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Gut in Form

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Weltweit werden jährlich etwa 13,5 Millionen Tonnen Bentonit gefördert – ein Gestein, dessen industriell interessante Einsatzmöglichkeiten vom Mineral Smektit bestimmt werden. Das Mineral wird etwa zur Filterung von Bier oder bei der Herstellung von komplexen Gussformen verwendet. Angesichts dieses breiten Einsatzspektrums ist das Verständnis von Smektiten teilweise noch recht gering.

Ein zentrales Merkmal von industriellen Produktionsprozessen ist ihre Effizienz. Bauteile, zum Beispiel Motorenblöcke für Autos, sollen nach dem Willen der Hersteller einerseits immer leichter werden, andererseits immer komplexere Formen annehmen. Die Metallgießereien versuchen wiederum, die eingesetzten Materialmengen für die Gussformen zu reduzieren, um Lagerkapazitäten zu verringern. Möchte man solch ambitionierte Ziele umsetzen, stößt man auf der Suche nach Optimierungsmöglichkeiten schnell auf das Mineral Smektit, Hauptbestandteil von Bentonit.

„Smektite sind Tonminerale, die quellen oder schrumpfen, wenn sie Wasser aufnehmen bzw. abgeben“, erklärt Professor Helge Stanjek vom Lehr- und Forschungsgebiet Ton- und Grenzflächenmineralogie der RWTH Aachen. Diese Eigenschaften prädestinieren das Mineral für die Herstellung von Formstoffen. Formstoffe, Mischungen aus Quarzsand, Bentonit und organischen Zusätzen werden beim Bau von Gussformen eingesetzt. Mehrere Millionen Tonnen Bentonit benötigt die Industrie jedes Jahr, fast ein Viertel der gesamten Bentonit-Produktion findet als Hauptbestandteil von Formstoffen Verwendung.

Als Bentonit bezeichnet man ein Tonmineral, das durch die Verwitterung vulkanischer Aschen entstanden ist. Seinen Namen verdankt Bentonit dem Ort seiner ersten Fundstätte bei Fort Benton, Montana (USA). Definiert ist Bentonit als eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralen, die mindestens zur Hälfte der Smektitgruppe angehören. Eines der größten europäischen Bentonit-Vorkommen ist auf der griechischen Insel Milos zu finden, in Deutschland lässt sich Bentonit vor allem in Bayern abbauen.

Angesichts dieser Größenordnungen sind die dynamischen Eigenschaften von Smektiten noch verhältnismäßig wenig erforscht. Dass Smektit bei Erhitzung bis etwa 550 °C einen Teil seiner Wassermoleküle aus der Kristallstruktur abgibt und auch wieder aufnimmt, ist zwar bekannt. „Über die Geschwindigkeiten, mit der solche Wasserabgaben und -aufnahmen erfolgen, weiß man aber viel zu wenig“, erläutert Stanjek, „ebenso wenig versteht man, wieso heißer Wasserdampf die Oberfläche von Smektit verändert. Er macht sie deutlich hydrophober – seine Neigung, mit Wasser in Kontakt zu treten, nimmt also ab. Die bindenden Eigenschaften von Bentonit gehen dabei teilweise verloren.“

Diese verringerte Aufnahmefähigkeit führt auch dazu, dass Formstoff-Mixturen nach Ihrem Einsatz immer wieder neues Rohstoffmaterial  beigefügt werden muss – in der Industrie spricht man auch vom „Auffrischen“ des Materials. „Würden wir den Prozess der Hydrophobisierung besser verstehen, könnten wir maßgeschneiderte Formstoffmixturen mit verbesserten Regenerationseigenschaften herstellen“, glaubt Helge Stanjek. Gelänge dies, müssten den Formstoffen zur Auffrischung wohl deutlich weniger neues Material hinzugefügt werden als heute.

Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Reduktion fußt auf einer einfachen Rechnung: Die Menge an Rohmaterial, die beim Auffrischen ergänzt werden muss, fällt in gleichen Teilen auch als Altsand an – der entsprechend entsorgt und deponiert werden muss. Stanjek: „Formstoffe beinhalten rund acht Prozent Bentonit. Beim Auffrischen muss aber natürlich der gesamte Rohstoffmix gewechselt werden. Der Austausch von Formstoffen ist folglich ein nicht unerheblicher Kostenfaktor von Produktionsprozessen.“

Stanjek und sein Team möchten im GEOTECHNOLOGIEN-Projekt „HydraSmec“ dazu beitragen, industrielle Bentonitanwendungen effizienter zu machen. Dabei widmen sich die Forscher neben der Untersuchung von Formstoffen einem weiteren Einsatzgebiet des Gesteins: Knapp ein Drittel von heute eingesetztem Bentonit wird nämlich zur Filterung von ganz unterschiedlichen Stoffen verwendet. So wird Bentonit etwa dafür benutzt, Bier bei seiner Herstellung die Eiweißstoffe zu entziehen. Auch Alltagsprodukte wie Katzenstreu enthalten Bentonit.

Ein wichtiges Merkmal für Katzenstreu wie auch für großindustrielle Anwendungen ist das Sorptionsvermögen des Bentonits. „Bei der industriellen Trocknung tritt ein ganz ähnlicher Effekt auf wie bei den geschilderten Gießereianwendungen“, sagt Helge Stanjek, „die Wasseraufnahmefähigkeit der Bentonite nimmt ab. Beiden Problembereichen gemeinsam ist die Wechselwirkung von Wasserdampf an der Oberfläche von Smektiten. Das ist eine Klammer zwischen den Aspekten unseres Projekts.“

Im Projekt „HydraSmec“ wird ganz gezielt genutzt, dass Laborexperiment und Praxis unterschiedliche Resultate liefern. Stellt man den Trocknungsprozess nämlich im Labor nach, fördert dies andere Werte zu Tage, als sie im Produktionsprozess aufgezeichnet werden. „Dabei profitieren wir sehr davon, dass wir in unserem Projekt neben Wissenschaftlern der RWTH und der Ludwigs-Maximilians-Universität München auch Partner aus der Industrie wie dem Düsseldorfer Institut für Gießereitechnik, der Stephan Schmidt KG sowie S&B Minerals haben“, betont Helge Stanjek, „damit können wir Gieß- und Trocknungsprozesse unter realen Bedingungen und mit industriell eingesetzten Bentoniten durchführen, um so den heute noch unbekannten Eigenschaften von Bentoniten auf die Spur zu kommen.“

RD, iserundschmidt 06/2010


„HydraSmec – Verstehen von Prozessen an der heißen Smectit-Wasser-Grenzfläche zur Verbesserung industrieller Bentonitanwendungen“ ist Teil des GEOTECHNOLOGIEN-Forschungsschwerpunkts „Mineraloberflächen: Von atomaren Prozessen zur Geotechnik“.

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