Die Chemie des Kalks

Betriebsbesichtigung in einem Kalkwerk

 Nachdem die SchülerInnen der 7.Klasse zuvor in der Chemie-Epoche den großen Kalkkreislauf kennen gelernt hatten und im Laborversuch selbst Kalk brannten, sollten sie nun die einzelnen Verfahrensschritte in einem großen technischen Produktionsprozess wiederentdecken. Hierzu besuchte man den Betrieb des Kalkwerkes Marmorit in Bollschweil bei Freiburg.

Foto: Schachtöfen im Kalkwerk Bollschweil

Exkursionen wie diese verbinden so das Geschehen auf dem Experimentiertisch im Klassenzimmer mit dem industriellen und gewerblichen Leben, das in vielfältiger Weise menschliches Geschick, menschlichen Erfindungsgeist und menschliche Intelligenz zu offenbaren vermag. Sie sind somit auch ein wesentlicher Bestandteil eines fächerübergreifenden Lebenskunde- und Technologieunterrichtes.

GESCHICHTE DER KALKVERARBEITUNG

• Der Mensch arbeitet seit Jahrtausenden mit Kalkstein und Kalk, dem gebrannten Produkt. Die Archäologen entdecken immer neue Zeugnisse bei den Kulturvölkern der Erde. Allerdings weiß niemand genau, wann der Mensch zum ersten Mal entdeckt hat, dass Kalkstein gebrannt und mit Wasser gelöscht zum Tünchen und zur Mörtelherstellung verwendet werden kann.

• Dass diese Kenntnisse jedoch schon vor rund 14.000 Jahren angewandt wurden, wird durch Kalkmörtelfunde in der Ost-Türkei nachgewiesen.

• 3000 Jahre v.Chr. errichten die Ägypter aus Kalkstein eines der Weltwunder - die 137 Meter hohe Cheopspyramide. Über zwei Millionen gewaltige Kalksteinblöcke werden verbaut, ohne Kräne, Aufzüge, Pressluft, Lastwagen... Neben behauenen Kalksteinblöcken werden bereits Kalkmörtel eingesetzt.

• Im Zweistromland Mesopotamien gehen die ersten "professionellen" Kalköfen in Betrieb.

• Als die Chinesen ihre 2500 Kilometer lange Mauer zum Schutz vor den Barbaren errichten, stabilisieren sie den Boden mit - Kalk! Wie könnte er sonst das Riesengewicht des bis zu 16 Meter hohen Wunderwerkes tragen? Kalk ist als Bodenfestiger entdeckt.

• Kalk war auch für die Autoren der Bibel ein fester Begriff. An mehreren Stellen werden der Kalkmörtel und die Kalktünche erwähnt und zu Gleichnissen verwendet, ein Zeichen für die allgemeine Bekanntheit der Kalkverwendung bereits in biblischen Zeiten.

• Wir finden Kalk als Einsatzmittel in der Gerberei, Färberei, Kosmetik, bei der Glas- und Keramikherstellung, als Farbstoff, als Düngemittel und sogar als Heilmittel in allen Teilen der damals bekannten Welt.

• Die Ägypter gerben ihre Felle mit Kalk, Assyrer benutzen ihn zur Glasherstellung und -färbung. Griechen und Römer verwenden Kalkfarben für ihre herrlichen Fresken. Die Kelten düngen ihre Felder regelmäßig mit Kalk.

• Der Römer Plinius nennt das Naturmittel in einem wissenschaftlichen Werk von 37 Bänden "Schmalz der Erde". In dieser Zeit entdecken die Frauen der Germanen einen neuen Modetrend: sie färben sich mit ungelöschtem Kalk die Haare hellrot. Es sind die Römer, die den Kalk in Germanien als Baustoff einführen. Sie entwickelten die Brenntechnik für Kalk zu einem Standard, der fast industrielles Niveau erreichte. Diese Technik wurde über das gesamte römische Imperium verbreitet - und Kalköfen römischer Bauart sind auch in Germanien ausgegraben worden.

• Zwar war der Kalkeinsatz hier bereits vor den Römern bekannt, die systematische und gezielte Nutzung als Baustoff wurde jedoch von diesen großen Baumeistern eingeführt. Wie die Ziegel, so wurde auch der Branntkalk im Wesentlichen durch die Legionäre hergestellt.

• Sogar den Beruf des Kalkbrenners, des magister calcariarum, haben uns viele Weihesteine aus römischer Zeit mit Namen und Portrait überliefert.

• Die älteste Art eines Kalkofens war ein hoher Meiler, der nur einmal abgebrannt und dann auseinander gerissen wurde. Man schichtete Kalksteine und trockenes Holz haushoch auf und ließ Kamine und Spalten für Zuluft und Abzug offen. Im Laufe vieler Tage brannte dieser kunstvoll angelegte Meiler durch. Die inneren Bereiche lieferten weitgehend durchgebrannten Kalk. Anschließend wurde dieser in einer Grube gelöscht.

Foto: Nachbau eines römischen Kalkbrennofens

Das Wissen der Antike geriet im Mittelalter weitgehend in Vergessenheit. Die Alchimisten aber verwendeten den Kalk immer wieder als einen besonderen Stoff.

Sie widmeten ihm sogar ein eigenes Zeichen - die Kalkrune. Diese Kalkrune symbolisierte für die mittelalterlichen Alchimisten den geheimnisvollen Umwandlungsprozess, bei dem mit Hilfe von Wärme aus Kalkstein Kalk und dann wieder Kalkstein wird.

In alten chemischen und mineralogischen Schriften findet man dieses Zeichen für Kalk (siehe oben). Hier heißt Kalk "jedes Produkt eines durch die Luft, das Feuer oder andere Zusätze seines brennbaren Wesens beraubten Körpers, welches von den Säuren aufgelöst wird und mit denselben ein Mittelsalz macht."

Unter diese sehr weit gefasste Definition fällt unter Kalk nicht nur - wie heute - Kalkstein, gebrannter und gelöschter Kalk, sondern z.B. auch Metalle, die sich unter Säureeinwirkung auflösen und Metallsalze bilden.

Für ungelöschten Kalk prägten die Alchimisten die Bezeichnung Calx viva, "lebendiger Kalk". Das lebendige Element wurde dem Kalk wohl deshalb zugesprochen, weil gebrannter Kalk mit Wasser Wärme bildet.

GEWINNUNG UND AUFBEREITUNG

In der Regel wird der Kalkstein im Tagebau gewonnen. Nach der Abraumbeseitigung beginnt der eigentliche Kalksteinabbau. Der Blick in den Steinbruch zeigt deutlich den terrassenförmigen Abbau in Sohlen.

Das anstehende Gestein wird durch Sprengung gewonnen. Durch die Sprengung wird das Gestein leicht angehoben und fällt als grobstückiges Haufwerk in unterschiedlicher Korngröße am Fuß der Wand zusammen.

Nur wenige übergroße Gesteinsbrocken, die Knäpper, müssen nachträglich zerkleinert werden, meistens durch eine Fallbirne.

TRANSPORT UND BRECHEN

Der gesprengte Stein, das Haufwerk, wird vor der Wand durch Bagger oder schwere Radlader aufgenommen und auf Schwerlastkraftwagen geladen.
Ein großer Radlader zum Beispiel nimmt mit jeder Schaufel rund 5 m3 Stein auf. Das entspricht einem Gewicht von mehr als 10 t. Die großen Bagger schaffen sogar noch größere Mengen.

Foto: auf dem Weg in den Kalksteinbruch

Schwerlastkraftwagen (SKW) transportieren das Haufwerk zum Brecher. Große SKW befördern eine Nutzlast von 100 t bei einer Fahrt. Im Brecher wird durch schlagende oder drehende Bewegung der Stein auf eine definierte Größe herunter gebrochen. Teilweise sind mehrere Brecher hintereinander geschaltet.

SIEBEN UND WASCHEN

In den meisten Kalkwerken lassen sich die Feinstanteile und die Verunreinigungen durch einfaches Absieben vom Stein trennen.

In anderen Werken ist dem Brechen noch ein Waschvorgang nachgeschaltet, der sicherstellt, dass alle Fremdbestandteile entfernt sind. In diesem Fall durchlaufen die Kalksteine eine Waschtrommel und werden anschließend über Siebanlagen geleitet, so dass Verunreinigungen und Feinstanteile mit dem Wasser abfließen können. Sie werden in einen Klärteich geleitet. Dort sedimentieren die Feststoffe. Das gereinigte Korngemisch wird auf Siebanlagen nach Korngrößen klassiert.

Foto: Förder- und Siebanlage des Kalkwerkes in Bollschweil

Nach dieser Klassierung wird das Steinmaterial nach Verwendungsbereichen getrennt. Die Körnungen werden gelagert, zum Teil nachgebrochen, teilweise wird der Rohstein gemahlen. Der klassierte oder der gemahlene Rohstein können jetzt bereits verkauft werden. Große Mengen Kalkstein werden als Schotter, Splitt und Sand in den Straßenbau geliefert, große Mengen Kalksteinmehl (pulverfein gemahlen) werden für die verschiedensten industriellen Zwecke, für den Umweltschutz und an die Landwirtschaft verkauft. Ein großer Teil des Kalksteins wird den Brennbetrieben des Kalkwerkes zugeführt.

DAS BRENNEN DES KALKS

Als so genannter gebrannter Kalk lässt sich Calciumoxid durch Brennen von Kalkstein oder anderen Formen des Calciumcarbonats gewinnen. Dieses als Kalkbrennen bezeichnete großtechnische Verfahren führt man in speziellen Öfen durch. Kalkstein verändert dabei durch das Erhitzen seine chemische Zusammensetzung. Bei Temperaturen zwischen 900 und 1200° C wird der Kalkstein (CaCO³) in Kohlensäuregas (CO² = Kohlendioxid) und Calciumoxid (CaO = Branntkalk) zerlegt.

Der Brennvorgang verlangt eine ausgefeilte Produktionstechnik. Die exakte Höhe der Brenntemperatur, die Verweildauer des Kalksteins im Ofen und die Art des eingesetzten Brennstoffes werden so variiert, dass das Endprodukt den Anforderungen optimal genügt.

Die Kalkindustrie zählt wegen des hohen Wärmebedarfs zu den energieintensivsten Industrien. 4 bis 6 Mio. Kilojoule Energie sind notwendig zur Produktion von nur einer Tonne Kalk. So braucht man beispielsweise 13t Koks, um 100t Kalk herzustellen.

Das Prinzip des Kalkbrennens ist wie bereits geschildert seit Jahrtausenden bekannt. Allerdings haben sich die Öfen seither erheblich verändert, die Kontrolle des Brennprozesses ist optimiert und die Brennzeit verkürzt worden. So haben die heutigen modernen Brennaggregate nur noch das Prinzip mit den von den Archäologen ausgegrabenen Öfen gemeinsam.

SCHACHTOFEN

Heute hat sich der im Dauerbetrieb unter bleibender Hitze stehende Schachtofen durchgesetzt. Die Schächte haben einige Meter Durchmesser und sind rund 20 m hoch. Von oben schüttet man den Kalk aus dem anliegenden Steinbruch auf Stückgröße gebracht zusammen mit Koks hinein. Das Kalk- und Koksgemisch wird von den aufsteigenden Flammgasen getrocknet (Vorwärmzone). Es sackt immer tiefer, kommt schließlich in der Brandzone an. Dort wird der Kalkstein entsäuert (schweres Kohlensäuregas entweicht).

Foto: Modellzeichnung eines Schachtofens

Dann gelangt er in die Kühlzone, wo der entstandene Branntkalk von der Zuluft, die zur Verbrennung hinströmt, gekühlt wird. Er wird schließlich über vibrierende Rinnen und Förderbänder ausgetragen. Auf diese Weise werden in Bollschweil mehrere hunderttausend Tonnen Kalk pro Jahr gebrannt.

Während feste Brennstoffe, wie Kohle und Koks, dem Kalkstein vor der Beschickung zugemischt werden, können Schachtöfen auch mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen betrieben werden, die dann jedoch erst in der Brennzone zugeführt werden. In Bollschweil wird ein Schachtofen mit Gas ein anderer mit Koks befeuert.

DER GEBRANNTE KALK WIRD GELÖSCHT

Foto links: Branntkalk wird in einem Eimer gelöscht

Der gebrannte Kalk ist porös, mürbe, krümelig und erheblich leichter geworden. Er ist die übrig gebliebene Basis des Kalksteins. Mit dem rund 2-fachen Volumen Wasser übergossen, entsteht in einer heftigen Reaktion Löschkalk.

Dieser chemische Vorgang der Hydratation setzt Wärme frei. Branntkalk (CaO) und Wasser (H2O) setzen sich spontan zu Löschkalk oder Kalkhydrat (Ca(OH)2 = Calciumhydroxid) um. Beim Ablöschen von nur 100 g Branntkalk (Calciumoxid) entsteht ausreichend Wärme, um einen Liter Wasser um ca. 25° C zu erwärmen. Für den Löschvorgang werden in der Kalkindustrie spezielle Löschmaschinen eingesetzt, die "trocken löschen". Das heißt, die zugesetzte Wassermenge wird genau so dosiert, dass als Endprodukt ein trockenes Pulver entsteht.

BAUSTOFFINDUSTRIE UND BAUGEWERBE

Die älteste Verwendung des Kalks findet seit Jahrtausenden im Baugewerbe statt. Aus Kalk, Sand und Wasser wird nach der traditionellen Methode auf den Baustellen nach bestimmten Mischregeln der Mörtel zum Mauern und Putzen hergestellt. Dazu müssen die Bestandteile innig durchmischt und gleichmäßig dosiert werden, damit ein einwandfreier Mörtel entsteht.

Viele Beispiele alter Gemäuer zeigen, wie haltbar Kalkmörtel und -putze sind.

Bei einer dicken Mauer dauert es bald ein Jahr, bis der Mörtel mit dem Kohlendioxid der Luft abgebunden hat (Siehe Skizze links: Kalk-Verwandlung). Dieses muss durch die Poren hereindiffundieren und das Wasser, das bei der Abbindereaktion entsteht, auf dem gleichen Weg hinaus.

Dies wurde in der Vergangenheit beschleunigt, indem man brennende Koksöfen in die gerade fertig gestellten Häuser stellte und zunächst arme Leute zum „trocken wohnen“ der Zimmer einziehen ließ.

Die Erfindung des Kalksandsteins und Porenbetons haben sich auf die Baustoffindustrie ebenfalls sehr nachhaltig ausgewirkt.

WEITERE VERWENDUNGSZWECKE UND ANWENDUNGSGEBIETE

Rund ein Drittel der gesamten Branntkalkproduktion wird in die Eisen- und Stahlindustrie geliefert. Man verwendet Calciumoxid ferner in der Land- und Forstwirtschaft zum Neutralisieren von sauren Böden („saurer Regen“), in der Futtermittelherstellung und zur Abwasserreinigung (pH-Wert-Regulierung) und Trinkwasseraufbereitung.

Dort wo das Erdreich nicht tragfähig genug ist, wird Kalkstein als Unterlage zur Bodenverbesserung und Bodenverfestigung im Wege- und Straßenbau verwendet.

Außerdem benötigt man es bei der Produktion von Papier, Glas, Seife und Tünche (Kalkfarbe), beim Gerben von Leder, bei der Raffination von Zucker und in der Herstellung von Kosmetik- und Reinigungsartikeln.

Die wässrige Lösung von Calciumoxid reagiert basisch und dient in der Medizin als säurebindendes Mittel, beispielsweise bei Vergiftungen mit Schwefelsäure.