Projekt 07791/01

Umweltfreundliches, abwasserfreies Herstellverfahren für keramische Zirkon-Farbkörper

Projektdurchführung

Reimbold & Strick GmbH Chemisch-Keramisches Werk
Hansestr. 70
51149 Köln

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Keramische Pigmente (sog. Farbkörper) werden durch thermisch induzierte Festkörperreaktionen in einem Kalzinierprozeß hergestellt. Eine wichtige Klasse der diversen Farbkörpersysteme stellen die Zirkonfarbkörper dar, die einen Marktanteil von bis zu 70 % haben. Es handelt sich dabei im wesentlichen um die Farbtöne
· Rosa = Zr-Si-Fe
· Gelb = Zr-Si-Pr
· Blau = Zr-Si-V
Durch Mischung dieser Farben untereinander werden in der keramischen Industrie eine Vielzahl von Farbabstufungen dargestellt.
Den Hauptbestandteilen der Farbkörper müssen sog. Mineralisatoren beigemischt werden, die die gewünschten Reaktionen bei technisch möglichen und wirtschaftlich vertretbaren Brenntemperaturen und -zeiten erst ermöglichen.
Die heute üblichen Mineralisatoren sind wasserlösliche Salze (z.B. NaCl), die nach dem Kalzinierprozeß durch den sog. Waschprozeß aus dem Pigment entfernt werden müssen, da sie ansonsten bei Anwendung zur Färbung keramischer Glasuren zu erheblichen, inakzeptablen Fehlern (sog. Abrollern bzw. Nadelstichen) führen. Bei diesem Waschprozeß entstehen große Abwassermengen (bis zu 50 Liter Wasser pro Kilo Endprodukt), die mit Salzen und Schwermetallen belastet sind.
Ziel des Vorhabens war es daher:
· Mineralisatoren-Mischungen zu finden, die wasserunlöslich sind bzw. so gering wasserlöslich, daß auf den Waschprozeß verzichtet werden kann, ohne daß technische Probleme bei der Weiterverarbeitung in der keramischen Industrie auftreten.
· Eine Brenntechnik zu ermitteln, die die Abgasemission (v.a. durch Fluoride) deutlich reduziert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden· Entwicklung von Mineralisatorenpaketen mit geeignetem Schmelzverhalten unter Verwendung von nicht oder nur gering wasserlöslichen Rohstoffen. Dort wo sich die Verwendung von stark wasserlöslichen Stoffen als unerläßlich erwies, wurde deren Einsatzmenge auf das absolut unerläßliche Maß beschränkt.
· Zugabe der Mineralisatorenpakete zu den Grundkomponenten in Form von Reihenversuchen.
· Findung von neuartigen Mischtechniken, die Agglomeratauflösung bewirken und somit homogenste Rohstoffmischungen ermöglichen; damit kann der Einsatz von Mineralisatoren mengenmäßig reduziert werden.
· Entwicklung einer verbesserten Brenntechnik, die schnellen und gleichmäßigen Energieeintrag in das Produkt und somit verkürzte Brennzeiten, einhergehend mit geringerer Schadstoffemission, ermöglicht.
· Entwicklung verbesserter Brennhilfsmittel, um den notwendigen Energieeinsatz weiter zu reduzieren.
· Findung geeigneter Trocken-Mahlverfahren zur Aufbereitung der Kalzinierprodukte zum Endprodukt.
· Antwendungstechnische Prüfung der Versuchsprodukte im Vergleich zu handelsüblichen Standardprodukten unter Einsatz von in der keramischen Industrie üblichen Prüf- und Meßmethoden.
· Bestimmung der Anteile an löslichen Salzen im Kalzinierprodukt im Vergleich zu Produkten aus derzeit üblichen Herstellverfahren.


Ergebnisse und Diskussion

Für alle drei untersuchten Farbkörpersysteme konnten gefunden bzw. entwickelt werden:
· Geeignete neuartige Mischersysteme.
· Optimierte Brennhilfsmittel mit verbessertem Verhältnis von Produkt-/Brennhilfsmittel-Gewicht.
· Neuartige Brenntechnologie (kombinierte Beheizung mit Gas- und Mikrowellenenergie), mit der die Brennzeiten um bis zu 50 % reduziert werden können.
· Geeignetes, kontaminationsfreies Trocken-Mahlverfahren.
· Neue Mineralisatorenpakete mit deutlich reduziertem Anteil an wasserlöslichen Bestandteilen:
a) für das System Zr-Si-Fe um 95 %;
b) für das System Zr-Si-Pr um 77 %;
c) für das System Zr-Si-V um 73 %.
Bei der labormäßigen anwendungstechnischen Prüfung konnten technische Probleme oder Fehler nicht erkannt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse sollen in einer geplanten Pilotanlage technisch umgesetzt werden.
Es ist vorgesehen, die Ergebnisse zu veröffentlichen in
· cfi - ceramic forum international, Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, Bauverlag GmbH, 65396 Walluf, oder
· Keramische Zeitschrift, Verlag Schmid GmbH, 79042 Freiburg


Fazit

Die Ergebnisse werden positiv bewertet. Es wurde gezeigt, daß es möglich ist, bei der Herstellung von Zirkonpigmenten die Anteile an wasserlöslichen Salzen so weit zu reduzieren, daß eine Fertigung im trockenen Prozeß, mit der Folge der Vermeidung von kontaminiertem, umweltbelastendem Abwasser, ohne qualitiative Einbußen möglich ist.
Notwendig dazu ist aber, daß alle am Prozeß beteiligten Parameter (d.h. Rohstoffzusammensetzung, Rohgemengeaufbereitung, Kalzinierprozeß und Vermahlung zum Endprodukt) optimal gestaltet und aufeinander abgestimmt werden.
Neben der Vermeidung von Abwasser wird durch ein neuartiges Kalzinierverfahren der damit verbundene Energieverbrauch reduziert und eine Verminderung der Abgasemission erreicht.