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Die
Erfindung betrifft ein Pflanzsubstrat sowie ein Verfahren zu seiner
Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Der
pflanzliche Stoffwechsel lässt
sich im Wesentlichen durch folgende Vorgänge charakterisieren:
Dissimilation
(Atmung), Assimilation (Photosynthese), Nährstoffwechsel, Wasserhaushalt
und Transpiration. Die Pflanze benötigt für ein optimales Wachstum, abgesehen
von atmosphärischen
Einflüssen
(Klima, Licht) einen festen Halt und eine kontinuierliche ausreichende
Nährstoff-
und Wasserversorgung aus dem Substrat. wesentliche Wachstumsfaktoren
sind demnach die Zusammensetzung und der Aufbau des Substrats.
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Die
Verwendung unterschiedlicher Erdgemische als Pflanzsubstrate ist
schon seit längerem
bekannt, um den unterschiedlichen Ansprüchen verschiedener Pflanzen
gerecht zu werden. So werden in der Praxis in den letzten Jahren
einige Standard-Erden
und Torfsubstrate verwendet, deren Wasser- und Nährstoffhaushalt gut kontrolliert
werden kann. Dabei kommt die Hydrokulturtechnik, bei der den meist
aus Blähtongranulat
bestehenden Substraten die Nährstoffe
in pflanzenverfügbarer
Form über
Gießvorgänge zugeführt werden
müssen,
zum Einsatz. Das Substrat wird dabei durch Brennen geeigneter Tone
bei sehr hohen Temperaturen hergestellt, wobei es durch innere Gasentwicklung
zu einem Aufblähen
des Materials kommt, d.h. zu einer unregelmäßigen Blasen- und Porenbildung.
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In
der
DE 81 15 547 U1 wird
eine porenhaltige Struktur beschrieben, bei der der Ton nur als
Bindemittel verwendet wird und Kieselgur die große Wasseraufnahmefähigkeit
ermöglicht.
Die einheitliche Mikroporenstruktur führt zu einer langsamen Flüssigkeitsabgabe,
die die Speicherzeit für
Nährlösungen auf
das Sechsfache und mehr erhöht.
Ebenso verwendet das Patent
DE 195 13 560 A1 ein Trägermaterial für Pflanzen,
das auf Kieselgur und Carbamid-/Formaldehydharzen beruht.
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Die
Patentschrift
DE 35
40 963 A1 beschreibt ein Substrat für Kulturpflanzen, das sich
insgesamt aus drei flüssigkeitsspeichernden
Einheiten zusammensetzt. Dabei wird der Erdballen um die Pflanzenwurzeln
mit Kügelchen
aus Blähton
umgeben sowie mit Schaumstoffstücken.
Dieses dreigeteilte Substrat bietet ein auf alle Topfpflanzen anwendbares
flüssigkeitsspeicherndes
System. Auf einem ähnlichen
Zusatz zur Blumenerde beruht das Substrat aus der Patentschrift
DE 37 05 204 C2 .
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Des
Weiteren wird in der
DE
40 16 824 A1 ein Substrat beschrieben, das aus anorganischen
Granulaten hergestellt ist und Bindemittel aus chemisch modifizierten
natürlichen
Hochpolymeren oder bestimmten synthetischen Polymeren enthält.
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In
der Patentschrift
DE
40 17 334 A1 wird ein Feuchtigkeit haltendes Pflanzensubstrat
beschrieben, dessen Grundsubstrat sich aus mineralischen Bestandteilen
wie Vulkaniten, d.h. Lava oder Bimsstein oder alternativ auch aus
gebranntem Ton zusammensetzt, dem eine wasserspeichernde Substanz
und eine Wasser rückhaltende
bzw. die Durchflussgeschwindigkeit zugeführten Wassers hemmende Substanz
beigemischt ist.
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Die
Patente
DE 195 41
470 A1 ,
DE
198 06 060 A1 und
DE
198 22 621 A1 verwenden Tonpartikel. Zur Erzielung besonderer ästhetischer
Effekte können
die Partikel mit Wasserlacken beschich tet werden, die im getrockneten
Zustand wasserunlöslich
werden. Je nach der gewünschten
Qualität
kann dabei eine Beschichtung ein- oder mehrmals erfolgen.
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Die
oben ausgeführten
Beispiele für
Pflanzsubstrate weisen entscheidende Nachteile auf. Um den unterschiedlichen
Anforderungen, die an Pflanzsubstrate gestellt werden, gerecht zu
werden, wurden bisher mehrere Komponenten miteinander vermischt.
Dies führte
nicht nur bei der Herstellung zu einem erheblichen Arbeitsaufwand,
sondern bringt auch erhebliche Umweltprobleme mit sich, wenn chemische
Zusätze
wie z.B. Kieselgur, Harze oder Polymere verwendet werden. Des Weiteren
wurden bisher die farblichen Gestaltungen der Pflanzensubstrate
dadurch erzielt, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt
Farbadditive verwendet wurden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Pflanzsubstrat mit
einer hohen Wasserspeicherkapazität und Kornfestigkeit sowie
ein Verfahren für
dessen Herstellung zu schaffen, das in seiner farblichen Gestaltung
auf verschiedene Anforderungen abgestimmt werden kann, wobei der
farbgebende Verfahrensschritt kein zusätzlicher Verfahrensschritt
sein soll, der durch Farbzusätze
vorgenommen wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Das
erfindungsgemäße Pflanzensubstrat
besteht aus getemperten Bimspartikeln. Bims ist ein sehr leichtes,
poröses
Vulkangestein, das sich bei explosiven Eruptionen bildet. Es entsteht
durch sehr schnelle Blasenbildungen im Magma, das eine Art Schaum
erzeugt. Der Flüssigkeitsanteil
im Schaum erstarrt als feste Hülle
um die Gasblasen. Bims war bisher als Pflanzsubstrat ungeeignet,
weil der Abrieb zu hoch war und die ge schlossenen Poren der Bimspartikel
dazu führten,
dass der Bims in Wasser aufschwimmt. Seine Farbe ist schmutzig grau,
weshalb auch insofern seine Verwendung als Pflanzsubstrat, das optisch
gefällig
sein soll, nicht in Frage kommt.
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Durch
das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Bims als Pflanzsubstrat
verwendbar gemacht und verfügt
nach dem Tempern sowohl über
eine hohe Wasserspeicherfähigkeit
sowie Kornfestigkeit, als auch über
eine farbliche Gestaltung, die temperaturabhängig ist.
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Der
Abbau des losen, kiesförmigen
Naturbims erfolgt in riesigen Tagebauen. Im Werk wird er durch die
Bimswäsche
von Erdklumpen, Steinen, Basalt- und Schieferstücken befreit. Der leichte Bims
schwimmt auf dem Waschwasser oben, die schwereren Fremdstoffe sinken
nach unten. Das Ergebnis ist ein Bims-Konzentrat in reinster Form.
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Im
Folgenden werden zwei Typen von Bimsgesteinen näher erläutert:
Die getemperten
Partikel aus griechischem Bims (Bims Typ "G")
weisen die folgende Zusammensetzung auf:
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Die
vorstehend aufgeführten
Matrixelemente liegen nicht in freier Form vor, sondern sind im
Mineralbestand eingebunden. Beispielsweise liegt SiO2 nicht
in Form von Quarz vor, sondern ist in Minerale wie Plagioklas, Sanidin
und Nephelin eingebunden. Ebenso liegt Kalk nicht als Mineral (CaCO3) vor. Die Ca- Anteile sind praktisch unlöslich in
Anorthit, das mit Albit Plagioklas bildet, und Nephelin gebunden.
Der Bims Typ "G" enthält folgende
Minerale als Hauptbestandteile: Plagioklas, Sanidin, Nephelin, Augit,
Hornblende und Magnetit.
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Die
getemperten Partikel aus rheinischem Bims (Bims Typ "R") weisen die folgende Zusammensetzung
auf:
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Auch
hier liegen die Matrixelemente nicht in freier Form vor, sondern
sind im Mineralbestand eingebunden. Im Wesentlichen sind folgende
Minerale als Hauptbestandteile enthalten: Plagioklas, Sanidin, Nephelin,
Hauyin, Augit, Hornblende und Magnetit.
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Das
Temperverfahren dieser Bims Typen "G" und "R" erfolgt in einem Ofen. Die Betriebsbedingungen für die Bearbeitung
im Ofen in einer oxidierenden und/oder reduzierenden Atmosphäre für den Bims
Typ "G" sehen z.B. eine
Aufwärmphase
von viereinhalb Stunden vor, nach der dann eine Temperatur von 920°C erreicht
und für
vier Stunden gehalten wird. Hierauf folgt eine Abkühlphase
von viereinhalb Stunden. In dem Ofenbetriebsdiagramm des Bims Typ "G" wird ein möglicher Temperaturverlauf der
Bimspartikelbehandlung "G" gezeigt.
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Ofenbetriebsdiagramm
Bims Typ "G"
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Für den Tempervorgang
des Bimsgranulats sieht das Verfahren eine maximale Temperatur von
1.050 °C
vor, wobei das Bimsgranulat 5, insbesondere 0,5 bis 2 Stunden aufgeheizt
wird und wobei die Aufheizgeschwindigkeit des Bimsgranulats von
80 K/h bis 450 K/h, insbesondere von 150 K/h bis 250 K/h geht.
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Das
Verfahren sieht weiter vor, dass das Bimsgranulat nach dem Aufheizen
bei konstanter Temperatur vorzugsweise zwischen 660 °C und 1.050 °C, insbesondere
0,5 bis 5 Stunden lang, vorzugsweise 0,7 bis 3 Stunden lang getempert
wird.
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Ferner
wird das getemperte Granulat innerhalb von 0,5 bis 5 Stunden, insbesondere
0,7 bis 4 ½ Stunden
auf Raumtemperatur abgekühlt,
wobei die Abkühlgeschwindigkeit
von 100 °C/h
bis 350 °C/h,
insbesondere 180 °C/h
bis 230 °C/h
reicht.
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Diese
thermische Behandlung führt
dazu, dass der Bims steuerbar über
die Aufheizgeschwindigkeit, die Temperatur-Haltezeit bei einer bestimmten
Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit
seine Farbgebung von weiß,
grau, über
gelb, orange, rötlich/rostrot,
grün bis
braun ändert.
Dieser Farbveränderung
hat man bisher keine Beachtung geschenkt bzw. man kannte sie nicht.
Außerdem
führt die
thermische Behandlung des Bims Typ "G" dazu,
dass sich die Poren in den Bimspartikeln öffnen und dadurch eine Wasseraufnahme
ermöglicht
wird, wodurch die Bims partikel nun nicht mehr in Wasser aufschwimmen.
Des Weiteren verändert
sich durch die thermische Behandlung die Schüttdichte, die nunmehr für die getemperten
Partikel aus griechischem Bims im Bereich von 0,45 g/cm3 bis
0,8 g/cm3, insbesondere von 0,6 g/cm3 bis 0,72 g/cm3 liegt.
Damit verbunden ist eine wesentlich erhöhte Wasserspeicherkapazität, die nunmehr
im Bereich von 15 % bis 65 %, insbesondere von 20 % bis 60 % liegt,
wodurch sich die Gießintervalle
verlängern
und die Pflege der Pflanzen weniger aufwendig ist.
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Ferner
wird durch die thermische Behandlung die Gefügestruktur der Partikel insoweit
verändert,
dass die Kornfestigkeit zunimmt, womit eine verbesserte Abriebfestigkeit
und Wasserbeständigkeit
verbunden ist.
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Außerdem weisen
die getemperten Partikel eine offene Porosität im Bereich von 20 Vol.-%
bis 95 Vol.-%, insbesondere von 25 Vol.-% bis 80 Vol.-% auf. Die
geschlossene Porosität
liegt für
die getemperten Partikel nunmehr im Bereich von 15 Vol.-% bis 85
Vol.-%, insbesondere von 20 Vol.-% bis 75 Vol.-%.
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Bei
der thermischen Behandlung des Bims Typ "R" wird
beispielsweise über
einen Zeitraum von drei Stunden der Ofen auf 760 °C aufgeheizt.
Diese Temperatur wird für
fünf Stunden
gehalten. Danach wird der Bims Typ "R" über einen
Zeitraum von fünf
Stunden wieder abgekühlt.
In dem Ofenbetriebsdiagramm des Bims Typ "R" wird
ein möglicher
Temperaturverlauf der Bimspartikelbehandlung gezeigt.
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Ofenbetriebsdisgramm
Bims Typ "R"
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Für den Tempervorgang
des Bimsgranulats sieht das Verfahren eine maximale Temperatur von
1.050 °C
vor, wobei das Bimsgranulat 5, insbesondere 0,5 bis 2 Stunden aufgeheizt
wird und wobei die Aufheizgeschwindigkeit des Bimsgranulats von
80 K/h bis 450 K/h, insbesondere von 150 K/h bis 250 K/h geht.
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Das
Verfahren sieht weiter vor, dass das Bimsgranulat nach dem Aufheizen
bei konstanter Temperatur vorzugsweise zwischen 660 °C und 1.050 °C, insbesondere
0,5 bis 5 Stunden lang, vorzugsweise 0,7 bis 3 Stunden lang getempert
wird.
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Ferner
wird das getemperte Granulat innerhalb von 0,5 bis 5 Stunden, insbesondere
0,7 bis 4 ½ Stunden
auf Raumtemperatur abgekühlt,
wobei die Abkühlgeschwindigkeit
von 100 °C/h
bis 350 °C/h,
insbesondere 180 °C/h
bis 230 °C/h
reicht.
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Durch
die thermische Behandlung wird auch hier eine Farbveränderung
erzeugt. Des weiteren kommt es auch hier zu einer Porenöffnung der
Bimspartikel "R", wodurch wiederum
ein Aufschwimmen in Wasser verhindert wird.
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Die
Farbe wechselt im Laufe der Zeit von gelblich/beige über orange,
rot nach hellbraun/braun. Die chemische Zusammensetzung spielt für die Farbgebung
in Zusammenhang mit der Haltezeit und Temperatur eine wichtige Rolle.
Ebenso liegt auch hier wieder eine Erhöhung der Schüttdichte
vor, die nunmehr für
die getemperten Partikel aus rheinischem Bims in einem Bereich von
0,45 g/cm3 bis 0,8 g/cm3,
insbesondere von 0,45 g/cm3 bis 0,65 g/cm3 liegt. Des Weiteren wird durch die thermische
Behandlung die Gefügestruktur
insoweit verändert,
dass die Kornfestigkeit zunimmt und somit die Wasserbeständigkeit
verbessert wird. Ebenso wird durch die Temperung die Wasserspeicherkapazität verbessert,
die nunmehr für
die getemperten Partikel in einem Bereich von 15 % bis 65 %, insbesondere
von 20 % bis 60 % liegt.
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Außerdem weisen
die getemperten Partikel eine offene Porosität im Bereich von 20 Vol.-%
bis 95 Vol.-%, insbesondere von 25 Vol.-% bis 80 Vol.-% auf. Die
geschlossene Porosität
liegt für
die getemperten Partikel nunmehr im Bereich von 15 Vol.-% bis 85
Vol.-%, insbesondere von 20 Vol.-% bis 75 Vol.-%.
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Als
Korngröße ist ein
Bereich von 2-5 mm Granulatdurchmesser besonders vorteilhaft. Durch
die langen Aufwärm-
und Abkühlphasen
bei der thermischen Behandlung von Bims wird eine gleichmäßige Porengrößenverteilung
mit stabiler Struktur und optimaler Kapillarwirkung gewährleistet,
wie sie aus Gründen
der gleichmäßigen Flüssigkeitsabgabe
bei Pflanzsubstraten erwünscht
ist.
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Das
Pflanzsubstrat nach der Erfindung lässt sich u.a. auch als Material
für Hydrokulturen
oder auch als Zusatz zu Blumenerden verwenden.
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Das
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Pflanzsubstrat weist neue Eigenschaften auf, die individuell
durch die thermische Behandlung des Bims beeinflusst werden können, wobei
insbesondere die individuelle Farbgestaltung hervorzuheben ist.
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Ferner
gewährleistet
die hohe Eigenstabilität
des Materials ein Aggregatgefüge,
das einen optimalen Luftaustausch (Sauerstoffversorgung) über sehr
lange Zeiträume
sicherstellt, was für
die Pflanzenhaltung außerordentlich wichtig ist und z.B. Krankheiten verhindert.
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Durch
das oben dargestellte Verfahren und insbesondere durch die thermische
Behandlung des Bims werden gleichmäßige, optimal einstellbare
Strukturen des Materials erhalten, wodurch die Kapillarkräfte die vorhandene
Flüssigkeit
stets gleichmäßig verteilen
und somit an jeder Stelle zur Verfügung stellen.
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Flüssigkeitsüberangebote
bzw. -unterangebote werden hierdurch verhindert. Dadurch kann verhindert werden,
dass durch örtliche
Austrocknung für
die Pflanze toxische Konzentrationen der Nährlösungen auftreten können. Das
erfindungsgemäße Verfahren
benötigt
keine zusätzlichen
Verfestigungs- oder Bindemittel, die die Herstellungskosten der
Bimsgranulate nur unnötig
erhöhen
und eine aufwendige Entsorgung der verbrauchten Bimsgranulate erfordern
würden.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Bimsgranulate
sind der pH-Wert, der im Bereich von pH 7 liegt, die leichte Wiederbefeuchtung
nach zufälliger
Austrockung und der geringe Gehalt an Schwermetallen, da der Bims
ohne Zuführung
von Zusätzen
verarbeitet wird.
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Insgesamt
wird mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
ein neues Pflanzsubstrat auf der Basis von Bims bereitgestellt,
das innerhalb eines Verfahrensschrittes wesentliche Bedingungen
für die
Haltung von Pflanzen erfüllt
und zusätzlich
auch eine individuelle Farbgestaltung ermöglicht, so dass sich ein sehr ästhetisches
Gesamtbild ergibt.