DE3590278T1 - Regelung der Viskosität von Aufschlämmungen - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Regelung der Viskosität von Aufschlämmungen oder Dispersionen.

\a/ Feststoffdispersionen in Flüssigkeiten, bei denen die Feststoffteilchen gewöhnlich kolloidale Abmessungen überschreiten, werden als Suspensionskonzentrate bezeichnet und sind Gegenstand einer ausführlichen Übersicht (Kadros Th.F. "Physical Stability of Suspension Concentrates", Advanced Colloid Interfaced Science, Vol. 12, S. 141 , (1980) ).

In dieser Übersicht behandelt der Verfasser hauptsächlich pharmazeutische Präparate und Schädlingsbekämpfungsmittel, erwähnt aber auch eine Anzahl von anderen industriellen Anwendungen, wie Anstrichmittel, Farbstoffe, Pigmente, Papierbeschichtungsmassen und Druckfarben. Der Hauptunterschied zwischen Suspensionskonzentraten und kolloidalen Dispersionen besteht darin, daß die Teilchen in den Suspensionskonzentraten die Neigung haben, sich am Boden eines Behälters abzusetzen, während die Teilchen bei kolloidalen Dispersionen infolge einer gewissen Vermischung, die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder durch die Brown'sche Molekularbewegung verursacht wird, dispergiert bleiben. Diese Neigung zum Absitzen zusammen mit den allgemeinen Fließeigenschaften, bereitet allen, die mit derartigen grobteiligen Suspensionskonzentraten befaßt sind, insbesondere bei höheren Konzentrationen, Schwierigkeiten.

Eine andere größere industrielle Anwendung der Technik von Suspensionskonzentraten liegt im Bergbau, wozu auch die Beseitigung von Abfallprodukten oder Abraum gehört. Bei diesen Verfahren werden häufig Aufschlämmungen oder Dispersionen von

feinen Pulvern verarbeitet, die in der Hauptsache aus Kieselsäure und anderen Bestandteilen bestehen. Diese anderen Bestandteile hängen von dem jeweiligen Abbauverfahren ab, enthalten jedoch gewöhnlich Ferrioxid, Aluminiumoxid (Tonerde) und in geringerem Umfang andere Metalloxide. Die Verarbeitung dieser Produkte, insbesondere von Abfallprodukten, erfolgt gewöhnlich durch mechanisches Pumpen der mit Wasser vermischten Substanzen in Form einer dicken Aufschlämmung, die durch eine Leitung zu der Verarbeitungsanlage, zu Absitzbecken oder auf Abraumhalden gepumpt wird. Die Wirksamkeit der Beseitigung hängt in diesem Fall von der erforderlichen Pumpleistung ab, die ihrerseits wieder von der Konzentration, der Viskosität und der Fließspannung der Aufschlämmung abhängen.

Es ist bekannt, daß das Fließverhalten von Material in Form von geeigneten feinen Feststoffen (im allgemeinen als "Feinstoffe" bezeichnet) durch Vermischen der Feinstoffe mit Wasser bzw. durch Einstellung des Feinstoff/Wasser-Verhältnisses und durch Zugabe eines anorganischen Dispergiermittels verbessert werden kann, wobei eine fließfähige Aufschlämmung erhalten wird. Es wurde festgestellt, daß fließfähige Aufschlämmungen in einem Wasser/Feinstoff-Gemisch, das 55 bis 70 Gew.-/6 Feinstoffe und 0,1 bis 0,25 Gew.-% anorganisches Dispergiermittel, wie Natriumphosphat (Orthophosphat, Pyrophosphat, Hexametaphosphat oder Tripolyphosphat) enthält, erhalten werden können.

Erhält man eine fließfähige Aufschlämmung, so kann dies die Verarbeitung von Feinstoffen bei vielen Anwendungen sehr erleichtern, z.B., wie schon gesagt, bei der technischen Verarbeitung von Mineralien. Der Energiebedarf für das Pumpen von Aufschlämmungen durch Rohrleitungen ist jedoch kritisch im Hinblick auf die Pumpleistung und, was noch wichtiger ist, im Hinblick auf Kosten-Nutzen-Überlegungen insgesamt. In vielen Fällen, insbesondere bei der Beseitigung von Bergwerksabraum, ist die Wirtschaftlichkeit kaum gegeben, und ein wirtschaftlicher Betrieb ist nur möglich, wenn die Energiekosten und die Kosten für

das Dispergiermittel möglichst niedrig gehalten werden können.; Das heißt also, daß die Menge des Dispergiermittels, die für die Erzeugung einer fließfähigen Aufschlämmung verwendet wird, so sein muß, daß die Fließeigenschaften der Aufschlämmung ein wirksames Pumpen bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten für Energie und Dispergiermittel ermöglichen. Auch mit Mengen von 0,1 bis 0,25 Gew.-% eines Natriumphosphat-Dispergiermittels, von dem die Tonne 1500 bis 2000 Australische Dollar kostet, kann das

Verfahren unwirtschaftlich sein.

Es wurde nun bei rheologischen Messungen an konzentrierten kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen, die größere Mengen an anorganischen Oxiden (nachstehend als "Verunreinigung" oder "Verunreinigungen" bezeichnet) enthalten, gefunden, daß sich die Viskosität merklich erhöht, wenn nur geringe Mengen an gewissen Verunreinigungen (bis zu 10 Gew.-% der gesamten Kieselsäure) in der Aufschlämmung enthalten sind. Zusätzlich zu dieser Viskositätserhöhung beobachtet man auch eine stärkere Abweichung vom Newton'schen Fließverhalten, während reine kieselsäurehaltige Aufschlämmungen praktisch Newton'sches Fließverhalten zeigen. Weiterhin nimmt die Absitzgeschwindigkeit der aufgeschlämmten Teilchen ab, wenn der Gehalt an Verunreinigungen zunimmt. Gewisse lösliche anorganische und organische Zusätze können die Wirkungen dieser Verunreinigungen aufheben, wodurch eine praktisch sofortige Abnahme der Fließspannung (yield stress) und der Viskosität der Aufschlämmung bewirkt wird, wodurch wiederum eine Annäherung an das Newton'sche Fließverhalten erfolgt.

Es wurde gefunden, daß bei kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen die Zunahme der Viskosität und die Abweichung vom Newton'schen ■Fließverhalten bei Oxiden, Carbonaten und Sulfiden des Eisens, insbesondere bei Ferrioxid, am staksten sind, wobei Verunreinigungen, die Oxide, Carbonate und Sulfide des Nickels, Mangans und Zirkons enthalten, ebenfalls eine merkliche Wirkung haben. Im geringeren Umfang haben auch Verunreinigungen, die Aluminiumoxid und die Oxide, Carbonate und Sulfide des Titans und des

Chroms enthalten, eine Wirkung. Weiterhin wurde gefunden, daß man, wenn man den Gehalt an Verunreinigungen für eine bestimmte Aufschlämmung bestimmt, ein anorganisches oder organisches Dispergiermittel in einer Menge, die etwa der Menge der Verunreinigung oder der Verunreinigungen entspricht, zusetzen kann. Die erhaltene Aufschlämmung kann wirksam bei wirtschaftlich vertretbaren Gesamtkosten für Energie und Dispergiermittel gepumpt werden.

Als Dispergiermittel kann Natriumphosphat verwendet werden. Natriumtripolyphosphat und Natriumhexametaphosphat werden bevorzugt verwendet, doch können auch Natriumorthophosphat und Natriumpyrophosphat verwendet werden. Als Dispergiermittel kann aber auch ein organisches Dispergiermittel verwendet werden, wobei Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymere besonders bevorzugt werden. In jedem Fall erhält man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine fließfähige Aufschlämmung, die mit geringerer Energie wirksam gepumpt werden kann, wenn man das Dispergiermittel in Mengen von etwa 0,01 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf die gesamten Feststoffe der Aufschlämmung, verwendet. Das bedeutet also, daß der Verbrauch an Dispergiermittel um einen Faktor von etwa 10 vermindert werden kann, verglichen mit dem, was man bisher als erforderlich angesehen hat.

Die Erfindung ist anwendbar auf kieselsäurehaltige Mineralienauf schlämmungen, die eine solche Verunreinigung oder Verunreinigungen enthalten. Es wurde ferner gefunden, daß die Erfindung auch auf Aufschlämmungen von teilchenförmiger Kohle anwendbar ist. Die Aufschlämmungen von hochwertiger Anthrazitkohle mit niedrigem Aschegehalt zeigen ein ähnliches, annähernd Newton'sches Fließverhalten wie reine kieselsäurehaltige Aufschlämmungen. Wenn jedoch der Aschegehalt der Aufschlämmungen zunimmt, so stellt man eine Abweichung von diesem Verhalten und eine deutliche Zunahme der Viskosität der Aufschlämmung fest. Die Asche bei Kohleaufschlämmungen ist mit den Metallverunreinigungen in kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen vergleichbar,

wobei aber in beiden Fällen die negativen Auswirkungen durch Verwendungen der vorstehend erwähnten löslichen anorganischen und organischen Zusätze aufgehoben werden können. Diese Ausführungsform der Erfindung kann auf Aufschlämmungen von geringwertigerer Kohle, bis auf bituminöse Kohle und Braunkohle, ausgedehnt werden.

Für Anthrazitkohle können Phosphat-Dispergiermittel verwendet werden, obwohl organische Dispergiermittel, wie Naphthalinsulf onat-Aminoplast-Polymere, bevorzugt werden. Für geringwertigere Kohle ist die Verwendung dieser organischen Dispergiermittel noch günstiger, da die Phosphat-Dispergiermittel durch organische Bestandteile der Kohle unwirksam gemacht werden können.

Es wurde gefunden, daß bei Verwendung von organischen Phosphaten als Dispergiermittel für kieselsäurehaltige Aufschlämmungen Calcium- und Magnesiumionen in der Aufschlämmung die Wirkung des Dispergiermittels beeinträchtigen. Man nimmt an, daß diese Ionen als Phosphat-Fällungsmittel (scavengers) wirken, wie nachstehend erläutert ist. Diese Ionen verhindern also, daß das Dispergiermittel seine gewünschte Wirkung ausübt. Es wurde jedoch gefunden, daß durch eine Behandlung der Aufschlämmung zum Ausfällen der Calcium- und Magnesiumionen als unlösliche Salze vor der Zugabe eines anorganischen Phosphat-Dispergiermittels dieses Problem gelöst wird. Das Dispergiermittel kann dann mit Erfolg verwendet werden, wie es vorstehend erläutert ist.

Die vorstehend angegebenen Gesichtspunkte der Erfindung haben wichtige Anwendungsmöglichkeiten bei der Verarbeitung oder Beseitigung von Produkten oder Rückständen, wie sie beispielsweise bei verschiedenen bergmännischen Verfahren auftreten. Diese Produkte und Rückstände, die im allgemeinen als "Abraum" (tailings) bezeichnet werden, sind hauptsächlich aus Kieselsäure mit wechselnden Mengen an anderen Substanzen zusammengesetzt, wobei es sich um verschiedene Metalloxide, -carbonate und

-sulfide, insbesondere um Ferrioxid und Aluminiumoxid, handelt. Es kommen aber auch die Oxide, Carbonate und Sulfide des Zinks, Zinns, Mangans, Zirkons, Titans, Kobalts, Nickels, Chroms, Kupfers und Cadmiums vor. Andere Verunreinigungen sind Tone in Form von Aluminosilicaten.

Die Produkte oder Abfallsubstanzen müssen häufig in Form von dicken Aufschlämmungen vorliegen, damit sie durch Rohrleitungen gefördert werden können. Der Energiebedarf zum Pumpen dieser Aufschlämmungen hängt, wie schon gesagt, von der chemischen Zusammensetzung der Aufschlämmung, und in einem geringeren Grad von der Korngrößeverteilung der Feststoffe ab. Der Energiebedarf nimmt jedoch im allgemeinen mit der Menge der Verunreinigung, insbesondere Ferrioxid, zu. Die Eigenschaften der Aufschlämmung können zweckmäßig durch Zugabe geeigneter Substanzen, insbesondere von Natriumphosphaten oder Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymeren verändert werden.

Die Bestimmung des Energiebedarfs für das Pumpen von kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen mit Verunreinigungen erfolgte durch rheologische Messungen an konzentrierten kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen . Es wurde gefunden, daß diese Verhältnisse unmittelbar auf das Pumpen von kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen mit ähnlichen Verunreinigungen anwendbar sind, die aber auf bergmännische Produkte oder Abraum, wie vorstehend beschrieben, basieren. Ähnliche Ergebnisse können mit anderen Aufschlämmungen auf Kieselsäurebasis erhalten werden

, beispielsweise von Schlick, Meeres- und Flußsanden und Zement/Kieselsäure-Gemischen. Weiterhin wurde gefunden, daß diese Bedingungen unmittelbar auf Kohle-Aufschlämmungen anwendbar sind, obwohl die Verunreinigungen in diesem Fall hauptsächlich Asche statt Metalloxiden, -carbonaten und -sulfiden enthalten.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Erleichtern des Fließens von feinteiligem Material, wobei die feinen Teilchen

aus kieselsäurehaltigem Material und Kohle ausgewählt sind; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Verunreinigungen in den feinen Teilchen, d.h. der Gehalt an Metalloxiden, -carbonaten und -sulfiden bei kieselsäurehaltigen Materialien, bzw. der Gehalt an Kohleasche bei Kohle, bestimmt wird, daß eine dicke Aufschlämmung oder Dispersion der feinen Teilchen in Wasser hergestellt wird und daß ein Dispergiermittel in einer Menge, die proportional dem bestimmten Gehalt an Verunreinigungen ist, der Aufschlämmung zugesetzt wird, um eine pumpfähige Aufschlämmung zu bilden.

Bei den Dispergiermitteln handelt es sich vorzugsweise um anorganische Phosphate und/oder organische Naphtalinsulfonat-Aminoplast-Polymere. Besonders bevorzugt wird das Dispergiermittel in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf die Feinstoffe in der Aufschlämmung, zugesetzt. Im Falle von Feinstoffen auf Kieselsäurebasis wird besonders bevorzugt Natriumtripolyphosphat, Natriumhexametaphosphat oder das organische Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymer verwendet. Bei Kohle-Feinstoffen wird besonders bevorzugt dieses Polymer verwendet.

Die dicke Aufschlämmung kann dadurch hergestellt werden, daß man den Feinstoffen Wasser zusetzt. Sie kann aber auch dadurch hergestellt werden, daß man die Wassermenge eines Feinstoff/Wasser-Gemisches einstellt. Im letzteren Fall kann auch eine Entwässerung erfolgen, wenn das Gemisch mehr Wasser als nötig enthält. Die dicke Aufschlämmung kann, je nach ihrer Zusammensetzung und der Korngrößenverteilung der Feinstoffe, 55 bis 80 Gew.-% Feinstoffe enthalten. Vorzugsweise enthält die Aufschlämmung 65 bis 80 Gew.-%, insbesondere 70 bis 75 Gew.-% Feinstoffe.

Bei Feinstoffen auf Kieselsäurebasis sind die Metalloxide, -carbonate und -sulfide, deren Gehalt zu bestimmen ist, die entsprechenden Verbindungen des Eisens, Aluminiums, Nickels, Mangans, Zirkons, Titans und Chroms. Wenn diese Feinstoffe auch lösliche Salze des Calciums und des Magnesiums enthalten und ein

anorganisches Phosphat-Dispergiermittel verwendet werden soll, so ist es auch erforderlich, den Gehalt an diesen Salzen zu bestimmen und vor der Zugabe des Dispergiermittels ein Reagens zuzusetzen, das Calcium und Magnesium in Form von unlöslichen Salzen ausfällt. Natriumcarbonat ist ein billiges Reagens, das für diesen Zweck geeignet ist. Es wurde auch gefunden, daß das Natriumcarbonat einen synergistischen Effekt hat, wodurch die Wirkung des Phosphat-Dispergiermittels verbessert wird, so daß der Gehalt an diesem Dispergiermittel um bis zu 50 % der sonst erforderlichen Menge vermindert werden kann. Dieser Synergismus äußert sich darin, daß, auch wenn kein Natriumcarbonat zugesetzt zu werden braucht, um Calcium- und Magnesiumionen aus der Lösung in der Aufschlämmung zu entfernen, ein Zusatz davon günstig ist, da es bedeutend weniger kostet als das anorganische Phosphat.

Bei Metallverunreinigungen in Feinstoffen auf Kieselsäurebasis in Mengen von bis zu 10 Gew.-% der Feinstoffe kann die erforderliche Menge an Dispergiermittel 0,01 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf die Feinstoffe, betragen. Durch Zugabe von Natriumcarbonat in Mengen, welche die zur Entfernung der Calcium- und Magnesiumionen erforderlichen Menge überschreiten, kann die Menge eines anorganischen Dispergiermittels in einer im wesentlichen stöchiometrischen Beziehung vermindert werden.

Π Die Erfindung wird nachstehend unter besonderer Berücksichtigung

der Änderungen im Verhalten von reinen kieselsaurehaltigen Aufschlämmungen bei Zusatz von Ferrioxid beschrieben, obwohl die Erfindung, wie vorstehend ausgeführt, natürliche weitergehende Anwendungen besitzt. Obwohl die Teilchengröße und die Feststoffkonzentration die Grundlage für die rheologischen Eigenschaften einer Aufschlämmung bilden, hat die vorliegende Erfindung gezeigt, daß auch die chemische Zusammensetzung eine kritische Rolle bei der Bestimmung von Parametern, wie der Fließspannung und der Viskosität, spielt. Es wurden verschieden Zusätze beschrieben, die die Fließspannung und die Viskosität von kieselsäurehaltigen Aufschlämmungen, wie dem Abraum von Goldbergwer-

ken, herabsetzen (vgl. z.B. australische Patentanmeldung 90210/82). Es ist nun offenkundig, daß diese Erscheinung ausschließlich von anderen Komponenten als Kieselsäure abhängt, die in diesen Abfallaufschlämmungen vorhanden sind, während bei Kohleaufschlämmungen der Aschegehalt der bestimmende Faktor für diese Erscheinung ist. Nachstehend wird eine chemische Erläuterung dieser Verhaltensänderungen angegeben. Diese kann für die Vorhersage eine beträchtliche wirtschaftliche Bedeutung haben.

Arbeitsweise

Es wurden reine Kieselsäure, Typen 100G, 200G und 300G (ACI-Tennant Pty. Ltd.) und Ferrioxid (Selbys Scientific Ltd.) ohne weiter Reinigung verwendet. Aluminiumoxid (mit hohem Reinheitsgrad von Alcoa) wurde gesiebt, wobei die Fraktion mit einer Maschenweite von kleiner als 43μπι verwendet wurde. Es wurden mit destilliertem Wasser mit neutralem pH-Wert Aufschlämmungen mit einer Feststoffkonzentration von 74 Gew.-% hergestellt, wobei die Feststoffe aus Kieselsäure-Ferrioxid- oder Kieselsäure-Aluminiumoxid-Gemischen bestanden. Der Eisen- oder Aluminiumoxidgehalt wurde zwischen 2 und 23 % der gesamten Feststoffmasse variiert, wobei der Rest aus reiner Kieselsäure bestand.

Ähnliche Aufschlämmungen wurden mit Kieselsäure und Titandioxid, Chromoxid, Stannioxid und Zinkoxid hergestellt.

Alle anderen verwendeten Chemikalien waren handelsübliche Chemikalien von Labor-Reagensqualität, falls nichts anderes angegeben ist.

Ferner wurden Versuche mit 100, 200 und 300G-Kieselsäure mit und ohne Zusatz von Natriumtripolyphosphat (technische Qualität ; Hersteller Ajax Chemicals) durchgeführt. Die Viskositätsmessungen wurden mit Hilfe eines Haake-Rotovisco-RV2-Viskosimeters,

mit einem MK 50- oder MK 500-Meßkopf durchgeführt. Als Sensorsystem wurde ein Standard-MV2P-Rotor verwendet, wobei jedoch die Hülse und der Drehbecher modifiziert wurden, damit die Viskosität von sich absetzenden Aufschlämmungen gemessen werden konnte. Diese Entwicklung ist Gegenstand der australischen Patentanmeldung 34156/84. Die Schergeschwindigkeit (shear rate) wurde gleichmäßig erhöht und herabgesetzt, wobei eine elektronische Programmiereinheit verwendet wurde; die Scherspannung/Schergeschwindigkeit-Rheogramme wurden automatisch mit einem X-Y-Schreiber aufgezeichnet. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur (21,0 _+ 0,5 ⁰C) durchgeführt. Als Fließspannung wurde der Schnittpunkt auf der Scherspannungsachse bei abnehmender Schergeschwindigkeit ermittelt, wobei die üblichen rheologischen Methoden angewendet wurden.

Die Teilchengrößeanalyse wurde unter Verwendung eines Hiac-Teilchenanalysators durchgefürt und in einem Zyklonklassierer (cyclosizer) verifiziert.

Die Messungen des Zeta-Potentials wurden mit Hilfe eines Rank Brothers Particle Microelectrophoresis Apparatus Mark II durchgeführt. Die Proben wurden durch Abzentrifugieren einer 5 gew.-/6-igen Suspension von Ferrioxid in destilliertem Wasser bei neutralem pH-Wert Und Verwendung der überstehenden Flüssigkeit für die elektrophoretischen Messungen durchgeführt. Die Messungen wurden nach Zusatz von Natriumtripolyphosphat in zunehmenden Anteilen von 0,1 Gew.-% bis zu 0,5 % des gesamten Ferrioxids wiederholt.

Die Fotografien wurden mit Hilfe eines optischen Mikroskops von Olympus auf Standard-Schwarz-Weiß-Film (Polaroid) aufgenommen. Für die Anfertigung der Fotografien wurden Proben der Aufschlämmung vor und nach Zusatz der Additive mit etwa der zehnfachen Menge an destilliertem Wasser verdünnt, so daß die festen Teilchen besser gesehen werden konnten.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Rheogramme der getesteten Aufschlämmungen;

Fig. 3 ein Diagramm der Fließspannung gegen

Dispergiermittelzusätze für bestimmte Aufschlämmungen;

Fig. 4 ein Diagramm des Zeta-Potentials gegen

Dispergiermittelzusätze für eine bestimmte Aufschlämmung und

Fig. 5 bis 8 Rheogramme für Aufschlämmungen mit verschiedenen

Verunreinigungen.

Die Rheogramme von Ferrioxid-Kieselsäure-Aufschlämmungen mit einer Feststoffkonzentration von 74 Gew.-% sind in Fig. 1 dargestellt. Jede Kurve zeigt durchschnittlich mindestens vier nach oben und nach unten durchgeführte Meßreihen. Das rheologische Verhalten ist typisch für eine Nicht-Newton'sehe pseudopiastische Flüssigkeit mit einem wohldefinierten Fließpunkt, der bei höheren Schergeschwindigkeiten zu einem Newton'schen Verhalten tendiert. Zunehmende Mengen an Ferrioxid im Gemisch ergeben eine stärker pseudoplastische Aufschlämmung und eine höhere Fließspannung, d.h. eine stärkere Abweichung vom Newton'schen Fließverhalten.

Bei Zusatz von Natriumtripolyphosphat tritt ein starker Abfall der Fließspannung und eine Verminderung der Viskosität bei geringeren Schergeschwindigkeiten auf, obwohl die scheinbare Viskosität bei hohen Schergeschwindigkeiten unverändert ist. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 2 für 12 % Ferrioxid dargestellt. Proben mit niedrigeren Ferrioxid-Konzentrationen verhalten sich ähnlich.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Fließspannung mit dem Ferrioxid-

Gehalt, wenn zunehmende Mengen an Natriumtripolyphosphat zugesetzt werden.

Die Zeta-Potentiale der Ferrioxid-Teilchen in wäßriger Suspension nahmen zu, wenn die Menge des Natriumtripolyphosphats erhöht wurde; dies ist in Fig. 4 dargestellt. Dagegen änderten sich die Zeta-Potentiale von reinen Kieselsäureteilchen nicht wesentlich, wenn Natriumtripolyphosphyt zugesetzt wurde.

Die Figg. 5, 6, 7 und 8 zeigen den Einfluß von Titandioxid, Chromoxid, Zinkoxid und Stannioxid auf die Rheologie von Aufschlämmungen auf Kieselsäurebasis. Die Wirkung dieser Oxide mit zunehmenden Mengen an Natriumtripolyphosphat ist ebenfalls ersichtlich.

Der Zusatz von kleinen Mengen an Metalloxiden zu wäßrigen Kieselsäure-Auf schlämmungen hat einen ausgeprägten Effekt auf die Fließeigenschaften, wobei eine zunehmende Pseudoplastizität und Fließspannung beobachtet werden; ähnliche Effekte erhält man mit Metallcarbonaten und -sulfiden anstatt von Oxiden. Man erkennt aus den Figg. 1, 5, 6, 7 und 8, daß die Rheogramme bei sehr hohen Schergeschwindigkeiten in Geraden übergehen, wenn die Aufschlämmung annähernd Newton'sches Verhalten zeigt. Die scheinbare Viskosität bei hohen Schergeschwindigkeiten nimmt zu, wenn die Menge der Metalloxide im Gemisch abnimmt. Andererseits nimmt die Fließspannung des Gemisches ab, wenn die Menge des Eisenoxids abnimmt, und geht schließlich gegen Null für eine Kieselsäureaufschlämmung ohne Eisenoxid (Fig.3).

Die Zugabe von Natriumtripolyphosphat zu der Aufschlämmung führt zu einer drastischen Abnahme der Fließspannung und der scheinbaren Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten. Bei hohen Schergeschwindigkeiten nähert sich die Steigung des Rheogramms der des Rheogramms vor dem Zusatz des Additivs, und die Rheogramme verlaufen praktisch parallel (Fig. 2). Es braucht jedoch mehr Kraft, um die Aufschlämmung vor dem Zusatz des Additivs zu

bewegen, was sich aus der höheren Fließspannung ergibt. Dieser Effekt wird mit abnehmenden Ferrioxidgehalt der Aufschlämmung weniger ausgeprägt und verschwindet fast vollständig bei 2 % Ferrioxid (Fig.1). Die Bahandlung mit Natriumtripolyphosphat führt dazu, daß die Aufschlämmung zu Newton'schem Fließverhalten tendiert, wobei sich die Viskosität der einer reinen Kieselsäure-Auf schlämmung annähert, die dieselbe Menge Kieselsäure, jedoch kein Ferrioxid enthält, d.h. eine reine Kieselsäure-Aufschlämmung mit niedriger Konzentration, wenn hohe Schergeschwindigkeiten angewendet werden. Weiterhin zeigt die mit PoIyphosphat behandelte Aufschlämmung beim Stehen eine ausgeprägte Neigung zum Absitzen, wobei ein harter "Kuchen" von festen Teilchen am Boden des Behälters gebildet wird. Das für diese Versuche verwendete modifizierte Viskosimeter ist wichtig, um sinnvolle und reproduzierbare Ergebnisse mit sich absetzenden Aufschlämmungen zu erhalten.

Diese Erscheinung kann tatsächlich auch mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden, wobei Aufschlämmungen mit einer geeigneten Verdünnung verwendet werden, da sie sonst zu opak wären. Bei einer Vergrößerung von 400 χ erschien die ausgeflockte Aufschlämmung (kein Polyphosphate als dichte Klumpen von kleinen, roten Eisenoxidteilchen und größeren Kieselsäureteilchen. Diese Flocken schienen sich träge zu bewegen, wenn das Deckglas relativ zum Objekthalter bewegt wurde. Dagegen erschien die flockenfreie Aufschlämmung (nach Zusatz von PoIyphosphat) als kleine, getrennte Teilchen, wobei die kleineren Teilchen in stetiger, schneller Bewegung waren und keine Aggregation sichtbar war. Wenn das Deckglas in diesem Fall bewegt wurde, so bewegten sich die Teilchen sehr leicht übereinander, und die Aufschlämmung machte einen flüssigeren Eindruck.

Ähnliche Wirkungen wurden mit anderen Komponenten, nämlich den vorstehend genannten Sulfiden, Metalloxiden und Tonen, zusammen mit gewissen löslichen Salzen erzielt.

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Weiterhin wurde festgestellt, daß gewisse Bergwerksabfälle, z.B. solche mit hohen Anteilen an löslichen Calcium- und Magnesiumverbindungen, einer Vorbehandlung mit Natriumcarbonat oder anderen Natriumverbindungen bedürfen, bevor Dispergiermittel (Entflockungsmittel), wie die vorstehend erwähnten Natriumphosphate, wirksam werden. Bei dieser Vorbehandlung werden die Calcium- und Magnesiumionen als unlösliche Verbindungen ausgefällt, wodurch sie als "Phosphatfänger" (phosphate scavengers) unwirksam werden. Organische Polysulfonate, die gewöhnlich durch Calcium- und Magnesiumionen nicht beeinflußt werden, sind in denjenigen Fällen wirkwam, in denen die Phosphate im praktischen unwirksam sind.

Die vorstehend angegebenen Versuchswerte, wie sie in den Figg. bis 8 erläutert sind, beziehen sich auf synthetische Aufschlämmungen; auf diese Weise konnte der zu berücksichtigende Parameterbereich vereinfacht werden. Die synthetischen Aufschlämmungen sind ferner einfach auf Kieselsäurebasis mit Metalloxid-Verunreinigungen; das Natriumtripolyphosphat ist das einzige erläuterte Dispergiermittel. Es wurde jedoch gefunden, daß diese Versuche in guter Übereinstimmung mit ähnlichen Versuchen stehen, die mit Aufschlämmungen auf Kieselsäurebasis aus kommerziellen bergmännischen Verfahren durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind im wesentlichen die gleichen, wenn die Verunreinigungen Metalloxide, -carbonate und/oder -sulfide sind. Weiterhin kann das Natriumtripolyphosphat durch ein anderes Natriumphosphat oder ein Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymer in etwa den gleichen Mengen ersetzt werden, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Die angegebenen Versuchswerte stehen auch in guter Übereinstimmung mit Versuchen mit Kohle-Aufschlämmungen, bei denen die relevante Verunreinigung Kohleasche statt Metalloxid, -carbonat und/oder -sulfid ist und als Dispergiermittel ein Naphtalinsulfonat-Aminoplast-Polymer verwendet wird.

Erfindungsgemäß können also die Fließeigenschaften einer Aufschlämmung leicht beeinflußt werden, indem die Menge eines Dispergiermittels bestimmt wird, das erforderlich ist, um eine besondere Viskosität zu erzeugen, die auf der Menge und dem Typ der anorganischen Komponenten in der Aufschlämmung beruht. Es kann eine Reihe von Rheogrammen, in denen die Scherspannung gegen die Schergeschwindigkeit aufgetragen ist, vorgelegt werden. Diese Rheogramme zeigen eine Reihe von Kurven, aus denen die Wirkung hervorgeht, die wechselnde Mengen und Arten von anorganischen Verbindungen auf die Basiskomponente der Aufschlämmung, z.B. Kieselsäure, haben; ferner zeigen die Kurven den Einfluß wechselnder Konzentrationen an Flockungsmitteln auf die Aufschlämmung.

In der Praxis wird eine unbekannte Aufschlämmung chemisch analysiert, und es wird die Menge und der Typ des Entflokkungsmittels bestimmt, das notwendig ist, um eine pumpfähige Viskosität zu ergeben, die direkt von den vorbereiteten Rheogrammen abgelesen wird.

Es können zahlreiche Abwandlungen, Modifizierungen und/oder Zusätze vorgenommen werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (11)

1. Patentansprüche

   1 . Verfahren zu><iErleichtern des Fließens von feinteiligem Material, wobei die feinen Teilchen aus kieselsäurehaltigem Material und Kohle ausgewählt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Verunreinigunen in den feinen Teilchen, d.h. der Gehalt an Metalloxiden, -carbonaten und -sulfiden bei kieselsäurehaltigen Materialien, bzw. der Gehalt an Kohleasche bei Kohle, bestimmt wird, daß eine dicke Aufschlämmung oder Dispersion der feinen Teilchen in Wasser hergestellt wird und daß ein Dispergiermittel in einer Menge, die proportional dem bestimmten Gehalt an Verunreinigungen ist, der Aufschlämmung zugesetzt wird, um eine pumpfähige Aufschlämmung zu bilden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Dispergiermittel aus der Gruppe der anorganischen Natriumphosphate und der Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymeren ausgewählt ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-/6, bezogen auf die Feinstoffe, zugesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf die Feinstoffe, bei einem Gehalt an Verunreinigungen von bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die Feinstoffe, zugesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstoffe ein kieselsäurehaltiges Material darstellen, das wasserlösliche Salze des Calciums und/oder Magnesiums enthält, daß vor der Zugabe des Dispergiermittels ein Fällungsmittel für Calcium- und Magnesiumionen der Aufschlämmung zugesetzt wird, um diese Ionen als unlösliche Verbindungen auszufällen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fällungsmittel Natriumcarbonat darstellt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fällungsmittel in einem Überschuß über die zur Fällung dieser Ionen ausreichenden Menge verwendet wird und die Menge des Dispergiermittels in einer stöchiometrischen Beziehung zu diesem Überschuß um bis zu etwa 50 Gew.-?£ vermindert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstoffe ein kieselsäurehaltiges Material darstellen, daß der Aufschlämmung Natriumcarbonat zugesetzt wird und daß die Menge des der Aufschlämmung zugesetzten Dispergiermittels um bis zu etwa 50 Gew.-% der stöchiometrischen Menge eines Überschusses des Natriumcarbonats über den Wert, der zur Ausfällung von Calcium- und/oder Magnesiumionen erforderlich ist, vermindert wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstoffe Kohlefeinstoffe und das Dispergiermittel ein Naphthalinsulfonat-Aminoplast-Polymer darstellen.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine dicke Aufschlämmung mit einem Feinstoffgehalt von 55 bis 80 Gew.-% hergestellt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dicke Aufschlämmung mit einem Feinstoffgehalt von 65 bis 80 Gew.-%, insbesondere von 70 bis 75 Gew.-%, hergestellt wird.