Reorganisation von anorganischen kolloidalen Agglomeraten und Gelen

Für viele Anwendungen in der Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelttechnik werden Feststoffe aus Lösungen durch Fällung erzeugt. Die physikalischen Eigenschaften der erzeugten Feststoffe (Primärpartikelgröße, Aggregatgröße, Partikelform, Porosität, innere Oberfläche, Festigkeit, Kristallstruktur,...) sind für die anwendungstechnischen Eigenschaften (Fließfähigkeit, Redispergierbarkeit, Farbstärke, Bioverfügbarkeit, katalytische Aktivität, ...) bedeutsam. Sie hängen in komplexer Weise von den Verfahrensparametern während der Fällung ab.

Kieselsäure wird großindustriell u. A. durch ein Semi-Batch-Verfahren erzeugt:

In eine Wasservorlage werden bei 80°C über 90min Schwefelsäure und Wasserglas (Natriumsilikat) eingeleitet. Die Säure verursacht eine Polykondensationsreaktion und es entstehen größere Einheiten, die bald nicht mehr löslich sind.

Si-(OH)₄+ H⁺ → (OH)₃Si-OH₂⁺

(OH)₃Si-OH₂⁺+ Si-(OH)₄ → (OH)₃Si-O-Si(OH)₃ + H₂O+ H⁺

Die so gebildeten Partikel agglomerieren, bis das Agglomerat so groß wird, dass es praktisch den ganzen Behälter einnimmt und damit die Flüssigkeit einschließt: partikuläres Gel.

Durch den mechanischen Energieeintrag des Rührers wird das Gel jedoch fragmentiert. Die Flocken verdichten sich im weiteren Prozessverlauf zu porösen Partikeln (Abb. 1, 2).

Eine solche Verdichtung kann man bei einigen partikulären Gelen auch im nicht gerührten System beobachten: Die Gelmatrix schrumpft unter Freisetzung von Lösungsmittel (Abb. 3). Dieser Vorgang wird Synärese genannt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Bildung von Sekundärpartikeln aus Gelen, die einer Scherung ausgesetzt sind, insoweit grundlegend zu verstehen, dass dieser Vorgang hinsichtlich der Endpartikelgröße und –porosität gesteuert werden kann.

Dazu wurde zunächst die stark von Zusammensetzung abhängige Gelierzeit (Abb. 4) und die mit dem Gelalter zunehmende Festigkeit des in Ruhe gelierten SiO₂-Gels gemessen.

In batch-Versuchen wurde der Einfluss einzelner Parameter auf die Fragmentierung des Gels durch den Rührer gemessen.

Im weiteren Verlauf des Vorhabens sollen die Synärese der Fragmente und die sie beeinflussenden Faktoren untersucht und modelliert werden.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1273 „Kolloidverfahrenstechnik“ von der DFG gefördert.

Abb. 1: Veränderung der Agglomeratgrößenverteilung nach dem Gelpunkt (33min)

Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Produktpartikels

Abb. 4: Gelierzeit abhängig von der Zusammensetzung der Ausgangstoffe