oder in Form eines Niederschlag enthaltenden Verbundstoffs vorliegt, in Anwendungen eingesetzt werden, in denen teilchenförmige Niederschläge von entstandenem Calciumcarbonat bekanntlich nutzbringend sind.

Das gefällte Produkt kann bspw. als teilchenförmiger Füllstoff, Pigment, Streckmittel oder als Eigenschaftsmodifikator auf bekannte Weise in Zusammensetzungen zur Herstellung von Papier, Farben, Polymeren, Kunststoffen, Zementen, und Keramiken und den daraus hergestellten Gegenständen verwendet werden. Das gefällte Produkt kann Eigenschaften haben, die für die jeweilige Anwendung ausgewählt werden. Das Produkt kann durch bekannte chemische oder physikalische Verfahren nach der Produktion behandelt werden, damit es sich für die jeweilige Anwendung eignet.

Eine bevorzugte Form des gefällten Produktes zur Verwendung als feines Pigment in einer Papierbeschichtungszusammensetzung hat eine derartige Teilchengrößenverteilung, dass mindestens 70 Gew.% und wünschenswerterweise mindestens 90 Gew.% der gefällten Teilchen einen Kugeläquivalentdurchmesser (wie gemessen durch Sedimentation) von weniger als 5 &mgr;m aufweisen. Bei einer bevorzugten Produkt-Teilchengrößenverteilung für das gefällte Produkt ist die Teilchengrößenverteilung derart, dass der Prozentsatz, bezogen auf das Gewicht, der Teilchen mit einem (durch Sedimentation gemessenen) Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 2 &mgr;m, 50 Gew.% oder größer ist. Die Teilchengrößenverteilung wird durch die Endverbrauchsanwendung des gefällten Produktes bestimmt.

Das gefällte Produkt umfasst gewöhnlich entweder rhomboedrische oder skalenoedrische Varianten der Calcit-Kristallform von Calciumcarbonat oder die Aragonitkristallform oder ein Gemisch dieser Formen. Die Kristallform, in der das Calciumcarbonat gefällt wird, hängt von den Reaktionsbedingungen ab.

Wie in EP 963073 der Anmelder beschrieben können die Bedingungen, bei denen das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt erfolgt, so ausgewählt werden, dass vorwiegend eine bestimmte Kristallform des gefällten Produktes entsteht. Die Verfahrensbedingungen während des Fällungsprozesses, die erforderlich sind, damit gewöhnlich überwiegend eine bevorzugte Kristallform erhalten wird, sind dem Fachmann bekannt. Die praktisch erzielte pcc-Kristallform macht auf jeden Fall eher nicht 100% einer ausgewählten Form aus. Es ist ziemlich gewöhnlich, dass eine Kristallform, selbst wenn sie überwiegt, mit anderen Formen gemischt ist. Diese gemischten Formen ergeben gewöhnlich geeignete Produkteigenschaften.

Das gefällte Produkt in Form einer wässrigen Suspension hat vorzugsweise eine Viskosität von nicht mehr als 500 mPa·s (wie gemessen mit einem Brookfield-Viskosimeter mit einer Spindelgeschwindigkeit von 100 U/min.) und ist vorzugsweise eine pump- und fließfähige Aufschlämmung.

Das gefällte Produkt, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, kann mit anderen teilchenförmigen Materialien gemischt werden, die es für die Verwendung bei Anwendungen für das Produkt gibt, wie sie bspw. vorstehend genannt sind.

Soll bspw. das gefällte Produkt als Pigmentmaterial zur Papierbeschichtung eingesetzt werden, kann es mit einem oder mehreren anderen Pigmentmaterialien gemischt werden, bspw. bekannten Materialien, ausgewählt aus Titandioxid, Talk, Calciumsulfat, Kaolinton, gebranntem Kaolin und gefälltem oder gemahlenem Calciumcarbonat. Ein Papierbeschichtungspigmentgemisch enthält vorteilhafterweise ein Gemisch von dem gefällten Produkt und einem Kaolinton. Ein solches Pigmentgemisch kann 5 bis 99%, insbesondere 20 bis 70%, bezogen auf das Gewicht, gefälltes Produkt umfassen. Für Papierbeschichtungsanwendungen eignet sich besonders bevorzugt tafelförmiger Kaolinton zur Herstellung des Pigmentgemischs mit dem gefällten Produkt gegebenenfalls zusammen mit anderen Pigmentinhaltsstoffen. "Tafelförmiger" Kaolinton ist ein Kaolinton mit einem Seitenverhältnis von mindestens 20:1, vorzugsweise mindestens 30:1.

Ein Pigmentgemisch kann durch Mischen von wässrigen Suspensionen der jeweiligen erforderlichen Pigmente hergestellt werden, so dass eine wässrige Suspension erhalten wird, die das Pigmentgemisch enthält. Eine solche wässrige Suspension kann eine dispergierte wässrige Suspension sein, und die einzelnen wässrigen Suspensionen der Pigmente, die zur Herstellung des Gemischs eingesetzt werden, können jeweils ein Dispersionsmittel enthalten. Die Dispersionsmittel, die zur Dispersion der Pigmente in den jeweils zusammen gemischten wässrigen Suspensionen verwendet werden, und die Konzentrationen dieser Suspensionen, können gleich oder verschieden sein.

Eine Papierbeschichtungszusammensetzung, umfassend eine wässrige Suspension von einem gefällten Produkt, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, wird mit einem hydrophilen Klebstoff gemischt. Das in der Zusammensetzung eingesetzte gefällte Produkt kann mit einem oder mehreren Pigmenten, wie vorstehend beschrieben gemischt werden. Der Klebstoff kann 4 bis 40 Gew.%, bezogen auf das Gesamt-Trockengewicht des oder der vorhandenen Pigmente ausmachen. Der Klebstoff kann einer der im Stand der Technik eingesetzten bekannten Klebstoffe sein, und ist bspw. ausgewählt aus Stärken, proteinhaltigen Klebern, wie Kasein, und Latizes, bspw. Styrol-Butadien-Kautschuken und Acryl-Polymeren.

Die mit dem gefällten Produkt hergestellte Papierbeschichtungs-Zusammensetzung kann ebenfalls eine oder mehrere wahlfreie Additive enthalten, die herkömmlicherweise in Papierbeschichtungen verwendet werden, z.B. ein Verdickungsmittel, bspw. in einer Menge von bis zu 2 Gew.%, bezogen auf das Gesamt-Trockengewicht des oder der vorhandenen Pigmente. Das Verdickungsmittel kann ein oder mehrere Substanzen umfassen, die im Stand der Technik bekanntlich als Verdicker eingesetzt werden, bspw. Natriumcarboxymethyl-Cellulose oder synthetische Acrylverdicker.

Die Papierbeschichtungs-Zusammensetzung kann hergestellt werden durch Vermengen einer wässrigen dispergierten Suspension, die das gefällte Produkt enthält, gegebenenfalls mit einem oder mehreren weiteren wässrigen dispergierten Suspensionen, die andere Pigmente enthalten, mit dem Klebstoff und jeglichen anderen wahlfreien Bestandteilen, bspw. Verdicker, auf eine Weise, die dem Fachmann bekannt ist.

Die wässrige Suspension, die das in dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete gefällte Produkt enthält, kann so behandelt werden, dass das wässrige Wirtsmedium teilweise oder vollständig von den gefällten Produktfeststoffen getrennt wird, wobei ein oder mehrere gegebenenfalls bekannte Trennverfahren verwendet werden können. Verfahren, wie Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder Verdampfung, lassen sich bspw. verwenden: Filtration mit einer Filterpresse ist bevorzugt. Das abgetrennte wässrige Medium, bspw. Wasser, kann gegebenenfalls unter weiterer Reinigung oder Klärung durch ein oder mehrere chemische, biochemische oder mechanische Verfahren, die an sich bekannt sein können, zur Wiederverwendung rezykliert werden, bspw. in einer Papiermühle, bspw. zur Verwendung bei der Verdünnung des Ausgangsmaterials zur Papierherstellung oder zur Verwendung als Berieselung für die Waschanlagen. Die getrennten Feststoffe können einer Qualitätskontrolle unterworfen werden, und zwar durch Messungen, die an Proben vorgenommen werden, und anschließend zu einem Speicherbehälter geleitet werden, wonach sie nötigenfalls zur Verwendung in einer Verbraucheranwendung weitergeleitet werden, wie bspw. vorstehend beschrieben.

Die feststoffhaltige Suspension kann zur Verwendung in der Verbraucheranlage neuerlich verdünnt werden.

Es ist nicht nötig, dass eine wässrige Suspension, die ein gefälltes Produkt enthält, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, vor der Weiterleitung zur Verwendung in einer Verbraucheranwendung entwässert wird, bspw. zur Verwendung in einer Papiermühle. Die wässrige Suspension oder Aufschlämmung kann einem Speicherbehälter oder direkt der Verbraucheranlage ohne wesentliches Entwässern zugeführt werden.

Soll das gefällte Produkt als Füllstoff in einer Papierherstellungs-Zusammen setzung verwendet werden, kann das gefällte Produkt in einer von verschiedenen Konzentrationen in Wasser der Mühle zugeführt werden. Die Konzentration kann von verdünnter Suspensionsform bis hin zu trockenen Feststoffteilchen reichen. Das gefällte Produkt nach der Bildung in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann geeignetenfalls behandelt werden oder nicht, bspw. durch Entwässern oder nicht, so dass es in der erforderlichen Konzentration der Verbraucheranlage, bspw. der Papierherstellungsmühle, zugeführt wird.

Das Ausmaß der Verdünnung oder Konzentration der Form, in der das gefällte Produkt der Verbraucher-Zusammensetzung, bspw. Papierherstellungs-Zusammensetzung, zugeführt wird, beeinflusst die Eigenschaften des resultierenden Produktes, bspw. der Papierbahn, nicht entscheidend. Es kann jedoch aus ökonomischen und praktischen Gründen besser sein, das Produkt in Form einer konzentrierten pumpfähigen wässrigen Aufschlämmung zuzuführen. Wird das Produkt zur Verwendung in einem Verfahren andernorts bereitgestellt, wird das Produkt vorzugsweise vor dem Transport getrocknet. Wurde das Produkt vor dem Versand konzentriert oder getrocknet und anschließend vor der Wiederverwendung in reinem Wasser dispergiert oder verdünnt, beeinträchtigen die Konzentrations- und Verdünnungsschritte den Verbrauchswert des Produktes nicht sonderlich.

Soll das gefällte Produkt in einem beliebigen Fall als Füllstoffmaterial bei der Papierherstellung verwendet werden, kann das gefällte Produkt, wie der Fachmann auf dem Gebiet der Papierherstellung eindeutig weiß, in verschiedenen Verhältnissen mit herkömmlichen Füllstoffmaterialien, bspw. gefälltem oder natürlichem, bspw. gemahlenem Calciumcarbonat, Kaolin oder anderem Ton, Metakaolin, Talk, Calciumsulfat, usw. gemischt werden, wobei die Inhaltsstoffe und die Zusammensetzung sowie die Wirtsfasern entsprechend der Qualität des herzustellenden Papiers ausgesucht werden. Diese Materialien sind wahrscheinlich in Schlammform, wenn sie gemischt werden.

Der Papierhersteller wählt gewöhnlich die Konzentration des gefällten Produktes (erfindungsgemäß hergestellt) in wässriger Suspension und die Zufuhrrate der Suspension an der Zugabestelle zur Papierherstellungs-Zusammensetzung, bspw. der Beschichtung. Dies kann wie bereits erwähnt eine neuerliche Verdünnung einer Suspension erfordern, die der Papiermühle in konzentrierter Form zugeführt wird. Die zugeführte Suspension kann gewöhnlich ein gefälltes Produkt hervorbringen, das gegebenenfalls mit anderen teilchenförmigen Füllstoffen bis zu 30 Gew.% des Feststoffgehaltes der Papierherstellungs-Zusammensetzung ausmacht.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Fließschemas einer Anlage zur kontinuierlichen Fällung von Calciumcarbonat in einer wässrigen Suspension, die ein feines nicht-verbrauchendes teilchenförmiges Material enthält.

Der 1 zufolge wird eine Suspension von einem feinen festen Material, das bspw. von dem Abwassergewinnungssystem einer Papiermühle, dem sogenannten 'Weißwasser", stammt, in einem Behälter 1 gespeichert. Die Suspension hat einen Gesamtfeststoffgehalt, der gewöhnlich im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 8 Gew.% Feststoffe, bezogen auf das Trockengewicht, liegt, und die Feststoffe umfassen gewöhnlich ein Gemisch aus kurzen Cellulosefasern, die durch ein rundes Loch mit 76 &mgr;m Durchmesser passen würden, und aus feinen Mineralfüllstoffteilchen, die gewöhnlich jeweils einen Kugeläquivalentdurchmesser kleiner als 1 &mgr;m aufweisen. Die Suspension wird mit einer Pumpe 2 durch ein Durchflussmessgerät 3 bei einem hydraulischen Druck im Bereich von 5 bis 10 bar (50 kPa bis 100 kPa) in eine Leitung 4 gepumpt. Die Pumpe ist geeigneterweise eine Einzelrotorschnecken-Pumpe, bspw. des Typs Moyno oder "MONO"^TM. Eine derartige Pumpe umfasst einen Metallrotor, der sich innerhalb von und koaxial mit einem elastomeren Stator dreht, wobei Rotor und Stator derart ausgelegt sind, dass die Flüssigkeit, die durch den Raum dazwischen gelangt, einem im wesentlichen gewundenen Weg folgen muss. Derartige Pumpen können Flüssigkeiten bei Drücken bis zu etwa 200 bar oder mehr zuführen. Eine Suspension von Calciumhydroxid, die einen Feststoffgehalt im Bereich von etwa 5% bis etwa 40 Gew.% haben kann, wird in einem Behälter 5 hergestellt, und wird mit einer Pumpe 6, die am besten der gleiche Pumpentyp wie Pumpe 2 ist, durch ein kombiniertes Fluss- und Dichtemessgerät 7 und ein Drosselventil 8 zu Leitung 4 geschickt, wo sich die Kalksuspension mit der Suspension des festen Abfallmaterials mischt. Ein Teil des mit der Pumpe 6 zugeführten Calciumhydroxids kann durch ein Drosselventil 9 zurück zum Behälter 9 abgezweigt werden. Der Anteil der Calciumhydroxidsuspension und der festen Abfallmaterialsuspension in dem Gemisch in Leitung 4 lässt sich durch Einstellen der Ventile 8 und 9 bestimmen. Die gemischte Suspension wird unter Druck, der durch ein Druckmessgerät 10 überwacht wird, zu einem statischen Inline-Mischer 11 geleitet, welcher ein sorgfältiges Mischen des Calciumhydroxids mit dem festen Abfallmaterial gewährleistet. Der statische Inline-Mischer umfasst geeigneterweise ein zylindrisches Außengehäuse und eine große Anzahl statischer Innenflügel oder Prallflächen, welche bewirken, dass die gemischte Suspension viele plötzliche Richtungsänderungen erfährt. Auf diese Weise wird die Suspension, die in Leitung 4 strömt, stärker verwirbelt, und es erfolgt ein effizientes Mischen.

Die gemischte Suspension, die den Inline-Mischer 11 verlässt, gelangt durch eine Reihe von 6 weiteren Inline-Mischern 12, 13, 14, 15, 16, bzw. 17, die jeweils ein ähnliches allgemeines Design aufweisen wie Inline-Mischer 11. Kohlendioxidgas unter einem Druck von 10 bar wird von der Zufuhrvorrichtung 18 durch eine Leitung 19 zu einem Verteilersystem befördert, und der Druck des Gases in Leitung 19 wird durch ein Druckmessgerät 20 überwacht. Kohlendioxidgas wird jeweils zum stromaufwärts gelegenen Ende der Inline-Mischer 12 bis 17 durch Drosselventile 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 befördert, die jeweilige Fließgeschwindigkeit des Gases zu den Inline-Mischern 12 bis 17 wird durch die Durchflussmessgeräte 27, 28, 29, 30, 31 bzw. 32 überwacht. Der hydraulische Druck der gemischten Suspension, die in die Inline-Mischer 13, 14, 15, 16 bzw. 17 gelangt, wird durch die Druckmessgeräte 33, 34, 35, 36 bzw. 37 überwacht. Der hydraulische Druck der gemischten Suspension sinkt wie die Suspension jeweils durch die aufeinander folgenden Inline-Mischer gelangt, und das in der Suspension vorhandene Calciumhydroxid wird durch Kontakt mit dem Kohlendioxidgas fortlaufend in Calciumcarbonat umgewandelt, bis die Suspension, die den letzten Inline-Mischer 17 verlässt, im wesentlichen kein nicht-umgewandeltes Calciumhydroxid enthält. Das Design der Inline-Mischer ist derart, dass das Kohlendioxidgas gleichmäßig in der gemischten Suspension in Form von äußerst feinen Bläschen verteilt wird. Dies gewährleistet, dass es eine sehr große Kontaktfläche zwischen dem Gas und der Suspension gibt, so dass die Karbonisierungsreaktion rasch fortschreiten kann und sie im wesentlichen in der Zeit beendet wird, die die Suspension zum Durchlaufen der Inline-Mischerreihe benötigt.

Die Suspension, die gefälltes Calciumcarbonat enthält, verlässt den letzten Inline-Mischer 17 durch ein Drosselventil 38, und der pH-Wert dieser Produktsuspension wird durch ein pH-Meter 39 überwacht.

Beispiele für Verfahren, die mit einer Anlage gemäß 1 durchgeführt werden, sind wie folgt.

Eine Weißwassersuspension aus einer Papiermühle enthielt 8 Gew.% eines Gemischs von Feststoffen, die kurze Cellulosefasern und feine Mineralfüllstoffteilchen umfassten. Verdünnerwasser wurde dieser Suspension in ausreichender Menge zugeführt, damit die Feststoffkonzentration auf 2,25 Gew.% gesenkt wurde. Die verdünnte Suspension wurde mit einer Moyno-Pumpe mit einer Geschwindigkeit von etwa 27 kg·min^–1 durch einen statischen Inline-Mischer gepumpt, so dass Homogenität gewährleistet wurde. Eine Suspension, die 20 Gew.% Calciumhydroxid enthielt, wurde gesondert hergestellt. Diese Suspension wurde mit einer Moyno-Pumpe mit einer Geschwindigkeit von 2,22 kg·min^–1 gepumpt, damit sie mit der Abfallsuspension vereinigt wurde. Die vereinigte Suspension gelangte mit einer Geschwindigkeit von etwa 29 kg·min^–1 durch einen statischen Inline-Mischer, und wurde so auf jeden Fall sorgfältig gemischt. Die gemischte Suspension gelangte in eine Reihe von statischen Inline-Mischern, wie sie vorstehend anhand von 1 beschrieben sind, jedoch enthielt die Anlage fünf statt sechs Inline-Mischer. Die gemischte Suspension gelangte unter einem hydraulischen Druck von 6 bar in den ersten Inline-Mischer.

Kohlendioxidgas unter Druck wurde in die gemischte Suspension eingebracht, wie sie jeweils in die 5 Inline-Mischer unter den in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigten Bedingungen gelangte.

Die Gesamt-Zufuhrgeschwindigkeit des Kohlendioxidgases, d.h. etwa 18 kg Std.^–1, war etwas größer als die stöchiometrische Geschwindigkeit von etwa 16 kg Std.^–1, mit der berechnet wurde, dass das in der gemischten Suspension bereitgestellte Calciumhydroxid vollständig karbonisiert wurde.

Das aus dem letzten Inline-Mischer erhaltene gefällte Produkt war eine Suspension, in der die festen Abfall-Feinteilchen in einem etwa gleichen Gewicht von gefälltem Calciumcarbonat mit guter Kristallform eingefangen oder daran gebunden waren. Das Produkt hatte eine gute weiße Farbe und Lichtstreuungseigenschaften, und war ein sehr geeignetes Material zum Mischen mit Cellulosefasern und anderen Inhaltsstoffen eines feuchten Ausgangsmaterials zum Beschicken des Stoffauflaufkastens einer Papierherstellungsmaschine in der früher beschriebenen Weise.

Gefälltes Calciumcarbonat wurde durch ein kontinuierliches Verfahren mit der vorstehend anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung hergestellt. Eine Calciumhydroxid-Suspension, die 13,9 Gew.%, bezogen auf das Trockengewicht, Calciumhydroxid enthielt, wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von 102 Liter·Std.^–1 zusammen mit 1980 Liter·Std.^–1 Wasser in den ersten einer Reihe von 6 statischen Inline-Mischern unter einem hydraulischen Druck von 7,3 bar gepumpt. Kohlendioxidgas wurde in die Calciumhydroxidsuspension am stromaufwärts gelegenen Ende der jeweiligen Inline-Mischer eingebracht, und wurde durch die Suspension in den jeweiligen Mischern in Form von sehr feinen Blasen verteilt. In den Mischern erfolgte jeweils die Umwandlung von Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat, so dass die Suspension, die den letzten Inline-Mischer verließ, im Wesentlichen kein nicht-umgewandeltes Calciumhydroxid enthielt. Die Gesamt-Zufuhrgeschwindigkeit des Kohlendioxids betrug 18,5 kg·Std.^–1. Die Fließgeschwindigkeiten der Calciumhydroxid-Suspension und des Kohlendioxid-Gases entsprechen den Geschwindigkeiten von 210 Mol Calciumhydroxid pro Std. und 420 Mol Kohlendioxid pro Std. Das Gemisch aus Gas und Suspension floss gleichmäßig durch jede Stufe des Verfahrens, ohne dass sich Gasstopfen bildeten. Dies zeigte, dass das Gas, das jeweils an der stromaufwärts gelegenen Seite der Inline-Mischer zugeführt wurde, gut von dem Calciumhydroxid in der Suspension in diesem Mischer absorbiert wurde.

Das gefällte Produkt war gefälltes Calciumcarbonat mit einer überwiegend rhomboedrischen Kristallform. Die Teilchengrößenverteilung von Calciumcarbonat war derart, dass 86 Gew.% aus Teilchen mit einem Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 5 &mgr;m bestanden und 50 Gew. aus Teilchen mit einem Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 2 &mgr;m bestanden. Die Farbe und Leuchtkraft des Calciumcarbonats war derart, dass die Rückstrahlung gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 452 nm 92,8% betrug und die Rückstrahlung gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 570 nm 95,1 % betrug. Die Rückstrahlungstests erfolgten gemäß dem Internationalen Standard Nr. ISO 2470.

Calciumcarbonat wurde in einer Suspension aus einem feinteiligen Abfallmaterial durch ein kontinuierliches Verfahren mit der oben anhand der 1 beschriebenen Vorrichtung gefällt. Eine Suspension aus dem Abfallmaterial wurde aus der Weißwasser-Gewinnungsleitung einer Papiermühle hergeleitet. Sie wurde zusammen mit einer Calciumhydroxid-Suspension, die 13,9%, bezogen auf das Trockengewicht, Calciumhydroxid enthielt, durch einen statischen Inline-Mischer gepumpt. Die Suspension des Abfallmaterials enthielt 2,45 Gew.% trockenes feines teilchenförmiges Abfallmaterial, das ein Gemisch aus kurzen Cellulosefasern und feinem Mineralfüllstoffmaterial, d.h. "Feinteilchen", enthielt, und sie wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 kg·Std.^–1 gepumpt. Die Calciumhydroxid-Suspension wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 kg·Std.^–1 gepumpt, so dass die gemischte Suspension bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 2200 kg·Std.^–1 unter einem hydraulischen Druck von 7,7 bar in den ersten einer Reihe von sechs statischen Inline-Mischern gelangte. Kohlendioxidgas wurde in die gemischte Suspension am stromaufwärts gelegenen Ende der Inline-Mischer jeweils eingebracht und wurde in den Mischern jeweils in Form sehr feiner Blasen in der Suspension verteilt. In den Mischern erfolgte jeweils eine Umwandlung von Calciumhydroxid in Calciumcarbonat, so dass die Suspension, die den letzten Inline-Mischer verließ, im Wesentlichen kein nicht-umgewandeltes Calciumhydroxid enthielt. Die Gesamt-Zufuhrgeschwindigkeit des Kohlendioxidgases betrug etwa 17 kg·Std.^–1. Die Fließgeschwindigkeiten der Calciumhydroxidsuspension und von dem Kohlendioxidgas entsprechen den Geschwindigkeiten von 366 Mol Calciumhydroxid pro Std. und 377 Mol Kohlendioxid pro Std. Wiederum floss das Gemisch von Gas und Suspension gleichmäßig durch jede Stufe des Verfahrens, ohne dass sich Gasstopfen bildeten.

Das gefällte Produkt war eine Suspension von Verbundstoffteilchen von Feinteilchen, die in den Kristallen aus gefälltem Calciumcarbonat mit einer guten weißen Farbe und Kristallform eingefangen waren und daran gebunden waren. Die in der Suspension enthaltenen Verbundstoffteilchen wurden durch Filtration entwässert, und der Prozentsatz der Rückstrahlung gegenüber Licht mit Wellenlängen von 457 bzw. 570 nm wurden gemäß dem ISO-Standard Nr. 2470 gemessen. Die Filtrationsgeschwindigkeit wurde ebenfalls gemäß dem in EP-A-0604095 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt. Die gleichen Tests wurden ebenfalls an einer entwässerten Probe der ursprünglichen Suspension des feinteiligen Abfallmaterials durchgeführt, und die Ergebnisse sind auch in der nachstehenden Tabelle 2 zum Vergleich angegeben.

Diese Ergebnisse zeigen, dass das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhaltene gefällte Produkt eine wünschenswerte Weiße und Leuchtkraft aufweist. Es ist daher ein sehr geeignetes Material zum Mischen mit Cellulosefasern und anderen Inhaltsstoffen eines feuchten Ausgangsmaterials zum Beschicken des Stoffauflaufkastens einer Papierherstellungsmaschine zur Verwendung als Füllstoff auf die früher beschriebene Weise. Die Filtrationsrate einer Suspension, die das feste Material enthielt, wurde ebenfalls um einen Faktor von etwa 10 erhöht, so dass dieses sich viel leichter aus einem wässrigen Medium, in dem es suspendiert ist, trennen lässt.