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Verfahren zur Herstellung von Alkalikarbonat und Zement aus alkalihaitigen Silikatmineralien.
Es ist bekannt, dass Feldspat und andere alkalihaltige Silikatmineralien durch Kalk oder kalkhaltige Stoffe aufgeschlossen werden können, falls die Mineralien in feinpulverisiertem Zustand mit dem Kalk gemischt werden und die Mischung auf eine Temperatur von 10000 C oder mehr erhitzt wird. Dadurch werden basische Alkali-Kalk-Aluminosilikate gebildet, deren Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel empirisch bezeichnet werden kann :
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In diesen Verbindungen kann ein Teil der Tonerde durch Eisenesquioxyd (Fez Os) und ein Teil des Kalkes durch Magnesiumoxyd (Mg 0) oder andere basische Oxyde zweiwertiger Metalle ersetzt sein.
Im glühenden Zustand der Mischung ist das Alkali lose gebunden und das chemische Band ist desto loser, je mehr die Kalkmenge (die Basicität) vergrössert und ebenfalls je mehr die Temperatur gesteigert wird. Nach Kühlen der Mischung kann, wie bekannt, ein grösserer oder kleinerer Teil des Alkalis abgespalten und in Wasser gelöst werden.
Falls die Temperatur auf 14000 C oder noch mehr gesteigert wird (welche Temperatur für Alkalimineralien von verschiedener Zusammensetzung ein wenig verschieden ist) tritt
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werden. Diese Reaktion ist in dem Patente Nr. 69305 beschrieben. Bei der Ausführung dieses Prozesses in grossem Massstabe muss man indessen erheblich höhere Temperaturen, und zwar bis auf 14500 C bis 15000 C oder mehr verwenden. Diese hohen Temperaturen verteuern den Prozess wesentlich.
Es wurde indessen gefunden, dass das Alkali in sehr einfacher Weise leicht und vollständig in Gasform schon bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden werden kann. Dieses Verfahren besteht darin, dass man der Mischung von Kalk und alkalihaltigem Mineralstoff eine bestimmte, gewöhnlich geringe Menge fein zerteilter Kohle oder eines kohlenhaltigen Stoffes hinzusetzt, wonach die Mischung in einer Kohlensäure enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird.
Zur Herstellung der Alkalimetalle hat man schon längst einen Prozess gemäss der folgenden, wohlbekannten Formel verwendet :
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Wie bekannt, erfordert diese Reaktion eine Erhitzung auf lichte Rotglut (etwa 12000 C).
In der oben beschriebenen Mischung von Kalk und einem alkalihaltigem Silikatmineral kommt das Alkali in sehr lose gebundener Form vor.
Falls die Erhitzung bei offenem Feuer, d. h. in einer Atmosphäre von Kohlensäure enthaltenden Brenngasen (beispielsweise in Öfen, die bei dem Zementbrennen benutzt werden) vorgenommen wird-und falls der Mischung dabei eine geeignete Menge fein zerteilter Kohle oder eines feinzerteilten kohlenhaltigen Stoffes beigemischt ist, so wird man folgende Kombination erreichen :
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Diese Stoffe reagieren miteinander, und zwar gemäss folgender Formel :
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Die Reaktion findet dabei infolge der chemischen Prädisposition der Kohle schon lange vor dem Zeitpunkt statt, da die Temperatur erreicht worden ist, bei der das Alkali, wie oben erwähnt, durch den Kalk ausgetrieben und vergast wird.
Das Alkalioxyd und die Kohlensäure sind somit unter Prädisposition der Kohle als im voraus zu Karbonat verbunden zu betrachten, obwohl dies nicht in der Tat der Fall ist. Die Reaktion i. ist deshalb, wie ersichtlich, mit derfoben erwähnten, bekannten Reaktion zur Herstellung von Alkalimetallen aus Karbonaten und Kohle in der Hauptsache identisch.
Das vergaste Alkalimetall verbindet sich dann mit neuen Mengen Kohlensäure zu Karbonat gemäss der Formel :
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Die obigen Reaktionen finden gleichzeitig statt und wirken gegenseitig prädisponierend, weshalb sie summarisch in der folgenden Reaktion zusammengestellt werden können :
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Vorausgesetzt, dass z. B. Kalifeldspat (Orthoklas) in reiner Form und reines Kalziumkarbonat verwendet werden, wird die Reaktion, summarisch zusammengeführt, wie folgt :
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Es ist indessen empfehlenswert, in der Praxis wenigstens das Fünffache des dem Kali äquivalenten Gewichtes von Kalk (Ca 0) zu verwenden. Das Rohmaterial erhält unter diesen
Umständen folgende Zusammensetzung : K2O. A12 Os 6 Si O2 + 5 Ca COs + 2 C, woraus ersichtlich ist, dass der Kohlengehalt wenigstens etwa 2'5% betragen soll.
In der Praxis wird - indessen zweckmässig eine Menge Kohle verwendet, die 4 bis 10% des Rohmaterials beträgt.
Bei der Verwendung grösserer Mengen Kohle als die für die Reaktion erforderliche wird natürlich die überschüssige Menge zu Kohlensäure verbrannt, die dabei-wie es aus der Reaktion hervorgeht-ganz oder teilweise ah der Reaktion teilnimmt und zu deren
Eintritt prädisponiert.
Die Reaktion verläuft desto schneller und vollständiger, je mehr die Kohle fein zerteilt ist. Bei Verwendung von Koks, Steinkohle, Anthrazit o. dgl. sollen sie so fein gemahlen werden, dass sie durch ein Drahtgewebe mit 5000 Maschen pro e vollständig hindurch- gehen.
Statt Kohle kann man, wie erwähnt, eine geeignete kohlenhaltige Substanz (einen organischen Stoff), wie Sägespäne o. dgl., verwenden.
Statt eines alkalihaltigen Silikatminerals-was auch natürlich derartige Mineralien enthaltende'Bergarten umfasst-können auch weniger vollständig verwitterte Produkte derartiger Mineralien und Bergarten, wie alkalihaltige Tone, Tonschiefer u, dgl. verwendet werden.
Die an den Kalk gebundene Kohlensäure entweicht schon, bevor die Temperatur der oben beschriebenen Reaktion erreicht worden ist und nimmt somit keinen Teil an der
Reaktion.
Falls die gleichzeitige Herstellung von hydraulischem Zement (Portlandzement) beab- sichtigt wird, muss eine so grosse Menge Kalk 0-benutzt werden, dass das Verhältnis
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mindestens 1'7 beträgt. In der Praxis wird indessen zweckmässig ein Modul von etwa 2'1 angewendet. Vorausgesetzt, dass reine Bestandteile verwendet werden, werden die Reaktion und die relativen Mengen etwa folgende. :
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Wie aus dieser Gleichung hervorgeht, beträgt die Kohlenmenge, die für die Reaktion erforderlich ist-wobei die Kohlensäure als von dem Ofenbrennstoff herrührend angenommen wird-theoretisch genommen etwa r"/o der Rohmischung.
Wie oben erwähnt, ist es indessen zweckmässiger, eine grössere Kohlenmenge und somit auch hier eine Kohlenmenge zu verwenden, die 4 bis in"/ (, des Gewichtes der Rohmischung beträgt. Die Menge des Ofenbrennstoffes kann dabei im Verhältnis zu dieser Vergrösserung vermindert werden.
Da die alkalihaltigen Silikatmineralien häufig eine wesentliche Menge freier Kieselsäure in der Form von Quarz enthalten und da infolgedessen der sogenannte Silikatmodul (das
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Verhältnis zwischen der Kieselsäure-Si 02-einerseits und dem ganzen Gehalt an Sesquioxyden : A O 03-+ Fe2 03 andrerseits) häufig ein wenig zu gross wird, ist es dabei zweckmässig, der Rohmischung geringe Mengen Eisenoxyde (Eisenerz o. dgl. ) oder sehr tonerdehaltige Stoffe (wie Bauxit o. dgl. ) zuzusetzen. Derartige Verfahren sind in der Zementchemie wohl- bekannt.
Die Temperatur ist natürlich bei dem vorliegenden Prozess so hoch zu treiben und das Brennen während so langer Zeit fortzusetzen, dass ein wohlgebrannter Zement erhalten wird. Deshalb werden, je nach den Umständen, Temperaturen von etwa 1250 bis 14000 C erforderlich. Es ist ausserdem von Bedeutung, dass die Temperatur und die Brennzeit zur Erreichung eines praktisch genommen alkalifreien Zementes genügen, weil seine Beschaffenheit sonst nicht tadellos ausfällt.
Das Verfahren kann-sei es nun bei gleichzeitiger Herstellung von Zement oder nicht-zweckmässig in Öfen derselben Art, die man beim gewöhnlichen Zementbrennen anwendet, ausgeführt werden. Das Alkalikarbonat entweicht dabei in der Form eines fein zerteilten Rauches, der zweckmässig derart aufgesammelt und gewonnen wird, dass die Brenngase-vorteilhaft nach Kühlung-in entsprechender Weise in innige Berührung mit Wasser gebracht werden, wonach das vom Wasser aufgenommene Alkalikarbonat durch Eindampfen der Lösung erhalten wird.
Bei der Ausführung des Verfahrens ins Schachtöfen muss das Rohmaterial in geeigneter Weise brikettiert werden. Dies kann zweckmässig derart bewerkstelligt werden, dass das Rohmaterial mit Kalkmilch (in Wasser geschlämmtes Kalkhydrat) zu einem festen Teig angemacht, in geeigneter Weise brikettiert wird.
Man kann auch zur Durchführung des Verfahrens elektrische Ofen von zweckdienlicher Bauart verwenden, wobei jedoch natürlich Kohlensäure oder-falls der Kohlengehalt der Brikette genügend'gross ist-eine genügende Menge Luft zuzuführen ist.
Die Temperatur darf selbstredend in keinem Fall so hoch getrieben werden, dass die Mineralstoffe schmelzen und von der Kohle geschieden werden, weil dadurch natürlich jede chemische Reaktion unmöglich würde.