DE4135441A1 - Keramisches material mit hoher porositaet und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Material mit hoher Porosität auf der Basis eines Tones oder Tonminerals, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials. Keramische Materialien mit einer hohen, offenen Porosität können im Stand der Technik vielfältige Anwendung finden. Der Vorteil derartiger Materialien liegt zum einen in ihrer sehr hohen Temperaturbeständigkeit und ihrer im Vergleich zur Masse großen Oberfläche. In den Poren des Materials können chemisch oder biologisch aktive Substanzen angeordnet und fixiert werden, die dann insgesamt eine sehr große Oberfläche bieten und eine hohe Wirksamkeit entfalten z. B. als Katalysator oder Filter- oder Reinigungsmaterial. Bei der Abwässerreinigung werden beispiels­ weise vielfältige Bakterien, unter anderem auch sogenannte Anaerobia, eingesetzt, die der biologischen Reinigung des Abwassers dienen und beispielsweise Nitrate und Phosphate aus dem Wasser entfernen können. Bei herkömmlichen Reinigungssystemen oder Kläranlagen bilden derartige Bakterien einen Schlamm, der die Schadstoffe bzw. verwertbare Nährstoffe anreichert und anschließend aus dem Klärbecken entfernt wird. Es ist jedoch oftmals erwünscht, daß mindestens ein Teil dieser Bakterien zurückbehalten wird, und zwar möglichst ohne deren Stoffwechselprodukte, um einen Grundstock für weitere Reinigungskulturen zu bilden. Auch wirken manchen Substanzen oder auch Bakterien im wesentlichen als Katalysatoren oder setzen lediglich gelöste Schadstoffe in solche um, die im Abwasser ausfallen und sich absetzen, ohne daß jedoch die betreffenden Bakterien oder Substanzen selbst dabei eine Veränderung erfahren. Es versteht sich, daß man diese wirksamen Substanzen oder Bakterien nicht mit dem ausfallenden Schlamm zusammen beseitigen möchte.

Hierfür bieten poröse Keramikmaterialien eine hervorragende Lösungsmöglichkeit. Die wirksamen Substanzen oder Bakterien können in den feinen Poren des Keramikmaterials in großer Zahl aufgenommen werden, haben so eine sehr große Austauschoberfläche mit dem umgebenden Abwasser und können dennoch sehr leicht beim Entleeren des Beckens und auch beim Abführen von Schlamm zurückbehalten werden, indem einfach die Keramikkörper so groß ausgelegt werden, daß sie von groben Sieben leicht abgefangen werden. Die wirksamen Substanzen wie z. B. Katalysatoren oder Bakterien, die in den Poren der Keramikkörper enthalten sind, werden dann ebenfalls zurückbehalten.

Dabei versteht es sich, daß derartige Keramikmaterialien in dieser Hinsicht umso wirksamer sind, je größer ihre offene Porosität ist und je größer die insgesamt zur Verfügung stehende Materialoberfläche ist. Letzteres ist gleichbedeutend mit möglichst kleinen Poren, die andererseits jedoch so groß sein müssen, daß die wirksamen Substanzen darin aufnehmbar sind und daß auch gleichzeitig das umzusetzende Material, wie z. B. Abwasser, ein Abgas oder ein anderes zu reinigendes, zu filterndes oder umzusetzendes Gas oder eine entsprechende Flüssigkeit, in die Poren eindringen kann.

Es reicht also nicht aus, daß in dem keramischen Material eine Vielzahl kleiner Hohlräume gebildet wird, vielmehr müssen diese Hohlräume auch zur äußeren Oberfläche des Keramikkör­ pers hin offen sein bzw. eine Verbindung nach außen haben.

Insofern besteht grundsätzlich ein Bedürfnis nach keramischen Materialien mit hoher offener Porosität bei gleichzeitig relativ kleinem Porendurchmesser. Bisher bekannte keramische Materialien können zwar bereits mit einer gewissen Porosität hergestellt werden, jedoch sind die entstehenden Poren entweder relativ groß, z. B. im Mittel mehr als 1 mm oder aber sie sind zu einem erheblichen Teil nicht offen, sondern allseits von dem keramischen Material umgeben, so daß das Innere der Poren keine Verbindung zu außerhalb des Keramikkörpers vorliegenden Flüssigkeiten oder Gasen haben kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Material zu schaffen, welches bei geringer Masse eine relativ große Oberfläche bereitstellt, die auch gute Ansatzmöglichkeiten für wirksame Substanzen wie z. B. Katalysatormaterialien oder Bakterien oder dergleichen bietet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Material auf der Basis eines Tones oder Tonminerals mit einer offenen Porosität von mindestens 70%.

Bevorzugt ist ein keramisches Material, welches eine offene Porosität von etwa 80% hat. Es versteht sich, daß die Prozentangaben für die Porosität sich auf das Volumen beziehen. Eine offene Porosität von 20% läßt sich beispielsweise dadurch feststellen, daß beim Eintauchen eines derartigen Keramikkörpers z. B. in Wasser, nur 20% des Volumens verdrängt wird, welches den äußeren Abmessungen des Keramikkörpers entspricht, wobei allerdings vorausgesetzt ist, daß der Körper genügend Zeit hat und auch so bewegt wird, daß in den Poren eingefangene Gasblasen entweichen können.

Dabei ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher das Keramikmaterial 20 bis 40% eines Tones oder Tonminerals und 40 bis 80% Schamotte enthält. Bei den Angaben der Zusammensetzung des Tonmaterials sind die Prozentangaben immer als Gewichts-Prozente zu verstehen, im Gegensatz zu der Angabe von Volumen-Prozenten für die Porosität.

Weiterhin ist ein Keramikmaterial bevorzugt, bei welchem die Poren überwiegend kleiner sind als 500 µ. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die mittlere Porengröße zwischen 150 und 500 µ vorzugsweise bei 300 µ liegt.

Eine Porengröße in dieser Größenordnung ist mit einer enormen Vergrößerung der effektiven Oberfläche des Keramikkörpers verknüpft, gleichzeitig sind die Poren groß genug, um wirksame Substanzen, Bakterien oder dergleichen aufzunehmen und auch ein Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten zu gestatten, welche mit den wirksamen Substanzen reagieren sollen, andererseits sind die Poren jedoch auch so klein, daß die wirksamen Substanzen nicht ohne weiteres aus diesen Poren herausgespült werden, sondern sicheren Halt und Aufnahme darin finden.

Die Herstellung eines solchen Keramikmaterials erfolgt über ein Zwischenprodukt, welches aus einer Mischung zwischen 15 und 25% eines Tones oder Tonminerals, 20 bis 50 % Schamotte und 20 bis 50% eines Porosiermittels besteht. Auch hier sind die Prozentangaben Gewichts- Prozente. Bevorzugt ist eine Zusammensetzung aus 20% eines Tones oder Tonminerals, 40% Schamotte und 40% Porosiermittel. Dabei ist als Porosiermittel vorzugsweise Sägemehl, Mehl, Gries oder Koksgries vorgesehen. Alle vorgenannten Porosiermittel sind mehr oder weniger quellfähig und brennen beim Erhitzen sehr gut aus, so daß an der vorher von dem Porosiermittel eingenommenen Stelle lediglich ein Hohlraum verbleibt. Dabei hat das Porosiermittel in der bevorzugten Ausführungsform des Zwischenproduktes eine Siebfeinheit von weniger als 500 µ, vorzugsweise liegt die mittlere Teilchengröße zwischen 150 und 500 µ, insbesondere bei 300 µ.

In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß eine keramische Mischung hergestellt wird, welche mindestens 10 Gew.-% eines Tones oder Tonminerals, sowie mindestens 20 Gew.-% eines Porosiermittels enthält, diese keramische Mischung bzw. dieses Rohmaterial einem Formgebungs- und einem anschließenden Trocknungsprozeß unterzogen wird und das getrocknete keramische Material anschließend unter langsamer Erhitzung einem keramischen Brand unterzogen wird, wobei die Aufheizrate im Temperaturbereich zwischen etwa 700°C und 1000°C im Mittel einen Wert von 250°K/h nicht übersteigt und wobei außerdem eine ausreichende Sauerstoffzufuhr für den vollständigen Ausbrand des Porosiermittels gewährleistet wird.

Die ausreichende Sauerstoffzufuhr kann z. B. dadurch sichergestellt werden, daß der Ofenraum zu mindestens teilweise zur Umgebung hin offen ist. Gegebenenfalls kann jedoch auch gezielt Luft oder gar Sauerstoff bzw. mit Sauerstoff angereicherte Luft in den Ofen bzw. auf das keramische Material geblasen werden.

Der Trocknungsprozeß sollte möglichst schnell vonstatten gehen. Man erreicht dies beispielsweise durch Anblasen mit trockener Luft bei Zimmertemperatur oder einer leicht erhöhten Temperatur.

Im übrigen kommt es nicht nur auf die Reihenfolge der Verfahrensschritte, sondern vor allem auf die relativ langsame Erhitzung während des keramischen Brandes an. Vorzugsweise wird die Aufheizrate im Bereich zwischen 800°C und 1000°C unter 200°K/h und besonders bevorzugt sogar unter 150° K/h gehalten. Wie sich herausgestellt hat, erreicht man durch dieses vorsichtige Aufheizen ein vergleichsweise langsames Öffnen der Poren und den vollständigen Ausbrand des Porosiermittels, ohne daß sich in den Poren ein übermäßiger Druck aufbaut und die Poren sehr plötzlich entstehen und sich übermäßig vergrößern, wodurch auch der gesamte geformte Keramikkörper sehr brüchig werden kann. Es versteht sich, daß die Sauerstoffzufuhr dabei sicherstellt, daß das Porosiermittel vollständig aus den Poren verschwindet, indem es mit Sauerstoff reagiert und in einen gasförmigen Zustand übergeht.

Auch oberhalb von 1000°C bis hin zur Sintertemperatur wird die Aufheizrate vorzugsweise unter 200°K/h gehalten. Die zugrundeliegende Mischung sollte zwischen 15 und 25% eines Tones oder Tonminerals, zwischen 20 und 50% Schamotte und zwischen 20 und 50% eines Porosiermittels enthalten. Vorzugsweise besteht die Ausgangsmischung aus 20% eines Tones oder Tonminerals, 40% Schamotte und 40% eines Porosiermittels. Da die Porosiermittel im allgemeinen erheblich leichter sind als Tonmineralien oder Schamotte, entspricht ein Gewichts­ anteil von 40% an Porosiermittel einem erheblich größeren Volumenanteil, so daß hierdurch die angestrebte offene Porosität von 80% durchaus erreicht werden kann.

Als Porosiermittel werden vorzugsweise Sägemehl, Mehl, Gries oder Koksgries verwendet. Alle vorgenannten Porosiermittel brennen sehr gut und praktisch rückstandsfrei aus, so daß anstelle des Porosiermittels lediglich die Poren in dem keramischen Material verbleiben. Das Porosiermittel hat zweckmäßigerweise eine Siebfeinheit von weniger als 500 µ, so daß die mittlere Teilchen­ größe z. B. im Bereich von 150 bis 500 µ liegen kann und vorzugsweise 300 µ beträgt. Bei einer wesentlich kleineren Siebfeinheit würden sich viele Poren nicht öffnen. Außerdem wären die dann entstehenden Poren häufig so klein oder hätten so kleine Öffnungen nach außen, daß das Eindringen sowohl der wirksamen Substanzen als auch der umzusetzenden Gase oder Flüssigkeiten nur schlecht möglich wäre.

Ist das Porosiermittel dagegen wesentlich gröber, so kommt es während des Ausbrandes zu relativ starken lokalen Verformungen und Zerstörungen des Keramikmaterials, so daß dieses brüchig und empfindlich wird. Außerdem ist dann die zur Verfügung stehende Oberfläche gegenüber dem Material mit kleineren Poren deutlich geringer und die größeren Poren bieten auch nicht so guten Halt gegen das Ausspülen wirksamer Substanzen.

Bevorzugt ist für das Herstellungsverfahren weiterhin ein Extrudiervorgang als Formgebungs­ prozeß, wobei außerdem das Porosiermittel ein quellfähiger Faserstoff, wie z. B. Holzmehl, Verwendung findet. Die Quellfähigkeit des Porosiermittels ist dabei von besonderer Bedeutung. Während eines Extrudiervorganges bildet sich nämlich sehr leicht eine sogenannte Ziehhaut, welche die Oberfläche des extrudierten Körpers mit dem keramischen Material verschließt und dabei die mehlfeinen Körner des Porosiermittels abdeckt. Wird jedoch ein quellfähiger Faserstoff als Porosiermittel verwendet und wird der Extrudiervorgang relativ schnell nach dem Herstellen der Materialmischung vollzogen, so wird das Extrudiermittel aufgrund der in einer solchen frisch angesetzten Keramikmischung enthaltenen Feuchtigkeit aufquellen, wobei die unmittelbar unterhalb der Ziehhaut liegenden Teilchen des Porosiermittels beim Aufquellen diese Ziehhaut aufbrechen und aufreißen und so die Offenporigkeit des später gebrannten Keramikkörpers sicherstellen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Es wurde eine Mischung aus 20% Ton, 40% Schamotte und 40% Holzmehl hergestellt (Angaben in Gewichts-Prozent).

Unmittelbar nach der Durchmischung und Herstellung dieses Ausgangsmaterials wurde das Material in Form von langen Hohlzylindern mit etwa 30 mm Außendurchmesser und 8 mm Wandstärke extrudiert, der entstehende Hohlzylinder wurde unmittelbar hinter dem Extruder in etwa 50 mm lange, hohlzylindrische Abschnitte geteilt. Die entstehenden Hohlzylinder mit einem Durchmesser von 30 mm und der Höhe von 50 mm wurden anschließend während etwa einer Stunde durch Anblasen mit trockener Luft bei Zimmertemperatur (zwischen 20 und 30°C) getrocknet. Die getrockneten Hohlzylinder wurden dann in einem Keramikofen gebrannt. Die Erhitzung wurde dabei langsam so gesteuert, daß insbesondere die Aufheizung von etwa 700 auf 1000°C mindestens etwa zwei Stunden erforderte. Auch die weitere Erhitzung auf die Sintertemperatur von etwa 1400°C erfolgte langsam innerhalb etwa weiterer zwei Stunden. Die Sintertemperatur wurde 40 Minuten beibehalten, anschließend erfolgte eine langsame Abkühlung des Materials. Während des Brennvorganges wurde das Ofeninnere ausreichend mit Sauerstoff versorgt über eine Frischluftzufuhr, wobei jedoch die Frischluft so an dem Ofen entlang geführt wurde, daß sie vor dem Eintritt in den Ofenraum vorgeheizt war, um den Energieverbrauch des Ofens auf einem niedrigen Niveau zu halten.

Die so hergestellten Keramikkörper hatten eine offene Porosität von etwa 80%, wie durch Verdrängungsmessung festgestellt werden konnte. Die Zusammensetzung der fertig gebrannten Keramikkörper entsprach dem ursprünglichen Verhältnis von Ton zu Schamotten, d. h. die fertigen Keramikkörper bestanden zu etwa 1/3 aus Ton und zu 2/3 aus Schamotten.

Die Porengröße war wegen der Quellfähigkeit des Porosiermittels geringfügig größer als die mittlere Teilchengröße des (trockenen) Porosiermittels und lag im Mittel bei etwa 400 µ.

Derartige Keramikkörper lassen sich als lose geschüttetes Bett beispielsweise in einem Rohr oder auf dem Boden eines Kanals oder eines Beckens anordnen und haben dabei für ein dar­ überhinweg- und hindurchströmendes gasförmiges oder flüssiges Medium nur einen geringen Strömungswiderstand, wobei dieses Medium zu einem großen Teil in die Poren der Keramikkörper eindringen und dort umgesetzt oder gereinigt werden kann.

Durch die große Oberfläche, die offene Porosität und die guten Haftmöglichkeiten der aktiven Substanzen kann dabei die Effektivität des jeweiligen Filter-, Umsetzungs- oder Reinigungsvor­ ganges beträchtlich gesteigert werden.

Claims (20)

1. Keramisches Material auf der Basis eines Tones oder Tonminerals, gekennzeichnet durch eine offene Porosität von mindestens 70%.

2. Keramisches Material nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Porosität von etwa 80%.

3. Keramisches Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es 20 bis 40 Gew.-% eines Tones oder Tonminerals und 40 bis 80 Gew.-% Schamotte enthält.

4. Keramisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren überwiegend kleiner als 500 µ sind.

5. Keramisches Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße im Mittel bei etwa 300 µ liegt.

6. Keramisches Rohmaterial als Zwischenprodukt bei der Herstellung eines keramischen Materials hoher Porosität, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Mischung zwischen 15 und 25% eines Tones oder Tonminerals, 20 bis 50% Schamotte und 20 bis 50% eines Porosier­ mittels besteht.

7. Keramisches Rohmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Porosiermittel Sägemehl, Mehl, Gries oder Koksgries enthält.

8. Rohmaterial nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Porosiermittel eine Siebfeinheit von weniger als 500 µ hat.

9. Keramisches Rohmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße des Porosiermittels zwischen 150 und 500 µ, vorzugsweise bei 300 µ liegt.

10. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials hoher Porosität auf der Basis mindestens eines Tones oder Tonminerals, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische Mischung hergestellt wird, welche mindestens 10 Gew.-% eines Tones oder Tonminerals sowie mindestens 20 Gew.-% eines Porosiermittels enthält, daß das Material einem Formgebungs- und einem anschließenden Trocknungsprozeß unterzogen wird, und daß das getrocknete keramische Material anschließend unter langsamer Erhitzung einem keramischen Brand unterzogen wird, wobei die Aufheizrate im Temperaturbereich zwischen etwa 700°C und etwa 1000°C im Mittel 250°K pro Stunde nicht übersteigt und wobei eine ausreichende Sauerstoffzufuhr zum vollständigen Ausbrand des Porosiermittels gewährleistet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsvorgang möglichst schnell und mit trockener Luft erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizrate bis zur Sintertemperatur unter 250°K/h gehalten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung im Bereich zwischen etwa 800°C und 1000°C unter 200°K/h und vorzugsweise mit 150°K/h erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische Mischung hergestellt wird, welche zwischen 15 und 25% eines Tones oder Tonminerals, zwischen 20 und 50% Schamotte und zwischen 20 und 50% Porosiermittel enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Porosiermittel Sägemehl, Mehl, Gries oder Koksgries verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Porosiermittel mit einer Siebfeinheit von weniger als 500 µ verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Porosiermittel mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 150 und 500 µ, vorzugsweise von 300 µ verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mindestens eine halbe Stunde bei der Sintertemperatur gehalten wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgebungsprozeß ein Extrudiervorgang ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Porosiermittel ein quellfähiger Faserstoff, wie z. B. Holzmehl, ist.