Auskarbonatisieren

Technischer Kalkkreislauf: Hier ausgehend von den drei beteiligten chemischen Stoffen

Der Technische Kalkkreislauf beschreibt die technische Umwandlung des Naturstoffs Kalkstein in drei Schritten.

1. Brennen: Zuerst wird Calciumcarbonat, der Hauptbestandteil des Kalksteins, stark erhitzt (gebrannt), dabei entweicht Kohlenstoffdioxid und es entsteht Calciumoxid, Branntkalk.
2. Löschen: Versetzt man Branntkalk mit Wasser bildet sich Calciumhydroxid, Löschkalk.
3. Abbinden: Löschkalk reagiert durch Wasserabgabe und Kohlenstoffdioxidaufnahme wieder zurück zu Calciumcarbonat, also Kalkstein.

Brennen des Kalks

CaCO₃-Entsäuerung in der DTA

Calciumcarbonat ist eine einfache chemische Verbindung mit der Summenformel CaCO₃. In der Natur findet sich dieses Mineral, neben Eier- und Muschelschalen, Kalkschwämmen und Korallen, vor allem als Kalkstein, der teils großflächig vorkommt. Typische Kalksteine sind Kreide, Marmor, Dachsteinkalk, Muschelkalk oder Travertin.

In einem Kalkofen findet, nach der Rohstoffgewinnung im Kalkwerk, der erste Umwandlungsschritt statt, das Kalkbrennen. Ab einer Temperatur von etwa 1000°C wird kalkiges Gestein entsäuert, das heißt Kohlenstoffdioxid CO₂ wird ausgetrieben, es entsteht Branntkalk, chemisch Calciumoxid CaO.

$\begin{matrix} CaCO_3 \\ \mathrm{Calciumcarbonat} \end{matrix} \rightarrow \begin{matrix} CaO \\ \mathrm{Calciumoxid} \end{matrix} + \begin{matrix} CO_2 \\ \mathrm{Kohlenstoffdioxid} \end{matrix}$

Dieser Vorgang ist für vergleichbare Prozesse namensgebend: Kalzination.

Bei der Verwendung relativ reiner Kalkgesteine entsteht der Weißkalk (Fettkalk) mit 90–95% CaO. Anderenfalls spricht man von Magerkalken. Magnesiumhaltige Kalke mit höheren Anteilen von weißer Magnesia (MgO) ergeben Magnesiumkalk, Magnesiakalk. Kieselkalke (Silicium, Si), wie Korallenkalk oder Muschelkalk ergeben Kalke in technischer Nähe zum Zement, beides härtere und deutlich wasserresistentere Baustoffe. Kalke minderer Qualität entstehen bei Verwendung von Kalksandstein, die tonige Anteile enthalten (im Wesentlichen Magnesium, Aluminium, Silicium). Durch das Ausgangsmaterial oder die Verarbeitung verbliebene höhere Anteile organischer Bestandteile (Kohlenstoff) ergeben Graukalk oder Schwarzkalk. Eine Ausnahme bilden die aus Dolomit gebrannten Kalke, die zwar magnesiumhaltig sind, aber aufgrund der Kristallstruktur dem hochreinem Weißkalk vergleichbarer Qualität entsprechen.^[1] Noch komplexer wird das Verhalten der Kalke bei Anteilen an Salzen im Gestein, insbesondere Steinsalz (was bei frostabbindenen Werkstoffen ausgenutzt wird).

Äußerst ungünstig erweist sich das Brennen von Kalk mit Koksen, die den Kalk verschwefeln (S) und in Gips umwandeln. Dasselbe gilt für das traditionelle Holzbrennen. Daher werden hochwertige Kalke gasgebrannt oder sogar elektrisch.

Löschen des Kalks

Der zweite Schritt wird meist im Kalkwerk vollzogen, kann aber auch direkt vom Verbraucher durchgeführt werden. Wird gebrannter Kalk mit Wasser versetzt, entsteht unter Volumenvergrößerung und starker Wärmeentwicklung gelöschter Kalk, chemisch Calciumhydroxid Ca(OH)₂.

$\begin{matrix} CaO \\ \mathrm{Calciumoxid} \end{matrix} + \begin{matrix} H_2O \\ \mathrm{Wasser} \end{matrix} \rightarrow \begin{matrix} Ca(OH)_2 \\ \mathrm{Calciumhydroxid} \end{matrix}$

Je nach Menge der Wassergabe spricht man von Sumpfkalk, Kalkfarbe oder Kalkmilch. Alle diese Formen werden als weiße Farbe zum Kalken von Wänden und als Bindemittel für Kalkmörtel oder hydraulischen Mörtel verwendet.

Xi Reizend

Eine Zwischenstufe bildet dabei der unvollständig gelöschte Kalk, der ein trockenes Pulver ergibt, das trotzdem abbindefähig ist und unter dem Namen Kalkhydrat gehandelt wird. Dieses bildet die Grundlage aller Fertig-Kalkmörtel und -putze und Anmachfarben, die als Sackware vertrieben werden. Natürliche Vorkommen von Kalkhydraten mit freier Kieselsäure nennt man Puzzolane (Trass).

Gebrannter Kalk (Calciumoxid) ist ein sehr stark, gelöschter Kalk (Calciumhydroxid) ein stark ätzender, alkalischer Stoff, Kontakt mit den Augen kann zur Erblindung führen (R 41, S 26-39), Einatmen von Kalkhydratstäuben zu Atemproblemen (S 22), und auch ungeschützte Haut wird angegriffen (S 24)! Erst der abgebundene Kalk ist wie Kalkstein diesbezüglich harmlos.

Abbinden des Kalks

An der Luft bindet gelöschter Kalk mit Hilfe von Kohlenstoffdioxid CO₂ wieder zu Calciumcarbonat ab, womit sich der Kreislauf schließt. Der Vorgang des Abbindens kann durch den geringen CO₂-Gehalt der Luft, die Materialfeuchte sowie die entstehende Sinterschicht jahrelang dauern.

$\begin{matrix} Ca(OH)_2 \\ \mathrm{Calciumhydroxid} \end{matrix} + \begin{matrix} CO_2 \\ \mathrm{Kohlenstoffdioxid} \end{matrix} \rightarrow \begin{matrix} CaCO_3 \\ \mathrm{Calciumcarbonat} \end{matrix} + \begin{matrix} H_2O \\ \mathrm{Wasser} \end{matrix}$

Dabei karbonatisieren Grau- und Schwarzkalke mit ihrem hohen Eigengehalt an Kohlenstoff deutlich schneller. Hydraulkalke (die oben erwähnten Pozzulane, zementähnliche Kalke, sowie Kalke, die mit porösen Anteilen angereichert sind, die Luft speichern oder Wasser aufsaugen) binden dabei auch im feuchten Milieu, manche sogar unter Wasser.

Verwendung als Kalkmörtel

Gibt man zum Löschkalk noch Sand (Gesteinskörnung) erhält man Kalkmörtel, einen der ältesten Baustoffe überhaupt. Der Löschkalk bindet dabei zwischen den Sandkörnern ab und festigt die Masse, der billige Sand sorgt für die nötige Druckfestigkeit und hält den Verbrauch an Kalk niedrig. Optimalerweise ist der Sand auch kalkreich, dann ist die Verbindung nicht nur mechanisch, sondern der Kalk kristallisiert direkt an der Zuschlagoberfläche aus.

Gerade das langsame Abbinden ist beim Kalk aber von besonderer Bedeutung, damit sich eine saubere mikrokristalline Struktur ausbilden kann. Zu schnell abbindender Kalk (bei stark saugendem Grund, oder gar beim „Abflämmen“) „säuft ab“ oder „brennt aus“, daneben härtet Kalk nur über 4 °C sauber aus, und „erfriert“ bei Frost. Er bildet in diesen Fällen lose Kristalle ohne Verbund, und kreidet oder bröselt dann. Auf Grund dieser Einschränkungen wurde der reine Kalk aus der gewerblichen Anwendung weitgehend von Kombinationswerkmaterialien mit etlichen Zusätzen verdrängt.

Mit den technischen Bezeichnungen der Materialien zeigt sich der Kalkkreislauf in folgender Form:

Der technische Kalkkreislauf

Siehe auch

• Carbonat-Silicat-Zyklus, der „natürliche“ Kalkkreislauf, der sich mit dem der Silikatgesteine vermengt
• Fresko, die Technik der Wandmalerei, die direkt innerhalb des Kalkkreislaufs stattfindet

Literatur

• Rudolf Biehler: Kalk. Skriptum Philipps-Universität Marburg, 25. Juni 1998 (Webdokument, pdf)
• Eberhart Schiele, Leo. W. Berens: Kalk. Herstellung – Eigenschaften – Verwendung. Verlag Stahleisen M. B. H., Düsseldorf 1972. ISBN 3-514-00115-4
• Kalktaschenbuch. Bundesverlag der deutschen Kalkindustrie e.V., 2001

Weblinks

• Literaturliste (pdf), Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde, Montanuniversität Leoben
• Animation zum Kalkkreislauf, Lernmaterialien, Halb Mikro Technik Chemie GmbH, www.halbmikrotechnik.de

Einzelnachweise

1. ↑ Kurt Wehlte: Werkstoffe und Techniken der Malerei, Kap. Freskomalerei, Werkstoffe und Arbeitsweisen, S. 276ff