Ressourceneffizienz in der ZiegelindustrieTeil III: Recycling-Kaolin aus der Quarzwäsche

1 Geologischer Rahmen und Standort

Seit über 135 Jahren werden im Familienunternehmen der Strobel Quarzsand GmbH kaolinitische Quarzsande gewonnen und zu hochwertigen Rohstoffen für die Glasindustrie und Bauchemie aufbereitet. Das Quarzwerk befindet sich nördlich von Amberg in der Oberpfalz/Bayern. Geologisch liegt die Lagerstätte im Ausstrich des so genannten Doggersandsteins, der dem Braunen Jura, speziell des Dogger-Beta zugeordnet wird. Die Entstehung der Quarzsande geht auf deltaähnliche Küstenablagerungen vor rund 170 Millionen Jahren zurück. Ausgehend von kristallinen Liefergebieten aus dem Bereich der Böhmischen Masse wurden die feinkörnigen Quarzsande zusammen mit kaolinitischen Feinanteilen in einer Mächtigkeit von knapp 100 Metern abgelagert. Die Vorräte des Vorkommens betragen rund 150 Millionen Tonnen. Aufgrund der überwiegend geringen Eisengehalte dominieren weißgraue Sedimentfarben. Untergeordnet treten gelbliche, bräunliche sowie rosarote bis intensiv rote Farben auf. Im Zuge der Quarzsandwäsche werden die Feinanteile < 40 µm abgeschlämmt und über moderne Membranfilterpressen bis auf Restfeuchten von rund 20 Masse-% entwässert. Dabei fallen als Recyclingprodukt erhebliche Mengen Kaolin-Filterkuchen mit langfristiger Liefersicherheit an. Der Filterkuchen weist eine plastische Konsistenz auf, wobei störende Grobbestandteile und Verunreinigungen sowie organische Stoffe fehlen.

2 Mineralogische Zusammensetzung

Der Filterkuchen zeigt eine gut abgestufte Korngrößenverteilung mit einem durchschnittlichen Feinstkornanteil von d < 2 µm = 39 Masse-%. Der Anteil d > 63 µm liegt im Schnitt bei 20 Masse-%. Hinsichtlich der auftretenden Mineralphasen ist der Filterkuchen durch einen deutlichen Schichtsilikatanteil mit ∑ TM = 50 Masse-% gekennzeichnet, wobei gut geordneter Kaolinit weit vor Illit/Glimmer dominiert. Innerkristallin quellfähige Tonminerale werden nicht nachgewiesen. In der Reihe der kristallinen Verwitterungsreste tritt Quarz als einzige Phase auf. Eisen liegt akzessorisch in Form von Hämatit vor. In Bezug auf die Elementverteilung dominiert Siliziumdioxid deutlich vor Aluminiumoxid und Eisenoxid. Der Filterkuchen ist ausgesprochen arm an alkalischen und erdalkalischen Flussmitteln. Kalium dominiert mit 0,38 Masse-% vor Magnesium mit 0,1 Masse-% und Calcium mit 0,07 Masse-%. Natrium liegt unter der Nachweisgrenze von 0,03 Masse-%. Der Anteil an organisch gebundenem Kohlenstoff ist ebenfalls sehr gering und beträgt TOC = 0,09 Masse-%.

3 Keramtechnologische ­Charakteristik

Der Filterkuchen ist durch eine weich- bis steifplastische Konsistenz gekennzeichnet und in konventionellen ziegeleitechnischen Aufbereitungsanlagen zu verarbeiten. Er weist leicht plastische Eigenschaften auf und ist problemlos zu trocknen. Im Brennprozess ist der Filterkuchen zunächst durch eine ausgesprochen geringe Abgabe von OH-Baugruppen aus Adsorptions- und Zwischenschichtwasser gekennzeichnet. Bis zu einem Bereich von rund 400 °C ist das Material damit sehr unempfindlich. Typisch für den Gehalt an Kaolinit sind der deutliche endogene Peak der Kristallwasserabgabe bei 533 °C sowie die exotherme Neubildungsreaktion bei 990 °C. Bereits bei rund 700 °C stellt sich ein maximaler Gewichtsverlust von 5,7 Masse-% ein, womit alle Entgasungen abgeschlossen sind. Wegen des geringen Anteils an Flussmitteln hat der Filterkuchen ein ausgesprochen breites Sinterintervall und beginnt erst spät zu sintern. Dies spiegelt sich in einer sehr hohen Feuerstandsfestigkeit und einer entsprechend geringen linearen Brennschwindung wider, die erst bei rund 1100 °C mit 0,2 % einsetzt. Die Wasseraufnahme des gebrannten Scherbens variiert je nach Spitzentemperatur zwischen 17,4 Masse-% bei 900 °C und 15,4 Masse-% bei 1150 °C. Aufgrund des geringen Anteils an Hämatit resultieren Brennfarben von Rosa bis Creme, wobei die Brennfarbe mit zunehmender Spitzentemperatur heller wird. Aufgrund der sehr geringen Scherbenwärmeleitfähigkeit von 0,24 W/mK liegt der bevorzugte Einsatz bei der Herstellung von hochwärmedämmenden Hintermauerziegeln. Praxiserfahrungen im Dachziegelbereich liegen seit dem Jahr 2003 durchgängig vor. Auch ein Einsatz bei der Herstellung von Vormauerziegeln und Klinkern ist ohne Weiteres möglich. Er kann als leicht plastischer Zusatzstoff mit Versatzanteilen von 10 bis 30 % zur Anhebung des Mittelkornanteils und der Feuerstandsfestigkeit sowie zur Senkung der Scherbenwärmeleitfähigkeit in Hintermauerziegelmassen eingesetzt werden und ist zur Farbaufhellung in rotbrennenden Massen geeignet.

4 Mengenverfügbarkeit und Schlussbemerkungen

Der Filterkuchen wird ganzjährig ohne Winterpause in zwei beheizten Pressenhäusern produziert. Die verfügbare Jahresmenge beträgt derzeit über 80 000 t. Die angegebenen Daten stellen nur orientierende Richtwerte dar und unterliegen natürlichen Schwankungen. Alle Informationen sind unverbindlich.

Ergänzende Informationen stehen zum Download hier bereit.