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Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Alkali und hydraulischem Zement
Bekanntlich sind die Alkalien meistenteils an Kieselsäure und Tonerde gebunden in der Natur vorhanden. Diese Alkalialuminosilikate (beinahe ausschliesslich Feldspate) sind bei hoher Temperatur gebildet und sind daher äusserst beständige und in chemischer Hinsicht indifferente Verbindungen. Es hat sich deshalb als sehr schwierig erwiesen, die Alkalien aus solchen Mineralien freizumachen und in lösliche Form durch Verfahren zu bringen, die eine technische Gewinnung des Alkalis in grossem Massstabe ermöglichen. In gewissen seltenen Mineralen neptunischen Ursprungs, wie z. B. Glauconit, Grünsand und dgl., sind die Alkalien in Form von Alkalieisenoxydsilikaten vorhanden.
In diesen Mineralen ist das Alkali im Gegensatz zu den Alkalitonerdesilikaten äusserst leicht gebunden, so dass die Minerale unmittelbar als Pflanzennährstoffe benutzt werden können. Aus diesem Grunde ist es auch möglich, das Alkali solcher Minerale durch einfache Erhitzung bis auf 9000 C abzudampfen.
Bei den Alkalitonerdesilikaten, welche sämtlich vulkanischen Ursprungs sind, liegen die Verhältnisse wesentlich anders. Es ist seit langer Zeit bekannt, dass solche Minerale durch Erhitzen mit Kalk-mit oder ohne andere Zusätze, wie Chlorkalzium usw.-auf entsprechende Temperatur (900 bis 10000 C) aufgeschlossen werden können, wobei das Alkali zum Teil wasserlöslich wird. Diese Aufschliessung ist aber in bezug auf das Freiwerden des Alkalis immer sehr unvollständig, so dass höchstens 50 bis 60% des Alkaligehaltes des Feldspates mittels Wasser ausgelaugt werden können.
Da der Rückstand nach der Auslaugung des Alkalis eine dem Portlandzement analoge Zusammensetzung aufweist, hat man auch versucht, ihn zur Herstellung von Portlandzement durch einen wiederholten Brennungsvorgang zu benutzen. Der so gewonnene Zement kann aber niemals eine mit dem gewöhnlichen Portlandzement vergleichbare Beschaffenheit erhalten, was einerseits auf seinem hohen Gehalt an Alkali, andererseits darauf beruht, dass er bei der Auslaugung des Alkalis teilweise hydratisiert wird und dann sogar durch wiederholtes Brennen nicht in bindefähig Form gebracht werden kann. Die vielen Arbeitsstufen bewirken ausserdem, dass dieses Verfahren sehr unwirtschaftlich ist.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist nun, die natürlichen Alkalialuminosilikate oder Gesteine, welche zum wesentlichen Teil aus solchen Mineralen bestehen, oder deren Verwitterungsprodukt in wirtschaftlicherer Weise zur gleichzeitigen Erzeugung von Alkali und Portlandzement zu verwerten, als dies bis jetzt möglich war. Die Erfuldung beruht auf der Erkenntnis, dass das Alkali solcher Minerale und Gesteine durch einen entsprechenden Zusatz von Kalk ausgetrieben und als Oxyd, Hydroxyd oder Karbonat verdampft wird, wenn das Gemisch auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als die gewöhnliche Aufschlu13temperatur des Alkalialunllnosilikats liegt.
Die betreffende Reaktion setzt bei einigen Mineralien schon bei einer Temperatur von etwa 1100 bis 1200 C ein ; die praktische Durchführung des Verfahrens erfolgt aber zweckmässig bei höherer Temperatur, und zwar etwas höherer als der üblichen Sintertemperatur des Portlandzement verfahrens, wobei der Rückstand einen Portlandzementklinker bildet, der beim Vermahlen einen vorzüglichen Zement liefert. Durch dieses Verfahren werden gegenüber dem gewöhnlichen Aufschliessungsverfahren mit Auslaugung des Alkalis durch Wasser und nachberigem wieder- holten Brennen des Rückstandes die Massnahmen erheblich vereinfacht und die Ausbeute an Alkali und die Beschaffenheit des Zements wesentlich verbessert.
Unter den verschiedenen Arten von Feldspaten, die zu dem vorliegenden Zwecke ver-
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mit stark basischem Charakter erhält. Diese Silikate bzw. Aluminate bleiben meist nicht voneinander getrennt, sondern verbinden sich während des Reaktionsvorganges chemisch miteinander zu sogenannten Aluminosilikaten von Kalzium verschiedener Zusammensetzung. Dieses Produkt ist mithin seiner Zusammensetzung nach dem hydraulischen Zement völlig analog und besitzt auch nach Vermahlen die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften wie sogenannter Portlandzement. Um ein derartiges Endprodukt zu erhalten, ist jedoch die Gegenwart einer genügenden Menge von Kalk nötig und es genügt hiebei nicht, die Kalkmenge nur in bezug auf den Zweck, mit-ihrer Hilfe das Alkali auszutreiben, zu berechnen.
Eine Kalkmenge, die z. B. der Reaktion
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entspricht, bei der nur ein einfacher Ersatz des Alkalis durch Kalk stattfindet, ist demnach bei weitem nicht genügend und hiebei wird kein hydraulischer Zement als Rest erhalten.
Wenn, wie es oft vorkommt, die Tonerde in den obengenannten Mineralen zu einem geringeren Teil durch Eisenoxyd (F Oa} ersetzt ist, hat dies wenig oder keinen Einfluss auf die Beschaffenheit des Zements, weil das Eisenoxyd, als in diesem Falle isomer mit der Tonerde, dieselbe in gewissen Grenzen ersetzen kann. Das Alkali der genannten Minerale kann ebenfalls zu einem kleineren Teil durch Magnesiumoxyd oder andere Oxyde ersetzt werden, ohne dass dadurch die Eigenschaften des Zements schlechter werden.
Eine grosse Anzahl Gesteinsarten enthalt die oben bezeichneten Minerale als hauptsächlichen Bestandteil. Dies ist besonders der Fall bei älteren Eruptiven, wie Granit, Gneis, Glimmerschiefer usw., wie ebenfalls bei ihren Abweichungen in Form von Granulit, Quarzporphyr, Pegmatit und dgl. Eruptive jüngeren Datums, wie Basalte, Phonolithe usw., enthalten aber auch zuweilen bedeutende Mengen alkalihaltiger Minerale, deren Zusammensetzung derjenigen der oben beschriebenen Minerale analog ist. Die übrigen Bestandteile dieser Gesteine bestehen meist grösstenteils aus Kieselsäure in Form von Quarz. Dieser Gehalt an Quarz bat aber, falls er nicht zu gross ist, wenig oder keinen Einfluss auf die Beschaffenheit des Zementes, wenn die.
Kalkmenge derart bemessen wird, dass sie diesen Überschuss an Kieselsäure ebenfalls an sich zu binden imstande ist. Die freie Kieselsäure (Quarzsand usw. ) wird nämlich vom Kalk beim Vorhandensein der schmelzenden alkalihaltigen Silikatmineralien ohne Schwierigkeiten gelöst und geht dabei in gallertartige, in Säure lösliche Silikate über.
Statt der vorerwähnten : Minerale oder Gesteine können auch ihre Verwitterungsprodukte für den genannten Zweck benutzt werden, wenn dieselben die oben beschriebenen alkalihaltigen Minerale in genügender Menge enthalten, d. h. wenn sie unvollständig verwittert sind. Demnach können für diesen Zweck auch alkalibaltige Zeolithe, Tonarten, Tonschiefer usw. gebraucht werden.
Es können natürlich statt gebrannten Kalkes (C'aO) auch solche Kalkverbindungen benutzt werden, die bei Erhitzung auf eine Temperatur, welche diejenige, bei der das Alkali vergast wird, nicht erreicht, in Kalziumoxyd übergehen, wie Kalziumhydrat (gelöschter Kalk), KaLnum- karbonat usw. Die im Mineralreich vorkommenden verschiedenen Arten von kohlensaurem
Kalk (Silurkalk, Urkalk, Kreide usw.) enthalten bekanntlich oft nicht unbedeutende Mengen von
Verunreinigungen in Form von Quarz oder Ton oder anderen Silikaten. Andererseits enthalten die alkalihaltigen Minerale oder ihre Verwitterungsprodukte oft nicht unbedeutende Mengen von durch Kiesctsäure gebundenem Kalk.
Bei Berechnung der Verhältnismengen des alkalihaltigen Materials einerseits und des
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noch weiterer Grenzen gewechselt werden.
Trotzdem in Übereinstimmung mit dem vorstehend Hervorgehobenen die Verflüchtigung des Alkalis bei einigen Gestein8arten schon bei einer Temperatur von 1100 bis 12"C stattfindet und allerdings schon bei diesen Temperaturen ein hydraulischer Zement erzielt werden kann, ist es doch vorteilhaft, etwas höhere Temperaturen, z. B. ungefähr 1400 C oder mehr, anzuwenden, um ein in jeder Hinsicht tadelloses Produkt zu gewinnen.
Die Erhitzung der Mischung der alkalihaltigen Masse und des Kalkes kann in Tiegeln oder Retorte von feuerfestem Ton oder anderem geeigneten Material ausgeführt werden. Um das Zusammensintern der Zementmasse (des Klinkers) mit dem Material der Retortenwände zu verhindern, können die Retorten vorteilhaft innen mit einem gegen das erhitzte Material indifferenten Körper, wie Graphit, Magnesit usw., bekleidet werden.
Die Alkaligase werden durch Rohre von Eisen oder anderem geeigneten Material abgeleitet, welche in Vorlagen von Eisen, Ton oder anderem geeigneten Material ausmünden. Wird die Erhitzung in Gegenwart eines Gases von solcher Beschaffenheit ausgeführt, dass es eine chemische Verbindung mit den Alkalien bei deren Entbindung eingeht, und ist diese Reaktion ausserdem bei den herrschenden Temperatur-
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was ein Verbrennen grosser Mengen von Brennmaterial in der Zeiteinheit und dabei auch eine Zuführung grosser Mengen Luft erfordert und die Bildung grosser Mengen Verbrennungsgase herbeiführt, so muss auch die Geschwindigkeit, mit welcher die Verbrennungsgase diese Öfen durchströmen, dementsprechend gross werden.
Bei Ausübung des Destillationsverfahrens in Zementöfen geht deshalb der grösste Teil des Destillates sehr rasch in Rauchform über. Hiezu trägt auch der Umstand bei, dass das fein verteilte Kondensat sehr bald in den festen Aggregat-
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von etwa 1050a C. Wenn demnach in einem derartigen Ofen das vergaste Alkali, das Karbonat. nicht unmittelbar, nachdem der Gasstrom bis zur Verdiehtungstemperatur abgekühlt worden ist.
mit einem Verdicht ungskörpcr mit grosser Kühlfläche in Berührung gesetzt wird (mit den erwähnten Eisenrohrbündeln), so tritt in überwiegendem Grade eine Rauchbildung der erwähnten Art ein Allerdings setzt sich ja dabei ein Teil des vergasten Alkalis, wenn es in költere Zonen kommt, unmittelbar auf den Oberflächen der Beschickung, auf dem Rohmatenal oder dem Brennmaterial
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von dem Ofen ausgehenden, mit feinem Staub von Alkahkarbonat vermengten Verbrennungs- gasp m Apparate geleitet werden, welche derart eingerichtet sind, dass sie die in den Verbrel1nun- gasen schwebenden festen Teilchen ausscheiden und in sich aufnehmen können.
Zu diesem Zwecke kann überhaupt jede ähnlichen Zwecken dienende bekannte Einnchtung, wie verschiedene Arten von Apparaten zum Auffangen von Rauch, Staub usw. gebraucht werden. Man kann somit die festen Teilchen mittels in geeigneter Weise ausgeführter Filter oder dgl. auffangen. Man kann auch durch dazu geeignete Vorrichtungen (z. B. durch Einspritzen von Wasser in fein zerteiltem Zustande mittels zweckmässig eingerichteter Düsen oder dgl. ) die Verbrennungsgase in innige Berührung mit Wasser bringen, wobei das Alkalikarbonat vom Wasser aufgenommen und gelöst und die Lösung, nachdem die unlöslichen Verunreinigungen, die Asche, der Zementstaub usw
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erhalten wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Alkali und hydraulischem Zement. dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung von alkalihaltigen Feldspaten oder alkalifeldspathaltigen Gesteinen und Kalk (gebranntem, gelöschtem oder kohlensaurem Kalk) in zur Zementbildung passenden Mengenverhältnissen in pulverisiertem Zustande auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, dass das Alkali von dem Kalk ausgetrieben und vergast wird, wobei das Alkali in geeigneter Weise aufgesammelt und der Destillationsrückstand zu Zement vermahlen wird.
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