DE3535922C2

DE3535922C2 - Verfahren zur Reinigung von Ruß unter Verwendung einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung

Info

Publication number: DE3535922C2
Application number: DE3535922A
Authority: DE
Inventors: Shushichi Yoshimura; Yasunori Hiwatashi; Hiromu Kobayashi; Hozo Yamazaki; Nobu Nishino; Teruji Tahara; Hidenobu Kobayashi
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2005-10-09
Also published as: US4693879A; DE3535922A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Ruß, in dem feste Verunreinigungen enthalten sind. Bei dem Verfahren werden die festen Verunreinigungen aus dem Ruß unter Verwendung einer Ultraschall vibrations-Siebvorrichtung entfernt. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung sowie ein Verfahren zur Reinigung von Ruß, bei dem wasserunlösliche und wasserlösliche Verunreinigungen, die in dem Ruß enthalten sind, entfernt werden.

Aus der DE-PS 7 48 963 ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Bei dem Ruß handelt es sich beispielsweise um Furnace black, hergestellt in einem Reaktionsofen vom Ölfurnace-Typ, oder um einen Ruß, der als Nebenprodukt gebildet wird in einem Ofen zur teilweisen Oxidation eines Schweröls oder um einen pyrolytischen Ruß, der durch die Pyrolyse eines Gases gebildet wird.

Ruß wird weithin verwendet als Pigment für Harze, Farben oder Tinte sowie als Verstärkungsmaterial für Kautschuk oder als Material, das einem Harz, einem Kautschuk oder einer Tinte elektrische Leitfähigkeit verleiht.

Falls man Ruß einem thermoplastischen Harz oder Kautschuk direkt einverleibt, wird gebräuchlicherweise ein Banbury mischer, eine Mischwalzenmühle, ein Henschelmischer, ein Druckkneter, ein Extruder vom Schauben-Typ oder eine ähn liche Vorrichtung verwendet. Bei der Einverleibung in ei ne Farbe oder Tinte wird der Ruß gleichzeitig mit oder im Anschluß an die Auflösung eines thermoplastischen oder wärmehärtenden Harzes oder Kautschuks in einem Lösungs mittel zugesetzt und das Gemisch wird in einer Sandmüh le oder einer Kugelmühle vermischt.

In jüngster Zeit ist ein Färbeverfahren in der Masse häu fig angewendet worden, bei dem Ruß einem Monomeren ein verleibt wird und darin gründlich dispergiert wird, ge folgt von der Filmbildung oder einem Spinnvorgang.

Durch feste Verunreinigungen oder Fremdmaterial, die in dem Ruß enthalten sind, wird jedoch eine Anzahl von Schwierigkeiten verursacht. So kommt es beispielsweise während des Knetens oder Formens des Harzes oder Kau tschuks mittels eines Extruders dazu, daß derartige fe ste Verunreinigungen oder Fremdmaterialien das Sieb an der Vorderseite der Brecherplatte des Extruders ver stopfen. Eine ungewöhnliche und übermäßige Abnutzung wird in denjenigen Bereichen der Spinnmaschine verursacht, die mit Filamenten in Kontakt gelangen, welche nach der Färbung in der Masse versponnen wurden, und es kommt da durch zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Produk tion. Ferner kommt es leicht zur Ausbildung von kleinen, den festen Verunreinigungen zugeschriebenen Vorsprüngen auf der Oberfläche eines durch Extrudieren geformten Pro dukts, eines durch Blähen geformten Produkts oder eines durch Pressen geformten Produkts. Außerdem können sich auf der Oberfläche eines Preßform-Mundstücks leicht Kratzer ausbilden oder während des Spinnens nach dem Färben in der Masse wird leicht ein Bruch der Filamente verursacht. Das alles führt zu einer wesentlichen Beein trächtigung des Handelswerts der Produkte.

Falls der Ruß wasserlösliche, feste Verunreinigungen ent hält, zusammengesetzt aus einem Alkalimetallsalz oder einem Erdalkalimetallsalz, treten ernsthafte Schwierig keiten dann auf, wenn ein solcher Ruß einem Harz einver leibt wird und auf die Oberfläche eines Informations speichermaterials mit hoher Aufzeichnungsdichte appli ziert wird. Es kommt dabei zu Änderungen charakteristi scher Eigenschaften der behandelten Oberfläche des Infor mationsspeichermaterials.

Um derartige feste Verunreinigungen von Ruß abzutrennen, und zu entfernen, wird gebräuchlicherweise ein Verfahren angewendet, bei dem mechanische Trennvorrichtungen, wie Siebe oder ein Zyklon, verwendet werden, und zwar abhän gig vom Typ und der Teilchengröße der Verunreinigungen. Andererseits wird der Ruß zu einer wäßrigen Aufschlämmung verarbeitet und anschließend mittels mechanischer Vibra tionssiebe gesiebt; vergl. beispielsweise JP-OS 11963/1981.

Bei den oben erwähnten Verfahren ist jedoch die Leistungs fähigkeit hinsichtlich der Entfernung von festen Verun reinigungen auf ein Niveau von bestenfalls 10⁻² bis 10⁻³% beschränkt, und zwar bei einer Teilchengröße von 44 µm auf dem Sieb. Mit einer derartigen Entfernungsrate ist es praktisch unmöglich, das Verstopfen des Extruder siebs zu verhindern oder zu verhindern, daß eine Beein trächtigung der Oberflächentextur von Formprodukten auf tritt. Es ist vollständig unmöglich zu verhindern, daß bei der behandelten Oberfläche eines geformten Harzpro duktes, wie z. B. dem Informationsträgermaterial, Deforma tionen auftreten, die von den Verunreinigungen herrühren, welche sich aus einem Alkalimetallsalz oder einem Erd alkalimetallsalz zusammensetzen. Bei dem letztgenannten Verfahren kommt es darüber hinaus dazu, daß koagulierter Ruß auf dem Sieb zurückbleibt, und es ist folglich not wendig, den koagulierten Ruß zu entfernen. Das hat wieder um zur Folge, daß es schwierig ist, die Behandlung in Form eines kontinuierlichen Verfahrens durchzuführen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, haben die Erfin der umfangreiche Untersuchungen angestellt mit dem Ziel, die oben erwähnten Probleme zu vermeiden und die festen Verunreinigungen aus Ruß so weit wie möglich zu entfernen. Dabei wurde festgestellt, daß man dann, wenn man Ruß ein förmig in Wasser dispergiert und anschließend diese Sus pension durch ein Sieb leitet, und zwar unter gleichzei tiger Beaufschlagung der Suspension mit Ultraschallwel len, es möglich ist, feine, feste Verunreinigungen zu ent fernen, die auf herkömmliche Weise bisher kaum entfernbar waren. Es ist auch möglich, die Behandlung kontinuierlich über einen langen Zeitraum durchzuführen. Ferner wurde festgestellt, daß es möglich ist, Energieverluste zu ver meiden und eine großdimensionierte Ultraschall-Siebvor richtung zu schaffen, die sich bei einem kontinuierlichen Betrieb während eines langen Zeitraums als dauerhaft er weist, indem man die Filterschicht rotiert und indem man lediglich den unteren Endbereich der Ultraschalloszilla torspitze in eine wäßrige Aufschlämmung von Ruß eintaucht. Die vorliegende Erfindung beruht auf diesen Untersu chungsergebnissen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein industriell vorteilhaftes Verfahren zur Reinigung von Ruß unter Entfernung von feinen, festen Verunreinigungen aus der wäßrigen Aufschlämmung von Ruß zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Schaffung eines Verfahrens zur Reinigung von Ruß mit einem Gehalt an festen Verunreinigungen unter Entfernung der festen Verunreinigungen aus demselben, dadurch gekennzeichnet, daß man den Ruß gleichförmig in Wasser suspendiert, um eine wäßrige Rußaufschlämmung zu erhalten und die Aufschlämmung einer Siebbehandlung unter Verwendung einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung unterwirft, die folgendes umfaßt:

(a) einen Siebmaschinenkörper mit einer Speiseleitung und einer Auslaßleitung für die wäßrige Rußaufschlämmung;
(b) eine Siebkammer im Siebmaschinenkörper mit einer Abzugsleitung für eine gesiebte, wäßrige Rußaufschlämmung;
(c) eine Filterschicht, die einen Teil der Oberfläche der Siebkammer bildet;
(d) mit einer der Filterschichtoberfläche zugewandten und in die zu siebende, wäßrige Rußaufschlämmung eintauchenden Ultraschalloszillatorspitze; und
(e) eine Kammer für den Oszillatorkopf oberhalb des Siebmaschinenkörpers, die das Eindringen der Ultraschalloszillatorspitze in den Siebmaschinenkörper ermöglicht und mit Ausnahme des unteren Abschnitts im Bereich der Ultraschalloszillatorspitze mit einem Gas gefüllt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des vertikalen Querschnitts entlang der Rotationsachse der Filterschicht einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Ansicht des vertikalen Querschnitts einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung mit einer fixierten Filterschicht; und

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ultraschalloszillatorspitze.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Aus führungsformen näher erläutert. Als Quelle von festen Verunreinigungen, die in dem Ruß enthalten sind, kommen zunächst Koksteilchen in Frage, die sich in dem Ofen gleichzeitig mit der Bildung von Ruß ausgebildet haben.

Ferner kommen Fragmente in Frage, die von dem feuerfesten Wandmaterial des Ofens abgefallen sind, oder Eisenpulver, das aus Vorrichtungsteilen, wie Wärmeaustauschern, stammt. Ferner seien erwähnt Metallsalze vom Alkalimetall- oder Erdalkalimetall-Typ, die in dem als Ausgangsmaterial ver wendeten Öl enthalten sind oder in den Additiven oder in dem Wasser, das dem Ofen während der Herstellung von Ruß zugeführt wird.

Als Ruß kann man bei der vorliegenden Erfindung eine Viel zahl bekannter Produkte einsetzen, z. B. Farbpigmente, die nach dem Furnace-Verfahren hergestellt wurden, Ruß zur Verstärkung von Kautschuk oder mit elektrischer Leit fähigkeit oder Neben-Produkt-Ruß (Ruß, der als Nebenpro dukt während der Bildung von Kohlenmonoxidgas und Wasser stoffgas durch teilweise Oxidation eines Kohlenwasser stoffs, wie z. B. Schweröl oder Ethylenbodenöl, in Gegen wart von Sauerstoff und Dampf erhalten wird).

Als Farbpigment-Ruße seien beispielsweise erwähnt Mitsubishi Carbon Black (Warenzeichen der Mitsubishi Chemical Industries Co. Ltd.) Nr. 2400B, Nr. 2300, Nr. 2200B, Nr. 1000, Nr. 900, MCF-88, MA-600, MA-100, MA-8, MA-11, Nr. 50, Nr. 52, Nr. 55, Nr. 40, Nr. 45, Nr. 30, Nr. 32 oder Nr. 33.

Als Ruß für Kautschuk seien beispielsweise erwähnt Dia black (Warenzeichen der Mitsubishi Chemical Industries, Co. Ltd.) A, LI, I, II, N339, LH, H, SH, HA, SF oder G. Als leitfähiger Ruß sei beispielsweise erwähnt Ketjen Black EC (Warenzeichen der Aczo Chemie, Niederlande) Vulcan XC-72, Black Pearls 1300 oder Black Pearls 200 (Warenzeichen der Cabot Co., USA).

Die vorliegende Erfindung betrifft die Reinigung einer Vielzahl von Rußen, in denen feste Verunreinigungen ent halten sind, die aus den oben erwähnten, verschiedenen Quellen stammen können. Die Reinigung wird, genauer ge sagt, folgendermaßen durchgeführt. Ruß wird in Wasser einförmig suspendiert, um eine wäßrige Rußaufschlämmung zu erhalten. Die wäßrige Aufschlämmung wird mittels ei ner Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung behandelt.

Bei der Verfahrensstufe der Herstellung der wäßrigen Ruß aufschlämmung wird Ruß im allgemeinen in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%, ausgedrückt als Rußkonzentration, dem Wasser zugesetzt. Die wäßrige Rußaufschlämmung hat jedoch im allgemeinen verschiedene Viskositäten, und zwar abhän gig von dem Typ oder der Dispergierbarkeit des Rußes, und zwar selbst dann, wenn die Rußmenge gleich ist. Unter praktischen Gesichtspunkten der Verfahrensführung wird daher die Rußmenge vorzugsweise auf der Basis der Viskosi tät zweckentsprechend ausgewählt.

Die Viskosität der wäßrigen Rußaufschlämmung, die der Sieb-Verfahrensstufe mit Hilfe der Ultraschallvibrations- Siebvorrichtung zugeführt werden soll, wird innerhalb ei nes Bereiches ausgewählt, in dem keine Verstopfung der Sieböffnungen stattfindet und in dem die Effizienz der Verfahrensstufe gewährleistet bleibt. Im allgemeinen wird die Viskosität vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0.01 bis 5 Pa.s (0,1 bis 50 P) ausgewählt, insbesondere bevorzugt von 0.01 bis 2 Pa.s (0,1 bis 20 P).

In einigen Fällen kann es sich als schwierig erweisen, eine einförmige Dispersion zu erhalten, falls man ver sucht, eine wäßrige Aufschlämmung mit einer derartigen Viskosität direkt aus Ruß und Wasser herzustellen. Erfin dungsgemäß wird es bevorzugt, ein zweistufiges Herstel lungsverfahren vorzusehen, bei dem zunächst eine hoch konzentrierte, wäßrige Rußaufschlämmung mit einer Visko sität von 0.1 bis 10 Pa.s (1 bis 100 P), besonders bevorzugt von 2.5 bis 10 Pa.s (25 bis 100 P), hergestellt wird und in einem zweiten Schritt die hochkonzentrierte Aufschlämmung mit Wasser verdünnt wird, um eine Aufschlämmung mit der oben erwähnten niedrigen Viskosität zu erhalten.

Vorteilhafterweise wird die Aufschlämmung in zweckentspre chender Weise vermischt oder gerührt, um eine einförmige Dispersion zu gewährleisten. Beispielsweise kann ein der artiges Mischen und Rühren durchgeführt werden mittels einer Vorrichtung, bei der die Kollision oder Rührbewe gung in der Zuführleitung wiederholt durchgeführt wird. Insbesondere in den Fällen, in denen die Viskosität hoch ist, wird es jedoch bevorzugt, einen mit rotierenden Schaufeln ausgerüsteten Rührer vorzusehen, und zwar in einem kontinuierlichen oder Chargen-System.

Zur Bereitung der Aufschlämmung und zur Verdünnung wird hochreines Wasser verwendet. Es wird jedoch bevorzugt, saures Wasser mit einem pH von 1 bis 6 einzusetzen, das durch Zugabe einer leicht flüchtigen Säure, wie Salpeter säure oder Kohlendioxid, erhalten wurde. Dadurch wird die Entfernung von festen Verunreinigungen erleichtert.

Die in der obigen Verfahrensstufe erhaltene, wäßrige Ruß aufschlämmung wird anschließend mittels einer Ultraschall vibrations-Siebvorrichtung behandelt. Als derartige Ultra schallvibrations-Siebvorrichtung kann man eine Vorrichtung einsetzen, bei der die Filterschicht drehbar ist,oder ei ne solche, bei der die Filterschicht fixiert ist.

Im folgenden wird die erfindungsgemäß verwendete Ultra schallvibrations-Siebvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des vertikalen Querschnitts einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung. In der Figur ist mit 1 eine Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen bezeichnet, die von einem Ultraschall oszillator 2 angetrieben wird. Die Schwingungen, die von der Ultraschallwellen-Erzeugungseinrichtung 1 erzeugt werden, werden über ein Oszillatorhorn 3 an eine Oszilla torspitze (oder -kopf) 4 übermittelt. Das Horn erstreckt sich durch einen Flansch 5 oberhalb der Siebvorrichtung und ist mittels eines O-Rings derart abgedichtet, daß der Abstand zwischen der Ultraschalloszillatoroberfläche (d. h. der unteren Endfläche) des Oszillatorkopfes 4 und der Filterschicht 6 eingestellt werden kann. Eine Siebkammer 7 wird definiert durch eine zylindrische Filterschicht 6 und durch Filterseitenplatten 9 und 11, die aus einem flüssigkeits-impermeablen Material bestehen und die Sei tenwände an beiden Enden der zylindrischen Filterschicht bilden. Die Filterschicht 6 ist drehbar gelagert auf ei ner drehbaren Abzugsleitung 8 für die gesiebte Rußauf schlämmung, und zwar mittels der Filterseitenplatte. Eine der Seitenplatten, d. h. die Seitenplatte 9, ist auf der Abzugsleitung 8 für die gesiebte Aufschlämmung mittels eines O-Rings frei gelagert. Die andere Filterseitenplat te 11 ist an der Abzugsleitung 8 durch einen Bolzen 12 und eine Mutter 13 befestigt, die an der Endfläche der Ab zugsleitung 8 vorgesehen sind. In der Abzugsleitung 8 ist zwischen den Filterplatten 9 und 11 eine zweckent sprechende Anzahl Durchgangslöcher vorgesehen, durch die die gesiebte wäßrige Rußaufschlämmung in das Innere der Abzugsleitung 8 gelangen kann.

Eine zu siebende, wäßrige Rußaufschlämmung wird aus der Speiseleitung 14 in die Siebmaschine eingespeist. Die ge siebte Aufschlämmung, die durch die Filterschicht 6 hin durchgetreten ist, wird aus der Abzugsleitung 8 entnom men, und die nichtgesiebte Aufschlämmung, die nicht durch die Filterschicht 6 hindurchtritt, wird aus einer Ablaß leitung 15 entnommen. Diese Ablaßleitung 15 ist vorzugs weise durch einen Öffnungsbereich 16 eingesetzt und darin befestigt, der auf dem Siebmaschinenkörper vorgesehen ist. Der Flüssigkeitspegel in der Siebmaschine kann variiert werden, indem man das Ausmaß des Eintauchens der Auslaß leitung 15 ändert, d. h. indem man die Position des offe nen Endes der Auslaßleitung 15 ändert.

Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Kammer für den Oszil latorkopf, die oberhalb des Siebmaschinenkörpers angeord net und derart eingerichtet und ausgebildet ist, daß der Ultraschalloszillatorkopf 4 in den Siebmaschinenkörper eintreten kann. Diese Kammer für den Oszillatorkopf ist vorzugsweise eine mit einem Gas gefüllte Gaskammer. In einem solchen Fall wird aus einer Gasspeiseleitung 18 ein Gas in die Kammer 17 für den Oszillatorkopf eingeleitet, d. h. in die Siebmaschine. Überschüssige Gasmengen, die in die Siebmaschine eingespeist werden, werden gemeinsam mit nichtbehandelter Aufschlämmung aus der Auslaßleitung 15 entlassen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des vertikalen Querschnitts einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung, bei der die Filterschicht fixiert ist. Die wäßrige Ruß aufschlämmung wird der Siebbehandlung in gleicher Weise unterworfen wie im Falle der anhand von Fig. 1 erläuterten Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung, bei der die Fil terschicht drehbar gelagert ist.

Die Wahl zwischen den oben erwähnten beiden Systemen, d. h. dem System, bei dem die Filterschicht drehbar gela gert ist, oder dem System, bei dem die Filterschicht fixiert ist, kann je nach den speziellen Anwendungsbedin gungen getroffen werden. Für den kontinuierlichen Betrieb über einen längeren Zeitraums ist es jedoch bevorzugt, das System einzusetzen, bei dem die Filterschicht drehbar ist. Die Beaufschlagung mit Ultraschallwellen führt dazu, daß der Ruß in der wäßrigen Aufschlämmung besser disper giert wird. Gleichzeitig wird jedoch die Filterschicht ebenfalls durch die Ultraschallwellen beeinflußt. Es be steht die Neigung, daß aufgrund von Erosionsphänomenen eine Abnutzung stattfindet, wodurch sich schließlich in der Filterschicht Löcher ausbilden.

Das Ausmaß der Abnutzung des Filtermaterials durch das Erosionsphänomen variiert in Abhängigkeit von verschiede nen Faktoren. Einen besonderen Einfluß hat wahrscheinlich die Gesamtdauer der Beaufschlagung mit Ultraschallwellen, die jeweils der gleichen Position der Filterschicht appli ziert werden. Die Lebensdauer (Gebrauchsdauer) der Filter schicht wird somit bestimmt durch die Gesamtzeitdauer der Ultraschallbeaufschlagung der gleichen Position der Fil terschicht. Falls die Gesamtzeit der Ultraschallbeauf schlagung, die der gleichen Position der Filterschicht appliziert wird, gleich ist, so wird die Gebrauchsdauer des Filtermaterials umso länger, je größer die Oberfläche der Filterschicht ist, die den Ultraschallwellen ausge setzt ist (im folgenden als "effektive Expositionsober fläche" bezeichnet). Unter diesen Gesichtspunkten bietet sich ein Verfahren an, bei dem die Oberfläche des Filter materials so groß wie möglich ist und die Ultraschall oszillationsoberfläche darüber hinwegbewegt wird. Ein der artiges Verfahren erfordert jedoch nachteiligerweise ei ne komplizierte Struktur der Vorrichtung. Es ist daher vorteilhafter, die Filterschicht zu bewegen. Als ein Ver fahren zur Bewegung des Filtermaterials ist es möglich, dieses in einer flachen Ebene zu bewegen. Am einfachsten und effizientesten ist es jedoch, die Filterschicht um die Zentrumsachse rotieren zu lassen, so daß die effektive Expositionsoberfläche der Filterschicht sich relativ zu der Ultraschalloszillatorkopfoberfläche bewegt, und zwar wie bei der vorliegenden Erfindung. Somit wird vorzugs weise ein System eingesetzt, bei dem die Filterschicht drehbar angeordnet ist.

Die Form der Filterschicht, die um die Zentrumsachse dreh bar ist, um die Ultraschallwellen im wesentlichen gleich mäßig zu empfangen, ist vorzugsweise eine zylindrische Form, eine winklige Tubusform oder eine Scheibenform.

Die Beaufschlagung der Filterschicht mit Ultraschallwel len wird somit nicht-kontinuierlich, und es kann erwartet werden, daß die Gebrauchsdauer in stärkerem Maße verlän gert wird als nach einer einfachen Berechnung auf der Ba sis der Beschallungszeit. Es ist nämlich auf diese Weise möglich, die bei der kontinuierlichen Beaufschlagung des Filtermaterials mit Ultraschallwellen auftretende Erschei nung zu verhindern, daß der beschallte Bereich des Filter materials hohe Temperaturen annimmt, wodurch die Beein trächtigung des Materials besonders leicht eintritt. In diesem Zusammenhang sei betont, daß es im Hinblick auf eine möglichst lange Gebrauchsdauer der Filterschicht am besten ist, die Rotationsgeschwindigkeit so weit wie mög lich zu steigern. Um jedoch andererseits zu gewährleisten, daß der Ruß, der gegen das Filtermaterial gedrückt wird, durch die Beaufschlagung mit Ultraschallwellen in ausrei chendem Maße dispergiert wird, ist es erforderlich, die Beaufschlagung mit den Ultraschallwellen mindestens wäh rend einer bestimmten Zeitspanne kontinuierlich durchzu führen. Nach Untersuchungen der Erfinder wird die Zeit spanne für eine kontinuierliche Beaufschlagung der Filter schicht mit den Ultraschallwellen vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,02 bis 2 Sekunden ausgewählt, und zwar im Hinblick auf eine zweckentsprechende Ausgewogen heit der Wirksamkeit der Behandlung und der Gebrauchsdau er des Filtermaterials. Die Rotationsgeschwindigkeit der Filterschicht wird somit in zweckentsprechender Weise be rechnet und ausgewählt, und zwar basierend auf der Zeit spanne der kontinuierlichen Beaufschlagung mit Ultra schallwellen in Abhängigkeit von der Form der Filter schicht.

Bei der am meisten bevorzugten Siebkammer ist ein zylindri scher Rotationskörper vorgesehen, wobei der zylindri sche Bereich die Filterschicht bildet und jede Endfläche aus einem Flüssigkeits-impermeablen Material besteht. Die Zentrumsdrehachse wird durch eine Abzugsleitung für das gesiebte Material gebildet. Diese kann als doppelwandiges Rohr ausgebildet sein.

Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallvibrations-Siebvor richtung ist ferner eine Kammer für den Oszillatorkopf vorgesehen, und zwar oberhalb des Siebmaschinenkörpers. Diese Kammer ist derart ausgebildet, daß der Ultraschall oszillatorkopf in den Siebmaschinenkörper eintreten kann. Die Kammer für den Oszillatorkopf ist vorzugsweise eine mit Gas gefüllte Gaskammer. Der Grund dafür ist, daß im Falle eines Gases der Belastungswiderstand geringer ist als dann, wenn der Ultraschalloszillatorkopf sich in einem flüssigen Medium befindet. Es ist erfindungsgemäß nicht beabsichtigt, den Ultraschalloszillatorkopf mit der Flüs sigkeit in Kontakt zu bringen, abgesehen von dem Bereich, der zur Dispergierung des Rußes beiträgt. Das in die Kam mer für den Oszillatorkopf gefüllte Gas ist vorzugsweise komprimierte Luft. Es wird demgemäß bevorzugt, einen Steu ermechanismus für den Flüssigkeitspegel vorzusehen. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß der Flüssigkeitspe gel, insbesondere der Flüssigkeitspegel in der Gaskammer, sich nicht ändert, und zwar selbst dann nicht, falls in der Siebmaschine ein den Flüssigkeitspegel modifizierender Faktor erzeugt wird, z. B. eine Änderung bei dem Druck stromaufwärts der Siebmaschine. Als derartigen Steuerme chanismus kann man als einfachstes System vorsehen, daß das Auslaßrohr für die wäßrige Aufschlämmung in einer Höhe offen ist, die dem gewünschten Flüssigkeitspegel in der Siebmaschine entspricht. Ferner wird eine Gaszufuhrlei tung vorgesehen, um ein Gas der Gaskammer zuzuführen. In einem solchen Fall kann bei einer Änderung des vorbestimm ten Flüssigkeitspegels in der Siebmaschine das Ausmaß der Insertion des Auslaßrohres für die wäßrige Aufschlämmung in den Siebmaschinenkörper, d. h. die Position der Öffnung des Auslaßrohrs, geändert werden. Man kann jedoch belie bige andere Steuermechanismen für den Flüssigkeitspegel in gleicher Weise anwenden, solange ein derartiger Mecha nismus das Sieben oder den Filterbetrieb der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig beeinflußt.

Im folgenden soll der Ultraschalloszillatorkopf näher er läutert werden. Aufgrund der Natur von Ultraschallwellen treten am Ultraschalloszillatorkopf leicht abnorme Vibra tionen auf, falls die Länge einer Seite des Ultraschall oszillatorkopfes ein Viertel der Wellenlänge der Vibra tion des Materials übersteigt, aus dem der Ultraschall oszillatorkopf besteht. Um derartige abnorme Vibrationen zu vermeiden, werden vorzugsweise Schlitze im Ultra schalloszillatorkopf vorgesehen. Obere und untere Ober flächen der im Ultraschalloszillatorkopf vorgesehenen Schlitze stellen ebenfalls eine Ultraschalloszillations oberfläche dar. Je länger eine Seite des Ultraschall oszillatorkopfes ist, umso größer ist die Ultraschall energie, die nicht in effektiver Weise für die Siebope ration genutzt werden kann. Falls der Ultraschalloszil latorkopf mit Schlitzen versehen ist, kann man die Ultra schallenergie, welche nicht in effektiver Weise für die Sieboperation genutzt wird, minimalisieren, falls der Flüssigkeitspegel zwischen der unteren Endoberfläche des Ultraschalloszillatorkopfes und der unteren Endfläche der im Ultraschalloszillatorkopf vorgesehenen Schlitze ange ordnet ist.

Die durch den Ultraschallwellengenerator erzeugte Ultra schallenergie ist limitiert durch Beschränkungen hin sichtlich der Leistungsfähigkeit des Ultraschalloszilla torkopfes. Es hat sich daher bisher als schwierig erwie sen, eine Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung in großem Maßstab zu bauen. Es ist besonders bemerkenswert, daß es erfindungsgemäß jetzt möglich wird, großdimensionierte Ultraschallvibrations-Siebvorrichtungen herzustellen.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand einer Siebmaschine beschrieben, die mit einem Ultraschalloszillatorkopf aus gerüstet ist, der eine rechteckige Form aufweist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in effektiver Wei se angewendet werden auf eine Siebmaschine, in der ein Oszillationskopf mit zylindrischer Form vorgesehen ist, wobei der Durchmesser der oberen Endoberfläche des Ultra schalloszillatorkopfes größer ist als der Durchmesser der unteren Endfläche des Ultraschalloszillatorhorns.

Die Vorrichtung wird im allgemeinen mit einer Frequenz von höchstens 1000 kHz betrieben, vorzugsweise von 10 bis 50 kHz, und zwar mit einer Amplitude von höchstens 30 µm, vorzugsweise von 10 bis 20 µm, und mit einer Kraft dichte von mindestens 1 W/cm², vorzugsweise von 10 bis 150 W/cm².

Die Frequenz kann variiert werden durch zweckentsprechen de Auswahl des Materials für die Ultraschalloszillator spitze (Kopf). Der Ultraschalloszillatorkopf kann aus Nickel, Ferrit, Bariumtitanat oder Bleititanat-Zirkonat bestehen. Unter diesen wird ein zweckentsprechendes Mate rial beliebig ausgewählt, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenz für die Siebbehandlung.

Die Amplitude kann variiert werden durch Änderung der Be schallungsoberfläche und der Länge der Oszillatorspitze und der Kraftdichte.

Die Öffnungen des Filtermaterials für das Ultraschall vibrationssieb müssen klein genug sein, um zu verhindern, daß die zu entfernenden, festen Verunreinigungen hindurch treten. Andererseits müssen sie groß genug sein, um die wäßrige Rußaufschlämmung durchzulassen. Die Sieböffnungen sind höchstens 44 µm, vorzugsweise höchstens 28 µm und insbesondere bevorzugt höchstens 12 µm, groß. Die Größe der Sieböffnungen wird beliebig ausgewählt, und zwar ab hängig von der Teilchengrößenverteilung der Verunreini gungen in dem Ausgangsmaterial-Ruß und in Abhängigkeit von der speziellen Verwendung des Rußprodukts.

Der Abstand zwischen der Ultraschalloszillatorspitze und der Filterschicht hat einen wesentlichen Einfluß auf die Menge der Aufschlämmung, die durch die Filterschicht hin durchtritt. Demgemäß wird der Abstand zwischen der Ultra schalloszillatorspitze und der Filterschicht im allgemei nen in einem Bereich von 1 bis 10 mm eingestellt, vor zugsweise von 2 bis 6 mm.

Falls der Abstand zu groß ist, findet eine entsprechende Abnahme bei den ausgesandten Ultraschallwellen statt, was dazu führt, daß die Suspension kaum durch die Sieböffnun gen hindurchtritt. Falls andererseits der Abstand zu klein ist, besteht die Gefahr, daß die Sieböffnungen be schädigt werden.

Der Filtrationsdruck kann in Abhängigkeit von der Größe der Sieböffnungen und der Konzentration der Aufschlämmung variieren und beträgt im allgemeinen 0,2 bis 1,0 kg/cm² Überdruck (Ü), vorzugsweise 0,2 bis 0,5 kg/cm² Ü.

Zur Rückgewinnung des Rußes aus der gesiebten Aufschläm mung, aus der die festen Verunreinigungen entfernt wurden, wird ein organisches Lösungsmittel zu der Aufschlämmung gegeben. Es bilden sich zwei Phasen, und zwar eine orga nische Lösungsmittelphase und eine wäßrige Phase.

Wenn man das Gemisch rührt, so liegt der Ruß anfänglich hauptsächlich in der wäßrigen Phase vor. Beim fortgesetz ten Rühren wird der Ruß der wäßrigen Phase in die orga nische Lösungsmittelphase überführt. Falls man die opti male Menge des organischen Lösungsmittels zusetzt, so kann der Ruß in Granulatform erhalten werden. Dadurch wird die Handhabung des Rußes vorteilhafterweise vereinfacht. Die Granulierung des Rußes ist jedoch schwierig, falls die Menge des Lösungsmittels entweder zu groß oder zu klein ist. Daher wird die Lösungsmittelmenge vorzugsweise bei einem Pegel von dem 0,8- bis 2,0fachen nach Volumen der DPB-Absorption des in der Suspension vorliegenden Rußes liegen (die Volumenmenge an Dibutylphthalat, die vom Ruß adsorbiert wird).

Als organisches Lösungsmittel kann man beliebige, nicht wäßrige Lösungsmittel einsetzen. Beispielsweise seien Toluol, Xylol, Benzol, Chloroform, Hexan oder Heptan er wähnt.

Das im Verlauf der Rückgewinnungsstufe zugesetzte, orga nische Lösungsmittel und die restliche Feuchtigkeit wer den entfernt. Diese Entfernung wird durchgeführt, indem man den Ruß in einem Inertgasstrom erhitzt, z. B. in Stick stoffgas, Kohlendioxidgas oder Argongas. Als geeignete Vorrichtungen für die Entfernung von Lösungsmittel und Feuchtigkeit kommen herkömmliche Trocknungsmaschinen in Frage, wie Scheibentrockner, Paddeltrockner oder Dreh öfen. Zum Zwecke der Heizung kann man Dampf, ein Heizme dium oder elektrische Energie einsetzen. Die zugeführte Wärmemenge wird beliebig gewählt, und zwar vorzugsweise je nach der Entfernungsrate. In gleicher Weise wird das Ausmaß der Entfernung beliebig gewählt, und zwar je nach dem speziellen Verwendungszweck des Rußes.

Bei dem Ruß, dessen feste Verunreinigungen gemäß der vor liegenden Erfindung entfernt wurden, handelt es sich um ein Produkt mit einem verbesserten Handelswert, und zwar insbesondere, falls der Ruß einem Harz oder Kautschuk einverleibt werden soll und durch einen Extruder geformt werden soll oder falls der Ruß für die Verwendung bei ei nem Blähfilm vorgesehen ist oder für einen Kunststoff, der nach dem Färben in der Masse versponnen werden soll, oder falls der Ruß für ein Informationsspeichermaterial verwendet wird.

Vorstehend wurde die Erfindung im Hinblick auf Ruß be schrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch insbeson dere hinsichtlich der verwendeten Vorrichtung nicht nur auf Ruß anwendbar, sondern hat darüber hinaus einen wei ten Anwendungsbereich auf flokkulierbare, feine Teilchen im allgemeinen, z. B. Farbstoffe, Pigmente oder feinteili ge Kieselsäure.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele er läutert, ohne daß dadurch eine Beschränkung der Erfindung beabsichtigt ist.

Beispiele 1 bis 3

Ruß A (DBP Absorption: 270 ml/100 g Ruß, Teilchengröße: 16 nm, Stickstoff-spezifische Oberfläche; 1500 m²/g) wird mit Wasser in einer Menge von 4 Gew.-% vermischt. Das Gemisch wird kräftig gerührt, um eine hochkonzentrierte wäßrige Rußaufschlämmung mit einer Viskosität von 5,0 Pa.s zu erhalten.

Anschließend wird die Aufschlämmung mit Wasser verdünnt, und zwar auf eine Aufschlämmungskonzentration, wie sie in Tabelle 1 angegeben ist. Das Rühren wird fortgesetzt, bis die Aufschlämmung die Gleichgewichtsviskosität bei der gegebenen Konzentration erreicht. Dann wird die Viskosität festgestellt. Anschließend wird die Aufschläm mung mittels einer Pumpe auf den in Tabelle 1 angegebenen Filtrationsdruck mit Druck beaufschlagt und in die Ultra schallvibrations-Siebvorrichtung gemäß Fig. 1 überführt. Die Betriebsbedingungen hinsichtlich Oszillationsfrequenz, Oszillationseingangsleistung und Abstand zwischen der Oszillatorspitze und der Filterschicht sind in Tabelle 2 angegeben. Es wird eine Behandlung zur Entfernung von wasserunlöslichen, festen Verunreinigungen durchgeführt.

Anschließend wird die Menge der Produktaufschlämmung be stimmt. Der Produktaufschlämmung wird Toluol als organi sches Lösungsmittel zugesetzt, und zwar in einer Menge von 300 ml/100 g Ruß. Das Gemisch wird gerührt. Dabei wird der Ruß in die Toluolphase überführt und gleichzei tig granuliert. Der auf diese Weise erhaltene, toluolhal tige, granulatförmige Ruß wird vom Wasser abgetrennt und dann bei einer Temperatur von 200°C vorbehandelt, um Tolu ol zurückzugewinnen. Anschließend erfolgt während 30 min eine Behandlung bei 390°C in Stickstoffgas. Dabei werden die Feuchtigkeit und das in sehr kleinen Mengen enthal tene Toluol entfernt.

Selbst wenn man die Siebbehandlung unter Verwendung der Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung eine Woche fort setzt, bleibt kein Ruß auf dem Sieb zurück.

Bei dem auf diese Weise erhaltenen Ruß wurde der Grob teilchengehalt sowie der Gehalt an Erdalkalimetall be stimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in Ta belle 1 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 1

Eine wäßrige Rußaufschlämmung, wie sie in Beispiel 1 ver wendet wurde, wird einer mechanische Vibrationssiebbehand lung unterworfen bei einer Frequenz der Vibrationen von 1750 Mal/min. Dabei wird eine Vibrationssiebvorrichtung mit einem Siebdurchmesser von 50 cm und einer Sieböffnung von 500 mesh (Maschen/2,5 cm Tyler) verwendet. Man stellt fest, daß die Rußmenge, die auf dem Sieb zurückbleibt, allmählich ansteigt. 2 h nach Beginn der Siebbehandlung hat sich die Menge des Produktrußes, der durch das Sieb hindurchtritt, auf etwa die Hälfte der Gesamtmenge des zugeführten Rußes verringert.

Zur Information sind die physikalischen Eigenschaften von Ruß A in nichtbehandeltem Zustand, wie er bei den Bei spielen 1 bis 3 als Ausgangsmaterial dient, ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.

Beispiele 4 bis 7

Ruß B (DBP-Absorption: 45 mg/100 g Ruß, Teilchengröße: 20 nm, Stickstoff-spezifische Oberfläche: 110 m²/g) wird mit Wasser in einer Menge von 18 Gew.-% vermischt. Das Gemisch wird auf gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 behandelt, um eine hochkonzentrierte, wäßrige Ruß aufschlämmung zu erhalten.

Anschließend wird die wäßrige Aufschlämmung mit Wasser verdünnt, und zwar auf die in Tabelle 1 angegebene Auf schlämmungskonzentration. Man rührt, bis die Aufschlämmung die gleiche Viskosität bei der gegebenen Konzentration erreicht. Daraufhin wird die Viskosität bestimmt. Dann wird die Aufschlämmung mittels einer Pumpe auf den in Tabelle 2 angegebenen Filtrationsdruck mit Druck beauf schlagt. Dann wird eine Siebbehandlung durchgeführt, wo bei das Ultraschallvibrationssieb unter den gleichen Be dingungen wie in den Beispielen 1 bis 3 verwendet wird.

Zu der Produktaufschlämmung, die auf diese Weise erhalten wird, gibt man Hexan in einer Menge von 100 ml/100 g Ruß. Das Gemisch wird gerührt, wobei der Ruß in die Hexanpha se überführt wird und gleichzeitig granuliert wird.

Der auf diese Weise erhaltene, hexanhaltige, granulatför mige Ruß wird vom Wasser abgetrennt und in einem Dampf trockner während etwa 5 h bei 180°C getrocknet. Es ver bleibt selbst dann kein Ruß auf dem Sieb, wenn man die Siebbehandlung mit der Ultraschallvibrations-Siebvorrich tung eine Woche kontinuierlich durchführt.

Bei den erhaltenen Rußen wird der Gehalt an groben Teil chen bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabel le 1 zusammengestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Eine wäßrige Rußaufschlämmung, wie sie in Beispiel 4 ver wendet wurde, wird einer mechanischen Siebbehandlung un terworfen, und zwar unter den gleichen Bedingungen wie bei Vergleichsbeispiel 1. 3 h nach der Siebbehandlung be trägt die Menge des Produktrußes nur noch etwa die Hälfte der Gesamtmenge des eingespeisten Rußes.

Zu Informationszwecken sind die physikalischen Eigen schaften von Ruß B in nichtbehandeltem Zustand, wie er in den Beispielen 4 bis 7 als Ausgangsmaterial dient, eben falls in Tabelle 1 angegeben.

Beispiel 8

Unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Ultraschall vibrations-Siebvorrichtung wird eine Siebbehandlung durch geführt. Die Kammer zur Aufnahme des Oszillatorkopfes ist als Gaskammer ausgebildet. Die Siebbehandlung wird unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen hinsichtlich Aufschlämmungskonzentration, Filtrationsdruck und ver schiedenen Abständen zwischen der unteren Endfläche des Ultraschalloszillatorkopfes und der Filterschicht durch geführt. Dabei wird eine wäßrige Aufschlämmung von Ruß aus der Speiseleitung 14 für das zu siebende Material mit einer Rate von etwa 5 m³/h zugeführt. Gleichzeitig wird die aus der Auslaßleitung 8 für behandeltes Material abge zogene Rußaufschlämmung isoliert und ihre Menge bestimmt. Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Bezugsbeispiel

Unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Ultraschall oszillatorkopfes wird die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung bei einer Ultraschalloszillationsfrequenz von 19 kHz mit einer Ultraschalloszillationsamplitude von 20 µm betrie ben. Dabei wird Wasser als die in die Siebvorrichtung eingefüllte Flüssigkeit verwendet. Unter diesen Bedingun gen wird die von dem Ultraschallwellengenerator verbrauch te elektrische Energie bestimmt, um den Einfluß des Drucks in der Siebvorrichtung und des Flüssigkeitspegels (be stimmt bei Pegel a, b und c gemäß Fig. 3) festzustellen.

Die physikalischen Eigenschaften wurden nach folgenden Verfahren bestimmt.
DBP-Absorption: JIS K-6221-A Verfahren
Siebrückstand: Verfahren A zur Bestimmung des Siebrück stands gemäß JIS K-6221-1970
Calciummenge: 2,0 g Ruß werden eingewogen, in 50 ml 6N HCl 30 min gekocht und auf Zimmertemperatur abge kühlt. Das Gemisch wird mit 5A Filterpapier fil triert. Das Filtrat wird auf 100 ml eingestellt und die Calciummenge durch Atomabsorptions analyse bestimmt.
Stickstoff-spezifische Oberfläche: BET-Verfahren.

Tabelle 2 Spezifikation der Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung

Frequenz (kHz)	19,5
Amplitude (µm)	20,0
Oszillationsoberfläche (cm²)	20,0
Oszillations-Eingangsleistung (W/cm²)	30,0
Abstand zwischen Oszillatorspitze und Filterschicht (mm)	3,0
Durchmesser der zylindr. Filterschicht (mm)	150,0
Umfangsgeschwindigkeit der zylindrischen Filterschicht (cm/sec)	10,0
Öffnungen der Filterschicht (µm)	10,0

Tabelle 3

Tabelle 4

Claims

1. Verfahren zur Reinigung von Ruß mit einem Gehalt an festen Verunreinigungen unter Entfernung der festen Verunreinigungen aus demselben, dadurch gekennzeich net, daß man den Ruß gleichförmig in Wasser suspendiert, um eine wäßrige Rußaufschlämmung zu erhalten, und die Aufschlämmung einer Siebbehandlung unter Verwendung einer Ultraschallvibrations-Siebvorrichtung unterwirft, die folgendes umfaßt:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst eine hochkonzentrierte, wäßrige Rußaufschlämmung herstellt und anschließend mit Wasser verdünnt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Rußauf schlämmung, die der Siebbehandlung mittels der Ultraschallvibrations-Siebvor richtung unterworfen wird, eine Viskosität von 0.01 bis 5 Pa.s (0,1 bis 50 Poise) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Rußauf schlämmung, die der Siebbehandlung mittels der Ultraschallvibrations-Siebvor richtung unterworfen wird, eine Viskosität von 0.01 bis 2 Pa.s (0,1 bis 20 Poise) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochkonzentrierte, wäßrige Rußaufschlämmung eine Viskosität von 0.1 bis 10 Pa.s (1 bis 100 Poise) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochkonzentrierte, wäßrige Rußaufschlämmung eine Viskosität von 2.5 bis 10 Pa.s (25 bis 100 Poise) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebmaschinen körper mit einem Mechanismus zur Steuerung des Flüssigkeitspegels ausgerüstet ist, um den Flüssigkeitspegel in der Gaskammer in der Weise zu steuern, daß mindestens der untere Endbereich der Ultraschalloszillatorspitze in die zu siebende Aufschlämmung eintaucht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskammer mit einer Gasversorgungsleitung ausgerüstet ist und die Auslaßleitung für die gesiebte, wäßrige Rußaufschlämmung an einem vorbestimmten Flüssigkeitspegel in der Gas kammer offen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Endfläche der Ultraschalloszillatorspitze eine rechteckige Form aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht drehbar gelagert ist und die Ultraschalloszillatorspitze so eingerichtet ist, daß sie lediglich einem Teil der Oberfläche der Filterschicht zugewandt ist, dergestalt, daß sie, wenn die Filterschicht rotiert, die gesamt Oberfläche der Filterschicht beauf schlagt.