Kinetik der Hydratation von CaO und MgO

Marbun, Bonar

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen geförderten Forschungsvorhabens „Vorhersage und Beeinflussung der Reaktivität von Branntkalk“, AiF-Nr. N 13997, und in Zusammenarbeit mit der Forschungsgemeinschaft Kalk und Mörtel e.V. wurden verschiedene direkte und indirekte Analysenverfahren auf ihre Eignung zur differenzierten qualitativen und quantitativen Beschreibung der Branntkalkreaktivität untersucht. Aus fünf deutschen Lagerstätten wurden Kalksteinproben entnommen, die nach einer chemisch-petrographischen und physikalischen Untersuchung unter variierenden Bedingungen im Laborofen gebrannt wurden“ (Hogewoning 2005). Die Branntkalke wurden mit verschiedenen Methoden untersucht: modifizierte Nasslöschkurve (NLK), Bestimmung der Rohdichte mittels Feststoffpyknometer, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Bestimmung der Reindichte mittels He-Pyknometer, Positronenannihilationsspektroskopie (PALS), harte Röntgenstrahlung, Elektronenspektroskopie für Chemische Analysen (ESCA) und Bestimmung der spezifischen Oberfläche nach BET. „Die Brennversuche erfolgten an Proben der Körnung 1-2 mm und 4-8 mm in einem horizontalen Rohrofen mit zwei getrennten Heizzonen, in dem die Proben in unterschiedlichen Zeiten durch die gewünschten Temperaturbereiche geschoben werden können. Der Ofen wurde so umgerüstet, dass er mit getrennten Regelkreisen betrieben werden kann. Die Entsäuerung wurde nach einigen Vorversuchen bei allen Brennversuchen bei 1050°C innerhalb einer Stunde durchgeführt (Rest-CO2-Gehalt aller Proben < 1%). Nach dem einstündigen Verbleib in der Entsäuerungszone wurden die Proben zur Sinterung bei variierenden Zeit- und Temperaturbedingungen in die Sinterzone durchgeschoben. Als Hauptfelder der Untersuchungen wurden die Sintertemperaturen zwischen 1100°C und 1400°C gewählt“ (Hogewoning 2005). Die Methode zur Bestimmung der Branntkalkreaktivität mittels Nasslöschkurve nach EN 459-2 musste an die geringe Probenmenge der erbrannten Kalke angepasst werden. Dazu wurde eine Miniatur entwickelt, an der experimentell die abweichenden Wärmeverluste und Wasserwerte des Systems bestimmt wurden. Das ebenfalls neu entwickelte Korrekturverfahren der NLK erlaubt mit sehr guter Genauigkeit die Umrechnung von Nasslöschkurven, welche mit einem 1:10-Miniaturgefäss gemessen wurden, auf normgemäße Nasslöschkurven. Zusätzlich erlaubt dasselbe Rechenverfahren die Ableitung der adiabatischen Nasslöschkurve. Auffällig ist, dass die reinen Kalksteine beim Brennen zwar im Vergleich zu einer weniger reinen Probe (A) mehr Zeit benötigen, um eine anfänglich extrem hohe Reaktivität (tu < 1 min) auf mittlere tu – Werte abzusenken. Im weiteren Zeit- und Temperaturverlauf deaktivieren sie jedoch weitaus stärker, als es mit der mergeligen Probe A selbst nach längsten Behandlungsdauern erreichbar ist. Versuche für die Bestimmung der Gitterfehlstellenkonzentration mit harter Röntgenstrahlung, ESCA, PALS, und He-Pyknometer, haben keine Korrelation mit der Reaktivität gezeigt. Vertiefende weitere Untersuchungen mit anderen Methoden sind erforderlich. Als weiteres Thema wurde die Kinetik der Hydratation von MgO untersucht. Aus jeweils einer kanadischen, österreichischen und türkischen Lagerstätte wurden Magnesit-Proben entnommen. Die Proben mit Korngröße 0,5 – 1 mm wurden bei Brenntemperaturen zwischen 900 – 1500°C und variierender Brenndauer im Laborofen gebrannt. Zum Vergleich wurde eine kommerzielle weichgebrannte MgO-Probe unter gleichen Bedingungen nachgebrannt. Die vorhandene Methode zur Bestimmung der MgO-Reaktionsfähigkeit nach dem Prinzip „Acid Neutralisation Time“ ist wissenschaftlich nicht aussagefähig. Deshalb ist ein Verfahren zur Bestimmung der MgO-Reaktivität mittels pH-Konstanthaltung entwickelt worden. Die Deaktivierung des MgO durch längere Sinterdauer und -temperatur entspricht stärker als beim CaO der Modellvorstellung. Ähnlich wie beim CaO zeigen sehr reine Magnesite weitergehende Reaktivitäts-Unterschiede, deren Aufklärung jedoch nicht Gegenstand dieser Arbeit war. Wichtigstes Ergebnis der Arbeit ist neben der neuen Methodik zur Reaktivitätsbestimmung eine bessere Kenntnis der notwendigen Brennbedingungen zur gezielten Einstellung der Reaktivität von CaO und MgO bei gegebenen Rohmaterial.

In the context of a research project named "forecast and influence of the reactivity of quicklime", and promoted by the German Federal of Ministry for Economics by means of the Otto von Guericke Association, AiF No. N 13997, and in cooperation with the Research Institute of Lime and Mortars, different direct and indirect analysis procedures were examined in terms of its suitability for the qualitative and quantitative description of quicklime reactivity. Out of five German limestone deposits samples were taken, which were burned under varying conditions in a laboratory furnace after its characterisation by chemical petrographic and physical investigations. The quicklimes were examined with different methods: modified wet slaking curve (NLK), determination of the gross density by means of solid pycnometer, Scanning Electron Microscopy (SEM), determination of the net density by means of He-pycnometer, Positron Lifetime Spektroscopy (PALS), short wave length x-ray, Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA) and determination of specific surface (BET). The burning tests were carried out with samples of the granulation 1-2 mm and 4-8 mm in a horizontal tube furnace, comprising two separated heating zones, in which the samples could be pushed for different times by the desired temperature ranges. The furnace was reequipped in such a way that it could be operated with separate automatic control loops. Calcination was accomplished after some preliminary tests with all samples at 1050°C within one hour (the remaining of CO2 of all samples less than 1%). After the one hour-calcination process the samples were passed through into the sintering zone for varying time and temperature conditions. As main fields of the investigations the sintering temperature range between 1100°C and 1400°C were selected. The method for the determination of quicklime reactivity by means of wet slaking curve after EN 459-2 had to be adapted to the small sample quantities of the lime. In addition, a miniaturised apparatus was developed, at which experimentally the relevant calorific losses and thermal capacity of the system were determined. The likewise again developed correction procedure of the NLK permitted with very good accuracy the conversion of wet slaking curves 1:10-miniature device, to the wet slaking curves after EN 459-2. Additionally the same computing procedure permits to establish the adiabatic wet slaking curve and its derivation. It is remarkable that the pure limestones need more time when burning compared with a less pure sample (A), in order to lower an initially extremely high reactivity (tu < 1 min) on a medium level of tu value. In the further time and temperature gradient the samples deactivate however far stronger, than it is attainable with the sample A even after longest treatment lasting. Attempts for the determination of the lattice defect concentration with high X-ray, ESCA, PALS, and He-density pycnometer, showed no correlation with the reactivity. Further investigations with other methods are necessary for suitable classification. As a further topic kinetics of the hydration of MgO were examined. Out of Canadian, Austrian and Turkish magnesite deposits in each case samples were taken. The samples were burned with grain size 0.5 - 1 mm at firing temperatures between 900 - 1500°C and at varying burning duration in the laboratory furnace. For comparison reasons a commercial soft-burned MgO sample was re-burned under same conditions. The existing method for the determination of the MgO reactivity according to the principle "Acid Neutralization Time" is scientifically not meaningful. Therefore a procedure for the determination of MgO reactivity was developed by means of keeping pH automatically constant. The deactivation of the MgO by longer sintering duration and higher temperatures corresponds more strongly to the model conception than CaO does. Similarly as with the CaO very pure magnesites show large reactivity differences, whose clearing-up however was not the subject of this work. Most important result of the work is apart from a new methodology for reactivity characterisation a better knowledge of the adequate conditions for the desired reactivity of CaO and MgO at given raw material.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Marbun, Bonar: Kinetik der Hydratation von CaO und MgO. 2006.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export