DE69736330T2

DE69736330T2 - Entwässerung von kalziumkarbonat

Info

Publication number: DE69736330T2
Application number: DE69736330T
Authority: DE
Inventors: Wayne Colin Alburtis HANSEN; Christopher I Kunekletown WENER
Original assignee: Minerals Technologies Inc
Current assignee: Minerals Technologies Inc
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-12-04
Also published as: US6123855A; AR011034A1; WO1998025854A1; JP2001506217A; EP0946418B1; ZA9710639B; ID21836A; CA2274953A1; ATE332878T1; PL187193B1; DE69736330D1; EP0946418A1; PL334069A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Entwässern eines wässrigen Schlamms aus Calciumcarbonat. Genauer genommen betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung nichtionischer Surfaktanten beim Entwässern wässriger Schlämme aus argonitischem präzipiziertem Calciumcarbonat.
Schlämme aus Calciumcarbonat, die unter Verwendung der nichtionischen Surfaktanten der vorliegenden Erfindung entwässert worden sind, weisen einen höheren prozentualen Gewichtsanteil von Feststoffen und einen verringerten Bedarf an Dispergiermitteln auf und führen zu einer höheren Produktivität.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Herstellung hoch glänzenden Papiers wird ein Grundpapier mit weißem Pigment beschichtet. Weiße Pigmente enthalten Kalk, Lehm, gemahlenes Calciumcarbonat (ground calcium carbonate, GCC) und präzipiziertes Calciumcarbonat (precipitated calcium carbonate, PCC).
PCC weist gegenüber GCC dahingehend einen Hauptvorteil auf, dass kleinere durchschnittliche Partikelgrößen mit moderaten spezifischen Oberflächen (specific surface areas, SSA) möglich sind, wohin gegen ultrafein gemahlenes CGG (i) hohe Energiekosten für das Mahlen und (ii) höhere SSA im Endprodukt infolge der Festpartikelmorphologie aufweist. Feines PCC, d.h. PCC mit einer durchschnittlichen Partikelgröße unterhalb von etwa 1,6 μm, ist, so wie es hergestellt ist, zu verdünnt in Bezug auf die Konzentration, um bei der Papierbeschichtung verwendet zu werden. Es ist daher notwendig, den wässrigen Schlamm aus PCC zu konzentrieren oder Wasser aus dem Schlamm zu entfernen, um den Feststoffanteil des Schlamms auf etwa 65 Gew.-% oder höher einzustellen.
Wenn auf Calciumcarbonat Vakuumentwässerungsgeräte angewendet werden, entsteht eine Reihe von Problemen. Beispielsweise tritt während einer Papierherstellung eine Verstopfung der Vakuumentwässerungsmaschine auf. Üblicherweise muss die Vakuummaschine herunter gefahren und mit Wasser ausge waschen werden, um die Verstopfung zu beheben. Die Stillstandszeit erhöht die Gesamtkosten der Papierherstellung. Ähnliche Probleme treten bei der Verwendung einer Entwässerungstechnologie auf, die zum Trocknen von Calciumcarbonat Abläufe vom luftblasenden Typ verwendet.
Beispielsweise ist ein wirksamerer luftblasender Ablauf für ein wirtschaftliches Entwässern des Calciumcarbonats erforderlich, wenn Maschinen von luftblasenden Typ verwendet werden, um Calciumcarbonatprodukte zu entwässern, die Feststoffe im Kuchen oberhalb von 65 Gew.-% und eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als oder gleich 1,6 μm aufweisen. Derzeitige luftblasende Systeme sind unzureichend beim Entwässern von Calciumcarbonatprodukten mit kleinen durchschnittlichen Partikelgrößen auf spezifische Feststoffgehalte.
Daher wurde als neu und nicht durch den Stand der Technik nahe gelegt ein Verfahren zum Entwässern von Schlämmen von Calciumcarbonat gefunden, bei dem Feststoffe des Kuchens und die durchschnittliche Partikelgröße ein wichtiger Aspekt des Endproduktes sind.
STAND DER TECHNIK
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 381 262 A2 offenbart ein nicht wässriges flüssiges Reinigungsmittel, welches eine flüssige Surfaktant-Phase und einen in der Flüssigkeit suspendierten Partikel-Feststoff-Reinigungserzeuger enthält. Derartige Produkte werden als geeignet zum Waschen von Stoff erachtet.
Das japanische Kokai Patent Nr. Hei 2-277541 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von wässrigen Calciumcarbonat-Dispersionen, bei dem eine hohe Konzentration von wenigstens 60 Gew.-% von Calciumcarbonat unter Verwendung eines akrylischen Dispergiermediums in Anwesenheit eines nichtionischen Surfaktants in Wasser dispergiert wird. Der pH-Wert der erhaltenden Dispersion wird zwischen 8 und 9 eingestellt, indem Kohlendioxid eingeblasen wird.
Die japanische Kokai-Patentveröffentlichung Nr. Sho 60-185892 offenbart eine Zusammensetzung zum Beschichten von Papier mit einem Pigment, das ≥ 50 Gew.-% eines Calciumcarbonats, ein Latex und (1) 0,5 bis 5 Gewichtsteile eines nichtionischen Surfaktans mit einem Trübungspunkt ≥ 90° Celsius und (2) 0,5 bis 5 Gewichtsteile von Organopolysiloxan mit einem Trübungspunkt ≥ 60° Celsius pro 100 Gewichtsteilen des Feststoffgehalts des Latex enthält.
Die japanische Kokai-Patentveröffentlichung Nr. Hei 7-48793 offenbart Entwässerungsbeschleuniger für Calciumcarbonat-Schlämme, die als ihre wirksame Komponente wenigstens eine Art eines nichtionischen Surfaktants und eines Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Kondensationsprodukts enthält. Es wird behauptet, dass durch Verwendung dieser Chemikalien beim Entwässern von Calciumcarbonat-Schlämmen eine bessere Entwässerung und weniger Verstopfung der Vakuumentwässerungsmaschine erreicht werden, und das die Produktivität erheblich verbessert wird.
Obgleich verschiedene Verfahren zum Entwässern von Calciumcarbonat-Schlämmen im Stand der Technik bekannt sind und verschiedene chemische Entwässerungsbeschleuniger ebenfalls bekannt sind, offenbart kein Stand der Technik die Verwendung nichtionischer Surfaktanten zum Entwässern eines aragonitischen präzipizierten Calciumcarbonat-Beschichtungspigments, wenn mehr Feststoffe im Kuchen und eine kleinere durchschnittliche Partikelgröße des Endproduktes wichtig sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung nichtionischer Surfaktanten beim Entwässern aragonitischen präzipizierten Calciumcarbonats mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als oder gleich 1,6 μm auf mehr als oder gleich 65 Gew.-% Feststoffe.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Verwenden nichtionischer Surfaktanten zum Entwässern von Calciumcarbonat-Schlämmen in Entwässerungssystemen vom luftblasenden Typ zu schaffen. Eine weitere Aufhabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines endgültigen präzipizierten Calciumcarbonats zu schaffen, wobei viele Feststoffe wichtig sind. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines aragonitischen präzipizierten Calciumcarbonats zu schaffen, bei dem die durchschnittliche Teilchengröße des Endproduktes weniger als oder gleich 1,6 μm beträgt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Entwässern zu schaffen, welches eine erhöhte Produktivität schafft. Eine weitere Aufhabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Dispersion aragonitischen präzipizierten Calciumkarbonats zu schaffen, die einen verringerten Bedarf an Dispergiermittel aufweist.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden bei einer weiteren Durchsicht der Zusammenfassung und der detaillierten nachfolgenden Beschreibung deutlicher.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung nichtionischer Sulfaktanten beim Entwässern aragonitischen präzipizierten Calciumcarbonats (PCC) mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als oder gleich 1,6 μm auf einen Feststoffgehalt von 55 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise größer als oder gleich 65 %, und eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als oder gleich 1,6 μm. Die Partikelgröße wurde durch eine Sedimentationstechnik unter Verwendung eines Mikromeritics Sedigraph Modell 5100 auf einer wässrigen Dispersion des Produktes bei etwa 3 % und unter Verwendung von etwa 0,1 % carboxilierten Polyelektrolid (DAXAD 30) als Dispergiermittel bestimmt. Bei einem Papierherstellungsprozess, der das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet, kann ein PCC-Kuchen mit vielen Feststoffen, der PCC-Partikel mit kleineren durchschnittlichen Größen enthält, wirksam während des luftblasenden Ablaufs entwässert werden.
Das Verfahren zum Herstellen der aragonitischen PCC-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst die Reaktion von Calciumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid.
VERWENDETE GERÄTE:

1. Behälter mit nominal 30 Litern und mit flachen turbinenartigen Rührblättern (2) und zum Erwärmen/Kühlen ummantelt.
2. Löscheinheit ist ein einfacher Zementsmischapparat.

Rohmaterialien:

1. CaO
2. Wasser
3. CO₂- Quelle: 15 % CO₂ in Luft
4. M-60 Aragonit von der Mississippi Lime Company

Ablauf für eine aragonitische PCC-Synthese:

1. Bereite eine Milch aus Kalk aus Ca (OH)₂ durch Hinzufügen von 10 Teilen Wasser zu einem Teil CaO unter Rühren mit einer anfänglichen Wassertemperatur, die auf wenigstens etwa 40° Celsius eingestellt ist, zu. Die Kalkmenge beträgt 2000 g und die Wassermenge beträgt 20 Liter. Anmerkung: Die resultierende Milch aus Kalk (Löschung) liegt bei etwa 11 Gew. % Feststoffe von Ca (OH)₂ Schlamm. Die Gesamtmenge der Löschung beträgt etwa 3200 g als CaCO₃.
2. Siebe die Milch aus Kalk so dass sie frei ist von Teilchen mit Maschengröße + 60. Ordne Löschung im 30 Liter Reaktor an.
3. Stelle die Temperatur der Milch aus Kalk auf 50° Celsius ein.
4. Füge 160 g von M-60 Aragonit zur Milch aus Kalk hinzu, gestatte Mischen für 15 Minuten.
5. Stelle das Rühren auf heftiges Mischen ein und starte das Hinzufügen des CO₂ – Gasstroms. Die Gastromrate sollte so eingestellt werden, dass eine vollständige Ca (OH)₂ Umwandlung in CaCO₃ in etwa 3 Stunden ermöglicht wird.
6. Die Carbonisierung ist abgeschlossen, wenn der pH-Wert auf 7,0 abfällt, zu welchem Zeitpunkt die Einleitung von CO₂-Gas beendet wird.
7. Der fertig gestellte CaCO₃-Schlamm beträgt etwa 14 Gew.-% als CaCO₃.
8. Das aragonitische PCC ist nun fertig für das Hinzufügen eines nichtionischen Surfaktanten, gefolgt von einer Filtrierung.

Das nichtionische Surfaktant kann dem PCC bei jeder Stufe es Synthese-Herstellungsprozesses hinzugefügt werden. Allerdings wurde entdeckt, dass, wenn der PCC-Produktstrom gesiebt und zum Filterzuführtank übertragen wird, das nichtionische Surfaktant unter Rühren vorzugsweise zu diesem hinzugefügt wird.
Damit das nichtionische Surfaktant der vorliegenden Erfindung beim Entwässern von PCC wirksam ist, sollte die Menge des verwendeten nicht ionischen Surfaktanten zwischen etwa 0,1 Gew.-% und etwa 0,4 Gew.-% basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats betragen. Für die beste Entwässerungsleistung wird das Surfaktant vor dem Hinzufügen zum PCC-Schlamm nicht verdünnt. Die Konzentration des wässrigen PCC-Schlamms zum Zeitpunkt des Hinzufügens nichtionischen Surfaktenten beträgt zwischen etwa 5 bis etwa 50 Gew.-% (basierend auf dem Gewicht des PCC zum Gesamtgewicht).
Die Theorie der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Steuern exzessiven Kapillardrucks im Filter/nassen Kuchen. Es wird angenommen, dass die nichtionischen Surfaktanten der vorliegenden Erfindung den Kapillardruck im nassen Kuchen durch Verringern der Wasserspannung minimieren, was direkt zu einem wirksameren luftblasenden Ablauf beim Entwässern führt. Wasser wird einfach aus den leeren Räumen im nassen Kuchen oder Filterkuchen freigesetzt, wenn Luft mit hohem Druck die Flüssigkeit aus dem PCC-Filterkuchen verdrängt. Es wird jedoch betont, dass das, was in Bezug auf den Kapillardruck ausgeführt worden ist, lediglich eine Theorie dessen darstellt, was angenommen wird, und lediglich als wissenschaftliche Möglichkeit dessen, was statt finden könnte, angeboten wird. Es wird keinesfalls als wissenschaftlicher Fakt dargestellt oder als wissenschaftlich korrekt angeboten. Daher sollte diese vorgeschlagene wissenschaftliche Theorie zu keinem Zeitpunkt und unter keinen Umständen auf irgendwelche Weise verwendet werden, um den Schutzbereich dieser Erfindung zu beschränken.
Nichtionische Surfaktanten, von denen heraus gefunden worden ist, dass sie beim Durchführen der vorliegenden Erfindung wirksam sind, sind aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyalklenglycolethern, Alkohol-Alkoxylaten und Alkylphenolhydroxy-Polyoxydethylen und dergleichen besteht. Die folgende nichtionischen Surfaktanten, die kommerziell von der Union Carbide Chemical and Plastics Company, Inc., Industrial Chemical Division, Danbury Connecticut, erhältlich sind, umfassen TERGITOL D-683, TERGITOL MIN-FOAM 1X und TERGITOL MIN-FOAM 2X, TRITON X-100.

(1) Tergitol Min-Foam 2X Surfaktant, Formel: C_11-15H_23-3O(CH₂CH₂O)_x[CH₂CH₂O/CH₂CH(CH₃)O]yCH₂CH(CH₃)OH;
(2) Tergitol D-683 Surfaktant, Formel: C₁₅H₂₃O[CH(CH₃)CH₂O]_x[CH₂CH₂O]_yH;
(3) Tergitol Min-Foam 1X Surfaktant, Formel: C_11-15H_23-31O(CH₂CH₂O)_x[CH₂CH₂O/CH₂CH(CH₃)O]_yCH₂CH(CH₃)OH;
(4) Triton X-100 Formel: C₃₃H₆₀O_10,5

Die folgenden Beispiele werden dargestellt, um die breiten Aspekte der vorliegenden Erfindung weiter zu illustrieren. Die Beispiele sind keineswegs dazu gedacht, den Schutzbereich, die Breite oder den Bereich der vorliegenden Erfindung in irgendeinem wesentlichen Aspekt zu beschränken. Nur die weitest mögliche Lesart und die liberalste Interpretation der beigefügten Ansprüche, wie sie hier folgen, sollte verwendet werden, um das Ausmaß, die Grenzen und die Schranken der vorliegenden Erfindung zu definieren.
In den folgenden Beispielen 1, 2 und 3 werden sowohl nichtionische behandelte Calciumcarbonat-Schlämme (Erfindungsprozess) als auch unbehandelte Calciumcarbonat-Schlämme (Vergleich) auf einer Filterpresse vom luftblasenden Typ gefiltert und auf den Anteil von Feststoffen getestet. Ein verbesserter Anteil von Feststoffen des Erfindungsprozesses ist das, was in jedem Beispiel erreicht wird.
BEISPIELE
Beispiel 1:
Ein wässriger Schlamm aus aragonitischem PCC mit einem Feststoffinhalt von etwa 15 Gew.-% wurde mit 0,2 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats, TRITON X-100, durch Hinzufügen des Surfaktanten, während der wässrige Schlamm gerührt worden ist, behandelt. Der Feststoffanteil des Filterkuchens wurde gemessen und mit einem unbehandelten PCC-Filterkuchen (kein Surfaktant) verglichen; die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Füllzeit von 2 Minuten, Druckzeit von 3 Minuten bei 15 bar, Luftblaszeit von 5 Minuten
Beispiel 2
Ein wässriger Schlamm aus aragonitischem PCC mit einem Feststoffgehalt von etwa 15 Gew.-% wurde mit 0,2 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats, TERGITOL MIN-FORM 2X, durch Hinzufügen des Surfaktanten, während der wässrige Schlamm gerührt worden ist, behandelt. Der Feststoffanteil des Filterkuchens wurde gemessen und mit einem unbehandelten PCC- Filterkuchen (kein Surfaktant) verglichen; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Füllzeit von 2 Minuten, Druckzeit von 3 Minuten bei 15 bar, Luftblaszeit von 5 Minuten
Bespiel 3:
Ein wässriger Schlamm aus aragonitischem PCC mit einem Feststoffgehalt von etwa 15 Gew.-% wurde mit 0,2 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats, durch Hinzufügen des Surfaktanten TERGITOL D-683 behandelt, während der wässrige Schlamm gerührt worden ist. Der Feststoffanteil des Filterkuchens wurde gemessen und mit einem unbehandelten PCC-Filterkuchen (kein Surfaktant) verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Füllzeit von 2 Minuten, Druckzeit von 3 Minuten bei 15 bar, Luftblaszeit von 5 Minuten
Beispiel 4
Auf die gleiche Weise wie in Beispielen 1 bis 3 wurde ein wässriger Schlamm mit 15 Gew.-% argonitischem Calciumcarbonat mit TERGITOL MIN-FOAM 2X in einem Fall behandelt, und in einem anderen Fall wurde der wässrige Calciumcarbonat-Schlamm mit TERGITOL D-683 behandelt. Die Behandlungsmengen waren 0,2 Gew.-% basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats. Die dispergierten Calciumcarbonatprodukte der Erfindung wurden mit einem unbehandelten (kein Additiv) Calciumcarbonat-Schlamm-Filtrationskuchenprodukt in Tabelle 4 verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die nichtionischen behandelten erfindungsgemäßen Produkte einen verbesserten Bedarf an Dispergiermitteln bei im wesentlichen denselben Feststoffen und derselben Partikelgröße gegenüber dem unbehandelten Vergleich aufweist.
Tabelle 4

Claims

Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem wässrigen Schlamm aus aragonitischem präzipitierten Calciumcarbonat mit einer durchschnittlichen Partikelgröße unterhalb von 1,6 Mikron und enthaltend 5 bis 50 Gew.-% präzipitierten Calciumcarbonats, umfassend: (a) Behandeln des Calciumcarbonats mit 0,1 bis 0,5 Gew.-% eines nichtionischen Surfaktants basierend auf dem Gewicht des Calciumcarbonats und (b) Filtern des behandelten Calciumcarbonats, um einen Feststoff-Gewichtsgehalt von zwischen 55 und 80 Gew.-% zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das behandelte Calciumcarbonat mit einem Filter vom Luft blasenden Typ gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das nichtionische Surfaktant aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Polyalkenglycolether, Alkoholalkoxylat und Alkylphenol-Hydroxypolyoxyethylen besteht.