DE19537523A1 - Cordierite-type ceramic or glass-ceramic article production - Google Patents
Cordierite-type ceramic or glass-ceramic article productionInfo
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Abstract
Description
Glasige, keramische und glaskeramische Materialien mit definierter Porosität werden für die Filtration von Gasen, Flüssigkeiten, zum Speichern, Verteilen und Leiten von Flüssigkeiten, zur elektrischen und thermischen Isolation, als Substrate und als Trägermaterial für die Katalysa tortechnik und die Biotechnologie eingesetzt.Glassy, ceramic and glass-ceramic materials with defined porosity are used for Filtration of gases, liquids, for storing, distributing and directing liquids, for electrical and thermal insulation, as substrates and as a carrier material for the catalytic converter gate technology and biotechnology.
In der modernen umweltschonenden Biotechnologie werden in zunehmendem Maße offenpori ge Trägermaterialien benötigt, die als Immobilisat von Zellen, Bakterien und Enzymen einge setzt werden. (Janowski, F., Heyer, W.: Poröse Gläser, Leipzig, 1982, S. 193-198).In modern, environmentally friendly biotechnology, open pores are becoming increasingly common ge carrier materials needed as immobilized cells, bacteria and enzymes be set. (Janowski, F., Heyer, W .: Porous glasses, Leipzig, 1982, pp. 193-198).
Diese Trägermaterialien dienen zur Vergrößerung der Phasengrenzfläche zwischen flüssi gen/flüssigen oder gasförmigen/flüssigen Phasen und als Aufwuchsflächen für die ent sprechenden Mikroorganismen.These carrier materials serve to enlarge the phase interface between liquids gen / liquid or gaseous / liquid phases and as growth areas for the ent speaking microorganisms.
Beispielsweise ist bei der Abwasserreinigung das Vorhandensein bestimmter Mikroorganismen
oder von Biofilmen als Lebensgemeinschaft von Bakterien, Pilzen etc. von großer Bedeutung,
da viele schwer abzubauende oder kompliziert zu bildende Substanzen überwiegend in Biofil
men umgesetzt werden. (Flemming, H.-C. : Biofilme und Wassertechnologie, Teil 2,
GWF/Wasser-Abwasser 133 (1992), 3,5. 119-127)
Trägermaterialien müssen hinsichtlich der biochemischen Reaktionsmedien stabil sein, ein gro
ßes Verhältnis von Oberfläche zum Volumen und einen geringen Strömungswiderstand besit
zen sowie ausreichend mechanisch und thermisch stabil sowie möglichst bzgl. Oberflächen
eigenschaften regenerierbar sein. Trägermaterialien oder sogenannte Füllkörper werden aus
unterschiedlichen Werkstoffen wie Metall, Kunststoff, Glas, Porzellan oder Keramik hergestellt.
(R.Billet, Chem.-Ing.-Techn. 65 (2), 1993, S. 68-73)
Zur Herstellung von anorganischen porösen Werkstoffen aus Glas sind folgende Verfahren
bekannt:For example, the presence of certain microorganisms or biofilms as a community of bacteria, fungi, etc. is of great importance in wastewater treatment, since many substances that are difficult to break down or are difficult to form are predominantly converted into biofilms. (Flemming, H.-C.: Biofilms and Water Technology, Part 2, GWF / Wasser-Abwasser 133 (1992), 3.5. 119-127)
Carrier materials must be stable with regard to the biochemical reaction media, possess a large ratio of surface to volume and a low flow resistance, as well as be sufficiently mechanically and thermally stable and, as far as possible, regenerable with regard to surface properties. Carrier materials or so-called fillers are made from different materials such as metal, plastic, glass, porcelain or ceramic. (R.Billet, Chem.-Ing.-Techn. 65 (2), 1993, pp. 68-73)
The following processes are known for producing inorganic porous materials from glass:
Gemahlenes Glas bestimmter Korngröße wird in einer Form so hoch erhitzt, daß die Glaskörper erweichen und an den Berührungspunkten zusammenfließen. Solche Sinterglas körper werden als sogenannte "Fritten" beispielsweise zur Filterung verwendet. (K.Kühne: "Werkstoff Glas", Berlin, 1984, S. 246-247) Nachteil des Verfahrens ist die komplizierte Pro zeßtemperaturführung, da die Poren bei zu hoher Sintertemperatur zusammenfließen, bzw. bei zu niedriger Sintertemperatur eine zu geringe Verdichtung erzielt wird, die zu einer geringen mechanischen Festigkeit des Sinterglases führt.Ground glass of a certain grain size is heated in a mold so high that the Soften the vitreous and flow together at the points of contact. Such sintered glass Bodies are used as so-called "frits", for example for filtering. (K. Kuehne: "Material glass", Berlin, 1984, pp. 246-247) Disadvantage of the method is the complicated pro temperature control, because the pores flow together if the sintering temperature is too high, or If the sintering temperature is too low, the compression is too low, which leads to a low mechanical strength of the sintered glass leads.
Beim sogenannten "Vycorprozeß" werden zur Herstellung eines offenporigen Glas formkörpers Alkaliborosilikatgläser (beispielsweise Natriumborosilikat) durch eine Wärmebe handlung in eine säurelösliche Alkaliboratphase und eine säurestabile SiO₂-Phase entmischt und anschließend die säurelösliche Phase herausgelöst. Zurück bleibt ein poröses SiO₂-Ske lett. Dieser Prozeß ist kompliziert und schwer steuerbar. Die Porengröße ist stark von der Ent mischung abhängig und nur in engen Grenzen variierbar. (US Patente, H.P.Hood, M,E.Nord berg: 2106744 von 1934, 2215039 von 1940, 2315328 von 1943).The so-called "Vycor process" are used to manufacture an open-pore glass molded body of alkali borosilicate glasses (for example sodium borosilicate) by a heat separated into an acid-soluble alkali borate phase and an acid-stable SiO₂ phase and then the acid-soluble phase is extracted. What remains is a porous SiO₂-Ske This process is complicated and difficult to control. The pore size is strongly dependent on the ent depending on the mixture and can only be varied within narrow limits. (U.S. Patents, H.P. Hood, M, E. Nord Berg: 2106744 from 1934, 2215039 from 1940, 2315328 from 1943).
Einem zu versinternden Glaspulvergemisch kann ein Treibgasbildner zugesetzt wer den, der eine Porenentwicklung während des Sinterprozesses realisiert. Auf diesem Wege wer den Schaumgläser herstellt, deren Porosität schwer steuerbar ist. Es können Verunreinigungen durch den Treibgasbildner (z. B. Ruß) im Schaumglas zurückbleiben. Außerdem ist die meist über eine Verbrennung organischer Bestandteile hervorgerufene Gasbildung ein umweltschäd licher Prozeß. (M.Schäfer, Silikattechnik 6 (1979), 309-311).A propellant gas generator can be added to a glass powder mixture to be sintered the one who realizes a pore development during the sintering process. In this way who the foam glasses, whose porosity is difficult to control. There can be impurities remain in the foam glass due to the propellant (e.g. soot). Besides, that is mostly Gas formation caused by the combustion of organic components is environmentally harmful process. (M. Schaefer, Silikattechnik 6 (1979), 309-311).
Nach Patent DE 33 05 854 wird die Herstellung eines offenporigen Werkstoffes aus Glas dadurch realisiert, daß ein gemahlenes Glaspulver mit einem hochschmelzenden Salz vermischt und anschließend gesintert wird. Nach Abkühlung wird das lösliche Salz mittels Was ser, Säuren oder Laugen extrahiert und ein Porenhohlraum bleibt zurück. Als Abprodukt des komplizierten Verfahrens entstehen salzhaltige Abwässer, die einer Wiederaufbereitung zu geführt werden müssen.According to patent DE 33 05 854, the manufacture of an open-pore material Glass is realized in that a ground glass powder with a high-melting salt is mixed and then sintered. After cooling, the soluble salt is removed using What Water, acids or alkalis extracted and a pore cavity remains. As a byproduct of Complicated procedures result in saline wastewater that can be reprocessed must be performed.
Gemäß der hier vorliegenden Erfindung wird ein keramischer oder glaskeramischer Formkör per mit definierter Porosität bis 45% über die Sinterung kristallisierender Glaspulver cordieriti scher oder cordieritähnlicher Zusammensetzung hergestellt, der durch ein mittels induzierter Sinterblockade gezielt einstellbares Dichtsintervermögen gekennzeichnet ist. Insbesondere ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Pulverherstellungsverfahren auf der Oberfläche der einzelnen Glaspulverteilchen Kristallisationskeime variierbarer Verteilungs dichte gebildet werden. Auf diese Weise wird mittels der Abhängigkeit der Kinetik der Kristalli sation von der erzeugten Keimdichte (Keimanzahl pro Flächeneinheit), wobei entsprechend der gewählten Ausgangsgläser Cordierit als Hauptphase gebildet wird, und von den Zeit-Temperatur-Parametern des Sinterprozesses der Sintervorgang der Cordieritglasteilchen bei unterschiedlichen Dichtsinterungs- bzw. Porositätsgraden in vorbestimmbarem Maße blockiert. Nach dem Eintreten der Sinterblockade und des dadurch festgelegten Dichtsinterungs- bzw. Porositätszustandes kann durch Weiterführung der Temperaturbehandlung unter Beibehaltung der Formstabilität des Sinterkörpers ein nahezu vollständig kristallines Erzeugnis, mit Cordierit als Hauptphase hergestellt werden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten kera mischen oder glaskeramischen Formkörper mit definierter Porosität können aufgrund ihrer vor teilhaften Oberflächeneigenschaften, thermischen und mechanischen Eigenschaften als Trä germaterial bzw. Füllkörper eingesetzt werden, wobei ihre Verwendung nicht darauf be schränkt ist.According to the present invention, a ceramic or glass ceramic molded body per with defined porosity up to 45% of cordieriti crystallizing glass powder sintering Shear or cordierite-like composition produced by an induced by Sinter blockade is characterized by selectively adjustable sealing sintering capacity. In particular is the invention characterized in that by suitable powder manufacturing processes the surface of the individual glass powder particles crystallization nuclei of variable distribution density are formed. In this way the crystalli sation of the generated germ density (number of germs per unit area), according to the selected starting glasses cordierite is formed as the main phase, and from the time-temperature parameters the sintering process of the cordierite glass particles different degrees of density sintering or porosity blocked to a predeterminable extent. After the sinter blockage has occurred and the sealing sintering or Porosity can be maintained by continuing the heat treatment the dimensional stability of the sintered body is an almost completely crystalline product, with cordierite as the main phase. The kera made according to the present invention Mix or glass ceramic molded body with defined porosity can be due to their partial surface properties, thermal and mechanical properties as Trä germ material or filler are used, their use is not be is limited.
Die erfindungsgemäßen Pulverherstellungsverfahrenverfahren zur definierten Einstellung der Keimdichte auf der Oberfläche der Glaspartikel beinhalten technologisch implizierte Zerkleine rungsvorgänge wie Brechen und Mahlen und werden in den Ausführungsbeispielen detailliert dargestellt. Die erfindungsgemäß erzeugten Glaspulverteilchen werden in an sich bekannter Weise durch Feucht- oder Trockenpreßtechniken oder auch drucklos durch Einschütten in Brennformen einer Formgebung unterzogen und anschließend gesintert bzw. "gebrannt", wie aus den Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist. Die erhaltenen Formkörper können, wie in einigen Beispielen ausgeführt ist, als Trägermaterial zur Immobilisation für Mikroorganismen in der Biotechnologie eingesetzt werden, wobei ihre Verwendung nicht darauf beschränkt ist.The powder manufacturing process according to the invention for the defined adjustment of the Germ density on the surface of the glass particles contain technologically implied shreds tion processes such as breaking and grinding and are detailed in the exemplary embodiments shown. The glass powder particles produced according to the invention are known per se Way through wet or dry pressing techniques or even without pressure by pouring in Firing molds subjected to a shaping and then sintered or "fired", such as can be seen from the exemplary embodiments. The moldings obtained can, as in some examples is carried out as a carrier material for immobilization for microorganisms in biotechnology, but their use is not limited to this.
50 g einer Glasfritte mit der stöchiometrischen Zusammensetzung des Cordierits (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) werden in einer Scheibenschwingmühle mit Wolframcarbidauskleidung 40 Se kunden gemahlen. Die abgesiebte Fraktion 63 bis 125 µm besitzt aufgrund des Mahlvorgan ges im entsprechenden Aggregat mit entsprechendem Mahlgarnitur-Werkstoff Wolframcarbid eine Keimdichte von 3×10-3 je µm², die lichtmikroskopisch nach einer Entwicklung der Keime durch Temperung bestimmt wurde. Das Pulver der o.g. Fraktion wird in einen Keramiktiegel geschüttet und in einem Muffelofen mit einer Geschwindigkeit von 40 K/min auf 950°C aufge heizt, und 30 min bei dieser Temperatur gesintert. Der erhaltene Sinterkörper besitzt dann eine offene Porosität von 15,8%.50 g of a glass frit with the stoichiometric composition of cordierite (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) are ground in a vibrating disc mill with tungsten carbide lining for 40 seconds. The screened fraction 63 to 125 microns has a germ density of 3 × 10 -3 per µm², which was determined by light microscopy after development of the germs by tempering due to the grinding process in the corresponding aggregate with the corresponding grinding set material tungsten carbide. The powder of the abovementioned fraction is poured into a ceramic crucible and heated to 950 ° C. in a muffle furnace at a rate of 40 K / min, and sintered at this temperature for 30 min. The sintered body obtained then has an open porosity of 15.8%.
Eine Glasfritte mit der stöchiometrischen Zusammensetzung des Cordierits (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) wird in einem Backenbrecher mit Edelstahlbacken zerkleinert. Die abgesiebte Fraktion 63 bis 125 µm besitzt aufgrund des Brechvorganges eine Keimdichte von 2×10-2 je µm², die lichtmikroskopisch nach einer Entwicklung der Keime durch Temperung bestimmt wurde. Die Probe wird analog zu Beispiel 2 gesintert und besitzt anschließend eine offene Porosität von 25,3%.A glass frit with the stoichiometric composition of cordierite (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) is crushed in a jaw crusher with stainless steel jaws. The screened fraction 63 to 125 µm has a germ density of 2 × 10 -2 per µm² due to the breaking process, which was determined by light microscopy after development of the germs by tempering. The sample is sintered analogously to Example 2 and then has an open porosity of 25.3%.
50 g einer Glasfritte mit der stöchiometrischen Zusammensetzung des Cordierits (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) werden in einer Scheibenschwingmühle mit Wolframcarbidauskleidung 40 s gemahlen. Das Mahlgut < 200 µm mit einem mittleren Korndurchmesser von 40 µm und einer Keimdichte von 3 × 10-3 je µm², die lichtmikroskopisch nach einer Entwicklung der Keime durch Temperung bestimmt wurde, wie in Beispiel 1 gesintert. Der Sinterkörper besitzt eine offene Porosität von 14,4%, eine Oberfläche von 755 cm²/g und einen mittleren Porenradius von 22,5 µm. Die Probekörper werden als Trägermaterial für Mikroorganismen-Mischpopulationen in einem getauchten Festbettreaktor, in dem p-Nitrophenol-haltiges Leitungswasser mikrobiell gereinigt wird, eingesetzt. Die Cordierit-Glaskeramik- Probekörper zeigen deutlich stärkeren Biofilmbewuchs als herkömmliche Trägerkörper aus Kunststoff, Hartporzellan oder Glas. Die Abbaurate steigert sich gegenüber den herkömmlichen Trägermaterialien um ca. 150%.50 g of a glass frit with the stoichiometric composition of cordierite (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) are ground in a vibrating disc mill with tungsten carbide lining for 40 s. The ground material <200 μm with an average grain diameter of 40 μm and a germ density of 3 × 10 -3 per μm², which was determined by light microscopy after development of the germs by tempering, as sintered in Example 1. The sintered body has an open porosity of 14.4%, a surface area of 755 cm² / g and an average pore radius of 22.5 µm. The test specimens are used as carrier material for mixed microorganisms in a submerged fixed bed reactor in which tap water containing p-nitrophenol is microbially cleaned. The cordierite glass ceramic test specimens show significantly stronger biofilm growth than conventional carrier bodies made of plastic, hard porcelain or glass. The degradation rate increases by approx. 150% compared to conventional carrier materials.
30 g einer Glasfritte mit der stöchiometrischen Zusammensetzung des Cordierits (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) werden in einer Scheibenschwingmühle mit Wolframcarbidauskleidung 30 s gemahlen. Das Mahlgut mit einem mittleren Korndurchmesser von 65 µm und einer Keimdich te von 1,2 × 10-3 je µm², die lichtmikroskopisch nach einer Entwicklung der Keime durch Tem perung bestimmt wurde, wird unfraktioniert wie in Beispiel 1 gesintert. Der Sinterkörper besitzt eine offene Porosität von 20,2%, eine Oberfläche von 883 cm²/g und einen mittleren Porenra dius von 41,6 µm. Die Probekörper werden als Trägermaterial für Mikroorganismen-Mischpo pulationen in einem getauchten Festbettreaktor, in dem p-Nitrophenol enthaltendes Leitungs wasser mikrobiell gereinigt wird, eingesetzt. Die Cordierit-Glaskeramik-Probekörper zeigen deutlich stärkeren Biofilmbewuchs als herkömmliche Trägerkörper aus Kunststoff, Hartporzel lan oder Glas. Die Abbaurate steigert sich gegenüber den herkömmlichen Trägermaterialien um ca. 200%.30 g of a glass frit with the stoichiometric composition of cordierite (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) are ground in a vibrating disc mill with a tungsten carbide lining for 30 s. The regrind with an average grain diameter of 65 microns and a Keimdich te of 1.2 × 10 -3 per µm², which was determined by light microscopy after development of the germs by tempering, is sintered unfractionally as in Example 1. The sintered body has an open porosity of 20.2%, a surface area of 883 cm² / g and an average pore radius of 41.6 µm. The test specimens are used as a carrier material for microorganism-mixing populations in a submerged fixed bed reactor in which tap water containing p-nitrophenol is cleaned microbially. The cordierite glass ceramic test specimens show significantly stronger biofilm growth than conventional carrier bodies made of plastic, hard porcelain or glass. The degradation rate increases by around 200% compared to conventional substrates.
Eine Glasfritte mit der stöchiometrischen Zusammensetzung des Cordierits (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) wird in einem Backenbrecher mit Wolframcarbidbacken zerkleinert. Die abgesiebte Fraktion 250 bis 500 µm wird mit 6 Ma% einer 5%igen Polyvinylalkohol-Lösung vermischt und anschließend mit einem Druck von 130 MPa in eine Hohlzylinderform gepreßt. Der Grünkörper wird 8 Stunden bei 80°C getrocknet und anschließend in einem Muffelofen mit 10 K/min auf 950°C aufgeheizt und 30 min bei 950°C gehalten und anschließend dem heißen Ofen entnom men. Der erhaltene Formkörper besitzt eine offene Porosität von 15,98% einen mittleren Po renradius von 32,6 µm.A glass frit with the stoichiometric composition of cordierite (2MgO · 2Al₂O₃ · 5SiO₂) is crushed in a jaw crusher with tungsten carbide jaws. The screened Fraction 250 to 500 microns is mixed with 6% by mass of a 5% polyvinyl alcohol solution and then pressed into a hollow cylindrical shape at a pressure of 130 MPa. The green body is dried for 8 hours at 80 ° C and then in a muffle furnace at 10 K / min 950 ° C heated and held at 950 ° C for 30 min and then removed from the hot oven men. The molded body obtained has an open porosity of 15.98% and a medium bottom radius of 32.6 µm.
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1995
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