DE10143685B4 - Structured silicon carbide particles, process for their preparation and use - Google Patents
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Abstract
Strukturierte Siliciumcarbidpartikel in Form von Primär- und Sekundärpartikeln hergestellt durch ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 24, wobei die Sekundärpartikel im Wesentlichen aus Siliciumcarbid-Primärpartikeln aufgebaut sind, bei dem die Sekundärpartikel morphologisch und strukturell ganz, im Wesentlichen ganz oder teilweise der Morphologie und Struktur der Partikel des Ausgangsstoffes Kieselgur/Diatomeenerde entsprechen.Structured Silicon carbide particles in the form of primary and secondary particles manufactured by a method according to at least one of claims 10 to 24, the secondary particles essentially composed of silicon carbide primary particles, where the secondary particles morphologically and structurally whole, essentially whole or in part the morphology and structure of the particles of the starting material kieselguhr / diatomaceous earth correspond.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft strukturierte Siliciumcarbidpartikel, die beispielsweise in technischen Produkten, wie porösen Filterwerkstoffen, als Filterhilfsmittel, Katalysatorträger, Hilfsstoffe für analytische Verfahren, als Speichermedium für flüssige oder gasförmige Stoffe, als Bestandteil von Oberflächenbeschichtungen oder als Schleifmittel zur Anwendung kommen können, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.The The invention relates to the field of ceramics and relates to structured Silicon carbide particles used, for example, in technical products, like porous Filter materials, as a filter aid, catalyst support, auxiliaries for analytical Method, as a storage medium for liquid or gaseous Substances, as a constituent of surface coatings or as Abrasives may be used to process theirs Production and its use.
Siliciumcarbid (SiC) wird seit langem für technische Keramiken verwendet. Für viele technische Produkte wird Siliciumcarbidpulver als Ausgangsmaterial genutzt. Siliciumcarbid besitzt eine sehr hohe chemische und thermische Beständigkeit.silicon carbide (SiC) has long been for technical Ceramics used. For Many technical products will use silicon carbide powder as starting material used. Silicon carbide has a very high chemical and thermal Resistance.
Üblicherweise wird SiC über den sogenannten Acheson-Prozess synthetisiert, bei dem Petrolkoks (C) und Sand (SiO2) in einer Schüttung unter hohen Temperaturen reagiert. Das Pulver wird dann durch Mahlprozesse aus dem stückig vorliegenden reagierten SiC hergestellt. Die Morphologie solcher Pulver ist üblicherweise splittrig mit glatten Oberflächen. Die Pulverpartikel besitzen selbst keine innere Porosität. Die spezifische Oberfläche dieser Pulver erreicht bei sehr kleinen Partikeln typischerweise 10 bis 15 m2/g.Usually, SiC is synthesized via the so-called Acheson process, in which petroleum coke (C) and sand (SiO 2 ) react in a high-temperature bed. The powder is then prepared by grinding processes from the bulk present reacted SiC. The morphology of such powders is usually splintery with smooth surfaces. The powder particles themselves have no internal porosity. The specific surface area of these powders typically reaches 10 to 15 m 2 / g for very small particles.
Alternative Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidpulvern sind sehr zahlreich. Beispielsweise werden chemische Reaktionen von Si- und C-haltigen Gasen (z. B. SiCl4 bzw. CH4), wobei die Reaktion zu SiC durch Plasma oder Laser initiiert wird, oder heißen Flächen (z. B. CVD) ausgenutzt. Die entstehenden Produkte bestehen aus Partikeln (Sekundärpartikeln), die ihrerseits wiederum aus sehr feinen SiC-Primärpartikeln aufgebaut sind. Dadurch besitzen die Sekundärpartikel eine zerklüftete Oberfläche und z. T. auch innere Porosität. Die Primärpartikel besitzen selbst glatte Oberflächen und eine Morphologie, die aus den Kristallformen der SiC-Polytypen resultiert. Die spezifische Oberfläche solcher Pulver ist dadurch höher als die der gemahlenen Acheson-Pulver.Alternative methods for producing silicon carbide powders are very numerous. For example, chemical reactions of Si and C containing gases (eg, SiCl 4 and CH 4 , respectively), wherein the reaction to SiC is initiated by plasma or laser, or hot areas (eg, CVD) are exploited. The resulting products consist of particles (secondary particles), which in turn are composed of very fine SiC primary particles. As a result, the secondary particles have a fissured surface and z. T. also internal porosity. The primary particles themselves have smooth surfaces and a morphology resulting from the crystal forms of the SiC polytypes. The specific surface area of such powders is thereby higher than that of the ground Acheson powder.
Für einige Anwendungen, z. B. als Filterhilfsmittel, Katalysatorträger etc., werden chemisch und thermisch stabile Pulver mit einer hohen spezifischen Oberfläche und anwendungsspezifischer Morphologie benötigt.For some Applications, eg. B. as a filter aid, catalyst support, etc., be chemically and thermally stable powder with a high specific surface area and application-specific morphology needed.
Der
Einsatz von Siliciumcarbidpulver als Filterhilfsmittel für die Getränkeherstellung
wird in
Allgemein bekannt ist, bei der Filtration von Flüssigkeiten zusätzlich zu dem eigentlichen Filter, Filterhilfsmittel einzusetzen. Bei allen bekannten Verfahren zur Anschwemmfiltration werden die gebräuchlichen Filterhilfsmittel wie Cellulose, Kieselgur/Diatomeenerde, Perlite, Holzkohle, Holzmehl, Kieselgele nach mehr oder weniger längerer Standzeit verworfen. Dies verursacht Abfallmengen, welche zu einem nicht unerheblichen finanziellen Aufwand führen. Es ist anzunehmen, dass dieser finanzielle Aufwand in den nächsten Jahren mit der Einführung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes erheblich steigen wird.Generally is known, in the filtration of liquids in addition to the actual filter, filter aid to use. At all known methods for precoat are the usual Filter aids such as cellulose, kieselguhr / diatomaceous earth, perlite, Charcoal, wood flour, silica gels after more or less prolonged life discarded. This causes waste quantities, which are not insignificant lead to financial expenses. It is likely that this financial expense in the next few years with the introduction of the Kreislaufwirtschaftsgesetz will increase considerably.
Im Wesentlichen lassen sich die Recyclingkonzepte in zentrale und dezentrale Verfahren unterteilen. Beim zentralen Verfahren werden die zu regenerierenden Filterhilfsmittel aus mehreren Anlagen gesammelt und in einer zentralen Anlage aufbereitet.in the In essence, the recycling concepts can be centralized and decentralized Divide procedure. In the central process, the ones to be regenerated Filter aid collected from multiple systems and in a central Plant prepared.
Beim
Verfahren von Tremonis (
Das Verfahren hat den entscheidenden Nachteil, dass es aufgrund der zentrale Aufarbeitung der Kieselgur/Diatomeenerde zur Vermischung unterschiedlicher Kieselgur/Diatomeenerdefraktionen aus verschiedenen Betrieben kommt, was zu einer minderwertigen Kieselgur/Diatomeenerdemischung führt, die nicht die selben Filtrationseigenschaft wie Neugur aufweist.The Procedure has the significant disadvantage that it is due to the central processing of kieselguhr / diatomaceous earth for mixing different diatomaceous earth / Diatomeenerdefraktionen from different Enterprises come, which leads to an inferior kieselguhr / Diatomeenerdemischung, the does not have the same filtration property as Neugur.
In
Die Vermischung unterschiedlicher Kieselgur/Diatomeenerdefraktionen aus verschiedenen Betrieben führt hier ebenfalls zu einer minderwertigen Kieselgur/Diatomeenerdemischung die nicht dieselbe Filtrationseigenschaft wie Neugur aufweist.The Mixing different kieselguhr / diatomaceous earth fractions from different companies here also to an inferior kieselguhr / Diatomeenerdemischung which does not have the same filtration property as Neugur.
In
Bei diesem Verfahren verändert die chemische Regeneration die filtrationsaktive Struktur so stark, dass die Filtrationseigenschaften negativ beeinflusst werden. Dies spiegelt sich auch in den geringen zulässigen Konzentrationen der eingesetzten Reinigungsmittel bzw. Laugen und Säuren wieder.In this process, the chemi regeneration of the filtration-active structure so strong that the filtration properties are adversely affected. This is also reflected in the low permissible concentrations of the detergents or alkalis and acids used.
Der
verminderte Beständigkeit
von Kieselgur/Diatomeenerde in Bezug auf eine Lauge/Säure-Regeneration
trägt ein
neueres Verfahren Rechnung (
Ein großer Nachteil des Verfahrens besteht jedoch in der sehr spezifischen Wirksamkeit der Enzyme und der vor allem in der Brautechnologie diskutierten Rückstandsproblematik von geringen Spuren fremder Enzyme in der Kieselgur/Diatomeenerde.One greater Disadvantage of the method, however, is the very specific Effectiveness of enzymes and especially in brewing technology discussed residue problem of minor traces of foreign enzymes in diatomaceous earth / diatomaceous earth.
Ein
weitere Möglichkeit
besteht in der synthetischen Herstellung von Filterhilfsmitteln
wie trockengemahlenen bzw. gekürzte
Kunststoff- und Zellulosefasern, sowie fibrillierten Kunststoff-
und Zellulosefasern (
Ein großer Nachteil dieser synthetisierten Filterhilfsmittel sind ihre im Vergleich zu Kieselgur/Diatomeenerde schlechteren Filtrationseigenschaften. Bei Kieselgur/Diatomeenerde handelt es sich um die Exoskelette von Meeresalgen, welche eine sehr feine Mikrostruktur bei großer innerer Oberfläche aufweisen, die hauptverantwortlich für die hervorragenden Filtrationseigenschaften der Kieselgur/Diatomeenerden sind.One greater Disadvantage of these synthesized filter aids are their comparison to diatomaceous earth / diatomaceous earth worse filtration properties. at Diatomaceous earth / diatomaceous earth is the exoskeleton of seaweed, which have a very fine microstructure with a large inner surface, the main responsible for the excellent filtration properties of kieselguhr / diatomaceous earth are.
Die
Umsetzung von Kieselgur/Diatomeenerde in Siliciumcarbid bzw. Siliciumnitrid
wird von Huang et al. T. L. Huang, et al., Ts'ai Liao K'o Hsueh (1985), 17A (1), 51–62 und
Y. Mizuhara, et al., J. Ceram. Soc. Jpn. (1994), 102 (July), 640–645 beschrieben.
Von ihnen wird eine schnelle Umsetzung der Kieselgur/Diatomeenerde
beobachtet. Diese gute Umsetzbarkeit in Siliciumcarbid bzw. Siliciumnitrid wird
auf die große
spezifische Oberfläche
der Kieselgur/Diatomeenerdepulver zurückgeführt. Als Zielprodukte der beschriebenen
Verfahren werden Siliciumcarbidpulver bzw. Siliciumnitridwhisker
genannt. Bei den angewandten Verfahren kommt es zur Zersetzung der
eingesetzten Kieselgur/Diatomeenerden infolge der Bildung von gasförmigen SiO
gemäß folgender
Reaktion:
Dabei
dient das entstandene gasförmige
Siliciummonoxid (SiO) als Zwischenstufe zur weiteren Bildung von
Siliciumcarbid bzw. Siliciumnitrid gemäß:
Infolge obiger Reaktionen, die in der Regel bei der karbothermischen Reduktion von SiO2 auftreten, ist es nicht möglich, die morphologische Struktur der Kieselgur/Diatomeenerde beizubehalten.Due to the above reactions, which usually occur in the carbothermic reduction of SiO 2 , it is not possible to maintain the morphological structure of diatomaceous earth / diatomaceous earth.
Die Synthese von Siliciumcarbidwerkstoffen unter Beibehaltung vorgegebener Strukturen wird in verschiedenen Arbeiten untersucht. Zum Beispiel beschreiben Greil, P. et al., J. Europ. Ceram. Soc. 18 (1998), Biomorphic Cellular Silicon Carbide from Wood: I. Processing and Microstructure, 1961–1973 die Konservierung von Holzstrukturen durch Pyrolyse des Holzes und anschließende Reaktion des verbliebenen Kohlenstoffs mit dampfförmigem elementarem Silicium. Ebenso gibt es Vorschläge gasförmige Siliciumverbindungen wie z. B. SiCl4 mit Kohlenstoffkörpern zur Reaktion zu bringen. Mit Hilfe dieses Verfahrens gelingt die Herstellung von Kohlenstofffaserverbunden mit Siliciumcarbidmatrix wie von Fitzer, E. et al, Am. Ceram. Soc. Bull. 65 [2] (1986), Fiber reinforced silicon carbide, 326–335, und W. Krenkel, Möglichkeiten und Grenzen faserverstärkter Keramiken, DKG. Seminar: Materialgerechtes Design für keramische Bauteile, Stuttgart 1990 gezeigt worden ist. Kennzeichnend für die erwähnten Beispiele ist das Vorhandensein von Kohlenstoffstrukturen als Ausgangsmaterial und zu konservierende Struktureinheiten mit minimalen Dimensionen im Bereich > 10 μm.The synthesis of silicon carbide materials while maintaining given structures is being investigated in several works. For example, Greil, P. et al., J. Europ. Ceram. Soc. 18 (1998), Biomorphic Cellular Silicon Carbide of Wood: I. Processing and Microstructure, 1961-1973 the preservation of wood structures by pyrolysis of the wood and subsequent reaction of the remaining carbon with vaporous elemental silicon. Likewise, there are proposals gaseous silicon compounds such. B. SiCl 4 with carbon bodies to react. With the aid of this method, the production of carbon fiber composites with silicon carbide matrix as described by Fitzer, E. et al, Am. Ceram. Soc. Bull. 65 [2] (1986), Fiber-reinforced silicon carbide, 326-335, and W. Krenkel, Possibilities and limitations of fiber-reinforced ceramics, DKG. Seminar: Material Appropriate Design for Ceramic Components, Stuttgart 1990 has been shown. Characteristic of the examples mentioned is the presence of carbon structures as starting material and structural units to be preserved with minimal dimensions in the range> 10 μm.
Über die Herstellung von nanodimensionierten Pulvern aus Siliciumcarbid (< 0,1 μm) wird in der Literatur berichtet (Kamlag, Y. et al, J. of Aerosol Science 31 (2000), Sept., 630–631 und Zhang, B. et al, Chinese Journal of Lasers 26 (1999) Jan., 93–96). Um derart kleine Teilchen herzustellen dienen Reaktionen in der Gasphase, die Umsetzung von Precursoren und die Umsetzung von feindispersen SiO2 Rohstoffen wie Kieselsäure, Kieselsol bzw. Gelen.The preparation of nano-sized powders of silicon carbide (<0.1 μm) has been reported in the literature (Kamlag, Y. et al, J. of Aerosol Science 31 (2000), Sept., 630-631 and Zhang, B. et al al, Chinese Journal of Lasers 26 (1999) Jan., 93-96). To produce such small particles serve reactions in the gas phase, the implementation of precursors and the implementation of finely dispersed SiO 2 raw materials such as silica, silica sol or gels.
Die resultierenden Strukturen ergeben sich bei diesen Verfahren aus den thermodynamisch bedingten Wachstumsrichtungen der Kristalle, so dass entweder kugelähnliche Teilchen oder entsprechend dem Kristallhabitus geformte Partikel entstehen. Die Ausbildung bestimmter Formen kann in einigen Fällen über die Prozessbedingungen gesteuert werden, indem ausgewählte Wachstumsrichtungen bei der Synthese thermodynamisch vorteilhaft sind, was zur Ausbildung von Whiskern, Plättchen oder Kugeln führen kann. Die Formgebungsmöglichkeiten sind immer auf einfache Geometrien beschränkt.The resulting structures are obtained in these methods from the thermodynamically induced growth directions of the crystals, so that either spherical-like particles or formed according to the crystal habit particles. The formation of certain shapes can in some cases be controlled via the process conditions, in that selected growth directions in the synthesis are thermodynamically advantageous, which leads to Training whiskers, platelets or balls can lead. The shaping possibilities are always limited to simple geometries.
Eine
kontinuierliche Synthese von Siliciumcarbidpulver wird in der
Nach
der
Der Nachteil dieser Lösung besteht im Einsatz von relativ groben Teilchen und geringen Aufheizgeschwindigkeiten.Of the Disadvantage of this solution consists in the use of relatively coarse particles and low heating rates.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, strukturierte Siliciumcarbidpartikel anzugeben, die bei hoher chemischer und/oder thermischer Stabilität eine höhere spezifische Oberfläche aufweisen, ein einfach reproduzierbares Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.task The present invention is structured silicon carbide particles indicate a high specificity with high chemical and / or thermal stability surface have, an easily reproducible method for their preparation and their use.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims. Trainings are Subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäßen Siliciumcarbidpartikel, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, zeigen eine hohen Grad an Übereinstimmung mit der Morphologie und Struktur der als Ausgangsstoffe eingesetzten Kieselgur/Diatomeenerde. Die Begriffe Kieselgur und Diatomeenerde beschreiben identisch den gleichen Stoff.The silicon carbide particles according to the invention, produced by the process according to the invention have a high degree of agreement with the morphology and structure of the kieselguhr / diatomaceous earth used as starting materials. The terms kieselguhr and diatomaceous earth describe the same same substance.
Bei Kieselgur/Diatomeenerde handelt es sich um SiO2 als natürlich vorkommender Rohstoff aus sedimentierten Kieselalgen, der bergmännisch abgebaut wird.Diatomaceous earth / diatomaceous earth is SiO 2 as a naturally occurring raw material from sedimented diatoms, which is mining-mined.
Kieselgur/Diatomeenerde ist morphologisch geprägt durch die Struktur der Kieselalgen.Celite / diatomaceous earth is morphologically shaped through the structure of the diatoms.
Kieselalgentypen und deren Strukturen sind umfassend beschrieben worden (Toma, C. R. (ed.) Identifying marine diatoms and dinoflagellates, Academic Press Inc. San Diego, 1996; Drebes, G. Marines Phytoplankton, Eine Auswahl der Helgoländer Planktonalgen (Diatomeen, Peridineen), Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1974).Diatom types and their structures have been extensively described (Toma, C. R. (ed.) Identifying marine diatoms and dinoflagellates, Academic Press Inc. San Diego, 1996; Drebes, G. Marine's phytoplankton, One Selection of Heligoland plankton algae (Diatoms, Peridineen), Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1974).
Das Aussehen und die Größe der Kieselalgen differiert sehr stark. Es sind etwa 200 verschiedene Kieselalgenarten bekannt.The Appearance and size of diatoms differs very strongly. There are about 200 different diatom species known.
Im Allgemeinen zeichnen sich Kieselalgen und ihre mineralisierten Fossilien durch eine mikro- bis nanoporöse symmetrische Struktur aus. Die Größe der Kieselalgen kann je nach Algentyp im Bereich von 2 bis 300 μm liegen. Die äußere Form der Kieselalgen variiert. Sie können als Plättchen, Scheiben, Zylinder, Kugeln, Quader und geometrische Mischformen vorkommen.in the In general, diatoms and their mineralized fossils are prominent through a micro to nanoporous symmetrical structure. The size of the diatoms can ever Algae type in the range of 2 to 300 microns. The outer shape the diatoms varies. You can as a tile, Discs, cylinders, spheres, cuboids and geometrical hybrids occurrence.
Durch die Umsetzung mit Kohlenstoff nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Siliciumcarbidpartikel erhalten, die eine innere Porosität mit einer Strukturierung im Submikrometermaßstab aufweisen und dadurch eine hohe spezifische Oberfläche ≥ 20 m2/g, vorteilhafterweise ≥ 50 m2/g besitzen. Der absolute Wert der spezifischen Oberfläche hängt dabei von den spezifischen Oberflächen der eingesetzten Kieselgur/Diatomeenerde ab. Bei der Umsetzung werden die Primärpartikel des Ausgangsstoffes SiO2 im Wesentlichen zu Siliciumcarbid-Primärpartikeln umgesetzt. Vorteilhafterweise sollen wenigstens 30% der SiO2-Primärpartikel in Siliciumcarbid-Primärpartikel umgesetzt sein.By the reaction with carbon by the process according to the invention silicon carbide particles are obtained, which have an internal porosity with a structuring on submicron scale and thereby have a high specific surface ≥ 20 m 2 / g, advantageously ≥ 50 m 2 / g. The absolute value of the specific surface area depends on the specific surface area of the kieselguhr / diatomaceous earth used. In the reaction, the primary particles of the starting material SiO 2 are essentially converted to silicon carbide primary particles. Advantageously, at least 30% of the primary SiO 2 particles should be converted into silicon carbide primary particles.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von kompliziert geformten Partikeln durch Umwandlung von natürlich biologisch gewachsenen und verkieselten Strukturen aus Siliciumdioxid in Siliciumcarbidpartikel. Dabei ist die Beibehaltung der Morphologie der verkieselten Strukturen in den Siliciumcarbidpartikeln von besonderer Bedeutung und nach dem bekannten Stand der Technik bisher nicht möglich.The present invention enables the production of complex shaped particles by transformation of course organically grown and silicified structures of silica in Silicon carbide particles. Here is the retention of morphology the silicified structures in the silicon carbide particles of particular Meaning and according to the known prior art not yet possible.
Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Siliciumcarbidpartikel erfindungsgemäß, indem Kieselgur/Diatomeenerde gemeinsam mit Kohlenstoff oder erst Kohlenstoff und dann Kieselgur/Diatomeenerde in einen Reaktionsraum eingebracht werden.According to the invention, the silicon carbide particles according to the invention are produced by adding kieselguhr / diatomaceous earth together with carbon or first carbon and then kieselguhr / diatoms earth are introduced into a reaction space.
Vorteilhafterweise kann das Kieselgur/Diatomeenerde mit einer Suspension aus einem löslichen oder dispergierbaren Kohlenstoffprecursor beschichtet und dann in den Reaktionsraum eingebracht werden oder die Umwandlung wird durch Einbringen von gasförmigem Kohlenstoffprecursoren in die Reaktionsraumatmosphäre ermöglicht.advantageously, can the diatomaceous earth / diatomaceous earth with a suspension of a soluble or coated dispersible carbon precursor and then in the Reaction space are introduced or the conversion is through Introducing gaseous Carbon precursors in the reaction space atmosphere allows.
Es ist möglich und vorteilhaft, dass der Reaktionsraum bereits vorgewärmt ist.It is possible and advantageous that the reaction space is already preheated.
Als Reaktionsraum eignet sich vorteilhafterweise ein geneigtes oder senkrechtes Ofenrohr. Das Ofenrohr kann drehbar gelagert sein, um den Transport der Partikel durch den Reaktionsraum unterstützen zu können. Der Transport der Partikel kann über einen Gasstrom, durch Ausnutzung der Gravitation oder der Drehbewegung des Reaktionsraumes erreicht werden.When Reaction space is advantageously a tilted or vertical stovepipe. The stovepipe may be rotatably mounted to support the transport of the particles through the reaction space can. The transport of the particles can be done via a Gas flow, by utilizing gravity or rotary motion of the reaction space can be achieved.
Es ist auch möglich, die eingesetzten Ausgangsstoffe bereits vorzuwärmen, wobei die Temperaturen nicht so hoch gewählt werden dürfen, dass das SiO2 erweicht.It is also possible to preheat the starting materials used, wherein the temperatures must not be so high that the SiO 2 softens.
Die Synthese von den Ausgangsstoffen Kieselgur/Diatomeenerde zu SiC läuft im Wesentlichen über Feststoffreaktionen ab. Eine möglichst homogene Verteilung der Ausgangsstoffe miteinander und eine schnelle Aufheizrate sind dafür Voraussetzung. Dadurch wird die Bildung von gasförmigem SiC, das in den bisher gekannten SiC-Syntheseprozessen mit SiO2-Ausgangsstoffen als Zwischenprodukt auftritt, unterdrückt und der Zerfall der günstigen Morphologie des Kieselgur/Diatomeenerde verhindert.The synthesis of the starting materials kieselguhr / diatomaceous earth to SiC proceeds essentially via solid reactions. A homogeneous distribution of the starting materials with each other and a fast heating rate are required. As a result, the formation of gaseous SiC, which occurs in the previously known SiC synthesis processes with SiO 2 starting materials as an intermediate, suppressed and prevents the disintegration of the favorable morphology of diatomaceous earth / diatomaceous earth.
Die Synthesebedingungen können durch eine gute Homogenisierung der Ausgangsstoffe vor Einbringen in den Reaktionsraum oder den Einsatz von gasförmigen Kohlenstoffprecursoren im Reaktionsraum erreicht werden. Das sehr schnelle Aufheizen der Pulverpartikel, wobei eine möglichst schnelle Aufheizrate vorteilhaft ist, kann durch Einbringen von vorgeheizten Ausgangsstoffen in einen vorgeheizten Reaktionsraum erreicht werden.The Synthesis conditions can by a good homogenization of the starting materials before introduction into the reaction space or the use of gaseous carbon precursors be achieved in the reaction space. The very fast heating of the Powder particles, with one possible rapid heating rate is advantageous, by introducing preheated Starting materials are achieved in a preheated reaction space.
Ein unmittelbarer Nutzen der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Erhaltung der Kieselgurpartikelmorphologie in Verbindung mit der Umwandlung der Partikel zu Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid ist chemisch deutlich resistenter gegenüber Säuren und Laugen und es ist zusätzlich thermisch stabiler mit Bezug auf Erweichen und Thermoschock als SiO2. Ein solches Siliciumcarbid"Kieselgur/Diatomeenerde"pulver kann als resistentes und chemisch regenerierbares Filterhilfsmittel in der Getränke- und pharmazeutischen Industrie genutzt werden. Ebenso sind andere Anwendungen unter Nutzung der Struktur der Partikel möglich.An immediate benefit of the invention is the ability to maintain diatomaceous earth morphology in conjunction with the particle to silicon carbide conversion. The silicon carbide is chemically much more resistant to acids and alkalis and is additionally thermally more stable with respect to softening and thermal shock than SiO 2 . Such a silicon carbide "kieselguhr / diatomaceous earth" powder can be used as a resistant and chemically regenerable filter aid in the beverage and pharmaceutical industries. Likewise, other applications using the structure of the particles are possible.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Kieselgur/Diatomeenerde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in hoch resistente Siliciumcarbidpartikel umgewandelt, wobei die für die hervorragenden Filtrationseigenschaften verantwortliche Kieselgur/Diatomeenerdestruktur und -morphologie ganz, im wesentlichen ganz oder teilweise erhalten bleibt und bei der Regeneration des neuen Filterhilfsmittels „Siliciumcarbid", aufgrund der gesteigerten chemischen Resistenz, deutlich wirksamere Detergenzien, bzw. höher konzentriertere Laugen und Säuren eingesetzt werden können. Aufgrund der besseren Regenerationsmöglichkeiten und der Verschleißfestigkeit der Siliciumcarbidpartikel kann das regenerierte Filterhilfsmittel häufiger regeneriert und zur Filtration verwendet werden, was zur einer erheblichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens führt. Aufgrund des geminderten Verschleißes ist ein Nachschärfen der Kieselgur/Diatomeenerdepartikel nicht oder vermindert notwendig.at According to the present invention, kieselguhr / diatomaceous earth is prepared according to the inventive method converted into highly resistant silicon carbide particles, the for the outstanding filtration properties responsible diatomaceous earth / diatomaceous earth structure and morphology wholly, substantially or partially preserved remains and in the regeneration of the new filter aid "silicon carbide", due to the increased chemical resistance, significantly more effective detergents, or more concentrated Alkalis and acids can be used. Due to the better regeneration possibilities and the wear resistance the silicon carbide particle may be the regenerated filter aid frequently regenerated and used for filtration, resulting in a significant Increasing the efficiency of the process leads. by virtue of reduced wear is a resharpening the kieselguhr / diatomaceous earth particles are not necessary or diminished.
Ein Pulver aus den erfindungsgemäßen Siliciumcarbidpartikeln kann somit als chemisch resistentes Filterhilfsmittel in der Lebensmittelindustrie, Brauindustrie, chemischen sowie pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden. Es ist nach heutigem Stand der Technik kein Verfahren zur Anschwemmfiltration, Massefiltration und Regenerierung von Filterhilfsmitteln bekannt, dass Siliciumcarbidpartikel mit der Struktur und Morphologie von Kieselgur/Diatomeenerde einsetzt.One Powder of the silicon carbide particles according to the invention can thus be used as a chemically resistant filter aid in the food industry, brewing industry, chemical as well as pharmaceutical industry. It according to the current state of the art is not a process for precoat filtration, Mass filtration and regeneration of filter aids known, that silicon carbide particles match the structure and morphology of Kieselguhr / diatomaceous earth.
Das Siliciumcarbid ist chemisch deutlich resistenter gegenüber Säuren und Laugen und es ist zusätzlich thermisch stabiler in Bezug auf Erweichen und Thermoschock als SiO2. Ein solches Pulver aus den erfindungsgemäßen Siliciumcarbidpartikeln kann als resistentes und chemisch regenerierbares Filterhilfsmittel bei der Anschwemmfiltration mit und ohne Voranschwemmung und bei der Massefiltration von Getränken, chemischen, pharmazeutischen oder ähnlichen Flüssigkeiten eingesetzt werden.The silicon carbide is chemically much more resistant to acids and alkalis and it is also thermally more stable in terms of softening and thermal shock than SiO 2 . Such a powder of the silicon carbide particles according to the invention can be used as a resistant and chemically regenerable filter aid in the precoat filtration with and without prewarming and in the mass filtration of beverages, chemical, pharmaceutical or similar liquids.
Bei der Anschwemmfiltration wird das Siliciumcarbid als laufende Dosage in das zu filtrierende Produkt (Unfiltrat) eingebracht und bildet gemeinsam mit den Trübstoffen im Anschwemmfilter einen Filterkuchen, welcher die unlöslichen Trübstoffe des Unfiltrates zurückhält. Häufig wird vor der laufenden Dosage eine bzw. zwei Voranschwemmungen aufgebracht. Die Filtration wird nach Erreichen des zulässigen Differenzdruckes oder vollständiger Befüllung des zur Verfügung stehenden Trübraumes beendet. Anschließend kann der Filterkuchen im Anschwemmfiltersystem bzw. in einem gesonderten Apparat unter Einsatz von Detergenzien, Säure und Lauge so aufbereitet werden, dass wieder ein zur Filtration geeignetes Filterhilfsmittel entsteht.at the precoat filtration becomes the silicon carbide as a running dosage introduced into the product to be filtered (unfiltered) and forms together with the turbid substances in the precoat a filter cake, which the insoluble turbidity the unfiltrate holds back. Frequently becomes applied before the current dosage one or two Voranschwemmungen. The filtration is after reaching the allowable differential pressure or complete Filling the to disposal standing turbid space completed. Subsequently the filter cake in the precoat filter system or in a separate Apparatus prepared using detergents, acid and alkali be that again a filter suitable for filtration filter aid arises.
Bei der Massefiltration fließt das Unfiltrat durch einen Filterkuchen aus Filterhilfsmittel, wobei die Trübstoffe im Filterhilfsmittelbett abgeschieden werden. Die Filtration wird bei Erreichen des zulässigen Druckes abgebrochen. Das Filterhilfsmittelbett kann anschließend unter Einsatz von Detergenzien, Säure und Lauge aufbereitet werden.at the mass filtration flows the unfiltered through a filter cake of filter aid, wherein the turbidity be deposited in the filter aid bed. The filtration will on reaching the permissible Print canceled. The filter aid bed can then under Use of detergents, acid and lye are processed.
Allgemein kann ein Anteil von 0,5–70 Ma.-% der erfindungsgemäßen Siliciumcarbidpartikel in Form eines Pulvers, einer Schüttung oder einer Tiefenfilterschicht eingesetzt werden.Generally can account for 0.5-70 % By weight of the silicon carbide particles according to the invention in the form of a powder, a bed or a depth filter layer.
Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.in the Furthermore, the invention will be explained in more detail in several embodiments.
Beispiel 1example 1
Ein Kieselgur/Diatomeenerde (Celite 350, Lehmann & Voss & Co.) mit einem SiO2-Gehalt von 92,8 Gew.-% wird mit einem Phenolharz (VPW 1744, Vianova Resins) in einer wässrigen Suspension gemischt. Dabei werden 1 kg Kieselgur/Diatomeenerde mit 0,9 kg Phenolharz in 2 l Wasser mit einem Rührer gemischt.A diatomaceous earth / diatomaceous earth (Celite 350, Lehmann & Voss & Co.) with an SiO 2 content of 92.8% by weight is mixed with a phenolic resin (VPW 1744, Vianova Resins) in an aqueous suspension. In this case, 1 kg of kieselguhr / diatomaceous earth are mixed with 0.9 kg of phenolic resin in 2 l of water with a stirrer.
Die Suspension wird in einem Sprühtrockner zu einem Granulat getrocknet.The Suspension is added in a spray dryer dried granules.
Das getrocknete Granulat wird in einem Ofen unter Ar-Atmosphäre auf 800°C erwärmt und das Phenolharz zersetzt, so dass nur die Kohlenstoffrückstände im Granulat verbleiben.The dried granules are heated in an oven under Ar atmosphere to 800 ° C and the phenolic resin decomposes, leaving only the carbon residue in the granules remain.
Das hergestellte Granulat wird in einen an einem senkrecht stehenden Rohrofen angeschlossenen Vorratsbehälter gefüllt. In dem Vorratsbehälter wird das Granulat in Ar-Atmosphäre auf 1000°C erwärmt. Der angeschlossene Ofen wird in der Reaktionszone auf 1500°C erwärmt. Wenn die Temperaturen im Vorratsbehälter und in der Reaktionszone des Ofens erreicht sind, rieselt ein Teil des Granulats über eine Speisereinrichtung des Vorratsbehälters in den Rohrofen. Über einen gegenläufigen Argonstrom im Ofenrohr wird die Verweilzeit der Pulverpartikel in der Reaktionszone gesteuert. Die Pulverpartikel verbleiben ca. 30–60 s in der Reaktionszone. Nach Ablauf der Reaktionszeit wird der Gasstrom verringert, so dass die entstandenen SiC-Partikel in ein Auffanggefäß am unteren Ende des Rohrofens fallen. Der beschriebene Vorgang wird wiederholt bis das Granulat im Vorratsbehälter aufgebraucht ist.The Granules produced in a perpendicular to a Tube furnace connected storage tank filled. In the reservoir is the granules in Ar atmosphere at 1000 ° C heated. The connected furnace is heated to 1500 ° C in the reaction zone. If the temperatures in the reservoir and reached in the reaction zone of the furnace, trickles part of the granules over one Feeder of the reservoir in the tube furnace. About one opposing Argon flow in the furnace tube is the residence time of the powder particles in the reaction zone controlled. The powder particles remain in about 30-60 s the reaction zone. After the reaction time, the gas flow reduced, so that the resulting SiC particles in a collecting vessel at the bottom Fall of the tube furnace. The process described is repeated until the granules in the reservoir is used up.
Das erhaltene Pulver ist durch eine Dichte von 3,12 g/cm3, einer spezifischen Oberfläche von 51 m2/g und einer den Ausgangsstoffen im Wesentlichen entsprechenden Partikelmorphologie gekennzeichnet.The resulting powder is characterized by a density of 3.12 g / cm 3 , a specific surface area of 51 m 2 / g and a particle morphology substantially corresponding to the starting materials.
Beispiel 2Example 2
Ein handelsübliches Kieselgur/Diatomeenerdepulver (Celite 281, Lehmann & Voss & Co.) mit einem SiO2-Gehalt von 89,6 m% wird in den Vorratsbehälter des Ofens entsprechend Beispiel 1 gefüllt und vorgewärmt. Das weitere Verfahren ist im Wesentlichen analog Beispiel 1, wobei die Kieselgur/Diatomeenerdepartikel durch einen Gegenstrom, bestehend aus einem Gasgemisch 80 Vol.-% Ar und 20 Vol.-% Methan (CH4), in der Reaktionszone gehalten werden. Die Reaktion erfolgt mit dem Kohlenstoff der Gasatmosphäre.A commercially available kieselguhr / diatomaceous earth powder (Celite 281, Lehmann & Voss & Co.) with an SiO 2 content of 89.6 m% is charged into the storage tank of the furnace according to Example 1 and preheated. The further process is essentially analogous to Example 1, wherein the kieselguhr / diatomaceous earth particles are held in the reaction zone by a counterflow consisting of a gas mixture of 80% by volume of Ar and 20% by volume of methane (CH 4 ). The reaction takes place with the carbon of the gas atmosphere.
Das erhaltene Pulver ist durch eine Dichte von 3,09 g/cm3, einer spezifischen Oberfläche von 47 m2/g und einer den Ausgangsstoffen vollkommen entsprechenden Partikelmorphologie gekennzeichnet.The resulting powder is characterized by a density of 3.09 g / cm 3 , a specific surface area of 47 m 2 / g and a particle morphology completely corresponding to the starting materials.
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Effective date: 20150303 |