DE19839531A1

DE19839531A1 - Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Material

Info

Publication number: DE19839531A1
Application number: DE1998139531
Authority: DE
Inventors: Stephan Kaufhold; Andreas Decher; Reiner Dohrmann
Original assignee: IKO Erbsloeh Industriemineralien und Kohlenstoffe GmbH and Co
Current assignee: IKO Erbsloeh Industriemineralien und Kohlenstoffe GmbH and Co
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: DE19839531B4

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Mineral, insbesondere zur Ermittlung des Smektitgehaltes in Bentoniten. Dabei wird der spezifische elektrische Widerstand (rho¶B¶), der Wassergehalt (W) sowie gegebenenfalls die Temperatur einer Bodenprobe (1) gemessen und aus dem spezifischen elektrischen Widerstand (rho¶B¶) der Bodenprobe (1) unter Berücksichtigung des Wassergehaltes (W) der Gehalt des Tonminerals bzw. der Tonmineralien (TM) errechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Mate rial, insbesondere zur Ermittlung des Smektitgehaltes in Bentoniten.

Tonmineralhaltige Materialien, zu denen auch sogenannte Sorptionsmittel gehören, können zur Aufnahme von Flüssig keiten und/oder Gasen Verwendung finden. Bentonite werden in der chemischen Industrie z. B. als Adsorptionsmittel, Füllstoffe, Trägermaterial (z. B. für Insektizide und Fun gizide), als Katalysatorträger und selbst als Katalysatoren (bei der Silikon-Herstellung) eingesetzt. Ähnliche Anwen dungen ergeben sich in der pharmazeutischen Industrie als Adsorptionsmittel und Wirkstoffträger sowie in der Lebens mittelindustrie zur Schönung von beispielsweise Most und Saft und zur Bierstabilisierung. Die wichtigsten Abnehmer sind die Gießereiindustrie (Formsandbinder) sowie die Bohr- und Bauindustrie.

Bei Bentoniten handelt es sich bekanntermaßen um Tone, wel che durch Umwandlung vulkanischer Tuffe entstanden sind. Bentonite zeichnen sich dabei durch einen merklichen bis hohen Gehalt an Smektit aus, welcher die Eigenschaften maß geblich bestimmt. Hierzu gehören insbesondere die hohe Quellbarkeit, ein gutes Wasserbindevermögen sowie eine hohe Plastizität. Das heißt, der Smektitgehalt im Bentonit ist entscheidend für die Sorptions- bzw. Quellfähigkeit des Bentonites. Dies läßt sich im Kern auf den kristallographi schen Aufbau der Smektite als Dreischichttonminerale zurückführen. Ein solches Dreischichttonmineral setzt sich aus einer zentralen Oktaederschicht zusammen, welche sand wichartig von zwei Tetraederschichten umgeben ist. Smektite sind zur sogenannten innerkristallinen Quellung in der Lage, d. h., sie können Wasser unter Aufweitung des Schichtabstandes zwischen den Schichten aufnehmen.

Da Bentonite in Deutschland vorzugsweise in Niederbayern abgebaut werden, es sich folglich um ein Naturprodukt han delt, variiert der Gehalt an den die Eigenschaften dominie renden (Dreischicht-)Tonmineralien (insbesondere Smektit) von Lagerstätte zu Lagerstätte. Dementsprechend wird die Qualität der (abgebauten) Rohbentonite beeinflußt. Um die für unterschiedliche Verwendungen benötigten Rohstoffquali täten bei gleichzeitiger Bentonitgewinnung in mehreren Gruben zu gewährleisten, ist es folglich erforderlich, die qualitätsbestimmenden Eigenschaften des Tones (den Gehalt an Tonmineralien, insbesondere Smektiten) bereits beim Ab bau und Beladen der Transportfahrzeuge in der Grube zu kennen.

Bislang werden dazu in der Grube Bodenproben genommen und anschließend im Labor mittels der sogenannten Methylenblau methode untersucht. Im Rahmen dieses Analyseverfahrens wird letztlich der sogenannte Methylenblauwert ermittelt, welcher ein Maß für den Gewichtsanteil an Tonmineralien bzw. Smektit ist. Zur Durchführung dieser Analyse muß eine repräsentative Bodenprobe genommen werden, mindestens 24 Stunden in einem Ofen getrocknet und anschließend mit einer Methylenblaulösung titriert werden. Der Smektitgehalt er gibt sich dabei durch den Vergleich mit einer definierten (Standard-)Probe. Darüber hinaus kennt man weitere Verfah ren auf Basis von Ammoniumacetat, Bariumchlorid etc., wel che sowohl hinsichtlich der aufzuwendenden Zeit als auch der Genauigkeit nicht befriedigen können. - Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Material, insbesondere zur Ermitt lung des Smektitgehaltes in Bentoniten anzugeben, welches eine zuverlässige und schnelle Ermittlung des betreffenden Gewichtsanteiles ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Material, insbesondere zur Ermitt lung des Smektitgehaltes in Bentoniten, wonach

- der spezifische elektrische Widerstand, der Wasserge halt sowie gegebenenfalls die Temperatur einer Boden probe gemessen werden, und wonach
- aus dem spezifischen elektrischen Widerstand der Boden probe unter Berücksichtigung des Wassergehaltes (sowie gegebenenfalls der Temperatur) der Gehalt an Tonmine ralien bzw. der Gewichtsanteil des betreffenden Ton minerals errechnet wird.

Bei den Tonmineralien handelt es sich im allgemeinen um quellfähige, insbesondere (Dreischicht-)Tonmineralien. Im einzelnen hängt der spezifische Gewichtsanteil des Tonmine rals bzw. der Tonmineralien TM (in Gew.-%) vom Gewichtsan teil des Wassers W (in Gew.-%) und dem spezifischen elek trischen Widerstand ρ_B wie folgt ab:

mit x als einem materialspezifischen Exponenten. Dieser materialspezifische Exponent kann Werte zwischen 0,2 und 1,0, vorzugsweise Werte im Bereich von ca. 0,6 bis 0,7 an nehmen. Der spezifische elektrische Widerstand ρ_B der Bodenprobe liegt üblicherweise im Bereich von 0,1 bis 100 Ωm, insbesondere 1 bis 20 Ωm. Vorzugsweise wird der spezi fische elektrische Widerstand der Bodenprobe mittels des Wenner- oder des Schlumberger-Verfahrens ermittelt. Dabei wird mit zwei Elektroden gearbeitet, welche in der Boden probe ein elektrisches Potentialfeld erzeugen. Zur Ermitt lung des spezifischen elektrischen Widerstandes wird nun der Spannungsabfall zwischen zwei zusätzlichen Sonden er mittelt, die sich im allgemeinen auf der Verbindungslinie zwischen den Elektroden befinden. Zusätzlich wird der in der Bodenprobe fließende Strom gemessen. Hieraus läßt sich der spezifische Widerstand der Bodenprobe berechnen, welcher auch von der geometrischen Anordnung der Sonden und Elektroden abhängt, wie im einzelnen noch mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel näher erläutert wird.

Der spezifische elektrische Widerstand ρ_B der Bodenprobe nimmt üblicherweise bis zu einem bestimmten Grad mit sinkendem Wassergehalt W ab, wobei der Quotient W/ρ_B in etwa gleichbleibende Werte aufweist. Zusätzlich ist zu be rücksichtigen, daß der spezifische elektrische Widerstand ρ_B der Bodenprobe im allgemeinen temperaturabhängig ist und sich der Einfluß einer Temperaturdifferenz ΔT zu einer Bezugstemperatur wie folgt bemißt:

ρ_B ∝ β.ΔT.

β stellt dabei einen vorgegebenen (und natürlich material abhängigen) Temperaturkoeffizienten dar. Da es sich vorlie gend um einen Ionenleiter handelt, nimmt der Widerstand üblicherweise mit steigender Temperatur ab. Unter Berück sichtigung verschiedener Temperaturen hat sich gezeigt, daß der temperaturabhängige spezifische Gewichtsanteil des Tonminerals TM vom Gewichtsanteil des Wassers W und dem elektrischen Widerstand ρ_B der Bodenprobe wie folgt abhängt (ΔT ist die Temperaturdifferenz zu einer Bezugstemperatur):

x stellt dabei wiederum den materialspezifischen Exponenten und β den vorgegebenen Temperaturkoeffizienten dar.

Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß der spezifi sche Gewichtsanteil des Tonminerals bzw. Smektites größten teils reziproportional vom elektrischen Widerstand ρ_B der Bodenprobe abhängig ist. Da zusätzlich der Gewichtsanteil des Wassers und der spezifische elektrische Widerstand der Bodenprobe ein gleichbleibendes Verhältnis zueinander auf weisen, ist im Ergebnis der Quotient W/ρ_B ein Maß für den spezifischen Gewichtsanteil des Tonminerals. - Bei Bento niten nimmt der spezifische elektrische Widerstand bis zur Zerstörung der Gesteinsstruktur (aufgrund von Trocken rissen) mit sinkendem Wassergehalt ab. Bei Kaolintonen wurde dieses Phänomen dagegen nicht beobachtet. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß der spezifische elektrische Widerstand der Bodenprobe bzw. des Bentonites von der Tem peratur gemäß dem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten ab hängt. Durch die reziproke Abhängigkeit zwischen spezi fischem Gewichtsanteil des Tonminerals TM und spezifischem elektrischen Widerstand ρ_B ergibt sich darüber hinaus, daß der spezifische elektrische Widerstand der Bodenprobe bzw. des Bentonits mit wachsendem Gehalt an Tonmineral bzw. Smektitgehalt abnimmt.

Es hat sich im Ergebnis gezeigt, daß sich die Smektit- bzw. Tonmineralgehalte mit Hilfe des spezifischen elektrischen Widerstandes (sowie des Wassergehaltes) einer Bodenprobe abschätzen lassen. Vergleichsuntersuchungen mit der Methy lenblaumethode haben ergeben, daß mit Hilfe der Wider standsmessungen der Tonmineral- bzw. Smektitgehalt mit einer Genauigkeit von ± 5 Gew.-% ermittelt werden konnte. Zu diesem Zweck wurden in einer Tongrube gemessene elektri sche Widerstände von Bentoniten mit im Labor mittels der Methylenblaumethode bestimmten Smektitgehalten verglichen.

Die für den materialspezifischen Exponenten x angegebenen Werte sind natürlich abhängig von der gewählten Lagerstätte und nehmen die angegebenen Werte von ca. 0,6 bis 0,7 für die bayerischen Bentonite an. Im Falle des Abbaus in einer anderen Grube muß natürlich eine Neubestimmung dieses Expo nenten erfolgen. Gleiches gilt für den Temperaturkoeffi zienten, welcher ebenfalls materialabhängig ist. Schließ lich ist auch der gefundene Wert von ca. 95 Ωm für die Proportionalitätskonstante ρ_i (ionenspezifischer Wider stand) von den geologischen Gegebenheiten abhängig und muß jeweils neu bestimmt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläu tert; die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Bestim mung des Gehaltes an Tonmineralien in einem Sorptionsmit tel, vorliegend zur Ermittlung des Smektitgehaltes in Ben toniten.

Die gezeigte Vorrichtung weist in ihrem grundsätzlichen Aufbau zumindest zwei Elektroden A, B sowie zumindest zwei zwischen den Elektroden A, B angeordnete Sonden M, N auf. Zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes einer Boden probe 1 werden die Elektroden A, B mit einer Wechsel spannung von ca. 3 bis 20 Hz beaufschlagt. Selbstverständ lich sind auch andere Frequenzbereiche denkbar. Jedenfalls ist eine entsprechende Spannungsversorgung 2 vorgesehen. In Abhängigkeit vom spezifischen elektrischen Widerstand der Bodenprobe 1 stellt sich ein Strom bzw. Elektrodenstrom I ein, welcher mittels eines Strommeßgerätes 3 gemessen werden kann. Vorliegend werden Ströme I im Bereich von 1 bis 100 µA beobachtet. Schließlich ist ein Spannungsmeß gerät 4 verwirklicht, welches den Spannungsabfall ΔV zwischen den Sonden M, N ermittelt. Nach dem Ausführungs beispiel weisen die Elektroden A, B und die Sonden M, N eine sogenannte Wenner-Anordnung auf. Für diese Anordnung gilt AM = MN = NB = a. Dementsprechend ist die Länge des Abstandes der Elektroden AB = 3a. Vorliegend wird mit Wer ten von a ≈ 2 cm gearbeitet. Der spezifische Widerstand ρ_B der Bodenprobe ermittelt sich wie folgt:

ℓ ist ein von der geometrischen Anordnung der Sonden M, N und Elektroden A, B abhängiger Längenfaktor für den in der gezeigten Wenner-Anordnung gilt:ℓ = a/2. Dementsprechend berechnet sich der spezifische elektrische Widerstand ρ_B der Bodenprobe zu

Der (temperaturabhängige) spezifische Gewichtsanteil des Tonminerals TM ergibt sich nun (wie bereits ausgeführt) zu:

Bei Bentonitproben aus Niederbayern variieren die spezifi schen elektrischen Widerstände von 2,7 Ωm bis 12,5 Ωm. Hierzu korrespondieren 92 Gew.-% Smektit bzw. 35 Gew.-% Smektit. Die Temperatur variierte dabei während der Messun gen in der Grube zwischen 4° und 15°C. Im Labor wurden spezifische elektrische Widerstände bei Temperaturen bis ca. 60°C gemessen. Ein Anpassung an die entsprechenden Temperaturwerte erfolgt über das Produkt β.ΔT.

Beispiel:

Für einen Bentonit mit unbekanntem Smektitgehalt wurde ein spezifischer elektrischer Widerstand von 4,4 Ωm bei T = 7°C gemessen. Außerdem wurde ein Wassergehalt von 32 Gew.-% ermittelt. Unter Berücksichtigung einer Bezugstempe ratur von ebenfalls 7°C ergibt sich ΔT = 0. Die übrigen Werte bestimmen sich wie folgt:

W = 32 Gew.-%;

ρ_B = 4,4 Ωm.

Darüber hinaus ist noch die (ebenfalls empirisch zu ermit telnde) Proportionalitätskonstante ρ_i zu berücksichtigen, welche als ionenspezifischer Widerstand bezeichnet wird und die Einheit Ωm aufweist. Für den niederbayerischen Bento nit wurde ein ionenspezifischer Widerstand von ρ_i = 94,7 Ωm ermittelt. Der materialspezifische Exponent x beträgt ca. 0,65. Setzt man diese Werte ein, so errechnet sich der Smektitgehalt wie folgt:

Dies ergibt sich aus der folgenden (um den Proportionali tätsfaktor ergänzten) Beziehung:

welche der Gleichung (1) entspricht, die dann wie folgt lautet:

Für das vorgenannte Material wurde im Labor ein Smektitge halt von 73 Gew.-% ermittelt. Die Abweichung von 3 bis 4 Gew.-% repräsentiert die durchschnittliche Abweichung im Rahmen der Analysegenauigkeit.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Material, insbesondere zur Er mittlung des Smektitgehaltes in Bentoniten, wonach

1. der spezifische elektrische Widerstand (ρ_B), der Was sergehalt (W) sowie gegebenenfalls die Temperatur einer Bodenprobe (1) gemessen werden, und wonach
2. aus dem spezifischen elektrischen Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) unter Berücksichtigung des Wassergehal tes (W) (sowie gegebenenfalls der Temperatur) der Ge halt an Tonmineralien ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Gewichtsanteil der Tonmineralien (TM) vom Gewichtsanteil des Wassers (W) und dem spezifischen elek trischen Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) wie folgt ab hängt:
mit x einem materialspezifischen Exponenten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der materialspezifische Exponent x Werte zwischen 0,2 und 1,0, insbesondere zwischen ca. 0,6 und 0,7, ein nimmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) Werte im Bereich von 0,1 bis 100 Ωm, insbesondere 1 bis 20 Ωm, aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) mittels des Wenner- oder des Schlum berger-Verfahrens ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) mit sinkendem Wassergehalt (W) ab nimmt, wobei der Quotient W/ρ_B in etwa gleichbleibende Werte aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand (ρ_B) der Bodenprobe (1) temperaturabhängig ist und von einer Temperaturdifferenz ΔT zu einer Bezugstemperatur wie folgt abhängt:
ρ_B ∝ β.ΔT
mit β einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der temperaturabhängige spezifische Ge wichtsanteil des Tonminerals (TM) vom Gewichtsanteil des Wassers (W) und dem spezifischen elektrischen Widerstand der Bodenprobe (ρ_B)wie folgt abhängt:
mit x dem materialspezifischen Exponenten, β dem vorgege benen Temperaturkoeffizienten sowie ΔT der Temperaturdiffe renz zu der Bezugstemperatur.

9. Vorrichtung zur Bestimmung des Gehaltes an Tonmineralien in einem Sorptionsmittel, insbesondere zur Ermittlung des Smektitgehaltes in Bentoniten, mit

1. zumindest zwei Elektroden (A, B), ferner mit
2. zumindest zwei Sonden (M, N), wobei
3. zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes (ρ_B) einer Bodenprobe (1) die Elektroden (A, B) mit einer Wech selspannung von ca. 3 bis 20 Hz beaufschlagt werden, wobei ferner
4. der Spannungsabfall (ΔV) zwischen den Sonden (M, N) er mittelt wird, und wobei
5. die Elektroden (A, B) und die Sonden (M, N) die Geome trie einer Wenner-Anordnung aufweisen.