Ausarbeitung der Vorlesung und Fragenkatalog - Bplaced.net

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabGRUNDLAGE1) PSE eine Hauptgruppe eine Nebengruppe (nach Hollman)2) Stoffdaten meistens 2 Schmelzpunkte oder 2 Siedepunkte und 2 Dichten1

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab1. ROHSTOFFE1.) Nennen Sie die 4 häufigsten Elemente der Erdkruste und ihre Gewinnung (für jedes Element wichtigsterRohstoff, Verfahrensprinzip der Herstellung des Elements, Herstellungsverfahren in Schlagworten)a) Sauerstoff (46%)m.p.: -219; b.p.: -183 Dichte: 1,42Rohstoff: Luft. Gewinnung durch Verflüssigen und Rektifikation.Linde Verfahren: Wirtschaftlich durch Claude: Luft auf 200 bar komprimiert erhitzt sich um 45 °C,mit Kühler wieder gekühlt, Staub, Kohlenwasserstoffen, Lachgas und gefiltert, entwässert, inGegenstrom mit nicht verflüssigter Luft geführt, (eventuell Abkühlung unterhalb derInversionstemperatur) und entspannt nicht verflüssigte Luft wird zum Vorkühlen verwendetRektifikation: Mittel (5-6 bar)- und Niederdruckkolonne (0,5 bar) rektifiziert N 2 (Kopf)O 2 + Edelgase (Boden), welche separat abgetrennt werden.Alternativ Gewinnung über Elektrolyse gleich reiner Sauerstoff teuerDruckwechsel-Absorption (PSA)b) Silizium (28%)m.p.: 1410; b.p.: 2355; Dichte 2,33Rohstoff: SiO 2 (Quarz, Sand) durch Reduktion mit C im Lichtbogenofen (2300 °C)SiO 2 + 2 C → Si + 2 COEin Überschuss von C ist zu vermeiden, da ansonsten SiC entsteht. Entstandenes SiC reagiert nach2 SiC + SiO 2 → 3 Si + 2 COReinigung: Einkristalle nach Czochralski und Zonenschmelzenc) Aluminium (8,2%)m.p.: 660 b.p.: 2450 Dichte 2,70Rohstoff: Bauxit (AlO(OH), Al(OH) 3 )Bayer-Verfahren: Bauxit mit wässriger NaOH (250-300 g/l) 240-280 °C, 40-80 bar, 3 h Autoklav, 10 minStrömungsrohr aufgeschlossen, Aluminium als Aluminat in LösungAlO(OH) + NaOH + H 2 O → Na[Al(OH) 4 ]Abtrennung des Rotschlamms (Natronlauge wird rückgeführt → Kreislaufprozess),Kristallisation durch Impfung mit Al(OH) 3 -KeimNaAl(OH) 4 → Al(OH) 3 + NaOHEntwässerung in der Wirbelschicht / Drehrohrofen zu Al 2 O 3 (1100 °C)2 Na[Al(OH) 4 ] → 2 Al(OH) 3 + 2 NaOH -> Al 2 O 3 + 3 H 2 O↑ + 2 NaOHHall-Heroult-Verfahren: 2-8% Al 2 O 3 in Kryolith-Schmelze (Na 3 [AlF 6 ]) ∂=2,1, bei 940-980 °C, 4-5 V mitKohlenstoff-elektroden Kathode -> Al (∂= 2,3) abgesaugt, C-Anode (verbraucht sich)Zusätze: AlF 3 , CaF 2 senken eutektische Temperatur, LiF erhöht Leitfähigkeit + EnergieausbeuteEisen (5,6%)m.p.: 1535 b.p.: 2730 Dichte 7,86Rohstoff: Erze wie Hämatit (Fe 2 O 3 ), Magnetit (Fe 3 O 4 ), Siderit (FeCO 3 ),... Abbau: Tage/Untertagebau,zerkleinert (Walzen, Backenbrecher), Klassiert (Sieb), Sortiert (Magnetscheidung), vorgesinterte grobeBrocken in Hochofenprozess eingebracht mit Koks (C + O 2 CO 2 | CO 2 + C 2 CO) zu Roheisenreduziert. Verschiedene Zonen (v.u.n.o.) Roheisen, Schlacke, Schmelzzone, Kohlungszone, Reduktion,Vorwärmzone) alle paar Stunden Roheisen und Schlacke entnommen.2

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabbeim Sintern CaO zugesetzt. Roheisengehalt ca. 95%.2.) Beispiele für feste, flüssige und gasförmige Rohstoffe. GrundsätzlicheUnterschiede im Vorkommen, Konsequenzen für die Gewinnung.Feste Rohstoffe: Erze, Salz, Gesteine, Mineralien, gediegene ElementeGewinnung / Nutzbarkeit abhängig von Zugänglichkeit, Marktpreis, Mächtigkeit, Reinheit,Konzentration,...Kommen nur an bestimmen Stellen vorAbbau (Tag/Untertagabbau), Zerkleinern, Klassieren, Sortieren, AufbereitungFlüssige Rohstoffe: Wasser (und gelöste Salze), ErdölWasser: sehr häufig, aber bereits limitierter als gasförmige Rohstoffe. Gewinnung ortsabhängig,außerdem abhängig von weiteren Parametern wie z.B. Süß/Salzwasser, Qualität: Trinkwasser,Betriebswassergelöste Stoffe noch mehr ortsabhängig, ebenfalls abhängig von Konzentration etc.Erdöl: stark ortsabhängig oft schwer zugänglich TransportGasförmige Rohstoffe: Luft (O 2 , N 2 , Edelgase) und ErdgasLuft sehr häufig, kann fast überall und ohne großen Aufwand gewonnen werden.z.B. LuftverflüssigungErdgas: stark ortsabhängig, meist gemeinsam mit Erdöl, schwankende Konzentrationen(H 2 S Schwefelgewinnung), gefördert Bohrungen3.) Kriterien für die Abbauwürdigkeit der Lagerstätten für feste Rohstoffe- Marktpreis- ZugänglichkeitTransportwege (Infrastruktur) Abbau (Tagebau Untertagebau)- Mächtigkeit (Größe des Vorkommens)- Reinheit Konzentration (für Erze besonders abhängig vom Marktpreis)Bei Erzen Grenze der Abbauwürdigkeit mit Marktpreis des Metalls korreliert. Als Faustregel:Preis (Eur.) * Grenzkonzentration (%) = const. An -/ Abwesenheit störender Bestandteile4.) Grundschritte der Erzaufbereitung (Verfahrensschritte von Abbau bis zum Erzkonzentrat); Beschreibungder Schritte in Stichworten, Aufzählung der Verfahrena) ErzabbauAbhängig von Lagerstätte (Tagbau /Untertagbau) & Art des Erzes (verschiedene Methoden)z.B.: Eisenb) ZerkleinerungFreilegen der Erzmineralpartikel (Mahlen des Gesteins auf Teilchengröße < Erzmineralsgröße) Grobzerkleinerung (bis 20 mm)- spröde Erze: Backen-, Kegel-, Walzenbrecher, (Magnetit, Hämatit, Ilmenit, ZnS)3

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab- weiche Erze: Schlagmühle Feinzerkleinerung (bis 0,1 mm)(Hämatit, Ilmenit, ZnS)- Kugel- oder Schwingmühlenmöglichst einheitliches Korn erwünscht (deshalb oft Austrag des Feingutes im Betrieb mitSiebkugelnmühlen, Auskleidung der Backen: Mn-Hartstahlc) KlassierenTrennen nach Teilchengröße da für das Sortieren allgemein gleiche Korngrößen nötig sindGrobes Korn (bis 0,5 mm) : Sieben, fest oder Rüttelsieb (Vibration),Schwingsieb (Gut aufgetragen, durch Exzenter hin und her bewegt -> Siebung + Transport desnicht gesiebten Gutes entlang des Siebes -> Grobgut am Ende aufgefangen und separatgesammelt)z.B.: Magnetit, Hämatit, Ilmenit, ZnSDarunter:Schlämmen, Zyklon (nass/trocken) (Gut mit Gasstrom spiralförmig eingebracht, Feingut im Strom –durch Tauchrohr ausgetragen, Grobgut wegen Fliehkraft unten ausgetragen) Windsichter (Gut auf Streuteller, Luftstrom v.u.n.o. normal zur Streurichtung, schwerePartikel in Trichter, leichtere über Wand unten ausgetragen)z.B.: ZnSd) SortierenTrennung des tauben Gestein und Erz Einzelsortierung- von Hand (Edelsteine),- automatisch (Reflexion, elektrische Leitfähigkeit, radioaktiv) Schwerkraftaufbereitung (pulsierende Wasserbewegung entmischt Schüttung)wichtig einheitliche Teilchengrößenz.B.: Goldwaschen Schwereflüssigkeitsaufbereitung (Sink-Schwimm Prozess) abhängig von der Dichte derSchwereflüssigkeit (liegt zwischen den zu trennenden Komponenten), gute Trennschärfe aberabhängig von Freilegungsgrad des Erzes.Labor: bromierte KWs | Salzlösungen; Praxis: Suspensionen z.B. Magnetit, Fero-Si, BleiglanzGrenze ist die Viskosität der Trübe.Geräte: Humbold (Kasten-), Wemco (Trommelscheider), Stamicarbon-Wedag (Waschzyklon)Beispiel: NaCl, Quarz, Magnetit, Ferrosilicium, Bleiglanz, Magnetscheidung im Magnetfeld, Trennung: ferro- (Magnetit), para- (Ilmenit – FeTiO 3 , Hämatit),diamagnetisches (Kalk, Quarz) Materialo Nass – ferromagnetischo Trocken – schwach magnetisch, viel feines Korn + starke Magnetfelder nötigMagnetscheidertypen:Bandscheider – immer trockenTrommelscheider – nass und trockenWalzenscheider4

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab elektrostatische Aufbereitung (Trennung aufgrund unterschiedlicher Oberflächenfähigkeiten) FlotationPrinzip: Trennung durch unterschiedliche BenetzbarkeitGraphit, MoS 2 sind natürlich hydrophob,- Sammler -> Erhöhung der Hydrophobität für andere Mineralienanionenaktiv (Xanthogenate)kationenaktiv (org. primäre Amine, umgekehrte Flotation -> Gangart schwimmt auf)- Regler (pH-Abhängigkeit): über pH-Variation selektive Flotation möglich (Mineralsammlermuss unlöslicher sein als Mineral -> bei hohem pH -> Hydroxide unlöslich = keine Flotation;Stufenweise Senkung des pH Minerale nach einander flotierbar).z.B.: H 2 SO 4 , NaOH- Schäumer (Terpene, Kresol) Bildung von luftgefülltem Schaum zum Austragen des Erzes,müssen oberflächenaktiv sein, dürfen aber nicht mit Sammler wechselwirken -> ohneSchäumer würden Blasen platzten und Teilchen wieder sinken.- Drücker (Cyanide, Na 2 Cr 2 O 7 ) wirken hyrophilierend, Benetzbarkeit unerwünschterBestandteile veränderbar.Beispiel: Pb/Zn-Erze: Pb flotiert bei pH 9,5; Zn-Erz mit Cyaniden und ZnSO 4 gedrückt, danndurch Aktivierung des Zn mit CuSO 4 bei pH 10,5 flotiert.Problem: Abwasser viele verschiedene Substanzen im Abwasser und teilweise giftig.e) chemische WeiterverarbeitungTeils kein Prozess der Erzaufbereitung, sondern der Metallherstellung Laugungwässrig (Salze), sauer (silikatische Gangart oft gekoppelt mit nachfolgender Elektrolyse) alkalisch,cyanidisch, ammonalkalisch,z.B. Cyanidlaugung alter Abraumhalden von Cu-Minen Drucklaugungim Autoklaven, Bayer-Verfahren, oft nach Vorbehandlung. z.B. Bauxit mit NaOH RöstenOxidierendreduzierendSinterröstensulfphatisierendchlorierend(Sulfid → Oxid),(mit KW-haltigen Gasen)(mit alkalischen Zuschlägen)(Sulfid → Sulfat)(Zusatz von NaCl)z.B. CuS + 1,5 O 2 → CuO + SO 2 ; 2 CuO+ CuS → 3 Cu + SO 2TiO 2 + Cl 2 +C → TiCl 4 + CO; TiCl 4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl 2 ErzchlorierungChloride sind oft besser destillier- und sublimierbar (Trennung durch fraktionierte Destillationmöglich) bzw. laugbarSollte das Gleichgewicht ungünstig liegen, O 2 durch Reduktionsmittel (H 2 , C, S) rausfangenz.B.: TiO 2 + Cl 2 + C -> TiCl 4 + CO -> TiCl 4 Krollprozess5

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab IonentauschMit Chelat-Komplexbildner, z.B. für Edelmetalle, Cu Flüssig-flüssig Extraktionzur Anreicherung, zur Abtrennung störender Elemente (Beispiel: Na 2 WO 4 -> (NH 4 ) 2 WO 4 )5.) Verfahrensschritte der Erzaufarbeitung vor dem Sortieren, Bezeichnung, Erklärung und Unterteilungder Schritte (mit Beispiel)siehe 46.) Unterschiede Sortieren / Klassieren (Erklärung, Aufzählung der Verfahren mit kurzer Beschreibung derVerfahrensprinzipien)siehe 47.) Stufen der Erzaufbereitung für a) magnetische Erze, b) ZnS – haltige Erze.Beginnend bei Erzabbau, Begründung der Sortierverfahren.a) Magnetische Erzez.B. Magnetit, Hämatit, Ilmenit (FeTiO3)- Abbau Tage oder Unterageabbau- Grobzerkleinerung mit Backen-, Kegel-, Walzenbrecher- Feinzerkleinerung mit Kugel- oder Schwingmühle- Klassieren mittels Schwing- oder Rüttelsieb- Sortieren durch Magnetscheidung- nass für Magnetit (da ferromagnetisch),- trocken für Hämatit & Ilmenit (beide paramagnetisch), feinere Körnung nötig- Erzaufarbeitungb) ZnS- haltiges Erz- Bis Klassieren wie bei magnetischen Erzen + feinklassieren im Windsichter oder Zyklon- Sortieren durch Flotation, z.B.: mit Ethylxanthogenat, pH 11,58.) Trennung Erz-Gangart mit Schwereflüssigkeitsaufbereitung, Magnetscheidung, Flotation; physikalischeGrundlagen und Beschreibung der Methode (je 1Trennbeispiel)siehe 49.) Gruppen von Chemikalien, die bei Flotation zum Einsatz kommen und ihreWirkungsweisesiehe 410.) Chemische Aufbereitung (Weiterverarbeitung) von Erzen: kurze Beschreibung der unterschiedlichenMethoden, 1 Bsp.siehe 46

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab11.) Gewinnung von NaCl: Beschreibe die Abbau-/Gewinnungsmethoden (bis zum technischen Vorprodukt)Vorkommen (Steinsalz in Sedimentgestein, Meerwasser)a) BergbauDurch Sprengen, Schrämmen, falls NaCl-Gehalt < 98%, anschließend Schwereflüssigkeitsaufbereitungmit Fe 3 O 4 in gesättigter Soleb) LaugungHaselgebirge: günstig falls gestörte - reichhaltige Lager (z.B. Faltung der Alpen)Bohrlochsonden-Methode: 2 konzentrischen Rohren (Außen, Innen), Außen; heißes Wasser unter Druckeingepresst, Innen Sole(26,5%) ausgepumpt.Abtrennung der Schwebstoffe, Reinigung der Sole (Entfernung von Mg mit mittels Ca(OH) 2 als Mg(OH) 2 ,Ca durch CO 2 aus Rauchgasen (als CaCO 3 ) gefällt, oder mit Na 2 SO 4 / (NH 4 ) 2 SO 4 als CaSO 4 ), eindampfen(Vakuumverdampfung (Prinzip der Wärmepumpe: Verdampfen, Kondensieren, Wärmeeabfuhr = neueEnergie zum Verdampfen)) -> hoher Energiebedarf, zentrifugieren, trocknen mit Heißluft, Klassieren,Verpacken eventuell Iodierung durch besprühen mit KI-Lösungc) Aus dem Meerin heißen Zonen, Verdampfung des Wassers (Gehalt 2,7 – 3,0% Salz) mittels Sonnenenergie.große, flache Becken über 4 Stufen langsam eingedampft -> Verunreinigungen (Eisenoxid, Kalk, Gips)ausgefällt v. a. der 2.Stufe. Im Kristallisierteich (4. Stufe) bei zu hoher MgSO 4 -Konzentration fälltBittersalz aus. (nicht zu weit einengen), Salz-Kruste oben abgetragenRohsalz noch MgCl 2 -> mehrmaliges Anrühren mit Frischwasser (umkristallisieren)12.) Hauptverunreinigungen im Steinsalz und ihre EntfernungHauptverunreinigungen: Ca- & Mg-Verbindungen,andere: Ton, Sandstein, Anhydrid, GipsReinigung erfolgt in Stahlbehältern, haben Korrosionsschicht + zusätzlich Schutzschicht (ausgefalleneSedimente (Gips)) die vor Korrosion geschützt sind.Rohsole mit Schlamm verunreinigt -> Filterpresse, Zugabe von Ca(OH) 2 -> Mg(OH) 2 fällt aus ->Filterpresse, Filtrat -> CO 2 und Na 2 SO 4 / (NH 4 ) 2 SO 4 -> Fällung CaCO 3 | CaSO 4 ,Ca(OH) 2 + Na 2 SO 4 + MgCl 2 -> 2 NaCl + CaSO 4 + Mg(OH) 2Ca(OH) 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 + CO 2 -> CaSO 4 + + (NH 4 ) 2 CO 3 +H 2 OCaSO 4 + + (NH 4 ) 2 CO 3 -> CaCO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4Verwendung: Speisesalz, Gewerbesalz (Streusalz, Viehsalz Konservierungsmittel), Industriesalz (Rohstofffür Chemie z.B.: Elektrolyse)7

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab13.) Gewinnung von N 2 , O 2 , Ar, He (BP), Herstellungsprinzipien, Anlagenbeschreibung.Weiters: Zusammensetzung der Luft, Prinzip der Luftverflüssigung (physikalische Erklärung)Luft: N 2 (78,09%) O 2 (20.95%) Ar (0,93%) CO 2 (0,033%) Rest (Ne, He, Kr H ² Xe) (0,002%)Stickstoff (b.p.: -195,6°C)• Luftverflüssigung: Nach Linde-VerfahrenWirtschaftlich durch Claude: Luft auf 200 bar komprimiert -> erwärmt sich um 45 °C, mit Kühler wiedergekühlt, Staub, Kohlenwasserstoffen, Lachgas und gefiltert, entwässert, in Gegenstrom mit nichtverflüssigter Luft geführt, (eventuell Abkühlung unterhalb der Inversionstemperatur) und entspannt ->nicht verflüssigte Luft wird zum Vorkühlen verwendetRektifikation: Mittel (5-6 bar)- und Niederdruckkolonne (0,5 bar) rektifiziert -> N 2 (Kopf) // O 2 +Edelgase (Boden, Sumpf), welche separat abgetrennt werden.Reinheit: sehr rein• Druckwechsel-Absorption (PSA): Luft unter Druck durch Adsorption an Zeolithen /Kohlenstoffmolsieben, zerlegt, H 2 O, O 2 und CO 2 zurückgehalten. (wird verwendet wenn Reinheitnicht so hoch sein muss -> billiger) zuerst absorbiert und dann mit Hitze regeneriert werden.immer 2 Absorber -> einer wird regeneriert• Membranverfahren: bestimmte Anteile der Luft schneller durch die Membran als N 2 (Anlegen vonDruckdifferenz) -> Anreicherungebenso nicht so hohe Reinheit, dafür aber leiser als DruckwechselabsorptionAnwendung: Schutzgas, Haber-Bosch (NH 3 -Synthese)a) Sauerstoff (b.p.: -183°C)Wie N 2 durch Luftzerlegung, teils auch durch H 2 O Elektrolyse, Adsorption nur für kleinere Einheiten beigeringerer Reinheit (

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabd) andere Edelgasegenauso über NebenkolonnenAnwendung z.B.: Schutzgas, Laser, Glühbirnen usw.e) Physikalisches Prinzip der LuftverflüssigungJoule Thompson-Effekt: Joule-Thompson Koeffizient negativ (unterhalb der Inversionstemperatur) ->Gas oder Gasgemisch durch Drossel (isenthalpe Druckminderung) -> Temperaturänderung weilströmendes Gas, expandiert hinter der Drossel -> vom Gas eingenommene Volumen nimmt zu ->mittlere Teilchenabstand erhöht sich = Temperatur sinkt14.) Wichtige Verfahren der Wasserstoffherstellung (Ausgangsmaterialien, Verfahrensprinzipien undReaktionsbedingungen in Schlagworten, Grundreaktionen, Vor- und Nachteile, Umweltrelevanz)a) H 2 O-ElektrolyseMit KOH ≈ 30% Leitfähigkeit erhöht, bei T≈70-90°C, ca. 2 V/Zelle, 2-3 kA/m 2 , teils Druck bis 30 bar. HoherEnergieaufwand, mit Chloralkali-Elektrolyse kombinierbarAnode: 4 OH - O 2 + 2 H 2 O + 4 e -Kathode: 4 H 2 O + 4 e - 2 H 2 + 4 OH -Vorteil: hohe Reinheit, generell kein CO 2 -AusstoßNachteil: hoher Energieverbrauch -> eventueller CO 2 -Ausstoß -> Wasserkraft wäre superb) aus Kohle bzw. KWs, KoksofengasPartielle Oxidation von KW bei 10-100 bar, 1200-1400°C z.B.: Shell-Verfahren(C n H 2n+2 + n/2 O 2 → n CO + (n + 1) H 2Ni-Kat. Reforming (C n H 2n+2 + n H 2 O -> n CO + 2n +1 H 2 daneben Wassergasshift (CO + H 2 O →CO 2 + H 2 )) 30-35 Atü, 900-950 °C, Ni-Katalysator, Röhrenspaltöfen: 30-500 Röhren, Material:Inody 800 (20 Ni, 25 Cr), Röhren mit Ni auf keramischen Träger gefüllt. Beheizung durch heißeAbgase von außen, enthaltener O 2 durch kat. Reaktion am Pt/Pd Kat. (H 2 + 0,5 O 2 → H 2 O)entfernt anschließend absorptive Entfernung des gebunden Wassers Kohlevergasung: LURGI-Verfahren Stadtgas (C + H 2 O → CO + H 2 ) bei ca. 1000 °CEndotherm, Beheizt durch Verbrennung der KohleCO-KonvertierungWassergasshift-Reaktion (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 )Reaktion ist 2 stufig. 1 Stufe mit Fe 2 O 3 + Cr 2 O 3 -Kat bei ca. 400 °C, 2 Stufe bei ca. 250 °C mit ZnOund CuO. Das CO 2 wird anschließend physikalisch oder chemisch entferntexotherm, CO 2 -Problem.aus MeOHkat. Spaltung (endotherm) am Cu/Ni-Kat. MeOH häufig als Abfallprodukt vorhandenVerfahren abhängig von ReinheitsanforderungMeOH → 2 H 2 + COCO +H 2 O → H 2 CO 2Vorteil: billig, vor allem MeOH häufig als Abfallprodukt vorhandenNachteil: CO 2 -ProblemAnwendung: Chemische Synthese (Haber-Bosch, Hydrierung) Energieträger (Brennstoffzelle)9

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab15.) Frischwasser: Herkunft; Was ist Wasserhärte? Unterschied Trink- und Betriebswasser; wichtigsteVerunreinigungen und deren AbtrennungHerkunft: Grundwasser (Quellwasser), Oberflächenwasser (Flüsse, Seen, Stauseen), Recycling vonAbwasser (Dicht bevölkerte Gebiete), Salzwasser• Quellwasser: Regen sickert durch den Berg, Anreicherung mit Mineralien, Tonschicht (kann nichtdurch), Austritt aus der Quelle.• Grundwasser: ähnliches Prinzip: Regen sickert in den Boden, sickert bis zur Waserundurchlässigen Schicht (Ton, Mergel, Felsen). Staut sich dort auf. Durch Brunnen Förderung.Österreich hauptsächlich Quellwasser und Grundwasser, Deutschland schon ca. 30% Oberflächenwasser,Briten ca. 75% Oberflächenwasser Wasserhärtenatürliches Wasser enthält gelöste Gase und Salze, sowie Trüb- und SchwebstoffeDie Wasserhärte gibt den Gehalt der im Wasser gelösten Ionen Ca, Mg-Salze an.1 ° deutscher Härte 10 mg CaO/l• temporäre Härte: Bicarbonate, beim Kochen zerstört -> Carbonate: Kesselstein• bleibende Härte: Sulfate, Chloride, Nitrate, Silikate; scheiden sich erst bei stärkerem EindampfenabTrinkwasser vs. Betriebswasser• Trinkwasser für menschlichen Bedarf, hohe chem. und bakteriologische Anforderungen, ggf.geklärt (Filtration, Sedimentation), entsäuert (Kalkwasser, Kalkmilch), entkeimt (Cl 2 , O 3 )• Betriebswasser je nach Verwendungszweck (sehr hohe Qualität für Pharmazie, Hohe für Galv. Ind,Farbindustrie, Mittel für Metallbau, nieder für Kühlung etc.)Verunreinigungen• Grobstoffe, Sandkörner -> Rechen, Sedimentation (Sandfang)• Fette & Öle -> Schwimmstoff-Abscheidung• absetzbare Stoffe –> Vorklärbecken• biologisch abbaubare & adsorbierte Stoffe -> biologische Reinigung• Bakterienschlamm -> Nachklärbecken• Phosphate -> Fällung mit Al & Fe-Salzen• Kolloide -> Flockung (z.B. FeCl 3 )• Sauer/alkalisch -> Neutralisation• Schwermetalle -> Fällung als Hydroxide• Cyanide -> oxidativ mit H 2 O 210

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab16.) Abwasserreinigung: Einteilung der Reinigungsprinzipien und Reinigungsverfahrena) Selbstreinigung:natürlicher, belebter Gewässer durch die darin lebende Tier- und Pflanzenweltb) Mechanisch (Siebung, Fällung, Filtration, Flockung)Rechenwerkabtrennen von GrobstoffenSandfangSandkörnernSchwimmstoff-Abscheidung abtrennen von Fetten und ÖlenAbsetzbecken (Sedimentation) Absetzbare Stoffe werden abgetrenntc) Biologisch (zuerst mechanisch dann Vorklärung → Belebung im Belebt-Becken → Nachklärung →Tropfkörperanlage)O 2 + organische Stoffe + Bakterien → CO 2 + H 2 O + BelebtschlammVerarbeitung des Schlamms: Verringern des Volumens (eindicken), Konditionieren, Filtrieren,Zentrifugieren, Verbrennen, Faulschlamm (Erzeugung von Gasen) -> Klärschlamm nach Analyse zureventuellen Düngungd) chemisch (Oxidation, Entkeimung, Belüftung, Adsorption, Ionentausch, Reversosmose)e) spezielle Abwasserreinigung Flockung(Entfernung von kolloidalen Lösungen durch Elektrolyte -> Mikroflocken -> Flockungsmittel ->Makroflocken) Neutralisation Schwermetallentfernung(Fällung durch Hydroxide im stark basischen Milieu, Ausnahme Cr -> Reduktion zu Cr 3+ mit Sulfitdann mit Base als Hydroxid fällbar) oxidative Abwasserreinigung(H 2 O 2 , O 3 HClO zB. CN - + H 2 O 2 + H 2 O -> NH 4 + HCO 3 - + OH - ) Verbrennung)11

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab18.) Schwefeldioxid-Gewinnungsverfahren: (Ausgangsmaterialien, Endprodukte, kurze Anlagenbeschreibung)a) Verbrennung aus elementarem S,rotierender Schwefelofen: S aufgetragen und aufgeschmolzen, anschließend filtriert und in derBrennkammer mit Luft vermischt und zu SO 2 verbrannt – freiwerdende Hitze über Wärmetauscherrückgeführt um S aufzuschmelzen (reines O 2 würde zu große Hitze erzeugen deswegen Luft)b) rösten sulfidischer Erze• Etagenofen (3-45 Etagen 3-7 m lang , 800-900 °C), Elektrofilter (Cotrell-Entstaubung)• Drehrohrofen (bis 100 m lang 3-5 m Durchmesser, 800-900 °C, Reaktionsgut und Luft imGegenstrom), Röstgut in der Fe-Industrie einsetzbar• Wirbelschichtverfahren (800-900 °C, SO 2 Gas bis 40% Staub) Röstgut nicht verwendbar für Fe-Industrie, weil As, Sb; hohe OF, guter Kontakt, aber oft Sulfidreste (zu kurze Reaktionszeit)c) aus CaSO 4Müller-Kühne Verfahren, Rd. von Gips mit C im Drehrohrofen bei 1400°C,CaSO 4 + C → CaO + SO 2 + CO 2Folgereaktion:CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 → Portlandzementd) FeSO 4 UmsetzungFeuchtes FeSO 4 aus Beizbetrieben und TiO 2 Gewinnung,Trocknung mit Sprühtrockner mit glühendem Koks umgesetzt, Abbrand in der Wirbelschicht zu FeO und SO 2e) aus Abfallschwefelsäurebesonders Säureteer, mit glühendem Koks bzw. Generatorgas umgesetzt, anschließende RöstgasreinigungAs 2 O 3 , Sb 2 O 3 in 4 Stufen entferntVerwendung von reinem SO 2 : H 2 SO 4 -Herstellung, Erdölraffination, Weinbau (Desinfektion)19.) Schwefelsäuregewinnung (2 Verfahren alt | neu)Prinzipien, Anlagebeschreibung, Ausgangsprodukte, Endprodukte, Vor- und Nachteilea) alt: NO-Verfahren (Bleikammerverfahren), homogene Katalysenur mehr historisch, liefert keine hochkonz. Säure, weniger rein.Umsetzung von Nitrosylschwefelsäure mit Wasser und Schwefeldioxid zu SchwefelsäureSO 2 + 2 NOHSO 4 + 2 H 2 O → 3 H 2 SO 4 + 2 NONO + 0,5 O 2 → NO 2NO 2 + NO → N 2 O 3N 2 O 3 + 2 H 2 SO 4 → 2 NOHSO 4 + H 2 O---------------------------------------------------------------------SO 2 + 0,5 O 2 + H 2 O → H2SO 4Im Gloverturm wird HNO 3 mit Röstgasen ausgedampft, 78%ige H 2 SO 4 wird abgezogen. Die Röstgase mit denNitrosegasen kommen in die Pb-Kammern, Schutz durch PbSO 4 -Schicht (groß, da langsame Reaktion), tretenmit 100-110 °C (1. Kammer) ein, raus bei 40-45°C (4 – letzte Kammer) Wasser wird von oben zugespitzt.(Kammersäure: 70%)Gay-Lussac Turm erfolgt die HNO 3 Absorption mit kalter 78%iger Schwefelsäure.Vorteil: billig, SO 2 muss nicht so rein seinNachteil: nicht konz, weniger rein13

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabb) neu: Kontaktverfahren, heterogene Katalysevorgetrocknetes SO 2, mit H 2 SO 4 endgetrocknet (sonst H 2 SO 4 -Nebel) und am V 2 O 5 -Kat (+ K 2 O, Ag 2 O) (besser alsPt (400 °C) wegen Reaktionsgeschwindigkeit) bei 430 °C zu SO 3 oxidiert. (Gleichgewicht ist günstiger beiniedriger Temperatur)Wertigkeitswechsel V 4+ → V 5+ entscheidend.KVO 3 + SO 2 → KVO 2 .SO 3 → KVO 2 + SO 3KVO 2 + 0,5 O 2 → KVO 3In Hordenkontaktöfen mit Zwischenwärmetauschen (weil exotherme Reaktion)reine Gase (Staub und As frei -> Kat.-Gift) Abgas bis zu 1,5% SO 2 -> Doppelkatalyseverfahren SO 2 fast vollständig entfernt. Anschließend erfolgtdie Absorption des SO 3 mit konz. H 2 SO 4 und H 2 O (nur mit Wasser wäre Reaktion zu langsam)SO 3 + H 2 SO 4 → H 2 S 2 O 7H 2 S 2 O 7 + H 2 O → 2 H 2 SO 4 (98%)in mehreren Füllkörperkolonen im Gegenstrom (aus säurefesten Steinen oder PVC)Vorteil: Konz. Säure, auch Oleum-Herstellung möglich, Abgas fast annähernd SO 2 reinNachteil: Kat.-Gifte20.) Schwefelsäure: Konzentrierung von Dünnsäure, was ist Oleum? 100% SO 3 HerstellungProblematik: H 2 SO 4 = viskos -> erschwerte Dampfblasenbildung beider Destillationa) Konzentrierung (2 Möglichkeiten)1. Konzentrierung nach Tauchbrenner-Verfahren:Über dem Kessel mit verd. Säure wird eine Brennkammer installiert -> verbrennt Öl oder Gas mit Luft liefert somit Energie zumVerdampfen von H 2 O 21-23% auf 65-68%2. Regeneration nach Pauling Verfahren (Abfallschwefelsäure)Schwefelsäure (72 %) wird in einem gusseisernen Kesselindirekt erhitzt -> Wasserdampf wird kondensiert ->entstehende Rauchgase werden über Rauchgaskolonne mitverd. Schwefelsäure gereinigt (69 %), dabei nimmt Säure anKonz. bis 96 % zub) Oleum: SO 3 in H 2 SO 4 gelöst, z.B. Oleum 25 = 25% SO 3 gelöstb) Reines SO 3 wird aus Oleum durch Destillation undVerflüssigung der Dämpfe gewonnen, wobei T > 27 °C seinmuss, da sonst SO 3 erstarrt (von konz. 30-36% auf 24-25%)TIPP: Zeichnung der Anlagen sind zum bessere Merken gedacht,nicht für die Prüfung, kann aber nicht schaden wenn man sie macht.14

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab21.) Gewinnung von Synthesegas (N 2 + 3 H 2 ) aus Kohle (Erklärung der Verfahrensschritte in Stichworten,verwendete Verfahren inkl. Reaktionsbedingungen)Prinzip: Wassergasshift-Reaktion: C + ½ O 2 → CO CO + H 2 O → H 2 + CO 2a) Kombi aus Generator – und Wassergasreaktion, heute ungebräuchlich• Heißblasen: C + ½ O 2 → CO• Kaltblasen: C + H 2 O → CO + H 2 ½b) Druckvergasung mit Luft (Synthesegas) oder O 2 , Koppers-Tatzeltgenerator1. Schritt: Vergasung mit Luft und Wasserdampf: entsteht hauptsächlich CO + N 2 ≈⅓ H 22. Schritt: Entschwefelung (Hydrierung von org. S-Komponenten zu H 2 S, Trocken - (Aktivkohle, LUX-Masse,ZnO-Absorption) oder Nassentschwefelung (Wäsche (Pottasche, Triethanolamin, Alkazidlösung)Rectisolverfahren)3. Schritt: Kompression (22 atm)4. Schritt: 2 Stufen Konvertierung von CO + H 2 O in H 2 in CO 2 , (Gleichgew-Reaktion mit Kat.)4.1. Stufe Fe 2 O 3 + Cr 2 O 3 bei 400°C, (Glgw. Noch 2% CO)4.2. Stufe ZnO + CuO bei 200-300°C(ZnO → vorgeschaltete Schutzschicht gegen S) (Glgw 0,2% CO)5. Schritt: CO 2 -Wäschephys.: Druckwasserwäsche mit H 2 O oder MeOH bei 25-30 Atü,chem.: Pottaschelösung (K 2 CO 3 ) 15-40%, 130-150 °C, mit H 2 O Dampf strippen)K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2 KHCO 3Monoethanolamin (CO 2 bis auf 0,1% entfernt)6. Schritt: Kompression (130 atm)7. Schritt: Feinreinigung letzte Reste von CO entfernt -> rückgeführt• Cu-Laugenwäsche bei 300 bar 45°C dann Regeneration im Vakuum• Auswaschen mit flüssigem N 2• katalytisch mit H 2 und Ni Kat. Bei 300 – 350 °C))8. Schritt: Entfernung von CO 2 -Resten durch NaOH-Wäsche9. Schritt: Kompression (atm)22.) Gewinnung von Synthesegas (N 2 + 3 H 2 ) aus Erdgas (Erklärung der Verfahrensschritte in Stichworten,verwendete Verfahren inkl. Reaktionsbed.)1. part. Oxidation von Erdgas. (Gasspaltung) mit O 2 : Shell-Verfahren 10-100 bar 1200-1400 °CCH 4 (KW) + O 2 → CO + H 2 + H 2 O2 Stufen Konvertierung von CO + H 2 O in H 2 in CO 2 , (Gleichgew-Reaktion mit Kat.)1.Stufe Fe 2 O 3 + Cr 2 O 3 bei 400°C, (Glgw. Noch % CO)2.Stufe ZnO + CuO bei 200-300°C(ZnO → vorgeschaltetete Schutzschicht gegen S) (Glgw 0,2% CO)Monoethanolamin-Wäsche: CO 2 -Entfernung (oder K 2 CO 3 )NaOH Wäsche (entfernen von CO Reste)flüssig N 2 -Wäsche Entfernung von CH 4 -Resten (gleich nötige Menge N 2 für Haber-Bosch)Kompression für NH 3 -Synthese15

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab2. Schweröle: (nicht kat. partielle Oxidation)Teilverbrennung: -(CH 2 )- + ½ O 2 → CO + H 2oft Rußbildung → Rußwäsche3. Wasserdampfspaltung (Steam-Reforming)CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 21. Leichtöle oder Erdgas müssen zuerst entschwefelt werden2. Röhrenspaltöfen 30-500 Röhren, 30-35 Atü, 900-950 °C, Material: Inody 800 (20 Ni, 25 Cr), Röhrenmit Ni auf keramischen Träger gefüllt. Beheizung durch heiße Abgase von außen3. CO-Konvertierung (wie oben beschrieben)4. Wenn noch CH 4 im Abgas → Luftteilverbrennung bei 750 °C (wird gleich N 2 eingebracht)23.) Haber-Bosch-Synthese: Prinzip, Reaktionsbedingungen, Reaktoren, Verfahrensablauf, Verwendung vonAmmoniaka) Syntesegleichgeicht: N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3 (Katalysator nötig)b) günstiges Gleichgewicht bei hohem Druck, niederer Temperatur,Reaktionsgeschwindigkeit bei hoher Temperatur und hohem Druck besser.Mittelweg: 150-230 atm, 400-500 °CKatalysator: alkalisiertes Fe 2 O 3 + Zusätze Al 2 O 3 , K 2 O, CaO, (MgO). erhöhen Stabilität gegen Kat.gifte (CO,CO 2 O 2 < 30 ppm - reversibel // S, X, P < 1 ppm - irreversibel)Lebensdauer 2-5 Jahre. Fe 2 O 3 mit Synthesegas zu Fec) Reaktor: besteht reinem Eisenkern (da Fe 3 C im Stahl sonst reduziert wird) umhüllt von C-freiemStahlrohr mit Entgasungslöchern (für Festigkeit), gewickelt.Haber-Bosch-Röhrenwärmetauscher,mehrere Reaktionszonen hintereinander, Zwischenkühlung zum Wärmetausch, Radialflusskonverter.d) Gaskreislauf zur Abtrennung von NH 3 : NH 3 wird entspannt und flüssig abgeschieden. Nicht umgesetzterN 2 + H 2 wird komprimiert und vorgewärmt, in Kontaktreaktor umgesetzt,Kreislaufgase (Verunreinigungen: O 2 , CH 4 sowie Inertgas: max 2%) teilweise ausgeschiedene) 1) Harnstoff (Düngemittel, Kunststoffe, Schaumstoffe, Futtermittel)2) Salpetersäure (Düngerherstellung, Schädlingsbekämpfung, Kunststoffe)3) Weitere (Raketentreibstoffe, Soda, Wolframherstellung u.v.m)24.) Salpetersäure: Herstellung aus Ammoniak (Reaktionsgleichungen, Prinzipien der Teilschritte, kurzeAnlagenbeschreibung, Möglichkeiten für das Gesamtverfahren)a) OSWALD-Verfahren: Reaktionsgleichung4 NH 3 + 5 O 2 → 4 NO + 6 H 2 O (Pt + 5-10% Rh als Kat) (1)stark exotherm, rasche Reaktion2 NO + O 2 ⇌ 2 NO 2 (2)2 NO 2 ⇌ N 2 O 4 (3)x 3 | N 2 O 4 + H 2 O → HNO 2 + HNO 3 (4)3 HNO 2 → HNO3 + 2 NO + H 2 O (5)2 NO + O 2 ⇌ N 2 O 4 (2,3)16

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabNebenprozesse5. Gipsdeponie (aus 4)6. Aufbereitung & Verarbeitung Chemiegips7. Prozess- und Kühlwasserrückgewinnung8. Gewinnung H 2 SiF 6Hauptteil der Flourgewinnung9. Synthetische Fluor-Produkte10. Uran-Rückgewinnung (U 3 O 8 )Hauptteil der Urangewinnungd) Unterschiedliche Verfahren:- Dihydratverfahren (PRAYON Verfahren) (< 80 °C): CaSO 4·2H 2 O - bis 30% P 2 O 4- Semihydratverfahren (NISSON) (80-100 °C): CaSO 4·0,5 H 2 O - bis 50% P 2 O 4- Semihydratverfahren + Gips (NISSON oder ALBATROS)Gips filtriert mit Bandfilter / Karusselfilter -> bessere Fällung mit aktivem SiO 2 (weil weniger Feinanteil)Ablauf: 30-34% Phosphorsäure (hoch viskos) + HF, beim Filtrieren Tücher ständig gut ausgewaschenPhosphorsäure durch Vakuumverdampfung auf 54% vorkonzentriert (500-1000 Torr mitDampfstrahlejektoren oder Zwangsumlaufverdampfer) HF aus Brüden mit Silikaten zu H 2 SiF 6Weitere Vakuumeindampfung zu Pyrophosphorsäure (80% P 2 O 5 ) für flüssige Mehrstoffdünger• Konzentrierung mittels Tauchbrenner (Heizgas in H 3 PO 4 eingeblasen) kommen von 30% auf 70%höher geht nicht da sonst Polyphosphatbildung und zu hohe Viskosität• Indirekt, wie Vakuumeindampfung aber schwierig, Heizmittel Downtherm,e) Abfallprodukte:1. Gips (nach Giulini-Verfahren) pro t P 2 O 5 - 4-5 t Gips (geringe Reinheit, F-Gehalt – nicht für Bauindustrie)• Gipsschwefelsäure (Müller-Kühne-Verfahren: Entsteht CaO und SO 2 )• Ammonsulfatherstellung,• Baustoffe zuerst Reinigung erforderlich (Flotation und H 2 O-Wäsche ) -> Semihydrat im Autoklaven bei110 – 120 °C (Verunreinigungen ins Abwasser)2. Fluor:• Herstellung von Na 2 SiF 6 (H 2 SiF 6 mit NaCl umgesetzt, für Trinkwasserfluorierung undMörtelabdichtung bei z.B. Schwimmbecken)• Al-Fluorid (Umsetzung von HF mit Al(OH) 3 , H 2 SiF 6 mit Al(OH) 3 bei 70°Cm zuerst AlF 3metastabil gelöst, dann SiO 2 abfiltriert, dann AlF 3·3H 2 O bei 98°C entwässert und kristallisiert.Verwendung als Kat oder zu Karies-Prophylaxe )• Kryolith (Na 3 [AlF 6 ]) wird für die Aluminium-Herstellung gebaucht H 2 SiF 6 Lösung mit NH 3 versetzten, SiO 2abfiltrieren, mit Natriumaluminat und NaOH umsetzen dabei entstehender Ammoniak rückgeführtH 2 SiF 6 + 6 NH 3 + 2H 2 O → 6 NH 4 F + SiO 26 NH 4 F + 3 NaOH + Al(OH) 3 →Na 3 [AlF 6 ] + 6 NH 3 +6 H 2 O19

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab28.) Fluorverbindungen: Wo fallen Fluorverbindungen als Nebenprodukte an?Herstellung und Verwendung von drei wichtigen FluorverbindungenH 3 PO 4 (H 2 SO 4 -Aufschluss) & Superphosphatherstellung Abgase bis zu 25% H 2 SiF 6 , Hall-Heroult-, ODDA-Verfahren• Herstellung von Na 2 SiF 6 (H 2 SiF 6 mit NaCl umgesetzt, für Trinkwasserfluorierung undMörtelabdichtung bei z.B. Schwimmbecken)• Al-Fluorid (Umsetzung von HF mit Al(OH) 3 , H 2 SiF 6 mit Al(OH) 3 bei 70°Cm zuerst AlF 3metastabil gelöst, dann SiO 2 abfiltriert, dann AlF 3·3H 2 O bei 98°C entwässert und kristallisiert.Verwendung als Kat oder zu Karies-Prophylaxe )• Kryolith (Na 3 [AlF 6 ]) wird für die Aluminium-Herstellung gebaucht H 2 SiF 6 Lösung mit NH 3 versetzten, SiO 2abfiltrieren, mit Natriumaluminat und NaOH umsetzen dabei entstehender Ammoniak rückgeführtH 2 SiF 6 + 6 NH 3 + 2H 2 O → 6 NH 4 F + SiO 26 NH 4 F + 3 NaOH + Al(OH) 3 →Na 3 [AlF 6 ] + 6 NH 3 +6 H 2 O29.) Liebig „Gesetz des Minimums“, Erklärung und Zusammenhang Düngung/RentabilitätWichtigsten Nährstoffe: N, P, K, CaSpurenelemente: Fe, Cu, Zn, S, Mg, Na, Mn, B, MoDüngen eine Möglichkeit um die Ernährung für steigende Bevölkerung zu gewährleisten.Andere Möglichkeit: mehr anbauen = nicht optimal weil limitierter Platz bzw. müssen wir froh sein wenn derErtrag durch die Trockenheit nicht weniger wird.Schädlingsschutz auch ein Möglichkeit = meist für Menschen auch nicht gut.Stoffe, die durch Ernten dem Boden entzogen werden, müssen wieder zugeführt werden.Wachstum nicht durch Element verhindert welches die niedrigste Konzentration hat wie z.B.Spurenelemente sondern durch das Element welches benötigt wird aber am wenigsten da ist. (gilt nicht nurfür wichtigsten Nährstoffe sondern auch für Spurenelemente). Wenn kein B da ist wird nichts wachsen,genauso wenn der P oder N fehlt. Wichtig versch. Pflanzen haben unterschiedlichen Bedarf. (Vergleichbar miteinem Fass unterschiedlich hoher Dauben)max. Gewinn durch Düngung -> Mehrerlös mit Kosten korreliert werden.zu wenig → schlechter Ertragzu viel → unrentabel20

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab30.) Phosphateinzeldünger: Aufzählung der Dünger, Herstellung in Schlagworten, Vor- und Nachteile dereinzelnen Düngera) Aufzählung:• wasserlösl. Phosphate (NH 4 -Phosphat, Mono-Ca-Phosphat, Super, Doppel, Tripelphosphat)• citratlösl. Phosphate (Bi-Ca-Phosphat, Schmelzphosphat)• NH4-citratlösl. (Thomasmehl, Rhenaniaphosphat)b) Herstellung in Schlagworten- Superphosphat (18% P 2 O 5 ): Apatit (= Ca 3 (PO 4 ) 2 x CaF 2 ) Aufschluss mit H 2 SO 4 , dann Zugabe bis zumMono-Ca-Phosphat.Reaktion in 2 Stufen:1. H 3 PO 4 + Mono-Ca-Phosphat (1 h)2. Reifung für 8 Wochen, Aufschluss Restapatit durch Zugabe H 3 PO 4 unter Bildung Di-Ca-Phosphat.Rohphosphat gut mahlen, nach Mischen mit 65-70% H 2 SO 4 erwärmen ruhen bis zum Erstarren (HFentsteht), zerkleinern Reifen auf Halden oder Silos- Doppelsuperphosphat (34-36% P 2 O 5 ):Aufschluss wie bei Superphosphat, aber mit Gemisch H 2 SO 4 + H 3 PO 4- Triple-Superphosphat (44-46% P 2 O 5 ): Aufschluss mit dünner H 3 PO 4 ( 28-39% P 2 O 5 ), dann2h in Trockentrommel trocknen. Wirtschaftliches Verfahren.- Thomas-Phosphat: Durch Verarbeitung phosphathaltiger Eisenerze, FeP (bis zu 2% im Erz) wird inder Thomasbirne (alkalische Ausmauerung) zu P 2 O 5 oxidiert und durch basische Zusätze (CaO) alsPhosphat gebunden. Schlacke als Düngemittel brauchbar (14-16% P 2 O 5 ), mittlerweile verschwundenwegen LD-Verfahren- Glühphosohat (Rhenaniaphosphat) Apatit + Soda + Sand im Drehrohrofen bei 1150-1200 °C erhitzt,es entsteht Gemisch aus CaNaPO 4 , Ca-Silikat, NaF (26-28% Phosphat)- Camaphos: Gebrannter Dolomit (MgO, CaO) mit Apatit gesintertc) Vor und Nachteile:- Superphosphat u.a.: Tripelphosphat sehr hoher P 2 O 5 -Anteil (im Vergleich zu Super- &Doppelphosphat), wasserlöslich -> d.h. gut zugänglich für Pflanze aber bei starken Regenauswaschen des Düngers (für schnell wachsende Pflanzen)- Thomasmehl: geringen P 2 O 5 -Anteil aber dafür NH 4 und citratlöslich und nicht wasserlöslich.z.B. starke Regenfälle = stabiler -> für langsam wachsende Pflanzen- Glühphosphat: ähnlich Thomasmehl- Camaphos: hauptsächlich citratlöslich21

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab31.) Herstellung von Superphosphat: Ausgangsprodukte, Anlagen, chemische Reaktionen, Diagramm zeitlicherAblaufa) Ausgangsprodukt: Apatit = Ca 5 [(F,Cl,OH)|(PO 4 ) 3 ]Apatit gut mahlen Aufschluss mit H 2 SO 4 , dann Zugabe bis zum Mono-Ca-Phosphat.Reaktion in 2 Stufen:1. H 3 PO 4 + Mono-Ca-Phosphat (1 h)2. Reifung für 8 Wochen, Aufschluss Restapatit durch Zugabe H 3 PO 4 unter Bildung Di-Ca-Phosphat.Rohphosphat gut mahlen, nach Mischen mit 65-70% H 2 SO 4 erwärmen ruhen bis zum Erstarren (HFentsteht), zerkleinern Reifen auf Halden oder Silosb) Broadfield-Anlage + Zeitlicher Verlaufc) Reaktionsgleichung:2 Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6 H 2 SO 4 + 12 H 2 O → 4 H 3 PO 4 + 6 [CaSO 4·2H 2 O]Ca 3 (PO 4 ) 2 + 4 H 3 PO 4 → 3 Ca(H 2 PO 4 ) 2--------------------------------------------------------------------------------------------Ca 3 (PO 4 ) 2 + 2 H 2 SO 4 + 4 H 2 O → Ca(H 2 PO 4 ) 2 + 2 [CaSO 4·2H 2 O]32.) Stickstoffeinzeldünger: (5 Verbindungen), Herstellung in Schlagworten, Vor- und Nachteile der einzelnenDüngera) Herstellung in Schlagwortena) Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4 :- Neutralisation von NH 3 und 60-65% H 2 SO 4 im Sprühturm Apparatur aus Pb (weil PbS =Schutzschicht = korrodiert nicht), H 2 O verdampft → (NH 4 ) 2 SO 4- oder aus Gips: NH 3 + CO 2 → (NH 4 ) 2 CO 3 + CaSO 4 → CaCO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4Vorteil: gut wasserlöslich, billigNachteil: wäscht sich im Regen schnell aus22

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabb) Ammoniumnitrat NH 4 NO 3 :theoretisch 35% N, prakt. 33%, Zerfall ab 170°C in N 2 O und H 2 O bzw. ab 260°C Explosion.Verwendung auch als Sicherheitssprengstoff.NH 3 und 45-50% HNO 3 unter Kühlung in Kolonne unter Druck umgesetzt, vakuumeingedampft auf 70-75% NH 4 NO 3 (nicht zu heiß 75°C -> Explosion)Vorteil: hoher N-Gehalt, gut wasserlöslichNachteil: explosionsgefährlich, wäscht sich ausc) Kalksalpeter: Kalkstein (CaCO 3 ) mit HNO 3 zu Ca(NO 3 ) 2 umgesetztIm Rührkessel, überschüssiges CaCO 3 filtriert, trocknen, eventuell noch NH 4 NO 3 zusetzbarVorteil: gut aufnehmbarNachteil: reizend, brandfördernd, wäscht sich ausd) Harnstoff: heute wichtigster Dünger und Auftausalz2 Stufen, hoher Drucka) NH 3 + CO 2 → NH 2 COONH 4 (Ammoncarbamat) (flüssig) schnell (erhöhter Druck)b) NH 2 COONH 4 → NH 2 CONH 2 + H 2 O langsamUmsetzung von flüssigem NH 3 (Überschuss) mit CO 2 bei 200 °C, 250 bar -> Austritt -> Carbamat zuNH 3 + CO 2 zerlegt -> rückführen -> Harnstoffumsetzung -> im Ausblasturm konzentriert, imSpritzraum kristallisiert, im Trockenturm getrocknet, verpacktVorteil: hoher N-Gehalt, unbedenklich,Nachteil: schlecht löslich (bei den Asiaten Reisdünger), kann NH 3 ausgasene) Kalkstickstoff: CaO und C (Koks) im Lichtbogenofen (2300 °C flüssiges Carbid) mit Söderberg-Elektrode (3 Elektroden wegen 3 Phasen die vom Kraftwerk kommen) zu CaC 2 hergestellt,gekörntes Carbid im Azotierofen zu Kalkstickstoff umgesetzt: CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + CT < 1200 °C Regelung über N 2 -Strom -> sonst Zersetzung, Katalysator: CaF 2 InitialzündungZersetzung CaCN 2 = Ca + N 2 + CVorteil: löslich durch Hydrolyse, weitere Verwendung von CaC 2 (Wasser zu Acetylen reagieren =Grubenlampe, auch in Stahlindustrie zum Schwefelentfernen)Nachteil: Gesundheitsschädlich, hoher Stromverbrauch beim Herstellen von CaC 233.) Harnstoffsynthese: Ausgangsprodukte, Reaktionsgleichungen, Verfahrensschritte undReaktionsbedingungen bis zum festen Granulat, Verwendunga) Ausgangsprodukt: CO 2 , NH 3f) Verfahren & Reaktionsgleichung: heute wichtigster Dünger und Auftausalz2 Stufen, hoher Druckc) NH 3 + CO 2 → NH 2 COONH 4 (Ammoncarbamat) (flüssig) schnell (erhöhter Druck)d) NH 2 COONH 4 → NH 2 CONH 2 + H 2 O langsamUmsetzung von flüssigem NH 3 (Überschuss) mit CO 2 bei 200 °C, 250 bar -> Austritt -> Carbamat zuNH 3 + CO 2 zerlegt -> rückführen -> Harnstoffumsetzung -> im Ausblasturm konzentriert, imSpritzraum kristallisiert, im Trockenturm getrocknet, verpacktb) Verwendung: Dünger, Auftausalz, Kosmetik, Pharmazeutik23

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab34.) Herstellung von Kalkstickstoff: Beschreibung der Karbiderzeugung (Ausgangsprodukte,Verfahrensbeschreibung), Umsetzung zu Kalkstickstoff: (Anlage, Reaktionsgleichung, Reaktionsbedingungen)a) KarbidherstellungEdukte: CaO und C (Koks)Verfahren: CaO und C (Koks) im Lichtbogenofen (2300 °C flüssiges Carbid) mit Söderberg-Elektrode (3Elektroden wegen 3 Phasen die vom Kraftwerk kommen) zu CaC 2 umgesetzt (hoher Stromverbrauch)b) Umsetzung zum Kalkstickstoffgekörntes Carbid im Azotierofen über Kohleheizstäben erhitzt & zum Kalkstickstoff umgesetzt: CaC 2 +N 2 → CaCN 2 + CT < 1200 °C Regelung über N 2 -Strom -> sonst Zersetzung, Katalysator: CaF 2 InitialzündungZersetzung CaCN 2 = Ca + N 2 + Cc) Anlage35.) Das ODDA-Verfahren: Ausgangsprodukte, wesentliche Verfahrensschritte mit Bedingungen, Endprodukte.Weiterverarbeitung eines Nebenprodukts zu NH 4 NO 3 (Prinzip und Verfahrensschritte)a) Edukte: Ca 5 (PO 4 ) 3 F, HNO 3Ca 5 (PO 4 ) 3 F + (10+x) HNO 3 –> 5 Ca(NO 3 ) 2 + 3 H 3 PO 4 + HF + x HNO 3b) Verfahren:Aufschluss des Apatits mit HNO 3• Temperatur im Reaktor (hoch = HNO 3 -Zersetzung, niedrig = lange Verweilzeit),• Apatit-Teilchengröße• VerweilzeitKühlung: Ca(NO 3 ) 2 kristallisiert, im Abgas bleiben HF, SiF 4 , NO x , CO 2 und H 2 O über.Endprodukte sind Ca(NO 3 ) 2 in Kombination mit H 3 PO 4 und HNO 3 .c) Weiterverarbeitung: Ca(NO 3 ) 2 + 2 NH 3 + CO 2 + H 2 O → CaCO 3 + 2 NH 4 NO 3CaCO 3 durch Bandfilter und 2 Waschstufen abgetrennt, NH 4 NO 3 Lösung auf 94% konzentriert, CaCO 3getrocknet als Baustoff oder für Landwirtschaft.24

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab36.) Chlor-Alkali Elektrolyse: Erklärung der Schmelzflusselektrolyse, Vergleich mit der Amalgamzelle (Prinzipbeider Verfahren, verwendete Werkstoffe, Ausgangs- und Endprodukte, Vor- und Nachteile)a) Schmelzflusselektrolyse in „Downs-Zelle“NaCl → Na (l) + 0,5 Cl 2 (g) Kathode: Na + + e - -> Na Anode: 2 Cl - -> Cl 2 + 2 e -kein wässriger Elektrolyt (elektrochemische Spannungsreihe Erdalkalimetalle < H 3 O + )Anode: Graphit,Kathode: Fe (ringförmig) mit Drahtnetzdiaphragma aus Stahl von der restliche Zelle getrenntReaktion im Eisenkessel mit feuerfester Mauerung (Schamottsteine), Na schwimmt oben, in Rinnegesammelt, CaCl 2 -Zusatz Temperatur auf 600 °C erniedrigt (sonst Na fein in Schmelze verteilt)Edukte: NaCl, CaCl 2 , Anode KathodeProdukte: Na, Cl 2Vorteil: Na elementar, kann separat umgesetzt werdenNachteil: viel Energie nötigb) AmalgamzelleNaCl + xHg NaHg x + Cl 2 Kathode: Na + + Hg x + e - -> NaHg xNaHg x + H 2 O NaOH + x Hg + H 2 Anode: 2 Cl - -> Cl 2 + 2 e -Überspannung von H an Hg erlaubt Amalgambildung.Kathode: flüssiges HgAnode: Graphit mit Ti beschichtet. Große Anodenfläche, als Optimierung: Graphit brennt ab -> mit Ptaktivierte Ti-Anoden + Löcher für O 2 Abzugschmiedeeiserner Trog mit gummierten Wänden. Größe: 40 m² pro Zelle, 300.000 A pro ZelleEdukte: NaCl, Hg, H 2 OProdukte: NaOH (20-50%), Cl 2 , H 2 HgVorteil: räumliche Trennung von Cl 2 und H 2 , NaOH getrennt von NaCl, H 2 entsteht, wenig EnergieNachteil: Hg (Giftig), Hg-Spuren in Cl 2 und Lauge verschleppt, große Hg-Menge (3t), pro Jahr ca. 2 kgverloren, dazu H 2 -Entstehung durch zwangsweise Umsetzung von Na-Amalgam mit H 2 O für Hg-Rückgewinnung.37.) Chlor-Alkali-Elektrolyse: Erklärung der Diaphragma-Zelle, Vergleich mit Membranzelle (Prinzip beiderVerfahren, verwendete Werkstoffe, Ausgangs- und Endprodukte, Vor- und Nachteile)a) Diaphragma-ZelleKathode: Na + + OH - + 2 H + + 2e - NaOH + H 2Anode: 2 Cl - Cl 2 + 2e -Gesamt: NaCl + H 2 O NaOH + H 2Wasserhärte vermindern, HCl-Zusatz (Neutralisation) -> verhindert Rückdiffusion von NaOH (wenigerNebenprodukte wie Chlorate, Hypochlorite und O 2 )Anode: Graphit mit aktivierter Ti-Beschichtung (Pt)Kathode: StahlDiaphragma (Asbest oder PVC-Folie) trennt Kathoden-Anodenraum -> verhindert Diffusion von Cl 2(Kathode) zur NaOH bzw H 2 (Anode)3,5 V AC bei 1200 A/cm²Edukte: NaCl, H 2 O, HCl25

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabProdukte: NaOH (11%), Cl 2 , H 2Vorteil: wenig KW/t NaOH für Elektrolyse, umweltfreundlichNachteil: NaOH (11% < als Membran mit 28%) & mit NaCl verunreinigt, Diaphragma aus Asbest, hoherEnergieverbrauch für Wasserverdampfungb) MembranzelleWeiterentwicklung der Diaphragma-ZelleAnode: Titananode (beschichtet)Kathode: EisenblechkathodeMit Teflon-Netz verstärkte Membran aus Nafion (Tetrafluorethanperfluorsulfaonylethylether)wirksamer als Diaphragma, lässt nur H 3 O + und Na + durch.Edukte: NaCl, H 2 O,Produkte: NaOH (28%), Cl 2 , H 2Vorteil: wenig Strom bei Wasserverdampfung, umweltfreundlicher, reines Cl 2 , H 2, NaOH = NaCl-freiNachteil: Teuer → Membran geht schnell kaputt, mehr KW/t NaOH für Elektrolyse38.) Chlor-Alkali Elektrolyse: Erklärung Amalgamverfahren, Vergleich mit MembranzelleSiehe 36, 37 + Grafik39.) Chlor-Alkali Elektrolyse: Erklärung Membranzelle, Vergleich mit AmalgamzelleSiehe 38 + Grafik40.) Herstellung von Hypochlorit, Chlorit, Chlorat, Perchlorat (in Schlagworten)a) Hypochlorit: 2 NaOH + Cl 2 → NaClO + H 2 O + NaClBei niederer Temperatur (30-40°C) Einleitung von Cl 2 in NaOH.(1 : 2 Cl 2 :NaOH ) elektrolyt. Herstellung möglich, nicht rentabelb) Chlorit 2 ClO 2 + 2 NaOH + H 2 O 2 → NaClO 2 + O 2 + 2 H 2 O (tech. Herstellung)elektrolyt. Herstellung noch nicht gelungenc) Chlorat: NaCl + 3 H 2 O → NaClO 3 + 3 H 2Herstellung durch Elektrolyse und Konvektion. C-Anoden 40-45°C, für Metall-Anoden 60-80°Cd) Perchlorat: NaClO 3 + H 2 O → NaClO 4 + 2H + + e -Elektrolyse meist Pt-Anoden, Stahl Kathoden 35-60°C; 5-7 V in Betontrog26

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab41.) Salzsäure: Herstellung (Prinzip, Beschreibung der Anlage, ZusammenhangDichte / Konzentration)1. Schritt Herstellung des Chlorwasserstoff-Gasesa) 2 Stufen:NaCl + H 2 SO 4 → HCl + NaHSO 4 20 °CNaCl + NaHSO 4 → HCl + Na 2 SO 4 800 °CNebenprodukt bei Sulfatherstellung im Sulfatofen mit Gasheizungbeheizter Kessel NaCl mit H 2 SO 4 umgesetzt → HCl Gasb) C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HClChlorierung von z.B. Benzol im Chlorierkesselc) Cl 2 + H 2 → 2 HClKochsalzelektrolyse chem. reine HCl.Es entsteht H 2 + Cl 2 und NaOH. Gas getrennt gefangen abgekühlt mit H 2 SO 4 (Chlor noch extra mitWasser) gewaschen und dann im Quarzrohrbrenner mit einem Brenner umgesetzt.2. Schritt Absorption von HCl mit Wasser zur SalzsäureAbsorptionsturmunten 100% HCl-Gas (0 °C), oben H 2 O (100 °C)im Gegenstrom -> unten 35% HCl (60 °C)Zusammenhang Dichte / KonzentrationDichte [g/cm³] 1,05 1,08 1,16 1,19Konzentration [%] 10 16 32 35zunehmender Konzentration HCl im Wasser nimmtauch die Dichte der Lösung zu42.) Die 4 wichtigsten Metallchloride (keine Alkalien/Erdalkalien): Herstellungsverfahren, Weiterverarbeitung,Verwendung der Chloride und seiner Folgeprodukte1. AlCl 3 :USA: 2 Al + 3 Cl 2 → 2 AlCl 3 bei 800 °CBASF aus Bauxit + Phosgen in Wirbelschicht-Schachtofen, AlCl 3 von FeCl 3 durch sublimieren getrennt.(Al 2 O 3 + x Fe 2 O 3 + CO + Cl 2 → AlCl 3 + FeCl 3 )Verwendung: Organik (Friedel-Craft)2. FeCl 3 : 2 Herstellungsverfahren1) Schrott + Cl 2 im Schachtofen umgesetzt2 Fe + 3 Cl 2 → 2 FeCl 32) in wässriger FeCl 3 -Lösung Fe auflösen und danach oxidierenFeCl 3 + Schrott FeCl 22 FeCl 2 + Cl 2 2 FeCl 3sublimiert, gemahlen, gesiebt -> H 2 O reines FeCl 3Verwendung: Katalysator und als Flockungsmittel für die H 2 O-Reinigung27

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab3. TiCl 4 : Ilmenit (FeTiO 3 ) oder Rutil (TiO 2 ) mit Kohle gemischt und bei 700-1000°C mit Chlor umgesetzt.Verwendung: Im Krollprozess mit Mg-Metall, Herstellung von TiO 2 -Pigmenten durch Verbrennung.4. ZrCl 4 : Herstellung durch Behandlung von ZrO 2 oder ZrSiO 2 mit Kohle und Chlor bei 1000-1500°CVerwendung: Herstellung von Zirconium-organischen Verbindungen, Katalysator bei Friedel-Crafts-Reaktionen, Polymerisationen von Olefinen, Epoxiden und VinylmonomerenIst das wichtigste Zwischenprodukt bei der Zr-Metallgewinnung. Hf Abtrennung (bei Zr Brennelemten inder Kernenergie)5. SiCl 4 + SiHCl3:1) Cl 2 , SiO 2 + C (Schachtofen)2) FeSi, SiC und Cl 2 im Fließbettreaktor bei 500 – 1000°C3) Reaktion zweistufig1. SiO 2 + C→ Si +CO 2 (Lichtbogenofen)2. Si + HCl → SiCl 4 /SiHCl 3 (Wirbelschicht)Verwendung: Herstellung von SiO 2 -Herstellung (Aerosil), Herstellung hochreinem Halbleitersilicium43.) Soda nach Solvay: Verfahrensprinzip, Ausgangs- End-, und im Kreislauf geführte Produkte,Reaktionsgleichungen und Bedingungen der einzelnen Verfahrensschrittea) NaHCO 3 ist schwer löslich und daher leicht abtrennbar (ginge mit KHCO 3 nicht)1) Kalkstein im Schachtofen umgesetztCaCO 3 CaO + CO 2CO 2 gewaschen, CaO für Ammoniak-RückgewinnungNaCl in Wasser gelöst, gesättigte Sole filtriert• Absorber: NH 3 in gesättigter Sole gelöst• im Fälltugm mit CO 2 in Kontakt NaCl + NH 3 + H 2 O + CO 2 NaHCO 3 + NH 4 Cl• NaHCO 3 ist unlöslich, filtriert im Drehfilter• kalzinieren zu Soda 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2• im Wärmetauscher: NH 3 rückgewonnen + rückgeführt• restlichen NH 4 Cl + hergestellte Kalkmilch (CaO + H 2 O) -> restlichen Ammoniak rückzugewonnenund als Nebenprodukt CaCl 2 -Lauge zu erhalten.b) Edukte: NH 3 , CO 2 , NaCl, CaCO 3 , H 2 O (NH 3 , H 2 O CO 2 wiederverwertet)Produkte: Na 2 CO 3 , (NaHCO 3 ) und CaCl 2c) Reaktionsgleichungen:NH 3 + CO 2 + H 2 O NH 2 HCO 3NaCl + NH 4 HCO 3 NaHCO 3 + NH 4 Cl2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2CaCO 3 CaO + CO 2 TCaO + H 2 O Ca(OH) 2 T2 NH 4 Cl + Ca(OH) 2 2 NH 3 + CaCl 2 + 2 H 2 O2 NaCl + CaCO 3 Na 2 CO 3 + CaCl 228

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab44.) Soda Herstellung (zwei aktuelle Verfahren): Für jedes Verfahren (Prinzip der Herstellung, wichtigeVerfahrensschritte, Ausgangs-, Kreislauf-, Endprodukte)a) Solvay-VerfahrenNaHCO 3 ist schwer löslich und daher leicht abtrennbar (ginge mit KHCO 3 nicht)Kalkstein im Schachtofen umgesetztCaCO 3 CaO + CO 2CO 2 gewaschen, CaO für Ammoniak-RückgewinnungNaCl in Wasser gelöst, gesättigte Sole filtriert• Absorber: NH 3 in gesättigter Sole gelöst• im Fälltugm mit CO 2 in Kontakt NaCl + NH 3 + H 2 O + CO 2 NaHCO 3 + NH 4 Cl• NaHCO 3 ist unlöslich, filtriert im Drehfilter• kalzinieren zu Soda 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2• im Wärmetauscher: NH 3 rückgewonnen + rückgeführt• restlichen NH 4 Cl + hergestellte Kalkmilch (CaO + H 2 O) -> restlichen Ammoniak rückzugewonnenund als Nebenprodukt CaCl 2 -Lauge zu erhalten.Edukte: NH 3 , CO 2 , NaCl, CaCO 3 , H 2 O (NH 3 , H 2 O CO 2 wiederverwertet)Produkte: Na 2 CO 3 , (NaHCO 3 ) und CaCl 2b) Trona-VerfahrenEdukte: Roh-Trona (aus Bergwerken)Kreiskauf: Schwachlauge, MutterlaugeProdukt: Na 2 CO 329

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab45.) Was versteht man unter dem Begriff MetallUnter dem Begriff Metall sind „Elemente“ mitGuter Verformbarkeit (elastisch, plastisch)3. METALLURGIEhoher elektrischer Leitfähigkeit, abnehmend mit Temperaturerhöhung(Metalle sind Leiter 1.Klasse Ag -> Cu - > Au)hoher Wärmeleitfähigkeitmetallischem Glanz (Sichtbares Licht wir absorbiert und reemittiert außer Cu & Au und einigeLegierungen)Metalle sind in Wasser unlöslich. (Metallionen sind löslich)Bilden mit anderen Metallen Legierungen Manche Metalle sind ferromagnetisch (Fe, Ni, Co, Gd, NFeB, SmCo 5 )Metalle brennenSchmelzpunkt: Hg (-39 °C) und W (3422 °C)Dichte (Li = 0,5 g/cm³ – Os = 22 g/cm³• metallischer Charakter nimmt im PSE nach links unten zu• Eigenschaften durch Valenzelektronen (Elektronengas, Energiebandmodell) sowie Kristallstruktur(Gefüge & Gefügebaufehler) bedingt.• nur s-Metalle -> rein metallische Bindungen• d-Metallen haben stark gerichtete Bindungen -> nicht mehr rein metallische Bindung sondern schonstark kovalent.46.) Nenne Sie die wesentlichen Auswahlkriterien für die Metallgewinnung und beschreiben Sie die formalenVoraussetzungen für die Reduktion eines Oxides.a) Welches Gewinnungsverfahren wird angewandt:hängt von ΔG(p,T) seiner Verbindungen ab. am WICHTIGSTEN (je negativer ΔG desto mehr Emuss reingesteckt werden.geforderte DurchsatzleistungEnergieverfügbarkeit und Preis des ReduktionmittelsReinheit des zu gewinnenden Metallschemische und physikalische Beschaffenheit des Ausgangsstoffesgewünschte Nebenprodukte (z.B.: Tantal, Au bei Cu-Gewinnung)AbfallverwertungUmweltverträglichkeitb) ΔG des Produkts < ΔG des Edukts -> Reaktion findet nur dann stattM + ½ O ↔ MO ΔG 1 < 0R + ½ O ↔ RO ΔG 2 < 0 ΔG 2 < ΔG 1 R (Reduktionsmittel)MO + R ↔ M + RO ΔG < 0 (ΔG 2 - ΔG 1 )30

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab47.) Pyrometallurgische Reduktionsverfahren in der Metallgewinnung:Beschreibung der 5 Grundtypen (C, H2, Metallothermie, thermische Zersetzung, Röstreduktion) anhand vonBeispielen aus der industriellen Praxis; ReduktionsgleichungM + ½ O ↔ MO ΔG 1 < 0R + ½ O ↔ RO ΔG 2 < 0 ΔG 2 < ΔG 1 R (Reduktionsmittel)MO + R ↔ M + RO ΔG < 0 (ΔG 2 - ΔG 1 )a) Carbothermische ReduktionIndirekt: MO + CO ↔ M + CO 2 bis 900 °C (exotherm)Direkt: MO + C ↔ M + CO (endotherm)Boudouard-Gleichgewicht: CO 2 + C ↔ 2 COüber 900 °C wird CO 2 wieder zu CO reduziert.• Reduktionskraft des Kohlenstoffs steigt unter Vakuum.• mit manchen Metallen Carbidbildung (z.B.: Ti, V, W,…)• Chloride und Sulfide sind nicht reduzierbar• Durchführung in Schüttgutreaktoren, Schachtöfen, Drehrohröfen.z.B. Fe, Sn, Zn, As, Sb, Si,…b) Reduktion mit H 2Reduktionskraft abhängig von Feuchte (Reinheit), d.h. Verhältnis pH 2 zu pH 2 O. Je trockener desto besser.Nur bis 1450 °C - Cr 2 O 3 (trockenerer H 2 geht nicht)Ausgeführt in Drehrohröfen, Wirbelschicht,...z.B. Mo, W, Re, Ni, Fe, CoMO + H 2 → M + H 2 O31MCl 2 + H 2 → M + 2 HClc) MetallothermieFür schwer reduzierbare, kohlenstofffreie Sondermetalle und Stahlveredler angewandt.Verdrängungsreaktion, bei der das Oxid/Halogenid durch ein unedleres Metall reduziert wird.Nachteil: Vakuum oder Schutzgas nötig, teures reduziertes Metall.z.B. Ti, Zr, Hf, UTiCl 4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl 2 (Kroll-Prozess)d) thermische ZersetzungBildung des Oxids ist nur wenn ΔG < 0. Me + O 2 → MeOΔG > 0, -> der Zersetzungsdruck höher als der Standarddruck -> Oxid zerfällt.Praktisch nur für Pt-Metalle + Hg + (Ag = nicht wirtschaftlich)Pt, Rh, Ir, Pd: 3 (NH 4 ) 2 MeCl 6 → Me + 2 NH 4 Cl + 16 HCl + 2 N 2 (330°C, N 2 )Hg: 2 HgO → Hg + O 2 2 HgS + O 2 → Hg + SO 2Ag: 2 Ag 2 O 2 Ag + O 2e) RöstreduktionMetalle die als sulfidische Erze vorkommen.Sulfid teils zu Oxid geröstet -> Oxid reagiert mit nicht umgesetztem Sulfid zum Rohmetall.Reduktionmittel: sulfidischer Schwefel S -> SO 2 oxidiert wird.z.B. Cu, Pb, Pd3 MeS + 3 O 2 → MeS + 2 MeO + 2 SO 2 MeS + 2 MeO → 3 Me + SO

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab48.) Richardson-Ellingham Diagramm: Erklären Sie an einer schematischen Zeichnung die wesentlichenZusammenhänge (ΔG, T) und erörtern Sie die Voraussetzung für eine carbothermische Reduktion.• Das Diagramm stellt eine Temperaturabhängigkeit der freien Reaktionsenthalpie dar.annähernd lineare Zusammenhänge erkennbar ΔG = ΔH - TΔS• Zersetzungsspannung zeigt, dass ALLE Elemente elektrochemisch herstellbar sind.ΔG° < 0; Oxide stabiler, steigende Temperatur -> Affinität zum nimmt Metall zu.Ausnahme: KohlenstoffVoraussetzung für die carbothermische Reduktion:• Affinität von C zu O nimmt zu• ΔG des Produkts < ΔG des Edukts -> Reaktion findet nur dann statt• ΔG° von 2 C + CO 2 ↔ 2 CO (Boudouard) < ΔG° Metalloxids• Metalloxide dessen Metall keine Carbide bildetz.B. Fe, Sn, Zn, As,…MO + CO → M + CO 2MO + C → M + CO• Mg könnte theoretisch auch reduziert werden• Es können auch Sulfide und Chloride in das Diagramm eingetragen werden.32

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab49.) Das Prinzip der carbothermischen Reduktion; direkte & indirekte Reduktion; Grenzen p,Ta) Carbothermische ReduktionIndirekt: MO + CO ↔ M + CO 2 bis 900 °C (exotherm)Direkt: MO + C ↔ M + CO (endotherm)Boudouard-Gleichgewicht: CO 2 + C ↔ 2 COüber 900 °C wird CO 2 wieder zu CO reduziert.• Reduktionskraft des Kohlenstoffs steigt unter Vakuum.• mit manchen Metallen Carbide-Bildung (z.B.: Ti, V, W,…)• Chloride und Sulfide sind nicht reduzierbar• Durchführung in Schüttgutreaktoren, Schachtöfen, Drehrohröfen.Beispiele: Fe, Sn, Zn, As, Sb, Si,…50.) Hydro- und elektrometallurgische Reduktionsverfahren in der Metallgewinnung mit Beispielen. Grenzender Reduktion aus wässrigen Lösungen aus der Sicht der elektrochemischen Spannungsreihe undReaktionskinetik (Überspannungen)1. Zementation: unedleres Metall (M1) verdrängt das edlere Metall aus der Lösung. E 0 von M 1 < M 2z.B. Zementation von Cu aus schwefelsaurer Lösung mit EisenblechschrottCu 2+ + Fe → Cu + Fe 2+2. Druckreduktion mit Wasserstoffhöhere pH-Werte und hoher H 2 -Druck steigern die Reduktionskraft des Wasserstoffs.z.B. Fällung aus ammoniakalischen Lösungen (Ni/Co-Trennung); Ni: 200°C, 20bar3. ReduktionselektrolyseDie an der Kathode zugeführten Elektronen reduzieren das Metall-Ion nachM z+ + z e - → M Den Zusammenhang liefert das Faraday’sche Gesetz.Für Leichtmetalle ist die elektrochemische Äquivalentmasse sehr nieder, was in einem hohenspezifischen Stromverbrauch resultiert. Die Zellspannung besteht dabei aus Zersetzungsspannung,Überspannung und Spannungsabfall durch den Badwiderstand, wobei Zersetzungsspannung von derStromdichte unabhängig ist, Überspannung und Badwiderstand mit steigender Stromdichte steigen3.1. SchmelzflusselektrolyseBei Standardpotentialen größer als -1V; vor allem Chlorid- und Fluoridschmelzen in Verwendung;wichtig ist hohe Leitfähigkeit der Schmelzen, Absenkung des m.p. da meist Arbeitstemperatur über m.p.des Metalls, auch muss der Dichteunterschied zur Abtrennung groß genug sein. Meist C-Anoden, daSenkung der Zersetzungsspannung durch teilweise Reduktion des Oxides und gute2 Elektroden. An der Kathode bildet sich das Metall, an der Anode wird Sauerstoff abgeschieden.Beispiele: Al, Na, Mg3.2. Elektrolyse in wässrigen Lösungentheoretisch nur für Metalle anwendbar, deren Standardpotential edler als -0,41V ist, ansonstenentsteht H 2 . Reaktion ist pH abhängig (Folien) bis max. – 0,824 (pH 14). Einige Metalle zeigen jedoch einehohe Überspannung für Wasserstoff, sodass das ganze bis auf ca. -0,8V verschiebbar ist. WässrigeReduktionselektrolysen verwenden Sulfat-Elektrolyten und Pb-Anoden, oder Ti-Elektroden mitEdelmetallbeschichtung zur Herabsetzung der Anodenüberspannung.33

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab51.) Die Reduktion mit H 2 : Grenzen für die pyro- und hydrometallurgische Reduktion.Pyrometallurgisch: MO + H 2 ↔ H 2 O + MDer Feuchtegrad ( 2 / 2) ist für die Reduktion wesentlich. Je trockener das Gas desto größer dieReduktionswirkung, bis 1450 °C Cr 2 O 3 (trockener geht es nicht)Wassergehalt wird in Form des Taupunkts angegeben.Voraussetzung: ΔG° H 2 O < ΔG° Oxid (Siehe auch Richardson-Ellingham Diagramm)HydrometallurgischHöhere pH-Werte und hoher H 2 -Druck steigern die Reduktionskraft des Wasserstoffs.Reduktion in wässrige-Lösung nur für Metalle bis Zn -> sonst H 2 -Bildungab einer Zersetzungsspannung von -0,41 V H 2 thermodynamisch stabil 2 H + + 2 e - → H 2tatsächlich aber durch Überspannung bis -0,8 V möglich.52.) Reinigungsverfahren für Rohmetalle: Beschreiben Sie die Verfahren anhand von Beispielen aus derindustriellen Praxis.a) Selektive Oxidation der MetallschmelzeFür Stahlindustrie und pyrometallurgische Verarbeitung der Gebrauchtmetalle von Bedeutung. O 2 in Formvon Luft, Reinst-O 2 oder festen O 2 -Trägern (z.B. NaNO 3 ) eingebracht. Oxidationsprodukte sind gasförmig,oder bilden feste/flüssige Schlacken.Auch selektives Chlorieren (z.B. für Au) verwendet.Rohmetall Entfernte Elemente Oxidationsmittel ReaktorFe C, Si, Mn (P) O2, Spühlgas AusblaskonverterCu S, Fe, Zn, Co, Sn, Pb Luft Flammofen, Konverterb) FällungsreaktionMetallschmelze (enthält gelöst S, O) Zusatzstoffe: binden O bzw. SRohmetall Zusatz Entferntes ElementFe CaO, CaC 2 , CaSi, Mg Mn SFe Al, Mg, FeSi, CaSi OFür Desoxidation und Entschwefelung von Stählen. Dabei entstehen fein disperse Sulfide/Oxide, welcheverschlackt werden.Auch zur Fällung in intermetallischen Phasen.z.B. As, Sb-Entfernung aus Sn mit Al → AlSb, AlAsc) EntgasungArbeiten im Vakuum oder unter Schutzgas (Ar, N); vor allem Entfernung von H 2 , beim Sintern (Wolfram),Umschmelzen im Lichtbogen (Titan) oder Kupferraffination (SO 2 Entfernung)d) Seigerntemperaturabhängiger Entmischungsvorgänge um Metallschmelzen unterschiedlicher Dichte bzw.Erstarrung zu erhalten. Auch fraktioniertes Schmelzen möglich.z.B. Entfernung Fe (Smp 1538 °C) aus Roh-Sn (Smp. 232 °C), Entfernung Ag aus Roh-Pb34

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabe) Elektrolytische RaffinationAnode besteht aus Rohmetall -> Reinmetall wird selektiv abgeschieden.Edlere Metalle werden nicht gelöst und fallen als Anodenschlamm an, unedlere gehen in Lösung oder fallenals Verbindungen aus.Konzentrieren im Elektrolyten durch Elektrolytaufbereitung verhindert.Rohmetall Elektrolyt entfernte ElementeCu Schwefelsaure Lösung Se, Te, Fe, Co, Zn, Sn, Pb,f) Destillation- Dampfdrücke der zu trennenden Metalle groß:einfache Destillation (Entfernung von Mg und MgCl 2 bei Roh-Titan)- Dampfdrücke klein:fraktionierte Destillation (Reinigung von Zn: Entfernung von Cd, Pb, Fe, Sn)Durch Vakuum bessere Verdampfungsleistung (z.B. Zn hat m.p. 906 °C)g) Stahlentgasungdurch das Vakuum entweichen die gelösten Gase N und H und CO wird freigesetzt (Aufkochen)die Konzentration des gelösten Gases ist proportional der Wurzel des Gasdrucks in der Atmosphäreh) ZonenreinigungArt des Umkristallisierens. Reinigung durch das Wandern einer Schmelzzone. Das Rohmetall wird mitInduktionsspulen spontan aufgeschmolzen, die Verunreinigungen bleiben in Schmelze.z.B. hochreines W, Halbleitermaterialien wie Si (7 neuner rein), In, Ge (9 neuner rein),…i) Elektro-Schlacke-UmschmelzverfahrenCaF 2 -hältiges Schlackenbad erfolgt Entschwefelung und Entfernung von oxydischen Verunreinigungennur für Qualitäts- und Edelstählej) LichtbogenumschmelzenDas zu reinigende Metall wird im Vakuum im Abschmelzlichtbogen von Verunreinigungen (Gasen) befreit.3 grundlegende Ziele: S raus durch Schlacke, Oxide weg, Gerichtete Schlackez.B. Entfernung von Rest-H 2 aus Tik) Chemische Transportreaktionen (Van Arkel –De Boer Verfahren)Bildung flüchtiger Iodide/Carbonyle bei geringen Temperaturen + Zersetzung bei hohen Temperaturen,Verunreinigungen reagieren nicht mit dem Iodz.B. Reinigung von Ni von Ti und Co (Mond-Verfahren)auf der kalten Seite:2 I 2 (g) + Ti (s) TiI 4 (g)wandern durch Diffusion zur warmen Seite:TiI 4 (g) Ti (s) + 2 I 2 (g)35

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab53.) Der Hochofenprozess zur Eisengewinnung: Erklären Sie die Wirkungsweise (mit schematischer Zeichnung),Ausgangsprodukte, Endprodukte, Temperaturverteilung• besteht aus einem Stahlpanzer mit feuerfestem Material, Gegenstromreaktor in Schachtbauweise• 20-40 m hoch, mit Übergicht bis zu 100 m.• von außen gekühlt, mit Sensoren versehen um Veränderung sofort zu bemerken.Edukte:- Fein bzw. Feinsterze: müssen zu Stücken geformt werden, z.B. Drehteller zu Pellets, brennen, dannverschiffen (geschieht an der Lagerstätte) – Sinn = Wirtschaftlichkeit des Hochofens- Koks: wichtige Kenngrößen: Festigkeit (45 m Höhe aushalten), Feuchtigkeitsgehalt, Schwefelgehalt- Luft: mit 3-4 Winderhitzter auf 1000-1350 °C geheizt, Druck bei 3-5 bar mit ca. 20-200 m/sProdukte:- flüssiges Roheisen (Fe + C (4,5-4,7%)) -> Stahlverarbeitung- Schlacke (FeO, MnO, Al 2 O 3 , SiO 2 CaO, …) – durch Schlackenbilder begünstigt. (nimmt dieVerunreinigung auf) -> Baustoff- Gichtgas (CO, CO 2 , H 2, etwas N 2 ) -> BrennstoffReaktionen: (links CO rechts H 2 )3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 (Hämatit -> Magnetit) 3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 OFe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2 (Magnetit - > Wüstit) Fe 3 O 4 + H 2 → 3 FeO + H 2 OFeO + CO → Fe + CO 2 (Wüstit -> elemt. Fe) FeO + H 2 → Fe + H 2 O36

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabBoudouard-Gleichgewicht:C + CO 2 ↔ 2 CO> 1000 °C: aus CO 2 + Koks entsteht CO, es sieht so aus als würde der feste Kohlenstoff das Erz direktreduzieren.Direkten Reduktion FeO + C → Fe + CO (endotherm)< 1000 °C: das Gleichgewicht stellt sich nicht mehr ein, d.h. das CO 2 wird nicht mehr zu CO reduziert. Das imÜberschuss entstandene CO reduziert das Eisenoxid→indirekte Reduktion (exotherm).- kurze Kontaktzeiten -> keine vollständige Einstellung der Gleichgewichte.Zusammensetzung des Feststoffes und des Gases wird durch die Kinetik bestimmt.- Erzstück von außen nach innen reduziert, wodurch ein poröser Eisenschwamm entsteht.- Eisenschwamm (m.p. ~1540 °C) kohlt auf, erweicht (Eutektikum: 1147 °C), schmilzt undtropft durch die Koksschüttung. (3 Fe + 2 CO → Fe 3 C + CO 2 )- Kohlenstoff bei 2200-2300 °C zu CO 2 verbrannt welches sofort zum CO reagiertRoheisen (Fe, C, Mn, Si) besitzt ca. 1450 °CIm Kokskegel stellt sich permanent das Boudouard-Gleichgewicht ein = Direkte Reduktion. CO steigt dannauf und wirkt im Schaft dann als indirekte Oxidation.Koksfenster: stückweise Aufschichtung von Koks und Erz -> kommt zur Aufkohlung -> erreicht dannEutektikumTIPP: Bei der Prüfung reicht eine Kombination der 2 Bilder37

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab54.) Eisen: Vergleichen Sie den Hochofen mit alternativen Reduktionsverfahren: Prinzipien, Vorteile, NachteileReduktion im Hochofen hat einige Nachteile:- hohe Investitionskosten für Kokerei, Sinteranlagen und Hochofen- günstige Wirtschaftlichkeit nur für 5000 t/J Roheisen- große Abgasmengen- geeigneter Koks ist nur aus hochwertiger Kohle zu erhalten- höhere Anforderungen an den MöllerDaher alternative Verfahren mit folgenden Merkmalen:- günstige Wirtschaftlichkeit bei relativ kleiner Produktkapazität- vergleichsweise geringe Investitionskosten- Flexibilität in Bezug auf die Energieträger und Nutzung günstiger Reduktionsmittel- direkter Einsatz von Feinerz (keine Pelletierung)- direkter Anfall von Eisenschwamm bzw. Rohstahl (größter Vorteil weil KEIN bzw. wenigKohlenstoffaufnahme)a) DirektreduktionDirektreduktion: hier fällt Eisenschwamm an, mehr als 50 industriell eingesetzte Verfahren- Gasreduktion – meist Methan (Schachtofen, Wirbelschicht)Reaktionsgas (CO und H 2 2:3) reduziert hauptsächlich H 2 - z.B. Midrex-Verfahren- Feststoffreduktion (z.B. Braunkohle im Drehrohrofen)b) SchmelzreduktionSchmelzreduktion: erzeugt ein flüssiges Vorprodukt für die Stahlerzeugung, derzeit nur eingroßtechnisches Verfahren: COREX (österr. Verfahren)Beide Verfahren arbeiten ohne hochwertigen Koks. = billige Kohle55.) Corex-Verfahren zur Gewinnung von Roheisen: Ausgangsmaterialien, Verfahrensprinzip, Beschreibungder Anlage; Vorteile gegenüber HochofenEdukte: Eisenerz, (nicht verkoksbare) KohlePrinzip: Zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren in getrennten Apparaten (Vermeidung der Kohäsivzone)• Reduktion des Erzes zu Eisenschwamm mit minderwertiger Kohle z.B. Braunkohle• Einschmelzen mit Reduktionsgasen (CO und H 2 )Ablauf:• Nicht verkoksbare Kohle wird dem Schmelzvergaser direkt zugesetzt.• Bei T = 1100-1150 °C (oben) wird die Kohle vergast, wobei unerwünschte Nebenprodukte wie Teer,Phenole oder polycyclische KWs in ihre Bestandteile (CO 2 , CO, H2) zersetzt werden und so die Umweltnicht belasten• O 2 wird in Schmelzvergaser eingeblasen -> hochwertiges Reduktionsgas mit 95% CO + H 2 und 3% CO 2entsteht. Die Temperatur liegt im Wirbelbett bei 1600 bis 1700 °C.• Gas wird auf 800-850 °C abgekühlt, in einem Zyklon entstaubt und dem Reduktionsschacht zugeführt woeine Reduktion des Eisenoxids erfolgt.• Das Eisen wird dann dem Schmelzvergaser über Schneckenförderung zugesetzt• Abguss ähnlich wie beim Hochofen (1490 °C)• austretendes Topgas (übriges Reaktionsgas) -> gewaschen -> Verwendung: Heizen & Export38

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabVorteile:- Erz kann ohne Stückigmachen und Sinterung/Pelettierung eingesetzt werden- Gichtgas kann zur Direktreduktion (nach CO 2 -Entfernung) oder zur Gewinnung elektrischer Energieverwendet werden.- Keine Nebenprodukte wie Teer, Phenole, polycyclische KWs- Wirtschaftlich bei kleinen Mengen- Geringe Investitionskosten56.) Stahlerzeugungsverfahren: Prinzip der Verfahren; Entwicklung von der Bessemer-Birne zum LD-Konverter.ElektrostahlStahlerzeugung -> Herausfrischen (d.h. mit Luft Ausblasen) der Beimengungen (C, Si, Mn, P, S) aus demRoheisen und anschließendem Einstellen der Legierungszusammensetzung.a) Bessemer- und Thomas-Verfahren (veraltet):„Birne“ mit Roheisen gefüllt, Luft von unten geblasen.Bessemer-Birne: saure SiO 2 -Auskleidung (sauer, für P-armes Roheisen)Thomasbirne: basische Dolomit-Auskleidung (basisch, für P-reiches Roheisen)CaO.SiO 2 , CaO.P 2 O 5 und MnO bilden Schlacke. Exothermie der Oxidation genutzt. Kommen über den m.p.vom Eisen. 1-8 t /30 minC + O → COSi + O 2 + CaO → 2CaO*SiO 2Mn + O → [MnO]2 P + 5/2 O 2 + 3 CaO → 3 CaO * P 2 O 5S + CaO → CaS + Ob) Siemens-Martin-Ofen (=Herdfrischverfahren) (veraltet):kippbare beheizte Wannen (50 – 900t), von außen beheizt, kalte Luft vorgewärmt (1100-1300 °C) unddann eingeblasen, basisch oder sauer ausgekleidetAnwendung: für Roheisen, Eisenerz und Schrottweniger für die Stahlherstellung als zum Einschmelzen der SchrotteOxidationsmittel: FlämmgaseZeit: 8 hc) Sauerstoffaufblas-Konverter LD-Verfahren (fast ausschließe verwendet):Roheisen + Schrott und Kalk in einem Tiegel, einblasen von O 2 mit wassergekühlten Lanze,Temperatur 1350 °C von 1750 °C lokal auf bis zu 2000-2400 °C (über Zusatz von Kühlschrottgehaltkontrolliert)C-Gehalt bis auf 0.04-0.1% herausgefrischt, ca 1% Fe verdampft, anschließend Konverter umgelegt ->Stahl in Pfanne überführtBlasezeit: 12-20 min.Tiegel: früher offen heute geschlossen, Ausmauerung Dolomit o. Magnesit (bis 400 t), nur 15% gefülltExothermie kann so groß werden -> dass Kühlung erforderlichLDAC: mit O 2 Kalkstaub dazu -> für P-reiches EisenThomasschlacke (20-25% P 2 O 5 ) abgeschlackt, Zweitschlacke (25-30% FeO) rückgeführt39

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabd) Elektrolichtbogenofen:Hauptsächlich als Einschmelzaggreagt für Schrotte bzw. Eisen-Schwamm, erzeugt hochwertigen StahlGeheizt über 3 Graphitelektroden, Temperaturen bis 8000 °C (Lichtbogen).ca. 150 Schmelzen durchgeführt dann Ofen neu ausgekleidetZeit: 0,8-2,5 h Leistung: bis 1000 kVA/t 150-300 V100% fester EinsatzFrischen ist durch eine Einblaselanze möglich.a) Induktionsofen:Einschmelzen von Schrott im Tiegel über Spule (über Wechselstromfeld wird Wärme durchWirbelströme erzeugt)gute Homogenisierung der Schmelze. Frequenzbereich (niedrig, mittel, hoch)57.) Erklären Sie das LD-Verfahren. Prinzip, Verfahrensablauf, Interpretation einer typischen Abbrandkurve.Roheisen + Schrott und Kalk in einem Tiegel, einblasen von O 2 mit wassergekühlten Lanze,Temperatur 1350 °C von 1750 °C lokal auf bis zu 2000-2400 °C (über Kühlschrott-Zusatz kontrolliert)C-Gehalt auf 0.04-0.1% herausgefrischt, ca. 1% Fe verdampft,Anschließend Konverter umgelegt -> Stahl in Pfanne überführtBlasezeit: 12-20 min.Tiegel: früher offen heute geschlossen, Ausmauerung Dolomit o. Magnesit (bis 400 t), nur 15% gefülltExothermie kann so groß werden -> dass Kühlung erforderlichLDAC: mit O 2 Kalkstaub dazu -> für P-reiches EisenThomasschlacke (20-25% P 2 O 5 ) abgeschlackt, Zweitschlacke (25-30% FeO) rückgeführtAbbrandkurve:Zusammenhang zw. Schmelze + Blasezeitunedle Elemente (Si, Mn,…) brennenschneller ab als C.S und P durch Schlackebildner gebunden.Prozess zu Ende, wenn C gewünschteKonzentration erreicht hatAblauf40

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab58.) Stahlnachbehandlung: Erläutern Sie die Begriffe Desoxidation, Entschwefelung, Entgasung (Prinzip,Durchführung)Nachbehandlungen um jeweilige Reinheit bzw. Zusammensetzung zu erhalten.In Pfannen (Stahltiegel mit basischer Auskleidung; Fassungsvermögen: 300t) durchgeführta) Desoxidation: Al oder Ferrosilicium senken den O 2 -Gehalt auf 100 ppm (FeSi) bzw. 10 ppm (Al). DasAbscheiden der Oxide wird durch Zugabe von Ca oder CaO beschleunigt. Weiterverarbeitung unterLuftausschluss um Reoxidation zu verhindern z.B. CaO-Schlacke (Entschwefelt auch noch)b) EntschwefelungCaC 2 o. CaO für Entschwefelung auf < 0.0001%, S-Ausscheidungen = Zähigkeitsvermindernd.c) Entgasung im Vakuum C + O 2 -> CO, H 2 entfernt.59.) Fe-C-Diagramm (Zeichnung und kurze Phasenerklärung); Bedeutung des Eutektikums für die Eisen- undStahlgewinnungEutektikum: γ-Fe + C ↔ Schmelze 3 Phasen im Gleichgewicht.2 Eutektika Fe/C und Fe/Fe 3 C (1147 °C 4,3% )Eutektoid: γ-Fe ↔ α-Fe + Fe3C (723 °C, 0,8%)Peritektikum: γ-Fe ↔ δ-Fe + Schmelze (1493 °C, 0,2%)41

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabSchmelze: bezeichnet die flüssige Fe-C-Legierung. Oberhalb der Liquiduslinie ist die gesamte Legierungflüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie nur zum Teil.δ-Ferrit: liegt zwischen 1392 °C und 1536 °C vor; Mischkristallγ-Fe, Austenit: max. Löslichkeit von C von ca. 2.06%, Mischkristallα-Ferrit: liegt bei < 911 °C vor, MischkristallZementit: stöchiometrische Verbindung Fe 3 C 1320 °C, 6,67%Perlit: lamellar angeordnetes Gefüge, Phasengemisch aus Ferrit und ZementitLedeburit: eutektisches Gefüge; Phasengemisch aus Austenit und ZemetitStahl = < 2.06% CKühlt man eine Fe-C-Schmelze mit < 2.06% C ab, so erhält man Austenit, welcher gut verformbar ist.Kühlt man eine Fe-C-Schmelze mit > 2.06% C-Gehalt ab so erhält man zum Teil eutektoidischeZusammensetzung, es entsteht brüchiges Gusseisen. Welches aus mehreren Phasen besteht (Ledeburit).(~Bedeutung des Eutektikums)Bedeutung des Eutektikumses kann der Eisenschwamm aufgekohlt werden bis zum Eutektikum (4,3% Fe 3 C) dadurch aufschmelzenbei 1147 statt 1536 °C60.) Aluminiumgewinnung: Ausgangsmaterialien, Bayer-Verfahren (Produkte, Reaktionsbedingungen);Schmelzflusselektrolyse (Beschreibung der Elektrolysezellen)42

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabBayer-Verfahren: Auflösung von Bauxit (Al(OH) 3 , AlO(OH), Eisenoxide, Kaolinit) mit NaOH unter Bildungvon Na-Aluminat:AlO(OH) + NaOH + H 2 O → Na[Al(OH) 4 ]240-280 °C, 40-80 bar, 3 h Autoklav, 10 min Strömungsrohrnach Abfiltrieren des Rotschlamms (Fe, Si, Ti) -> Filtrat verdünnt, abgekühlt und mit Al-Hydroxidangeimpft -> Ausfällung von Al(OH) 3 -> Filtration + waschen -> Entwässerung des Hydroxids(Drehrohröfen, Wirbelschichtaggregat (ca. 1100 °C)) 2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O(Rotschlamms noch 20-30% an nicht aufgeschlossenem Al)Na[Al(OH) 4 ] → Al(OH) 3 + NaOH -> Natronlauge wird rückgeführt → Kreislaufprozess!Schmelzflusselektrolyse (Hall-Heroult)2-8% Al 2 O 3 in Kryolithschmelze (Na 3 [AlF 6 ]) gelöst (Dichte 2,1 g/cm³), 940-980 °C, Gleichstrom, 4-5 VC-Kathode (unten) scheidet sich flüssiges Al (Dichte 2,3 g/cm³) ab und wird abgesaugt.C-Anode wird durch Oxidation zu CO/CO 2 verbraucht (0,5 kg/kg Al).Zusätze von AlF 3 , CaF senken die eutektische Temperatur, LiF erhöht Leitfähigkeit und Energieausbeute.Elektrolysezelle: bewegliche Elektroden (Söderberg-Elektrode oder gebrannter KalkStromausbeute: 85-95% Lebensdauer: 4 Jahre Abgase: HF (ca. 40% des F)AnodeKathodeAl 2 O 3 → 2 Al 3+ + 3 O 2-Al 3+ +3 e - → Al3 O 2- → 3/2 O 2 + 6 e -C + O 2 → CO 2C + CO 2 → 2 CO61.) Das Röstreaktionsverfahren zur Gewinnung von Kupfer; Prinzip des Schwebeschmelzens und Verblasensim Konverter.Prinzip: Cu-Sulfide über Flotation angereichert (auf 20-30% Cu) Kupferkies (CuFeS 2 ) -> chemische Energie gespeichert -> wird benutzt um das sulfidische Konzentrat(CuFeS 2 , Cu 2 S, FeS 2 ) in einer Teilröstung zu einer „Steinphase“ oder „Matte“ und diesauerstoffhaltigen Begleitelemente zu einer Schlackenphase aufzuschmelzen „Schwebeschmelzen“ exotherme Teilröstprozess für den endothermen Schmelzprozess genutzt Rösten mit Luft, beim Erschmelzen erfolgt Vorabtrennung des Eisens (höhere Affinität zum Sauerstoff–> selektive Oxidation), geht zum Teil in die SchlackeOutokumpu-Ofen:Erzkonzentrat getrocknet (= keine zusätzliche Energie), vorgeheizte Luft mit Erz in Schacht eingeblasen ->treten mit starken Turbulenzen aus -> aber es entsteht gleichmäßige abwärts gerichtete Strömung.Während des kontinuierlichen Reaktionsablaufs liegen die schmelzflüssigen Teilchen als disperse Phase„schwebend“ in der heißen Gasphase als Dispersionmittel vor -> SchwebeschmelzenRöstreaktion: 2 CuFeS 2 + 13/2 O 2 → 2 CuO + Fe 2 O 3 + 4 SO 2 ΔH=-971 kJ43

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabKonzentrationen wichtig weil sonst Ofensau -> Ofen muss bergmännisch abgebaut werdenVerzettelung: Metalle die in alle 3 Phasen gehen: Stein (Matte), Schlacke, AbgaseVerblasen im Trommelkonverter: Luft seitlich eingeblasen, Blasen in die Steinphase (Cu, Rest-Fe, S, Au, Pt-Metalle) weil hier die Reaktionswärme entsteht.Konverter drehbar -> Steinphase immer weniger & Schlacke immer mehr -> zweistufig verblasen.1. Stufe: Eisen weitgehend entfernt (Schlackenblasen):Cu 2 O + FeS → Cu 2 S + FeO (Stein -> Spurstein)2 FeS + 3 O 2 -> 2 FeO + 2 SO 2 | 2 FeO + SiO 2 -> Fe 2 SiO 42. Stufe: Spurstein - Cu 2 S (80% Cu) zu Kupfer verblasen (Garblasen - Schwefel als Reduktionsmittel)Cu 2 S + 2 Cu 2 O -> 6 Cu + SO 2 -> flüssiges KupferGarblasen = eigentlich Röstreaktion (durch Optimierung exotherme betriebsweise möglich)62.) Die pyro- und hydrometallurgische Raffination des Rohkupfers (kurze Beschreibung der Prozessstufen)a) pyrometallurgische Raffination (in 3 Schritten)1. Feuerraffination: (selektive Oxidation)Wichtig um Elektrolyse zu entlasten, erfolgt in Flammöfen oder Trommelöfen,Begleitelemente werden nach folgender Gleichung entfernt: Cu 2 O + Me → 2 Cu + MeOFe, Co, Zn, Sn, Pb verschlacken, Ni, As, Sb, Bi verzetteln, Se, Te bleiben im Kupfer.- Oxidationsperiode: „Braten“, Luft eingeblasen & Schwefel auf 50 ppm gedrückt (Überoxidation),Inkaufnahme von Cu 2 O-Bildung- Reduktionsperiode: „Polen“, Holzstämme (unter Kupferschmelze gedrückt) -> entweichenderWasserdampf bewirkt gute Durchwirbelung + Zersetzungsgase wirken als ReduktionsmittelPolen in 2 Stufen:- Dichtpolen: SO 2 + Polgasen entweichen- Zähpolen: Polgase reduzieren Kupferoxid zum Kupfer44

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab2. Raffinationselektrolyse: 0,3V; 200-300 kWh/t CuCu zur Anode (99,2% Cu) gegossen, Elektrolyt (CuSO 4 -H 2 SO 4 -Lösung), Kathode (Feinkupferblech)Anode löst sich auf und bildet Anodenschlamm (Edelmetalle, Se, Te)Kathode scheidet sich 99,99% Kupfer ab. (Anodenreise 20-30 Tage, 170 – 380 kg))2 Cu + ↔ Cu 2+ + Cu 0 (Disproportionierung)2 Cu + + 2H + + ½ O 2 ↔ 2 Cu 2+ + H 2 O (Oxidation durch Luft, Verbrauch H 2 SO 4 )Cu 2 O + 2 H + ↔ 2 Cu + + H 2 O (Cu 2 O –Auflösung, Verbrauch H 2 SO 4 )3. Umschmelzen der Kathoden und Gießen in Formatenb) hydrometallurgische RaffinationVorteil: durch spezielle Anpassung, hohe Selektivität und Vermeidung der SO 2 -Bildung.Nachteil: durch schlechtere Ausbringung der Edelmetalle, sowie langsameren Lösungsvorgang.1. Röstung Erze werden oxidierend, sulfatisierend und chlorierend geröstetSO 2 + ½ O 2 ↔ SO 3MeO + SO 3 ↔ MeSO 4MeO + MeSO 4 ↔ MeO*MeSO 42. Laugungsverfahren- H 2 SO 4 (2-10%) für Oxide, Carbonate, Sulfate, Silikate- Eisen(III)-Salzlösung wenn sulfidischer Anteil vorhanden- ammoniakalische Lösung für oxydische Erze mit säurelöslicher Gangart.Wichtig ist die Regenerierbarkeit des Lösungsmittels.Laugung auch mit Hilfe von Bakterien (Thiobacillus thiooxidans) möglich3. Anreicherung mittels Extraktion schwefelsaure Cu-Lösungen werden mit einem Chelat-Komplexbildner (LIX 64) in eine organische Phase selektiv extrahiert und daraus rückextrahiert4. Zementation Lösungen sind schwefel- oder salzsauer, das Zementkupfer schwankt zwischen 60und 90% Cu5. Elektrolyse unlöslicher Anoden (Hartbleianoden oder Ti + Edelmetallbeschichtung wegen O 2Überspannung), Cu kathodisch an Cu-Blechen abgeschieden und umgeschmolzen. Reinheitsgradgleich, Stromverbrauch 10 x höher.63.) Titan-Herstellung: Ausgangsstoffe, Verfahrensschritte (Gleichungen, Bedingungen, Anlagen)Edukte: TiO 2 (Rutil), FeTiO 3 (Ilmenit)Chlorierung: TiO 2 + Cl 2 + 2 C → TiCl 4 + 2 CO exotherm ∆H= -771 kJbei 900-1200 °C (Wirbelschicht), Reaktoren mit Kohlenstoffsteinen ausgekleidet, zusätzlich beheizt(Reaktionswärme reicht nicht), Reaktionsgase: Cl 2 , CO, SiCl 4 , FeCl 3 VOCl 3 + Staub.Sprühkühlung mit flüssigem TiCl 4 (94%) -> Kondensation der schwerflüchtigen ChlorideReinigung: Vorwärmen, Filtration, Abtrennung leicht flüchtiger Chloride (< 136 °C) SiCl 4 (57 °C), SnCl 4(114 °C), Einrühren von Reduktionsmittel (Cu-Pulver, H 2 S, Ölsäure) -> V und Cr-Verbindungen in nichtflüchtigeVerbindungen (VOCl 3 -> VOCl 2 ), Rühren + Abscheiden bei 90 °C, Rektifikation TiCl 4 (136 °C),AlCl 3 (180 °C), FeCl 3 (319 °C)45

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabHerstellung eines Ti-Schwamms (KROLL-Verfahren):TiCl 4 (g) + 2 Mg (l) → Ti (s) + 2 Mg Cl 2 (l)∆H= - 450 kJ/Molzylindrischer gasbeheizter Reaktor mit oxidfreie Mg beschichtet + Schutzgas (Ar, He) auf 700 °C erhitzt,Mg schmilzt, von oben TiCl 4 eingetropft -> mit Mg zu Ti und MgCl 2 (T auf 850-900 °C), Titan bildet überMg-Schmelze einen festen Kuchen, geschmolzene MgCl 2 unter Mg abgezogen (Elektrolyse)Kapillarwirkung -> Mg durch den Kuchen an die Oberfläche regiert mit weiterem TiCl 4 .Lichtbogen mit Abschmelzelektrode:Titanschwamm geschnitten, gebrochen, hydraulisch verpresst,durch Elektronenstrahlschweißen (Plasmaschweißen) zuGroßelektroden verschweißt (können auch gleichLegierungselemente mit rein), im Lichtbogenofen im Vakuumumgeschmolzen, es entstehen Ti-Ingots, mehrmaligesumschmelzen (220 mm -> 350 mm -> 500 mm Ingots)Krollverfahren:44,4 kWh/kg Elektrolyse 25 kWh/kg Elektrolyse aufgrundder verschiedeneren Wertigkeiten des Titan schwierig ->immer wieder Rekreationen64.) Wolfram-Herstellung: Ausgangsstoffe, Verfahrensschritte bis zum W-Pulver(Reaktionsgleichungen,Bedingungen, Raffination und Reduktion)Ausgangsstoffe: Scheelit (Ca[WO 4 ]), Wolframit ((Fe,Mn)WO 4 ) oxidierte Schrotte (WO 3 , Wolframate)Alkalischer Druckaufschluss: mit NaOH oder Na 2 CO 3 bei ~200 °C und 10-26 bar -> Na 2 WO 4 (unrein)(Fe, Mn)WO 4 + 2 NaOH → Na 2 WO 4 + (Fe, Mn)(OH) 2CaWO 4 + Na 2 CO 3 → Na 2 WO 4 + CaCO 3Reinigung durch Fällung: Zusatz von Al-Mg-Sulfat bei pH = 8-11, 20-80 °C -> Fällung der Anionen (Silikate,Phosphate Fluoride), Zusatz von Na 2 S + H 2 SO 4 auf pH= 2,5-3 -> Fällung d. Schwermetallsulfide z.B. MoFlüssig-flüssig Extraktion: Wolfram wird als Hexawolframatkomplex mit tert. Aminen in organischePhase überführt. Anschließend mit Ammoniak in wässrige Lösung reextrahiert.5 R 3 NH + + [HW 6 O 21 ] 5- → (R 3 NH) 5 HW 6 O 21 pH 2-3(R 3 NH) 5 HW 6 O 21 + 5 OH - → [HW 6 O 21 ] 5- + 5 R 3 NH + OH pH 9-10Kristallisation: erhitzen NH 3 + H 2 O entweichen -> Ammoniumparawolframat (APW) kristallisiert(NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ]*4 H 2 O)Calzinierung: thermische Zersetzung des APW (Drehrohrofen, 400-800 °C) -> WO 3 (gelb), WO 3 -x (blau)(NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ]*4 H 2 O) → 12 WO 3 + 10 NH 3 + 10 H 2 OReduktion: H 2 im Drehrohr- oder Drehschubofen.über mehrere Stufen von WO 3 zu W (bis 100 nm kleine Wolframkörner über die Schütthöhe erzeugbar)WO 3 + 3 H 2 → W + 3 H 2 O (800 °C)46

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab65.) Einteilung der Formgebungsverfahren in der Metallurgie: Aufzählung der MethodenA) Direkte Formgebung1) Gießen (-> Lunkerbildung -> beruhigter/unberuhigter Stahl -> Seigerung/Konzentrationsgradient)-Blockguss-Strangguss-Formguss:- Sandguss- Kokillenguss- Spritzguss- Schleuderguss- Hohlguss- Feinguss2) Pulvermetallurgie (Pulver reiner oder legierter Metalle oder Pulvergemische)B) UmformprozesseMatritzenpressenPulverspritzguss1) Warmverformung (spanlose Formgebung)- Schmieden - Strangpressen- Gesenkschmieden - Warmwalzen2) Kaltverformung (spanlose Formgebung)- Kaltwalzen - Ziehen - Blechumformung- Schrägwalzen - Tiefziehen - Drahtseilherstellung- Fließpressen - Richten - Explosionsumformung3) Spanende Formgebung- Drehen - Fräsen - Bohren66.) Metall-Gieß-Verfahren: Auflistung der Methoden, Vor- und Nachteile in Schlagwortena) Blockguss (Kokillenguss) statisch fallender Guss (Kokille von unten verschlossen indem sie auf Platten gestellt wird,Schmelze wird von oben eingefüllt)Blockoberfläche schlechter, Arbeitsaufwand geringer, Ausbringung höher statisch steigender Guss (Gespannplatten dienen als Aufstellungsort für die Kokillen, Schmelzewird durch Rinnen von unten in die Form gedrückt)Gegenteil fallender Guss + gleichmäßige Befüllung aller Kokillen+ verschiedene Formen- Lunker-Bildung, stärker Steigung- Nachbearbeitungb) Stranggussin eine Kokille, bei der das Gussstück nach unten abgezogen wird. Dadurch kann ein theoretischunendlich langes Gussstück entstehen Vertikalanlagen: benötigen große Raumhöhe (40m), Anlage 20m Biege-Richt-Anlage: Block wird gebogen, anschließend gerichtet und getrennt. Kreisbogenanlage: Gekrümmte Kokille, Stützrollen biegen den Strang gerade. Horizontaler Austrittund trennen. Horizontalanlagen47

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab+ Automatisierung möglich+ Guss kleiner Teile erspart das teure Blockwalzwerk+ geringer Platzbedarf+ 15% höhere Ausbringung (keine Kopf-und Fußverluste)+ Primärgefüge auf Grund schnellerer Erstarrung gleichmäßiger+ geringe Seigerung+ weniger nichtmetallische Einschlüsse- schwer auf andere Form umrüstbar- Nachbearbeitungc) Formguss:+ führt direkt zum Werkstück, ohne wesentliche formgebende NachbearbeitungSandguss:+ für fast alle Legierungen verwendbar- Form nur 1x verwendbar- SchwindungKokillenguss:+ mehrere 1000 Abgüsse pro FormSchleuderguss: rotationssymmetrischer Gusstücke+ Lunkerfreiheit+ hohe Festigkeit+ große Stückzahlen+ Einsparung von Kernen- stärkere Verdichtung- Schwereseigerung (Schlacke reichert sich an Innenseite an)Spritzguss:+ hohe Maßgenauigkeit (Gewinde und Bohrungen können mitgegossen werden+ feinkörniges Gefüge mit erhöhter Festigkeit durch rasche Abkühlung- erst ab ~300 Stück wirtschaftlichHohlguss: Niedrigschmelzende Legierungen werden in Formen gegossen und nach Erstarrungder äußeren Schicht wird der noch flüssige Kern herausgegossen.+ geringes Gewicht+ keine Lunker- meist nur für Zierobjekte (Belastbarkeit fehlt)Feinguss: für sehr genaue und komplizierte Teile aus schwer bearbeitbaren Werkstoffen+ hervorragende OF-Beschaffenheit+ hohe Maßgenauigkeit- Aufwendig- Teuer- Hohlräume sind schwierig einzubringen48

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab67.) Metallguss: Erklärung der Begriffe Lunker-Bildung, Seigerung und beruhigter/unberuhigter Stahla) Lunker-Bildung: Erstarren -> Volumenkontraktion -> am oberen Ende des Gussblocks entsteht einHohlraum (= Lunker), abhängig von Kokillenform + gießender LegierungBlockhauben verringern die Abkühlgeschwindigkeit -> weniger Lunker.b) Seigerung:Konzentrationsgradient von Verunreinigungen, die sich an Erstarrungsfront anreichern (bleiben inSchmelze gelöst, im Blockinneren und oben sind meist höhere Konzentrationen der Verunreinigungenc) Beruhigter/unberuhigter Stahl:Wenn im Stahl noch O 2 vorhanden, entsteht beim Erstarren CO -> bildet Gasblasen im Gussblock oder eskommt zum „Kochen“ (Gasblasen steigen auf).unberuhigten („viel“ O 2 ), halbberuhigten („weniger“ O 2 ) beruhigten Stahl (kaum O 2 )Beruhigen mit Al, Mg, FeSi, …68.) Blockguss und Strangguss: Allgemeine Vor- bzw. Nachteile. Beschreiben Sie die unterschiedlichen Typenbeider Verfahren, sowie ihre Vor- bzw. NachteileBlockguss:Vorteile: nicht-metallische, schädliche Anteile der Schmelze können in den oberen Teil des Gussblocksaufsteigen und sich dort sammeln, durch Abtrennen des Kopfes schließlich entferntNachteile: die Ausbringung bei der Weiterverarbeitung ist durch die Kopfseigerung grundsätzlichgeringer als beim StranggussStrangguss:Vorteile ca. 15% größere Ausbringung als beim Blockgießen, weil „verlorene Köpfe“ wegfallendurch rasches Erstarren lassen sich Seigerung und Lunker-Bildung weitgehend vermeidenNachteile: bei stark oxidationsempfindlichen Schmelzen kommt es zur Bildung von Oxid-Häutchen, diezu Gussfehlern führena) Blockguss siehe Frage 66b) Strangguss siehe Frage 6669.) Feinguss: Prozessschritte bis zum fertigen Gussteil, Vor-bzw. NachteileEntwurf für das WerkstückHerstellen eines Wachs/Polystyrol-Modell, manuell oder automatischTauchen des Modells in einer flüssigen Keramikmasse, anschließender SandüberzugAusschmelzen durch H 2 O-Dampf und anschließendes Brennen der KeramikGießen, solange die Maske noch glühtTrennen des Werkstücks von der Maske, Schleifen, PutzenÜberprüfung+ für sehr genaue und komplizierte Werkstücke aus schwer bearbeitbaren Werkstoffen+ Liefert hohe Maßgenauigkeit+ hervorragende Oberflächen- für jedes Werkstück muss eine Maske angefertigt werden- viel manuelle Arbeit- teuer- Hohlräume sind schwierig einzubringen49

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab70.) Fehlerbeseitigung bei Gussblöcken: Aufzählung und Prinzipien der einzelnen Verfahrena) Putzen: Beseitigt flächenhafte Fehler + Risse, lokal + für ganze Oberfläche geeignet.- spanend (Hobeln, Drehen, Schleifen, Fräsen) – entfernt Kanten, Graten- flämmend (mit Sauerstoff-Heizgasflamme wird die Oberfläche von warmen/kalten Stückennachbearbeitet) – entfernt Risse etc. Schichtförmiger Abtrag, auch für ganze Oberflächeb) Entzundern: Entfernung von Oxidschichten (Zunder, Hammerschlag, Abbrand).- mechanisch (Bürsten, Trommeln, Strahlentzundern, Hochdruckzunder mit Wasser)- chemisch (Beizen, elektrolytisches Beizen für Band und Drahtentzunderung - kontinuierlich)erwünscht: Metall-Oxid + Säure -> MSalz + Wasserunerwünscht: M + Säure -> MSalz + H 271.) Pulvermetallurgie: Verfahrensschritte, Vorteile, Erklärung von Sinternzur Herstellung metallischer Werkstücke aus reinen, legierten und Metallpulvergemische.Herstellung des Pulvers durch Zerkleinerung fester, Zerstäubung flüssiger Metalle, oder durchReduktion von Oxidpulvern sowie thermische Zersetzung von Metallverbindungen.Mischen, granulieren zur Vorbereitung für FormgebungPulver in Pressformen (Matrizen) zu Formkörpern (Pressling = Grünling)Sintern (= Glühbehandlung) der Formkörper unter Schutzgas, Vakuum oder GasgemischSintertemperatur = 2/3 bis ¾ Schmelztemperatur.Sintern und Pressen in einem Schritt möglich (Heißpressen / Drucksintern)+ Maßgenaue Werkstücke aber auch Rohlinge lassen sich herstellen+ Hochschmelzende Metalle (W, Mo, Ta) -> kompaktiert werden+ hohe Stückzahl + Verbund von Stoffen möglich die mit Gussverfahren nicht herstellbar sind (z.B.Hartmetalle)Sintern:normalerweise reine Festkörperreaktion -> keine Schmelzphase (manchmal Aufschmelzen derBestandteile), treibende Kraft: Grenzflächenenergie der PulverkörnerMechanismus -> Platzwechselvorgänge (Oberflächendiffusion, Volumendiffusion, Adhäsionskräfte)zunächst Halbbildungen an Berührungsstellen der Körner (Pulver hat große Oberfläche = viel Energie) ->Oberfläche + Oberflächenenergie verringert (Grenzfläche s/s hat weniger Energie als s/l)Lücken werden dann durch Platzwechselvorgänge an der Oberfläche aufgefüllt -> streben EnergieMinimum an -> Körper schrumpft (verdichtet), bei Einstoff-Systemen ab ca. 0,8 TSSintern DefinitionWärmebehandlungsverfahren, bei dem das nicht oder lose gebundene Pulverhaufwerk ausreichendverdichtet und die gewünschte Zusammensetzung annimmt- Summe der vorwiegend physikalischen (od. chem.) Vorgänge, die zu teilweisen oder vollständigenAuffüllen des Porenraums führen- Wärmebehandlung unterhalb des Schmelzpunktes des Pulverhaufwerks (zumindest unter dem derHauptkomponente)50

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab72.) Metallumformprozesse (spanlose Formgebung): Einteilung und Aufzählung der Verfahren, UnterschiedWarm- zu Kaltverformung.Unterschied:Kaltverformung = unterhalb der Rekristallisationstemperatur -> Kaltverfestigung, mit steigenderVerformung immer größer Kräfte nötig, muss irgendwann kristallisiert werden um weiter zu verformen-> sonst Bruch (immer mehr Versetzungen eingebracht), Gefüge -> deutliche Verformung, zurFestigkeitserhöhung, keine Verzunderung, Verformungsdichte erhöhtWarmverformung = oberhalb der Rekristallisationstemperatur -> immer volle Verformungsfähigkeit, oftEntstehung grober Gefüge, Gefahr der VerzunderungWarmverformung: Schmieden, Gesenkschmieden, Strangpressen, WarmwalzenKaltverformung: Kaltwalzen, Schrägwalzen, Fließpressen, Blechumformung, Richten, Ziehen, Tiefziehen,Explosionsumformung, Drahtseilherstellung73.) Herstellung von Rohren (5 Verfahren): Prinzipien der Herstellungsverfahren, Vor- und Nachteilea) Strangguss: Schmelze in Kokille gegossen -> Gussstück durch konischen Dorn nach unten abgezogen,theoretisch ein unendlich langes Gussstück möglich,d.h. ein Rohr wird geformt, dass durch Walzen weiter bearbeitet wird (z.B. im Durchmesser verringert)+ kontinuierliches Verfahren, unendlich lange Rohre, nahtlos, gleichmäßiges Abkühlen, hohe Qualität- Nachformung (Walzen, etc.)b) Schleuderguss:Schmelze wird in eine rotierende Kokille eingebracht. -> Zentrifugalkraft -> Schmelze nach außengeschleudert und erstarrt dort -> nimmt Form der Kokille anWandstärke ist abhängig von der Menge der Schmelze+ für hohe Stückzahl geeignet, Lunker frei, hohe Festigkeit, nahtlos, kein Dorn nötig- Schwereseigerungc) Strangpressen:glühendes Ausgangsstück wird mittels hydraulischer Presse durch eine ringförmige Matrize gepresst.+ Simpel, nahtlos- Rohre ungenau in den Dimensionen, ergibt wellige, leicht verformbare Produkted) Schrägwalzen:2 doppelt-konischen Walzen, laufen gleichsinnig, befördern Material zum Dorn, umfließt den Dorn,weil Walzen kegelförmig -> fließen äußere Schichten stärker -> HohlkörperbildungDer Dorn glättet die Innenoberfläche.dickwandige Rohre mit großem Durchmesser werden durch Ziehen über einen Dorn weiterverarbeitet.+ hohe Mengenleistung, hohe Stückfolge, hohe Form- und Maßgenauigkeit, nahtlos- meist Weiterverarbeitung nötig,e) Ziehen:Umformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur -> Verfestigung. Das zu verformende Ziehgutwird durch eine Öffnung (Ziehhol oder Ziehmatrize) gezogen -> Querschnittsverminderung undStreckung+ hoher Durchsatz, hohe Präzision51

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab74.) Ziehen, Fließpressen, Tiefziehen, Explosionsumformung – beschreiben Sie diePrinzipien und die Einsatzbereiche dieser Verfahren.a) Ziehen:Umformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur -> Verfestigung. Das zu verformende Ziehgut wirddurch eine Öffnung (Ziehhol oder Ziehmatrize) gezogen -> Querschnittsverminderung und StreckungAnwendung: Stangen, Profile, Präzisionsrohre, Drähteb) Fließpressen:Metallteile im kalten Zustand zum Fließen gebracht, mit einem Pressstempel in einen offenes Gesenkgepresst wobei das Material mit oder gegen die Stempelbewegung fließen kann.Anwendung: Tuben, Hülsen, Becher, Dosen, - aus Materialien guter Verformbarkeit (Cu, Al, Pb … )c) Tiefziehen:Bleche in einen Ziehring eingespannt und durch den Druck eines Stempels zu Hohlkörper verformt,oft mehrstufige Verformungen mit Zwischenglühungen notwendig.Anwendung: Hülsen, Näpfe, Behälterd) Explosionsumformung:ähnlich dem Tiefziehen, Umformung durch die Druckwelle einer Explosion (Luft oder H 2 O als Medium)für Teile komplexer Geometrie + hohem Bedarf an Genauigkeit, wirtschaftlich bei geringen Stückzahlen.Anwendung: Luftfahrtindustrie, Raketenbau52

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab4. GLAS, BAUSTOFFE, KERAMIK75.) Erläutern Sie den Begriff Bindemittel und deren Einteilung, nennen Sie je 1 BeispielBindemittel: pulverförmige, anorganisch-nichtmetallische Stoffe, die beim Anmachen mit Wasser + festenZuschlagstoffen einen Mörtel oder Beton bilden, der zunächst formbar ist und nach einer gewissen Zeitsteinartig erhärtet.Sie können gröbere und feinere Körner verkittenMörtel < 4mmBeton > 4 mmEinteilung:a) Temperaturbehandlung bei der Herstellung• in natürlicher Form: Ton, Lehm• bis zur Entwässerung (ca. 200 °C): Gips• bis zur Entsäuerung (ca. 1000 °C) Kalk• bis zur Sinterung (ca. 1500 °C): Portlandzement• bis zur Schmelze (ca. 1900 °C): Schmelzzementb) Art der Erhärtung & Eigenschaften der erhärteten Bindemittel• Nichthydraulisch (Luftbinder)• selbstständige Erhärtung (Baugipse, Lehm), Härtung durch austrocknen -> Lehmchemische Reaktion des Bindemittels mit dem Anmachwasser (Gips)• unselbständige Erhärtung (Luftkalk, Magnesiumbinder)Reaktionskomponente von außen nötig z.B. CO 2 beim Luftkalk.• Hydraulisch• An-sich-hydraulische Erhärtung (Portlandzement, Tonerdezement) reagieren sofort mitWasser und bilden wasserbeständige Hydrate und Hydroxide• Latent-hydraulische Härtung (Hydraulische Kalke, Hüttenzement, Vulkan- und Flugasche)benötigen Anreger als Zusatz (alkalisch -> Kalk bzw. sulfatisch -> Gips) zum Aushärten.76.) Kalk: a) Definition, Vorkommenb) Erläuterung der Herstellung und Reaktionen, nennen Sie mind. 2 Brennaggregatea) Definition: technischer Qualität CaO & Ca(OH) 2Vorkommen: CaCO 3 (Calzit), CaMg(CO 3 ) 2 (Dolomit), Marmor/Kreide.b) Abbau - > bergmännisch -> erfolgt durch Sprengung, anschließend wird das Material gebrochen,gesiebt, gewaschen und klassiert. Durch das Brennen entsteht Branntkalk.CaCO 3 →CaO + CO 2 (T > 900 °C)• Brenntemperatur abhängig von Verunreinigungen• Eigenschaften hängen von Brenntemperatur & Verweilzeit im Ofen ab• lange Verweilzeiten + hoher Temperatur -> Festphasenreaktionen -> weniger reaktionsfähigenKalk (=totgebrannter Kalk) -> CaOgebrannter Kalk wird gesiebt, gemahlen (Prall-, Hammer-, Rollenmühlen).für Bauzwecke wird er gelöscht (mit H 2 O umgesetzt)53

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabEinteilung: stark exotherme ReaktionCaO + H 2 O -> Ca(OH) 2 (-1200 kJ/kg)• Trockenlöschen so viel Wasser zugegeben, -> die chemische Umwandlung in Ca(OH) 2liegt aber als Pulver vor (bis 300 °C)• Nasslöschen stöchiometrischer Überschuss an Wasser -> entsteht ein Kalkbrei oder Kalkmilch,-> direkter Einsatz als Mörtel (CaO + H 2 O → Ca(OH) 2 ) - optimale Temperatur < 100 °CGeschwindigkeit ist abhängig von OF, Struktur, Schutzschichten, Temperatur, Zusätze (verzögern -Gips, Sulfat, NaOH bzw. beschleunigen - Chloride)Abbinden: gelöschter Kalk nimmt CO 2 aus der Luft auf -> fester, harter Kalk entstehtBrennaggregate:Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O (langsam)• Schachtofen: Koksbeheizter Schachtofen: Koks und Kalkstein gemischt und oben aufgetragen,von unten Luft im Gegenstrom dazu, CO 2 entweicht und geht oben ab, Branntkalk wird untenentnommenNachteil: wenig energieeffizient• Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativofen (energiesparendster Typ) 90-95% der therm. Energiewird genutzt: Luft im einen Schacht im Gleichstrom, im anderen im Gegenstrom geführt,Kalkstein ca. 15 min im Gleichstrom, dann im Gegenstrom gebrannt• Drehrohrofen: für alle Kalkqualitäten, schwefelreiche & aschereiche Brennstoffe verwendbar• Ringschachtofen (für weichgebrannten Kalk, zwei Brennerebenen, nicht so gut wieDrehrohrofen)77.) Kalk: a) Beschreiben Sie die Begriffe Kalklöschen und Abbinden. Was ist dabei zu beachten?b) Nennen Sie mindestens 4 Verwendungsmöglichkeiten von Kalk.a) Kalklöschen bezeichnet das Umsetzen von CaO mit H 2 O zu Ca(OH) 2 , -> für Bauzwecke notwendigstark exotherme Reaktion, Ca(OH) 2 -> basisch -> kann spritzen -> VerätzungCaO + H 2 O -> Ca(OH) 2 (-1200 kJ/kg)• Trockenlöschen so viel Wasser zugegeben, -> die chemische Umwandlung in Ca(OH) 2liegt aber als Pulver vor (bis 300 °C)• Nasslöschen stöchiometrischer Überschuss an Wasser -> entsteht ein Kalkbrei oder Kalkmilch,-> direkter Einsatz als Mörtel (CaO + H 2 O → Ca(OH) 2 ) - optimale Temperatur < 100 °CGeschwindigkeit ist abhängig von OF, Struktur, Schutzschichten, Temperatur, Zusätze (verzögern -Gips, Sulfat, NaOH bzw. beschleunigen - Chloride)Abbinden: gelöschter Kalk nimmt CO 2 aus der Luft auf -> fester, harter Kalk entstehtCa(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O (langsam)b) Baustoffindustrie (Zementproduktion, Gasbeton, Mörtel)Umweltschutz (Wasserreinigung, Abgasreinigung)Chemische Industrie (billige Base)Eisen und Stahlindustrie (Schlackebildung, Roheisen und Stahlerzeugung)54

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab78.) Gips: a) Welche Ausgangsprodukte werden verwendet, Erläuterungb) Herstellung der abbinde fähigen Produkte (2 Brennaggregate und mind. 2 Produkte)c) Erläuterung des Abbinde-Mechanismus, Verwendung von Gipsa) Ausgangsprodukte:• Naturgips: Rohgips aus bergmännischem Abbau (CaSO 4 )• Chemiegips: Nebenprodukt bei industriellen Prozessen z.B. Phosphor-, Flusssäureherstellung• Rauchgasgips: Entschwefelungsanlagen von Rauchgas (fossile Kraftstoffe, Reaktion von SO 2 mitCaCO 3 / Ca(OH) 2b) Herstellung:Abbau:• Naturgips im Übertagebau abgebaut, Lagerstätten meist gestört, Gips wird gebrochen,vorzerkleinert, klassiert (10 – 20 cm) zum Brennen in den Ofen• Chemierohgips kann hingegen sofort in die Ofenabteilung.Brennaggregate:• Drehrohrofen: Rohgips, Beheizung (Gleichstrom), Abluft entstaubt , Produkt mahlen, sichten• Großkocher: nasses Ausgangsmaterial, von unten beheizt (100 °C), Wasserdampf oben abgezogen,Produkt: Stuckgips: β-Halbhydrat• Rostbrandofen: Rohgips in versch. Korngrößen, nimmt im Ofen nach oben hin zu, von oben beheizt,-> oben heiß und trocken, und feuchter weniger heiß, 300-900 °CProdukt: Mehrphasengips• Autoklav: Natur- oder Chemiegips im Autoklaven bei 150°C, 4 bar über 4 Stunden unterNassdampfatmosphäre hergestellt. getrocknet bei 105 °CProdukt: α-Hydratgips -> Formgips- α-Hydratgips: Natur- oder Chemiegips im Autoklaven bei 150°C, 4 bar über 4 Stunden unterNassdampfatmosphäre hergestellt. getrocknet bei 105 °C = CaSO 4 ◦2H 2 O- Stuckgips: β-Halbhydrat aus Naturgips, im Drehrohr, Großkocher, trockenes Brennverfahren zw.120 und 180°C -> härtet schnell -> Fassadenstuck, Gipskarton = CaSO 4 ◦½ H 2 O- Putzgips: Mehrphasengips trocknet bei 200-800 °Cam Rostbandofen - > härtet nicht so schnell ->länger Verarbeitung möglich -> Innenputzc) Abbinde-Mechanismus Halbhydrat + Anhydrid unter Wasseraufnahme -> Dihydratentstehen Kristallnadeln -> verwachsen & verfilzen, Keimbildung & Keimwachstum wichtige Rolle.CaSO 4 + ½ H 2 O -> CaSO 4 ◦½ H 2 OCaSO 4 ◦½ H 2 O + 3/2 H 2 O -> CaSO 4 ◦2H 2 OAlterung: gebrannte Gipse nehmen aus der Luft Wasser auf -> Eigenschaften ändert sich -> deswegenkünstliche Alterung -> vor dem Brennen wird CaCl 2 0,2 wt% zugesetzt -> Eigenschaften bleiben beimLagern gleich.Verwendung• chemischen Industrie: Herstellung von Portlandzement, Ammoniumsulfat und Müller-Kühne-Verfahren (SO 2 -> Kontaktverfahren -> Schwefelsäure)• Gipskartonplatten, Verputzen, Lebensmittelindustrie (Tofu-Herstellung), Weißpigment55

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab79.) Gips: a) Definition von Gips,b) mindestens 3 Baugipsartenc) Reaktion bei Dehydrationa) DefinitionGips ist ein nichthydraulischer, mineralischer Bau bzw. Mörtelstoff der aus CaSO 4 mit unterschiedlichenMengen an Kristallwasser besteht.Man unterscheidet das Dihydrat, das Halbhydrat und das Anhydrid (3 Formen: I, II, III).- α-Hydratgips: Natur- oder Chemiegips im Autoklaven bei 150°C, 4 bar über 4 Stunden unterNassdampfatmosphäre hergestellt. getrocknet bei 105 °C- Stuckgips: β-Halbhydrat aus Naturgips, im Drehrohr, Großkocher, trockenes Brennverfahren zw.120 und 180°C -> härtet schnell -> Fassadenstuck, Gipskarton- Putzgips: Mehrphasengips trocknet bei 200-800 °Cam Rostbandofen - > härtet nicht so schnell ->länger Verarbeitung möglich -> Innenputzc) Reaktionen bei Dehydrationstufenweise Dehydration: Dihydrat → Halbhydrat → Anhydrid III → Anhydrid II- Halbhydrat und Anhydrid III sind metastabil -> unter 40 °C mit Wasser zu Dihydrat- Umwandlung zu Gips erfolgt sehr langsam, da Anhydrid sich gegenüber Wasser als weitgehendstabil erweist- Dihydrat unter trockener Luft oder Vakuum zu β-Halbhydrat bei 45-200 °CWasserabspaltung:Phasenumwandlung:CaSO 4 ◦2 H 2 O -> CaSO 4 ◦1/2 H 2 O + 3/2 H 2 OCaSO 4 ◦1/2 H 2 O -> CaSO 4 + 1/2 H 2 OAnhydrit III -> Anhydrit IICaSO 4 -> CaO + SO 3(ca. 100 °C)(ca. 200 °C)(400 °C)(ab 800 °C)80.) Zement: a) Definition, Rohstoffe, Brennprozess (Anlagenbeschreibung), Kühlung, Mahlungb) Beschreibung der Klinkerphasen (Name, Formel, wichtigstes Merkmal)a) Definition: Feingemahlenes, hydraulisches Bindemittel für Mörtel und Beton, das im Wesentlichenaus Verbindungen von CaO mit SiO 2 , Al 2 O 3 und Fe-Oxid besteht, die durch Sintern oder Schmelzenentstanden sind.Zement erhärtet mit Wasser angemacht sowohl an Luft als auch unter Wasser und bleibt fest. Er mussraumbeständig sein und eine bestimmte Zugfestigkeit aufweisen können.Rohstoffe: Kalkstein, Ton (oder Gemenge aus Kalk und Ton = Mergel), CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 und Fe-OxidBrennprozess:Drehrohrofen mit Zyklonvorwärmer bei 1450 °C, Drehrohrofen ist zum Kühler hin abfallend gelagert.Heißluft im Gegenstrom und oxidierender Ofenatmosphäre -> Zementklinker / brauner Klinker ->geringe FestigkeitBeheizung: Erdgas, Steinkohle-, Braunkohlestaub, Schweröl, Reifen, Tiermehl oder Kunststoffabfällen56

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabKühlung: Portlandzementklinker aus Ofen auf 100-300°C abgekühlt. entscheidender Schritt,- zu langsame Abkühlung: Alit -> Belit (unerwünscht -> eingefrorenes Schmelzgleichgewicht)- zu schnelle Abkühlung: Spannungsrisse = leichteres Mahlen, Festigkeitsverlust.Mahlung: in Kugelmühlen, Zementklinker mit etwas Gips und hydraulisch wirksamen Stoffen(Hüttensand, Flugasche) und/oder Kalkstein fein gemahlen und in Silos zwischengelagert.b) Beschreibung der Klinkerphasen (Name, Formel, wichtigstes Merkmal)• Alit: Tricalciumsilicat C 3 S (3 CaO x SiO 2 ) mit Fremdoxiden MgO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 ; Fremdoxidebeeinflussen hauptsächlich Eigenschaften wie Festigkeit. Er entsteht bei der Sinterung zwischen1250 und 1450° C unter 1250 °C -> C + C 2 S• Belit: Dicalciumsilicat C 2 S (2 CaO x SiO 2 ) mit Fremdoxiden. In Klinker mit hohem Kalkanteil wenigvorhanden, weniger fest als Alit. Übergang von β-C 2 S → γ-C 2 S führt zu Volumenszunahme um biszu 10% und somit zum Zerrieseln des Klinkers. Kann durch rasches Kühlen oder Fremdionenverhindert werden.• Aluminatphase: C 3 A (3 CaO x Al 2 O 3 ) (Celit), hohe Reaktivität, die durch Alkalien noch erhöht wird.Gebremst durch Gipszugabe als Erstarrungsverzögerung.• Ferritphase: keine konst. chemische Zusammensetzung, Mischkristalle, häufig C 4 AF (4 CaO xAl 2 O 3 x Fe 2 O 3 ), farbgebend für Zement81.) Zement: a) Chemische Umsetzung bei thermischen Behandlung von Portlanzement unterBerücksichtigung der Temperatur beim Vorwärmen, Brennen und Abkühlenb) Beschreibung der einzelnen Klinkerphasenb) siehe Frage 80 b)57

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab82.) Zement: a) Erläuterung der Rohstoffe, und der 3 Gesamtverfahren.b) 4 Zementarten mit den wichtigsten Merkmalena) Rohmehl: aus gemahlenen Kalkstein, Ton, Hüttensand Gips erhalten.• Nassverfahren: nass vermahlenes Rohmehl mit 30-40% Wassergehalt.Nachteil: höhere Energieeinsatz um das Wasser zu verdampfen.• Halbtrockenverfahren: trocken gemahlenes Rohmehl durch H 2 O-Zusatz zu Formlingenverarbeitet oder Nassschlamm entwässert.• Trockenverfahren mit Vorwärmer: größte Bedeutung, energiesparend.Rohstoffe werden getrocknet, zerkleinert, homogenisiert und vorgeheizt, dann bei 1000°C imGegenstrom ins Drehrohr eingebracht.b) Zementarten:• Hüttenzement: Portlandzement + Hüttensand & Gips• Eisenportlandzement: Portlandzement und 30% Hüttensand• Hochofenzement: > 30% Hüttensand• Tonerdezement: Kalkstein und Bauxit (für die Festigkeit)• Weißzement: Portlandzement mit geringem Fe-Anteil83.) Glas: a) Definition, Eigenschaften, chemischer Aufbau und Strukturb) Erläutern Sie die Begriffe Netzwerkbildner und Netzwerkwandler.a) Definition, Eigenschaften, chemischer Aufbau und StrukturGlas umfasst jene Stoffe, die strukturell einer Flüssigkeit ähneln, deren Viskosität jedoch beiUmgebungstemperaturen so hoch ist, dass sie als feste Körper anzusehen sind.Überbegriff = VitroideEigenschaften:• Glas ist spröde (besteht aus ionischen Bindungen, dadurch nicht so gut verformbar -> Brüche geheneine kleinen und kleinsten Oberflächenverletzungen Kerbstellen als Rissauslöser aus), kann durchAbätzen oder Druckvorspannung verhindert werden• optisch: gute optische Eigenschaften – Bezug auf BrechungsindexAbbe‘sche Zahl: < 50 Flintgläser (gute Dispersion)> 50 Krongläser (schlechte Dispersion)enthalten oft La 2 O 3 , ThO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 sind aber sehr weich somit zerkratzbar• elektrisch: im festen und trockenen Zustand ein ausgezeichnetes Dielektrikum und Isolator• chemisch: gegen Chemikalien sehr widerstandsfähig, nur HF und Alkalischmelzen lösen Glas, H 2 Ohingegen laugt es aus.• thermische:Kalknatronglas a = 8-9 ppm/KDuranglas a= 3,3 ppm/KAlkalioxdide -> setzten Wärmeausdehnung hinaufB 2 O 3 setzt sie herab58

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabchemischer Aufbau:• keine definierte chemische Zusammensetzung• keinen definierten Schmelzpunkt• strukturell: unterkühlte, eingefrorene Flüssigkeit -> Neigung zur Kristallisation -> Entglasung ->Keimbildung• aus Oxiden zusammengesetzt (meist 3 Gruppen)1.Gruppe: Anionenoxide oder Netzwerkbilder, welche aus der Schmelze glasartig erstarren,z.B. B 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 , P 2 O 3 ,…2.Gruppe: Alkalioxide als Flussmittel und um den m.p. zu erniedrigen, z.B. Na 2 O, K 2 O, Li 2 O3.Gruppe: Erdalkalioxide als Stabilisatoren, wodurch Gläser unlöslich werden (Wasser kannes nichtmehr auslaugen) z.B. MgO, CaO, BaO, Al 2 O 32 + 3 Gruppe werden Netzwerkwandler genanntGläser: Nahordnung aber keine FernordnungAufbau von SiO 4 -Tetraedera. periodischer Aufbau des Bergkristallsb. fehlende Fernordnung beim Aufbau des Kieselglasc. Aufbruch des Netzwerks durch Netzwerkwandlerz.B Natronkieselsäureglasb) Netzwerkbildner, NetzwerkwandlerNetzwerkbildner: erstarren glasig-amorph & bilden dreidimensionale Netzwerke,häufigster Netzwerkbildner ist SiO 2 , das ein ungeordnetes, dreidimensionales Netzwerkeckenverknüpfter SiO 4 -Tetraeter bildet.Netzwerkwandler: „brechen“ das Netzwerk auf -> verändern Gefüge & Eigenschaftenim Falle der vierwertigen Si-Ionen wirken andere an sich netzwerkbildende Ionen wie Bor, Aluminiumoder Phosphor als Netzwerkwandler.je kleiner der Ionenradius, desto stärker die Aufspaltung auf die Ordnung der SiO 4 -Tetraeder84.) Erläutern Sie die Begriffe Färben, Entfärben und TrübenFärben: Beruht auf Lösung oder chemischer Bindung von Metalloxiden im Glas oder auf Ausbildungkolloidaler Teilchen im Glas = Anlauffarben.Farbe hängt auch von der Oxidationsstufe & der Art der Ofenatmosphäre (red./ox.)(Fe(II) – Blau, Fe(III) – Gelb -> Mischung: Grün) abAnlauffarben: bei Temperaturen um 550 °C erzeugt, haben färbende Oxide bei rascher Abkühlung keineZeit zum Auskristallisieren.Entfärben: Verfärbung von Weißgläser wegen Fe-Oxiden (leichten blaugrün) FeO = blau; Fe 2 O 3 = gelb)Entfärbung in 2 Schritten:1. Schritt: Oxidation zu Fe(III), (FeO -> Fe 2 O 3 ) dadurch nur leichter Gelbstich (chemische Entfärbung)2. Schritt: restlose Entfärbung durch Komplementärfarben (physikalische Entfärbung), Se rosa, CoOblau. entfärbte Gläser sind lichtempfindlich -> Rückfärbung -> Stabilisation PbOTrüben: Einlagerung von heterogenen, kleinen Teilchen, z.B. NaF, CaF 2 , SnO 2 , TiO 2Scheiden sich erst beim Abkühlen ausAnwendung: Beleuchtungsglas, Wandplatten.59

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab85.) Glas: a) Erläuterung der kontinuierlichen Glasherstellung (Rohstoffe, Glasschmelzstufen, Wannenofen,Glaskühlung)b) Nennen Sie die 5 traditionellen Glastypen und deren Verwendung.a) Rohstoffe:• Quarzsand (SiO 2 )• saure Glasoxide (Kieselsäure als Quarzsand, Borsäure, H 3 PO 4 )• basische Glasoxide (Soda, Pottasche, Kalk, BaCO 3 , Al 2 O 3 , ZnO, CdO, TiO 2 ,…)• Zuschlagstoffe (Färbung, Trübung)• Läuter-, Fluss- und Entfärbemittel• Glasscherben (Einglasscherben – Glasbruch, Altglas) 10-60%1. Gemengenherstellung- Quarzsand, Kalk, Soda- fein gemahlen und vermischt- bis zum 50% Glasscherben (Grünglas 90%)2. Schmelzvorgang- in Schmelzöfen bei ca. 1540-1600°C- Läuterung und Homogenisierung3. Formgebung- Glasschmelze auf 1000°C abkühlen um Glas zu formen- unterschiedlichste Verfahren der Formgebund4. KühlenSchmelzprozess in 5 Stufen: 1-2 Rauschmelze 3-4 Feinschmelze1. Silikatbildung:Hydrate, Hydroxide Nitrate, Carbonate, Sulfate in dieser Reihenfolge unter Gasentwicklungzersetzt. Zersetzungsprodukte reagieren miteinander -> silikatische Eutektika, Zersetzung durchWasser begünstigt800-900 °C bei soda- und Na 2 SO 4 -haltigen Gemengen deutlich höher2. Glasbildung: bereits während der Silikatbildungübriger Quarz löst sich in den geschmolzenen Silikaten, die Glasmasse ist inhomogen, 1200°CDauer -> bestimmt das GrößtkornGlasbildung durch Auflösgeschwindigkeit der festen Bestandteile in der Schmelze bestimmtje kleiner das Korn desto kürzer die LösezeitProblem: Glasmasse von Blasen durchsetzt und nicht homogen3. Läuterung: Temperaturerhöhung (1400 °C) -> Zähigkeit verringert -> Löslichkeit sinkt ->restlichen Gase ausgetriebenZugabe von Na 2 SO 4 , As 2 O 3 , Sb 2 O 3 und CeO 2 (begünstigen Läuterung durch Verdampfen) oder O 2 -Zugabe -> gelöstes Gas -> herausgestrippt, physikalisch mit NaCl, Bubbling4. Homogenisierung: Verweilen der Glasmasse bei hoher Temperatur um Ausgleich der chem.Zusammensetzung, Aufsteigende Blasen homogenisieren die Schmelze, Blasen werden großteilsabgebaut (einblasen von Luft oder rühren)5. Konditionieren (Abstehen) Schmelze ist für Formgebung zu flüssig, abkühlen auf 1200°C)6.60

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabWannenofen/Glasschmelzwanne früher dis-, heute kontinuierlicher Betrieb alle fünf Phasen spielen sich gleichzeitig ab Wanne 0,6-1,5 m tief und fast randvoll gefüllto Gemenge wird auf einer Seite aufgegeben = Schmelzwanneo Glasschmelze auf einer anderen entnommen = Arbeitswanneo Trennung durch Siphon oder Trennwand Betrieb bei 1500-1600°C in der Läuterzone Beheizung mit Erdgas, Erdöl oder elektrisch Auskleidung: Schamotte, schmelzgegossene Steine, Magnesiasteine, Zirkonsteine Temperaturmessung per Thermoelement oder PyrometerGlaskühlung: gleichmäßige, langsame Abkühlung -> Vermeidung von Spannungen durchunregelmäßige WärmeausdehnungIm Entspannungsbereich (400-600°C) können die Spannungen vom Glas selbst abgebaut werden.Trotz langsamer Abkühlung (Tage bis Monate) bleibt eine Restspannung zurück.b) Nennen Sie die 5 traditionellen Glastypen und deren Verwendung.• Alkali-Erdalkali-Silikatgläser: 72% SiO 2 , 13% Na 2 O, 6.5% K 2 O, 6.5% CaO, Al 2 O 3 , MgO, BaOVerwendung: Behälter-, Wirtschafts-, Flachglas.• Borosilikatgläser: 78% SiO 2 , 12.5% B 2 O 3 , 5.5% Na 2 O, 3 % Al 2 O 3Verwendung: chemisch technologisches Hohlglas, Rohrleitungen, techn. Anlagen• Bleisilikatgläser: 61.5% SiO 2 , 24% PbO, 14.5% K 2 O, 0.5% Al 2 O 3Verwendung: Wirtschaftsglas (Bleikristall), Schmuckglas• Alumosilikatgläser: 34% SiO 2 , 14% Al 2 O 3 , 7.5% B 2 O 3 , 22% CaOVerwendung: Glasseide, für hohe Einsatztemperaturen• Kieselglas („Quarzglas“): 100% SiO 2Verwendung: optische Industrie z.B. Küvetten.86.) Glas: Erläuterung der Formgebungsverfahren mit Anwendungsbeispielen.a) FlachglasZiehglasverfahren: Zylinderglasverfahren (lange Glaszylinder geblasen, aufgeschnitten undgebogen) wenig Bedeutung,• Fourcault-Verfahren (rechteckige, langgestreckte Keramikdüsen, Glas wird auf Oberflächegedrückt und quillt hervor, über Walzen gezogen nur für Dünngläser),• Pittsburghverfahren (Glas wird aus freier Oberfläche gezogen, unter der Ziehflächebalkenförmige Keramikkörper um die Kühlwirkung der Wasserkühler zu verstärken),• Libby-Owens (zuerst vertikal, dann horizontal, ohne Ziehstein)Floatglasverfahren: Glasschmelze auf Metallbad aufgegeben, Sn-Bad bis zu 60m lang, 600-1000 °C,höhere Dichte als die Glasschmelze, reagiert nicht mit Glas.z.B. Fensterglas verwendet für ca. 95% aller Flachgläser61

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabGussglasverfahren: Glas fließt aus Wanne zwischen ein Walzenpaar und wird zu einem endlosenBand geformt. Zur Herstellung von Ornamentglas oder DrahtglasSpiegelglasverfahren: Schleifen, Polieren von Flachglas, verdrängt von Floatverfahrenb) Hohlglas• Flaschenglas: früher mundgeblasen, heute maschinell, Vor- & Fertigform, Vorform: Kübel besitzt ingroben Zügen die Endform, Glas wird tropfenförmig zugeführt, in der Vorform festgeblasen undanschließend vorgeblasen -> überführt in Fertigform, rückerhitzt und ausgeblasen.• Pressglas: wirtschaftliche Herstellung,Hohlglas = Kalk/Natronsilicatgläser mit geringem Borsäurezusatzgefärbt = Cr 2 O 3 -> grün & Kohle -> braun (stark UV-absorbierend)Glas in metallische Hohlform gepresst dann mit Pressstempel geformt = Vorform -> dann in Endformaufgeblasen z.B. Autoscheinwerfer, Konservenglas• Beleuchtungs- und Wirtschaftsglasheute noch viel Handarbeit (Kelche, Vasen)Veredelung durch Schleifen und Polieren, Bemahlen, Bedrucken, Ätzen• Rohre und Stangen- Vello-Verfahren: mit Ziehdorn -> zuerst vertikal, dann horizontaler Umlenkung.- Danner-Verfahren: Glas fließt auf einer drehende Pfeiffe und wird anschließend zuGlühlampenkolben oder Laborglas gezogen.• Optische Gläserhochreine Ausgangstoffe (Fe, Cr) in Häfen aufgeschmolzen, heute auch in Pt-TiegelFlint und Krongläser• Glasfasern oder –wolle- Düsenblasverfahren: Düse aus Pt mit ca. 50-70 Nippel mit Dampfgebläse- Schleuderverfahren: Ausgeschleudert und einem Gasstrom ausgesetzt- Düsenziehverfahren: Faden wird aus Düsen durch rotierende Trommel gezogen• LichtleitfasernInnen hochbrechendes optische Glas -> Kern – Außen niedrigbrechendes Glas -> Mantelsoll homogen sein und geringe Lichtabsorption aufweisen- Stabrohrverfahren: 2 Stäbe ineinander gesteckt- Doppeltiegelverfahren: direkt; Schmelzen werden kombiniert- Ionenaustauschverfahren87.) Keramik a) Definition b) Eigenschaften c) Werkstoffgruppen + Erläuterunga) DefinitionKeramik ist ein Zweig der chemischen Technologie oder Hüttenkunde, der sich mit derHerstellung keramischer Werkstoffe und Weiterverarbeitung bis zum keramischen Erzeugnisbefasst. Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und zuwenigstens 30% kristallin.62

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabb) Eigenschaftenspröde, hoch temperaturbeständig, hohe Härte, hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, guteIsolatoren, gute chemische Beständigkeit, gute tribologische Eigenschaften, aber schlechteTemperaturwechselbeständig, geringe Zugbelastungc) Einteilung nach WerkstoffgruppenSilikatkeramiken:• großteils aus natürlichen Rohstoffen hergestellt (Tone, Schamotte, Kaolin, Feldspat,Speckstein als Silikatträger)• Beispiele: Stealit, Cordierit, PorzellanOxidkeramiken:• synthetische Rohstoffe mit hohem Reinheitsgrad• hohe Sintertemperaturen• Beispiele: Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgONichtoxidkeramiken:• synthetische Rohstoffe mit hohem Reinheitsgrad• hoher Anteil an kovalenten Bindungen, daher sehr gute mechanische Eigenschaften• Beispiele: SiC, Si 3 N 4 , AlN, B 4 C88.) Ziegel: a) Erläutern Sie Rohstoffe, Formgebung und Trocknung.b) Welche Vorgänge laufen beim Brand im Tunnelofen ab.a) Rohstoffe:• Ton, Mergelton, Tonstein, Schieferton, Lehm, Löss, Sand, alle Arten der Tonmineralien(Schichtsilikate)• Ca-, Fe-, Mg-Anteile• für Klinker zumeist Schiefer und Steinzeugtone• Zusatzstoffe: Polystyrol, Sägemehl, Papierschlamm, Braunkohle für Porosität undEnergiegewinnung beim Brand, Kalkstein, Fe 2 O 3 zur FärbungFormgebung:• Trockenpressen: 7-9 wt% Wasser, beim Befüllen der Matrize auf gute Entlüftung achten• Nasspressen: Masse muss plastische Eigenschaften haben• Steifpressen: gut plastische Massen und Schiefertonen, hohe Drücke.Vorteil: direkte Stapelung möglich,Nachteil: dünnwandige und hohe Produkte nicht möglich.• Strangpressen: Schneckenpresse mit Vakuumschritt dazwischen.Vorteil: kontinuierliches Verfahren mit hohen DurchsätzenNachteil: Texturbildung mit Trockenrissen• Stempelpressen: für Dachziegel und Bodenplatten (Fliesen)Trocknung Anmachwasser entfernt -> Schwindungzu schnell getrocknet -> Verziehen & RissbildungAggregate: Kammer und Tunneltrockner63

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raabb) Vorgänge beim Brand im Tunnelofenbis 120 °C: austreiben mech. geb. Wasser (bis 300 °C Wasserdampfaustritt problematisch)450-650°C: Zerfall der Tonminerale (Kristallwasser weg), Quarzsprung (α -> β Volumsausdehnung)700-900 °C langsam erhitzen, -> entweichenden Gasen brauchen Zeit (Kohle, Pflanzenreste, …)800 °C: Beginn der Verfestigung (Grenzflächenreaktionen)1000 °C: Erstes Auftreten von Schmelzphase1000-1500 °C: Verdichtung durch Bildung eine Schmelzphase (je nach Reinheit)> 1200 °C Schmelzen (je nach Reinheit)Garbrand: Bildung typische Eigenschaften des Ziegels -> Spitzentemperatur,Mauerziegel: sollen porös sein -> Einbau von Kalk -> darf aber nicht über 1060 °C -> Ausbildung vonCa-Silikaten (niedrig Schmelzend)Farbe: rot, Glasuren an der Oberfläche oder gefärbt mit Fe 2 O 3 , Ofenatmosphäre, mit MnO 2 etc.verschiedene Farben möglich89.) Porzellan: a) Definition, Besonderheit des Porzellans, Unterschied zum Steingut.b) physikalische Eigenschaftenc) Erläuterung von mindestens 4 Porzellantypen mit Anwendungsbeispielena) Porzellan ist das edelste feinkeramische Erzeugnis unter den tonkeramischen Produkten. Es istgekennzeichnet durch dichte, weiß verglaste Scherben, sowie bei dünnen Wandstärken durchdurscheinend transparentes Auftreten. (Besonderheit und Unterschied zu Steingut).physikalische Eigenschaften :• Weißgrad (abhängig von den Rohstoffen),• Wärmeausdehnungskoeffizient (beeinflusst durch die Modifikationsänderung von Quarz)• elektrischer Isolator• hohe Härte• Transparenz.b) 4 Porzellantypen mit Anwendungsbeispielen• Weichporzellan: 25% Kaolin, 30% Feldspat, 45% Quarz; Flussmittel erhöht. z.B. für französischesWeichporzellan, Sanitärporzellan, asiatischen Porzellan• Hartporzellan: 50% Kaolin, 25% Feldspat, 25% Quarz, vor allem fürAnwendungen, die Stabilität erfordern -> Geschirr• Tonerdeporzellan: hohe Festigkeit, Al 2 O 3 statt Quarz• Knochenporzellan: zusätzlich zur normalen Zusammensetzung 52% verglühteKnochenasche; gilt als das Edelste, für Kunst und Ziergegenstände• Zahnporzellan: hohe Feldspatgehalte• Frittenporzellan: unechtes Porzellan, kein Kaolin enthalten,Hauptbestandteil: Sand, Salpeter, NaCl, Soda64

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab90.) Porzellan: Rohstoffe, Herstellung, Brand, DekorationRohstoffe:• Kaolin: weiße Brennfarbe, Bildsamkeit, hohe Reinheit (Weißgrad), aufbereitete Kaoline (vonQuarzen, Feldspäten und Glimmer befreit) -> definierte Rohstoffzusammensetzung; chemischeFormel Al 2 O 3 *2 SiO 2 *2 H 2 O• Feldspat Kalifeldspat bevorzugt -> Schmelzverhalten, Viskosität und Temperaturabhängigkeit;bildet höher viskose Schmelzen; Natronfeldspat für Glasuren, FlussmittelKalifeldspat = K[AlSi 3 O 8 ] (Gerüstsilikat)Arkosen = feldspatreiche Sande (gleichzeitiges Einbringen von Feldspat und Quarz)• Quarz: begünstigt Trocknung, erhöht Viskosität beim Brand, Quarzsande und Gangquarte,Reinigung wichtig!• sonstige Rohstoffe: für technische Porzellane bis 40% Tonerde, Zirkonsand für hochfeuerfesteProdukte, Knochenasche, CalicumphosphatHerstellungRohrstoffe werden gemahlen, in Suspension überführt und entweder als Gießmasse verflüssigt oder alsDrehmasse entwässert, Formgebung durch Schlickerguss, Strangpressen, Trockenpressen, Garnieren).Das Trocknen erfolgt in Feuchträumen und das Gut wird im Anschluss glasiert und schließlich gebrannt.Brand: dient dem Dichtsintern und Aufschmelzen der Glasurteilweise zweifach gebrannt, dabei wechselt die Atmosphäre (oxidierend / reduzierend).Je nach Porzellan (Hart- oder Weichporzellan) erfolgt der Brand anders.1.Brand = Glühbrand: 900-1000 °C oxidierender Atmosphäre2.Brand = Glattbrand: 1200-1450 °C wobei Atmosphäre von Porzellan abhängig istHartporzellan - Aufheizperiode 20-900 ◦C oxidierend(verrauchte Scherben Kohlenstoffreste)- Oxidationsperiode 900-1000 ◦C oxidierend(restlicher Kohlenstoff verbrennt)- Scharffeuerperiode 1000-1450 ◦C reduzierend(nur solange wie die Poren offen sind)- Abkühlperiode neutral oder oxidierend (Für Elektroporzellan -> braune Farbe)Weichporzellan durchwegs oxidierende AtmosphäreSchwindung: bis zu 20%Dekoration:• Reliefaufbringen beim Gießen oder Drehen• Färben mit Metalloxiden (Atmosphäre beim Brennen sehr wichtig)• Unterglasdekor: unter Glasur VT: vor jeder Art von Angriff geschützt, NT: Farbe mussTemperatur beim Brennen aushalten• Aufglasdekor: Aufbringen nach Scharfbrand, VT: unbegrenzte Farbauswahl, NT: Farbenicht so gut geschützt• Inglasurdekor: Glasur erweicht bei 1300 °C und Farbe sinkt in Glasur sein• Schnellbranddekor: wie Inglasurdekor, bei ca. 1250 °C, Einbrennzeit auf 60-90 Min, sodass sichnicht die gesamte Farbe auflöst65

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab• Metalldekor: Auftragen und einbrennen von Gold oder Platin, poliert.91.) Porzellan: a) Definition und Eigenschaftenb) Unterschied zwischen Hart-und Weichporzellana) DefinitionPorzellan ist das edelste feinkeramische Erzeugnis unter den tonkeramischen Produkten. Es istgekennzeichnet durch dichte, weiß verglaste Scherben, sowie bei dünnen Wandstärken durchdurscheinend transparentes Auftreten.Eigenschaften :• Siehe Frage 89b) Der Unterschied zwischen Hartporzellan und Weichporzellan• Hartporzellan: 50% Kaolin, je 25% Quarz und Feldspat bei 1380 - 1460 °C gebranntHöhere TWB, härter, höhere Schlagbiegung,Anwendung: Geschirr, Figuren• Weichporzellan: 45% Quarz, 30% Feldspat und 25% Kaolin bei 1200-1300 °C gebranntEmpfindlicher gegen Temperaturschwankung, deutlich Stoßempfindlicher,Anwendung: Sanitärporzellan, asiatisches Porzellan66

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab5. RECYCLING92.) Erklären Sie die Begriffe und den Unterschied zwischen den Begriffen Recycling, Up-Cycling, Down-Cycling, Wiederverwerten.a) Recycling: Stoffliche Verwertung eines Altproduktes zur Herstellung eines Einsatzstoffes in einenanderen Prozessschritt oder zur Herstellung eines Sekundärrohstoff (Recycling-Alu).(Verschiedene)Güter werden auf die (selbe) stoffliche Ebene gebracht.Aufwand• Sammeln (verschiedene Güter)• Aufbereiten• Trennen (von Verunreinigungen, anderen Stoffen)• Reinigen auf Rohstoffqualität (evt. geringere Qualität als Primär-Rohstoff: Down-Cycling)Wirtschaftliche Triebfeder• Gesetzliche Norm (Verpackungsverordnung)• Energie/Primärrohstoff-Ersparnis (Kostenersparnis)b) WiederverwendenVerwerten eines Produktes in derselben Funktion nach Behandlung bzw. Reparatur (Pfandflaschen,Second-hand Ersatzteile).Aufwand• Sammeln (gleiche Güter)• Konditionieren (Reinigen, Reparieren,..)• WiedereinsatzWirtschaftliche Triebkraft• z.B. PfandRecycling unterscheitet sich von Wiederverwertung im Einsatzgebiet und der Wiedernutzbarmachung.Während Recycling einen Rohstoff oder Prozessstrom liefert, ergibt Wiederverwertung dasselbe Produkterneut gebrauchsfertig.c) Up-CyclingGewinnung eines höherwertigen Produktes aus verschiedenen Prozessströmen oder gebrauchtenAltprodukten (REA Gips)d) Down-CyclingStoffliche Verwertung eines Altproduktes zur Herstellung eines Sekundärrohstoffes oderSekundärproduktes geringerer QualitätDown-Cycling unterscheidet sich von Up-Cycling in der Qualität des Ergebnisses: Ein down-gecyceltesProdukt weißt mindere Qualität (Wert) als das Ausgangsprodukt auf, Up-Cycling läuft umgekehrt.93.) Was ist der Unterschied zwischen Recyclinganteil und Recyclingquote?Recyclinganteil (Sammelrate) S/A= Anteil des in der Zeiteinheit aus der Gesellschaft ausgeschiedenen Stoffflusses, der einerWiederverwertung zugeführt wirdEinflüsse auf Sammelrate:• Sammelmoral• Initiative zur Sammlung (Pfand o.ä.)=> für viele Materialien über die Zeit fast konstant67

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabRecyclingquote (Recyclingrate) R s /V= Anteil des rezyklierten Sekundärrohstoffs am Gesamtverbrauch in einer ZeiteinheitEinflüsse auf die Recyclingrate:• Rohstoffbedarf/preis• Vorhandene (akkumulierte) Altstoffmenge=> steigt für viele Materialien an weil der Altstoff zu Verfügung steht94.) Warum gibt es Grenzen für Recycling?Voraussetzung der stofflichen Verwertung:• Material erlaubt erneuten Einsatz in Primärproduktion• Gewinnung marktfähiger Produkte aus dem recycelten Material• getrennte Sammlung des Altstoffes• geringer Störstoffanteil des Materialstromes• ökonomisch konkurrenzfähig zum Primärrohstoff• ökologisch sinnvollGrenzen der stofflichen Verwertung:• Primärrohstoff ist wesentlich billiger• Emissionen aus Sammlung, Transport und Behandlung sind höher als beim Einsatz vonPrimärrohstoff• Offenaber: rechtliche Rahmenbedingungen können dennoch stoffliche Verwertung fordern!68

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab95.) Was ist der Inhalt der Verpackungsverordnung und des Abfallwirtschaftsgesetzes?Erläuterung des Begriffes Abfall• bewegliche Sachen (auch unbewegliche, wie belastete Böden)• Entledigungsabsicht (subjektiver Abfallbegriff) Einbringen in Container, Übergabe an Mistplatz• Behandlungsbedarf (objektiver Abfallbegriff) wenn deren Erfassung und Behandlung im öffentlichen Interesse geboten ist- Gefährdung der menschlichen Gesundheit und/oder Umwelt- Brand- oder Explosionsgefahr- Störung der öffentlichen Sicherheit- Erhebliche Beeinträchtigung des Orts- und LandschaftsbildesGrundsätze des Abfallwirtschaftsgesetztes (AWG)1) Abfallvermeidung (qualitativ und quantitativ)2) Abfallverwertung (stofflich, thermisch)• ökologisch sinnvoll• technologisch möglich• ökonomisch nicht unverhältnismäßig3) Abfallentsorgung (Vorbehandeln, geordnet Ablagern)Verpackungsverordnung• regelt den Umgang mit Verpackungen, die Vermeidung und Verwertung vonVerpackungsabfällen und die Einrichtung von Sammel- und Verwertungssystemen.• betrifft alle Wirtschaftsbereiche (Hersteller, Verpacker, Abfüller, Importeur, Letztvertreiber)• Betriebe verpflichtet Verpackungen zurückzunehmen - schwer realisierbar -> Gründung der ARA„Inverkehr-Setzer“ hat folgende Möglichkeiten:• Sicherstellen, dass Vorlieferanten od. Kunden die Verpackungen bei einemSammel-, und Verwertungssystem entpflichten• Sicherstellen, dass die Verpackungen von den Vorlieferanten od. den Kundengesammelt und einer zulässigen Verwertung zugeführt werden• Die Verpackungen selbst bei einem Sammel-, und Verwertungssystementpflichten• Die Verpackungen selbst sammeln und einer zulässigen Verwertung zuführen96.) Erklären Sie die Aufgaben und Funktionen des ARA Systems in Österreich!Das ARA ist arbeitsteilig organisiert und besteht aus der Altstoff Recycling Austria AG und 2wirtschaftlich selbstständigen Unternehmen (Branchenrecycling- Gesellschaften, BRG). Waren mal 8,die anderen 6 sind 2008 mit der ARA AG verschmolzen=> ARA hebt Lizenzentgelte ein und schließt Entsorgungsverträge mit BRG ab.Lizenzpartner -> ARA – Dachgesellschaft -> BRG -> Entsorger, Verwerter, Gebietskörperschaft• Organisiert Verpackungssammlungen aus Betrieben und privaten Haushalten• Sammlung und Verwertung von Verpacksungsabfällen laut AWG(Verpackungsordnung• Initiativen zu Abfallvermeidung (ARA-Lectures)69

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab97.) Verwertungs- und Behandlungsverfahren für Kunststoffabfälle.Hauptprobleme bei der Kunststoffaufarbeitung sind Materialvielfalt und Verbundwerkstoffe.für stoffliche Verwertung durch z.B. Umschmelzung sind nur sortenreine Materialien einsetzbar.für Mischmaterialien sind Aufbereitungsverfahren nicht wirtschaftlich und Neukunststoff ist billiger alsRecyclingmaterial.1) Materialrecycling• stofflichen Recycling (Makromoleküle unverändert)- gemischten Kunststoffen -> Fertigprodukte- sortierten Kunststoffen -> Regranulate.• Rohstoffrecycling: (Makromoleküle zerlegt)- Hydrolyse, Solvolyse -> Monomere- Hydrierung, Gaserzeugung, Pyrolyse -> Gase, Öle, Syncrude2) thermische -> verbrennen -> Dampf -> Strom98.) Recycling von Aluminium: Technologie, Verfahrensschritte, Raffinationsmöglichkeiten fürUmschmelzaluminium.Raffinationsmöglichkeiten:• Sprühgasbehandlung (Inertgase/Reaktivgase) Entfernung von Li, Na, Mg, Ca, Si, Zn, Oxiden,Nitriden, Carbiden – mit Spülstein oder Impeller• Salzraffination Entfernen von Li, Na, Ca, Sr, Oxiden = NaCl / HCl / MgCl 2 / CaF 2• Vakuumdestillation Entfernen von Mg, Zn• Zusätzen von Primäraluminium Verdünnen aller Begleitelemente• Zusatz von Al-Legierungen Verschneiden, Verdünnen einzelner Begleitelemente•70

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas RaabSpülgas: auch zur H 2 -Entgasung der Schmelze, Cl 2 kann auch AlCl 3 bilden,Impeller: über Hohlwelle direkt am Rotor aufgetragen• extrem kleine Bläschen, intensive Mischung• viel schnellere WirkungSpülstein: poröse Spülsteine aus z.B. MgO ->erleichtern Bildung von kleinen Blasen -> Spülgasüber gasdurchlässige Spülsteine in die Pfannegeleitet.99.) Erläuterung der Recyclingkette für Autoabgaskatalysatorenenthalten 2-3 g PGM (Platin-Gruppen-Metalle, Pt, Pd, Rh) auf keramischem TrägerVerfahren: Stahlgehäuse aufgeschnitten, Katalysatorkeramik entnommen, PGM hydrometallurgisch (Säure)oder pyrometallurgisch (einschmelzen mit Sammlermaterial, meistens Cu) gewonnenRecyclingkette: Stoffstrom: 41% Fahrzeuge -> Verwerter,in Deutschland 57% unbekannter Verbleib (Export)4% gebraucht Wagen (end of lifetime)2% gestohlen 4% Verlust (Schredder) Sammler 33% < 100 in Deutschland 1-2% Verlust Entmantler: 31% < 10 in Deutschland 1-2% Verlust Scheidung: 30% < 10 Schmelzer/Raffinieren (weltweit) 1% Verlust29% PGM recyclet, 71% Verlustgrößter Verlust durch Export in Regionen ohne Recyclinginfrastruktur und Bewusstsein.Wichtig -> Recyclingmetalle sind chemisch ident mit Primärmetalle (kein Downcycling)100.) Raffination und Feindarstellung der Platinmetalle – welche technologischen Verfahren könneneingesetzt werden?HydrometallurgiePGM Metalle mit starken Säuren / Laugen vom Träger herausgelöst und dann aus der Lösung abgetrennt.Nachteil: hoher Edelmetallverlust, großen Mengen an Abwasser und Laugungsrückständen.heute keine Bedeutung mehr.Pyrometallurgieeinschmelzen der Kat.- Keramik, Keramik wird verschlackt, PGM am Sammlermetall (Fe, Ni, Cu) legiertNach einigen Trenn- und Raffinationsschritten liegen die Edelmetalle in großer Reinheit vor.Hochtemperatur-Elektroöfen• ca. 1700 °C, Kalk als Flussmittel• Energie über Bodenelektrode (Anode) & Graphitelektrode im Ofendeckel (Kathode• Ofenschlacke an Kupferhüten abgegeben• Cu mit PGM als Wertkupfer abgestochen71

2013 ANTECH-Fragenkatalog © Thomas Raab101.) a) Edelmetallabscheidung - Technologie, Verfahrensschritteb) Erklären Sie das Wesen der Fällungskristallisation und der Solventextraktion und derenUnterschiede im Rahmen der Edelmetallabscheidung.a) siehe Frage 100Fällungskristallisation: Fällung von v.a. Pt & Pd als Ammonium-Chlorokomplexe mit NH 4 ClH 2 [PtCl 6 ] + 2 NH 4 Cl -> (NH 4 ) 2 [PtCl 6 ] + 2 HCl(gelöst in Königswasser / HCl, Cl 2 )Löslichkeit ist abhängig von Temperatur und NH 4 Cl-KonzentrationSolventextraktion: Extraktion mit organischem LM (nicht mit der Lösung mischbar / PGM verteilen sichlaut Gleichgewicht in beiden Phasen -> abhängig von HCl/Cl 2 - Konzentration)typischen Extraktionsmittel: Tri-n-butylenphsophat (TBP): für Pt, IrTrioctylamin (TOA): für Pt, Ir, Pd (je nach Cl - in org. oder wäss. Phase)Metallgewinnung + thermische Zersetzung:3 [(NH 4 ) 2 PtCl 6 ] -> 3 Pt + NH 4 Cl + 16 HCl + 2 N 272