DE102017205997A1

DE102017205997A1 - Production of glasses and glass-ceramics through the use of intermetallic precursors

Info

Publication number: DE102017205997A1
Application number: DE102017205997.4A
Authority: DE
Inventors: Josua Vieten
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gläsern oder Glaskeramiken, wobei einer oder mehrere Ausgangstoffe wenigstens teilweise durch eine intermetallische Verbindung ersetzt wird, sowie die Verwendung von intermetallischen Verbindungen bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken.The present invention relates to a method for producing glasses or glass-ceramics wherein one or more source materials are at least partially replaced by an intermetallic compound and to the use of intermetallic compounds in the production of glasses or glass-ceramics.

Description

Die Herstellung von Gläsern und verwandten Keramiken ist ein sehr bedeutender, jedoch auch energieintensiver Industriezweig. Die Ausgangsstoffe der Glasherstellung sind in der Regel Sand (Hauptbestandteil: Siliciumdioxid), Natriumcarbonat (Soda) und ggf. Kaliumcarbonat um den Schmelzpunkt abzusenken, sowie Erdalkalioxide (Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid). Letztere können auch als Carbonat zugegeben werden, die Carbonate zersetzen sich dann beim Erhitzen unter der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid. Kalknatronglas ist einer der am häufigsten verwendeten Glastypen und enthält ca. 71 bis 75 Gew.-% Siliciumdioxid, 12 bis 16 Gew.-% Natriumoxid und 10 bis 15 Gew.-% Calciumoxid.The production of glasses and related ceramics is a very important but also energy intensive industry. The starting materials of glass production are usually sand (main component: silicon dioxide), sodium carbonate (soda) and possibly potassium carbonate to lower the melting point, and alkaline earth oxides (calcium oxide and / or magnesium oxide). The latter can also be added as carbonate, the carbonates then decompose on heating with the release of carbon dioxide. Soda lime glass is one of the most commonly used types of glass and contains about 71 to 75 weight percent silica, 12 to 16 weight percent sodium oxide and 10 to 15 weight percent calcium oxide.

Alle Rohstoffe werden in einem Ofen miteinander verschmolzen. Dabei entsteht ein Mischoxid, das auch beim Abkühlen nicht auskristallisiert, sondern in einem amorphen Zustand verbleibt, welcher charakteristisch für Gläser ist. Das Schmelzen ist dabei ein Prozess, der aufgrund der nötigen Temperaturen von bis zu 1400 °C viel Energie benötigt. Der Energie- und Rohstoffbedarf kann gesenkt werden durch Zugabe von Altglas. Weitere Zusatzstoffe können die Eigenschaften verändern und werden zur Herstellung von Spezialgläsern eingesetzt.All raw materials are fused together in an oven. This results in a mixed oxide, which does not crystallize on cooling, but remains in an amorphous state, which is characteristic of glasses. Melting is a process that requires a lot of energy due to the necessary temperatures of up to 1400 ° C. The energy and raw material requirements can be reduced by adding waste glass. Other additives can change the properties and are used for the production of special glasses.

Glaskeramik unterscheidet sich von Gläsern durch den (teilweise) kristallinen Zustand, der hier gezielt erzeugt wird. Die Zusammensetzung von Glaskeramiken kann der von Gläsern sehr ähnlich sein. Durch die hohen Temperaturen, die zur Herstellung der Schmelze nötig sind, ist auch die Herstellung von keramischen Produkten ein energieintensiver Prozess.Glass ceramic differs from glasses in the (partially) crystalline state, which is specifically produced here. The composition of glass-ceramics may be very similar to that of glasses. Due to the high temperatures required for the production of the melt, the production of ceramic products is an energy-intensive process.

Die Glasherstellung ist ebenso wie die Glaskeramikherstellung ein sehr energieintensiver Prozess, da hohe Temperaturen zum Schmelzen erforderlich sind. Ähnliches gilt für die Herstellung von Glaskeramiken oder Keramiken im Allgemeinen. Je nach Zusammensetzung sind 1 bis 4 kWh Energie pro kg Glas nötig zur Produktion. Die Einbindung von erneuerbaren Energien in diesen Prozess durch elektrisches Heizen der Schmelzöfen ist, verglichen mit der direkten Nutzung von zum Beispiel solarthermisch konzentrierter Wärme, mit Verlusten behaftet. Es existiert kein Prozess, der die chemische Speicherung von erneuerbaren Energien in einem Vorläufermaterial für die Glas- oder Glaskeramikherstellung ermöglicht.Glassmaking, like glass ceramics, is a very energy intensive process because high temperatures are required for melting. The same applies to the production of glass ceramics or ceramics in general. Depending on the composition, 1 to 4 kWh of energy per kg of glass are required for production. The integration of renewable energies in this process by electrically heating the furnaces is associated with losses compared to the direct use of, for example, solar thermal concentrated heat. There is no process that allows the chemical storage of renewable energy in a precursor material for glass or glass ceramic production.

Zudem benötigen das Erreichen der Schmelztemperatur und das Aufschmelzen der Glas- oder Glaskeramikmischung eine gewisse Zeit, da sich die Mischung der Ausgangsstoffe nicht selbstständig aufgrund einer exothermer chemischen Reaktion erhitzt, sondern von außen geheizt werden muss. Dies beschränkt den Durchsatz und die Produktionskapazität der Anlagen.In addition, the achievement of the melting temperature and the melting of the glass or glass ceramic mixture require a certain amount of time, since the mixture of the starting materials does not have to be heated independently due to an exothermic chemical reaction, but must be heated from the outside. This limits the throughput and the production capacity of the plants.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile insbesondere bezüglich der hohen notwendigen Energie zu vermeiden und einen energieeffizienteren Prozess zur Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken bereitzustellen. Überraschenderweise wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken, wobei eine oder mehrere Ausgangsstoffe wenigstens teilweise durch eine intermetallische Verbindung ersetzt wird sowie die Verwendung einer intermetallischen Verbindung bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken. Die intermetallische Verbindung ist in der Lage Energie zu speichern, welche bei der Herstellung der Gläser/Glaskeramiken frei wird, so dass der Energiebedarf reduziert wird.The object of the present invention is to avoid the disadvantages known from the prior art, in particular with regard to the high energy required, and to provide a more energy-efficient process for the production of glasses or glass ceramics. Surprisingly, the object underlying the present invention is achieved by a process for producing glasses or glass ceramics, wherein one or more starting materials is at least partially replaced by an intermetallic compound and the use of an intermetallic compound in the production of glasses or glass ceramics. The intermetallic compound is able to store energy which is released during the production of the glasses / glass-ceramics, so that the energy requirement is reduced.

In einer ersten Ausführungsform wird hier der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Gläsern oder Glaskeramiken, umfassend

a) Bereitstellen benötigter Ausgangsstoffe,
b) Durchmischen aller Ausgangsstoffe und
c) anschließendes Erwärmen aller Ausgangsstoffe in einem Ofen, wodurch ein Mischoxid entsteht,

dadurch gekennzeichnet, dass
einer oder mehrere Ausgangsstoffe wenigstens teilweise durch eine intermetallische Verbindung ersetzt wird.In a first embodiment, the object underlying the present invention is therefore achieved by a method for producing glasses or glass ceramics, comprising

a) providing required starting materials,
b) mixing all starting materials and
c) subsequent heating of all starting materials in an oven, whereby a mixed oxide is formed,

characterized in that
one or more starting materials is at least partially replaced by an intermetallic compound.

Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt der Herstellung der intermetallischen Verbindung, wobei die zur Herstellung der intermetallischen Verbindung benötigte Energie mittels regenerativer Energien, insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt wird.Preferably, the method further comprises the step of producing the intermetallic compound, wherein the energy required for producing the intermetallic compound is provided by means of regenerative energies, in particular by means of solar energy.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die für Schritt c) benötigte Energie vollständig oder teilweise durch in der intermetallischen Verbindung gespeicherte Energie bereitgestellt. Weiter bevorzugt wird die in Schritt c) notwendige Energie, soweit diese nicht durch in der intermetallischen Verbindung gespeicherte Energie bereitgestellt werden kann, mittels regenerativer Energien, insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt.In a further preferred embodiment, the energy required for step c) is provided in whole or in part by energy stored in the intermetallic compound. Further preferred is the energy required in step c), insofar as these are not provided by energy stored in the intermetallic compound can be provided by means of renewable energy, in particular by means of solar energy.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer intermetallischen Verbindung bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken. Bevorzugt weist die intermetallische Verbindung Silicium auf. Besonders bevorzugt wird die in der intermetallischen Verbindung gespeicherte Energie zur Erwärmung der Ausgangsstoffe bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken verwendet.In a further embodiment, the object underlying the present invention is achieved by the use of an intermetallic compound in the production of glasses or glass ceramics. Preferably, the intermetallic compound comprises silicon. Particularly preferably, the energy stored in the intermetallic compound is used to heat the starting materials in the production of glasses or glass ceramics.

Die für die Herstellung von Gläsern und Glaskeramiken notwendige Energie für den Schmelz- und Syntheseprozess wird gemäß Stand der Technik vollständig von außen zugeführt. Die vorliegende Erfindung basiert darauf, die für diesen Prozess notwendige Energie ganz oder teilweise durch eine chemische Reaktion der Ausgangsstoffe zur Verfügung zu stellen. Es wird also chemisch gespeicherte Energie in einem energiereichen Ausgangsstoff verwendet. Dadurch sinkt der Energiebedarf für den eigentlichen Schmelzprozess. Die Glas- oder Glaskeramikschmelze erhitzt sich also teilweise selbst durch die Oxidation der energiereichen Vorstufe, also des Silicids oder einer intermetallischen Verbindung. Dies ermöglicht Einsparungen bei der nötigen Heizleistung der Schmelzöfen gegenüber dem Stand der Technik.The energy required for the production of glasses and glass ceramics for the melting and synthesis process is supplied completely from the outside according to the prior art. The present invention is based on providing the energy required for this process in whole or in part by a chemical reaction of the starting materials. So chemically stored energy is used in a high-energy source. This reduces the energy required for the actual melting process. The glass or glass ceramic melt thus partially heated itself by the oxidation of the high-energy precursor, ie the silicide or an intermetallic compound. This allows savings in the required heat output of the furnaces over the prior art.

Zudem ist es möglich, Energie aus erneuerbaren Quellen in Form der energiereichen Vorstufe dort zu speichern, wo sie günstig anfällt, beispielsweise solarthermische Energie in Wüstenregionen. Der energiereiche Ausgangsstoff wird dann dorthin transportiert, wo Glas oder Glaskeramiken hergestellt werden sollen. Gemäß Stand der Technik ist die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen und deren effiziente Nutzung für den Produktionsprozess von Gläsern und Keramiken nicht möglich. Durch den Einsatz regenerativer Energiequellen, wie zum Beispiel der konzentrierten Solarenergie, ist eine wesentliche Reduktion der CO₂-Emissionen bei der Glasproduktion gegenüber dem Stand der Technik möglich.In addition, it is possible to store energy from renewable sources in the form of high-energy precursor where it is cheap, such as solar thermal energy in desert regions. The high-energy starting material is then transported to where glass or glass ceramics are to be produced. According to the prior art, the storage of energy from renewable sources and their efficient use for the production process of glasses and ceramics is not possible. Through the use of renewable energy sources, such as concentrated solar energy, a significant reduction of CO ₂ emissions in glass production over the prior art is possible.

Die verwendeten Ausgangsstoffe können zum Beispiel Calciumsilicid, oder intermetallische Laves-Phasen wie zum Beispiel Verbindungen von Natrium und Calcium sein. Die Verwendung weiterer intermetallischer Verbindungen ist möglich, beispielsweise zur Herstellung von Spezialgläsern mit veränderter Zusammensetzung. Borosilikatgläser können erfindungsgemäß durch Verwendung von Silicumboriden als Ausgangsstoffe hergestellt werden. Gemäß Stand der Technik werden die genannten Materialien nicht zur Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken in Schmelzöfen verwendet.The starting materials used may be, for example, calcium silicide, or Laves intermetallic phases such as, for example, compounds of sodium and calcium. The use of other intermetallic compounds is possible, for example for the production of special glasses with a different composition. Borosilicate glasses can be prepared according to the invention by using silicium phosphides as starting materials. According to the prior art, the materials mentioned are not used for the production of glasses or glass ceramics in furnaces.

Durch die Verwendung von sich selbst durch chemische Reaktion aufheizenden Glas-/Glaskeramikschmelzen dauert der Schmelzprozess nicht so lange wie bei der Produktion nach Stand der Technik. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Produktionskapazität gegenüber dem Stand der Technik bei gleichbleibender Größe der Schmelzöfen.The use of self-heating by chemical reaction glass / glass ceramic melts melting process does not take as long as in the production of the prior art. This allows an increase in production capacity over the prior art with a constant size of the furnaces.

Übliche Ausgangsstoffe sind Siliciumdioxid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Erdalkalioxide, wie beispielsweise Calciumoxid oder Magnesiumoxid. Üblicherweise werden Mischungen von diesen als Ausgangsstoffe eingesetzt. Siliciumdioxid kann dabei beispielsweise als Sand eingesetzt werden. Insbesondere kann Siliciumdioxid als Ausgangsstoff durch eine intermetallische Phase ganz oder teilweise ersetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung von Calciumsilicid als intermetallische Verbindung neben dem Calciumsilicid auch Calciumoxid und Ca₂SiO₄ anfällt, ebenso wie (Na₂O) (SiO₂), welche als Bestandteile einer Glasschmelze üblicherweise eingesetzt werden, sodass im Endeffekt keinerlei Abfallprodukte anfallen.Typical starting materials are silicon dioxide, sodium carbonate, potassium carbonate, alkaline earth oxides, such as, for example, calcium oxide or magnesium oxide. Usually, mixtures of these are used as starting materials. Silica can be used for example as sand. In particular, silica as a starting material can be replaced in whole or in part by an intermetallic phase. This has the advantage that in the production of calcium silicide as an intermetallic compound in addition to the calcium silicide also calcium oxide and Ca ₂ SiO ₄ is obtained, as well as (Na ₂ O) (SiO ₂ ), which are usually used as constituents of a glass melt, so in the end no waste products.

Die Herstellung der intermetallischen Verbindung erfolgt dabei bevorzugt an solchen Standorten, an welchen regenerative Energien bereitstehen. Dies kann beispielsweise an einem Ort sein, an welchem ein beständiger Luftzug herrscht, wodurch Windenergie gewonnen werden kann, wie wir es beispielsweise in Küstennähe der Fall ist. Besonders bevorzugt erfolgt die Herstellung der intermetallischen Verbindung in solchen Gebieten in welchen Solarenergie als regenerative Energie verfügbar ist. Insbesondere in Wüsten- oder wüstenähnlichen Gebieten kann eine intermetallische Verbindung im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt hergestellt werden. Ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken ist Siliciumdioxid, welches in Form von Quarzsand vorliegt. Wird der Ausgangsstoff Siliciumdioxid durch eine intermetallische Verbindung ersetzt, so kann aus Sand beispielsweise Calciumsilicid (CaSi) mit Hilfe solarer Energie hergestellt werden. Das so erhaltene Calciumsilicid ist stabil und kann damit unproblematisch transportiert werden. Der Transport kann dann an einen Ort erfolgen, an welchem die eigentliche Glas- oder Glaskeramikherstellung erfolgt. Selbstverständlich kann auch die gesamte Glas/Glaskeramikherstellung an einem Ort erfolgen, um so Transportwege zu sparen.The production of the intermetallic compound is preferably carried out at sites where regenerative energies are available. This can be, for example, in a place where there is a constant draft, which wind energy can be obtained, as we are for example near the coast. Particularly preferably, the production of the intermetallic compound takes place in such areas in which solar energy is available as regenerative energy. In particular, in desert or desert-like areas, an intermetallic compound in the context of the present invention can be produced with particular preference. An essential component in the production of glasses or glass ceramics is silica, which is in the form of quartz sand. If the starting material silicon dioxide is replaced by an intermetallic compound, then, for example, calcium silicide (CaSi) can be produced from sand with the aid of solar energy. The calcium silicide thus obtained is stable and can thus be transported without problems. The transport can then take place to a place where the actual glass or glass ceramic production takes place. Of course, the entire glass / glass ceramic production can be done in one place, so as to save transport routes.

Die Einkopplung regenerativer Energien in ein übliches Verfahren zur Herstellung von Gläsern/Glaskeramiken ist schwierig, sodass durch den Einsatz intermetallischer Verbindungen, welche mittels regenerativer Energien hergestellt wurden, nun ein Verfahren bereitsteht, durch welches regenerative Energien in das Verfahren zur Herstellung von Gläsern/Glaskeramiken eingekoppelt werden können.The incorporation of regenerative energies in a conventional process for the production of glasses / glass-ceramics is difficult, so that by the use of intermetallic compounds, which were produced by means of renewable energies, now provides a method by which regenerative energies coupled into the process for the production of glasses / glass ceramics can be.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die intermetallische Verbindung Si auf und ersetzt somit vollständig oder teilweise Siliciumdioxid als Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Gläsern oder Glaskeramiken. Die intermetallische Verbindung umfasst bevorzugt weiterhin Ca, Sr, Mg, B, Fe, Mn, Cu, AI, Na, K, Sb und/oder Bi. Bevorzugt umfasst die intermetallische Verbindung somit neben Silicium ein weiteres Element, welches auch im Glas oder der Glaskeramik enthalten sein soll, sodass hier keine weiteren Abfallbeziehungsweise Nebenprodukte anfallen. In a preferred embodiment, the intermetallic compound has Si and thus completely or partially replaces silica as the starting material in the production of glasses or glass ceramics. The intermetallic compound preferably further comprises Ca, Sr, Mg, B, Fe, Mn, Cu, Al, Na, K, Sb and / or Bi. Thus, in addition to silicon, the intermetallic compound preferably comprises a further element which is also present in the glass or Glass ceramic should be included, so that no further waste or by-products incurred here.

Verfahren zur Herstellung intermetallischer Verbindungen sind im Stand der Technik hinlänglich beschrieben und dem Fachmann bekannt. Beispielhaft kann Calciumsilicid mit Hilfe von Natrium aus Quarzsand hergestellt werden. Basierend auf dieser beispielhaften Herstellung wurden im Folgenden thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen mit Hilfe der Software FactSage^® durchgeführt, aus welchen hervorgeht, dass zwar zur Herstellung der intermetallischen Verbindung Energie notwendig ist. Diese wird jedoch bei der eigentlichen Glasherstellung beziehungsweise Glaskeramikherstellung wieder freigesetzt, sodass eine Möglichkeit besteht, die benötigte konventionell erzeugte Energie zu reduzieren und regenerative Energien, soweit bei der Herstellung der intermetallischen Verbindungen eingesetzt, in das Verfahren einzukoppeln.Methods for producing intermetallic compounds are well described in the art and known to those skilled in the art. By way of example, calcium silicide can be prepared with the aid of sodium from quartz sand. Based on this exemplary production, thermodynamic equilibrium calculations were carried out with the help of the software FactSage ^® , which shows that energy is required to produce the intermetallic compound. However, this is released in the actual glass production or glass ceramic production again, so that there is a possibility to reduce the required conventionally generated energy and regenerative energies, as far as used in the production of intermetallic compounds, coupled into the process.

In 1 ist schematisch der Produktionsprozess einer Kalk-Soda-Glasschmelze und der Herstellung von Calciumsilicid als reaktiven Ausgangsstoff gezeigt. In einem ersten Schritt (1) erfolgt die Herstellung von Natriummetall. Anschließend (2) erfolgt die Herstellung von Silicium und Silicaten aus Quarzsand. In einem dritten Schritt (3) erfolgt dann die eigentliche Herstellung von Calciumsilicid und -silicaten. Als letzter Schritt (4) erfolgt die eigentliche Herstellung von Kalk-Soda-Glas, welche vorliegend beispielhaft betrachtet wurde. Im Folgenden wird nun die thermodynamische Energiebilanz dieses Verfahrens gezeigt:In 1 is shown schematically the production process of a soda-lime glass melt and the production of calcium silicide as a reactive starting material. In a first step (1), the production of sodium metal takes place. Subsequently (2) the production of silicon and silicates from quartz sand takes place. In a third step (3), the actual production of calcium silicides and silicates then takes place. As the last step (4), the actual production of soda-lime glass, which has been considered here by way of example, takes place. The thermodynamic energy balance of this process is now shown below:

Herstellung von NatriummetallProduction of sodium metal

In einem ersten Schritt wird, vorzugsweise unter Verwendung regenerativer Energiequellen, Natriummetall hergestellt. Dies ist zum Beispiel nach Stand der Technik möglich durch Elektrolyse von Natriumchlorid bei hohen Temperaturen. Chlorgas entsteht als Nebenprodukt: 2 NaCl (I) → 2 Na (I) + Cl₂ (g) (a) In a first step, sodium metal is produced, preferably using regenerative energy sources. This is possible for example in the prior art by electrolysis of sodium chloride at high temperatures. Chlorine gas is produced as a by-product: 2 NaCl (I) → 2 Na (I) + Cl ₂ (g) (a)

Alternativ ist auch die Synthese von Natriummetall aus anderen Natriumverbindungen möglich. Diese Reaktion verläuft mit 412 kJ/mol NaCl stark endergonisch.Alternatively, the synthesis of sodium metal from other sodium compounds is possible. This reaction proceeds strongly endergonically with 412 kJ / mol NaCl.

Herstellung von Silicium und SilikatenProduction of silicon and silicates

Unter Inertatmosphäre entsteht bei einer Temperatur von ca. 800 °C und unter erhöhtem Druck Silicium aus Quarzsand und Natriummetall. Um das Natriummetall bei dieser Temperatur flüssig zu halten, ist ein Druck von ca. 10 bar notwendig. Als Nebenprodukt entstehen Natriumsilikate (Na₂O · SiO₂), die als Vorstufe für die Glasherstellung weiterverwendet werden können. 4 Na + 3 SiO₂ → Si + 2 (Na₂O · SiO₂) (b) Under inert atmosphere arises at a temperature of about 800 ° C and under increased pressure silicon from quartz sand and sodium metal. In order to keep the sodium metal liquid at this temperature, a pressure of about 10 bar is necessary. The by-product is sodium silicates (Na ₂ O.SiO ₂ ), which can be used as a precursor for glass production. 4 Na + 3 SiO ₂ → Si + 2 (Na ₂ O.SiO ₂ ) (b)

Die Reaktion verläuft stark exotherm mit -394 kJ/mol Si. Die so entstehende Abwärme kann zur Stromerzeugung oder zur Verwendung im weiteren Glasherstellungsprozess verwendet werden.The reaction is highly exothermic with -394 kJ / mol Si. The resulting waste heat can be used to generate electricity or for use in the further glass manufacturing process.

Herstellung von Calciumsilicid und SilikatenProduction of calcium silicide and silicates

Das Silicium aus dem vorherigen Reaktionsschritt reagiert mit Calciumoxid unter der Bildung von Calciumsilicid und γ-Calciumsilikat. Der Einsatz von Calciumcarbonat ist auch möglich, jedoch unter zusätzlichem Energieaufwand für das Kalkbrennen unter Freisetzung von Kohlenstoffdioxid. Die Produktion von Calciumsilicid in einem ähnlichen Prozess ist bekannt nach Stand der Technik, allerdings nicht als Teil des beschriebenen Gesamtprozesses. Calciumoxid wird im Überschuss eingesetzt und kann in Schritt 4 zur Glasherstellung weiterverwendet werden. 3 Si + 6 CaO → 2 CaSi + γ-Ca₂SiO₄ + 2 CaO (c) The silicon from the previous reaction step reacts with calcium oxide to form calcium silicide and γ-calcium silicate. The use of calcium carbonate is also possible, but with additional energy for lime burning with the release of carbon dioxide. The production of calcium silicide in a similar process is known in the art, but not as part of the overall process described. Calcium oxide is used in excess and can be reused in step 4 for glassmaking. 3 Si + 6 CaO → 2 CaSi + γ-Ca ₂ SiO ₄ + 2 CaO (c)

Die Reaktion verläuft leicht exotherm mit -89 kJ/mol Si. Anfallende Abwärme kann weiter genutzt werden. Theoretisch, nach Lage des chemischen Gleichgewichts, verläuft diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur, jedoch ist aus kinetischen Gründen zur Zuführung von Aktivierungsenergie das Aufheizen der Reaktionsmischung nötig.The reaction is slightly exothermic with -89 kJ / mol Si. Any waste heat can still be used. Theoretically, after the position of the chemical equilibrium, this reaction already proceeds at room temperature, but for kinetic reasons to supply activation energy, the heating of the reaction mixture is necessary.

Herstellung von Kalk-Soda-GlasProduction of soda-lime glass

Die Produktmischung von Reaktion (c) wird zusammen mit dem in Reaktion (b) anfallenden Calciumsilikat und Quarzsand gemischt. Nach Erhitzen der Reaktionsmischung an der Luft erfolgt durch Oxidation des Calciumsilicids eine weitere starke Temperaturerhöhung, die zum Aufschmelzen der Glasmischung beiträgt: 2 CaSi + 3 O₂ → 2 CaO + 2 SiO₂ (d) The product mixture of reaction (c) is mixed together with the calcium silicate and quartz sand obtained in reaction (b). After heating the reaction mixture in air, oxidation of the calcium silicide results in a further increase in temperature, which contributes to the melting of the glass mixture: 2 CaSi + 3 O ₂ → 2 CaO + 2 SiO ₂ (d)

Die Reaktion verläuft stark exotherm mit -1396 kJ/mol CaSi.The reaction is highly exothermic with -1396 kJ / mol CaSi.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden 17 Massen-% der Produktmischung aus (c) mit 30 Massen-% Calciumsilikat aus Schritt (b) vermischt. Der Rest der Glasschmelze besteht aus Siliciumdioxid (Quarzsand). Die Zugabe von Altglas ist möglich, um den Energieaufwand beim Glasschmelzen weiter zu reduzieren.In the present exemplary embodiment, 17% by mass of the product mixture from (c) is mixed with 30% by mass of calcium silicate from step (b). The remainder of the glass melt consists of silica (quartz sand). The addition of waste glass is possible in order to further reduce the energy consumption during glass melting.

Die Zusammensetzung des so hergestellten Glases liegt mit 14,6 Massen-% Na₂O, 13,2 Massen-% CaO und 72,2 Massen-% SiO₂ im Bereich üblicher Kalk-Soda-Gläser. Der Anteil von Calciumsilicid an der gesamten Glasschmelze vor der Oxidation liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 5,6 Massen-%, kann jedoch entsprechend der Anforderungen an eine bestimmte Glas- oder Keramikart verändert werden.The composition of the glass thus produced is 14.6 mass% Na ₂ O, 13.2 mass% CaO and 72.2 mass% SiO ₂ in the range of conventional soda-lime glasses. The proportion of calcium silicide in the entire glass melt prior to oxidation is in the present embodiment at 5.6 mass%, but can be changed according to the requirements of a particular type of glass or ceramic.

Gemäß Stand der Technik werden laut Literatur 650 kW/h pro Tonne Kalk-Soda-Glas an Wärmeenergie zum Schmelzen der Reaktionsmischung benötigt, ein Recyclinganteil von 80 % senkt diesen Energiebedarf auf 470 kW/h pro Tonne Glas. Andere Quellen nennen einen Produktions-Energiebedarf von 1 bis 4 kW/h pro kg Glas, je nach Zusammensetzung. Bei einem Massenanteil von 5,6 % CaSi an der Glasschmelze vor der Oxidation kann bei Verwendung von 80 % Recyclingglas entsprechend der bei der Oxidation nach Schritt (d) freiwerdenden Energie und unter Annahme des oben erwähnten Energiebedarfs von 470 kW/h pro Tonne Glas etwa die Hälfte der nach dem Stand der Technik benötigten Schmelzenergie eingespart werden. Dieser Anteil erhöht sich gegebenenfalls, falls der Anteil an CaSi erhöht wird, andere Silicide oder intermetallische Verbindungen verwendet werden, oder die anfallende Abwärme aus anderen Reaktionsschritten genutzt werden kann.According to the prior art, according to the literature 650 kW / h per ton of lime-soda glass of heat energy for melting the reaction mixture is required, a recycling rate of 80% reduces this energy requirement to 470 kW / h per ton of glass. Other sources cite a production energy requirement of 1 to 4 kW / h per kg of glass, depending on the composition. At a mass fraction of 5.6% CaSi on the molten glass prior to oxidation, using 80% recycled glass corresponding to the energy released by the oxidation after step (d) and assuming the above-mentioned energy requirement of 470 kW / h per tonne of glass Half of the required state of the art melting energy can be saved. If necessary, this proportion increases if the proportion of CaSi is increased, if other silicides or intermetallic compounds are used, or if the resulting waste heat from other reaction steps can be used.

Gläser und Glaskeramiken sind industriell in großen Mengen produzierte Substanzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Einsparung von CO₂-Emissionen bei der Produktion durch die direkte Einbindung regenerativer Energiequellen, wie zum Beispiel der konzentrierten Solarenergie. Hierbei handelt es sich um eine wertvolle Alternative zum Produktionsverfahren nach Stand der Technik, welche so auch industriell im größeren Maßstab anwendbar ist.Glasses and glass ceramics are industrially produced in large quantities. The method according to the invention makes it possible to save CO ₂ emissions during production by directly integrating regenerative energy sources, such as, for example, concentrated solar energy. This is a valuable alternative to the production process according to the prior art, which is also applicable industrially on a larger scale.

Claims

A method for producing glasses or glass ceramics comprising a) providing required starting materials, b) mixing all starting materials and c) then heating all starting materials in an oven, whereby a mixed oxide is formed, characterized in that one or more starting materials at least partially replaced by an intermetallic compound becomes.

Method according to Claim 1 , characterized in that the method further comprises the step of producing the intermetallic compound and the energy required therefor is provided by means of regenerative energies, in particular by means of solar energy.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the energy required in step c) is provided, at least in part, by energy stored in the intermetallic compound.

Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that one uses silica, sodium carbonate, potassium carbonate, Erdalkalidioxide, such as calcium oxide and magnesium oxide, and mixtures thereof as starting materials.

Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the intermetallic compound comprises Si.

Method according to Claim 5 , characterized in that the intermetallic compound further comprises Ca, Sr, Mg, B, Fe, Mn, Cu, Al, Na, K, Sb or Bi.

Use of an intermetallic compound in the production of glasses or glass ceramics.

Use after Claim 7 , characterized in that the intermetallic compound comprises Si.

Use after Claim 7 or 8th , characterized in that the energy stored in the intermetallic compound is used to heat the starting materials.