kali und steinsalz · 2017. 4. 5. · effective band gap between the homos and lumos of the acids...
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Kali und Steinsalz
IssleibDas Logistiksystem der K+S Gruppe
MerschNeue Fördermaschine für Schacht Gröna
Grégoire, Halleux, LukasFracture detection and characterisation by ground penetrating radar in a salt mine
Tegenkamp, PfnürEin atomistisches Modell zum Phänomen der Kontaktaufladung
BeierDas Mineral Rinneit: Vorkommen, Eigenschaften, Analytik und Abtrennung
I Heft 1/2004 I
I Herausgeber Kaliverein e.V.
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w.k
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erei
n.de
Abstracts
Issleib: The Logistics System of theK+S GroupThe expansion of the K+S Group and
corresponding introduction of a
new organisational structure means
growing quantitative and qualita-
tive demands on procurement,
coordination and optimisation
processes. This is critical, as logistics
costs account for the second largest
portion of the K+S group’s budget.
First, this report will describe the
current structure, size and com-
plexity of the logistics system of the
K+S Group. We will look into the
components that make up the K+S
logistics system, their functions and
the interaction between them.
Next, the coordinated transport vol-
ume in the K+S group and how it is
distributed among the various
means of transportation (rail, truck,
barge and cargo ship) will be
explored. Finally, the future chal-
lenges facing the logistics system
will be examined in some detail.
Mersch: New Hoisting Machine at Shaft GrönaIn August 2003 a new integrated
hoisting machine was installed at
shaft Gröna, salt mine Bernburg of
esco – european salt company
GmbH & Co.KG. With this project
change and modernization of the
shaft are finished.
Grégoire, Halleux, Lukas: Fracture detection and characterisa-tion by ground penetrating radar ina salt mineIn the Werra mine of K+S KALI
GmbH high frequency ground pen-
etrating radar is used to detect frac-
tures in the roof of the drifts by rou-
tine. Complementary test meas-
urements have been carried out in
order to compare calculations of the
openings of the fractures based on
the frequency spectrum of their
reflections with directly measured
openings in boreholes. The results
and limitations of these calculations
are discussed.
Das Werk Werra der K+S KALI GmbHnutzt ein hochfrequentes Radarystem,um Gesteinsablösungen in den Strecken-firsten zu erkennen. Im Rahmen zusätz-licher Testmessungen wurde die Öff-nungsweite der Ablösungen, die mit Hil-fe einer mathematischen Methode ausdem Frequenzspektrum der Radar-reflexionen errechnet wurde, mit inBohrungen direkt gemessenen Öff-nungsweiten verglichen. Die Ergebnisseund Grenzen dieser Berechnungen wer-den diskutiert.
Beier: The mineral Rinneite: occurrence, properties, analysis,separationIn 1998 mining of a new sylvinite
ore body began at the Unter-
breizbach mine of the Werra plant.
As a result of basalt faults within the
ore body, the presence of rinneite
is to be expected. If this mineral
comes into contact with hydrous
mediums an unwanted reduction in
pH values can result. After pre-
senting the regions where rinneite
has been found, its properties are
presented. Various analytical min-
eral identification methods are dis-
cussed, with a subsequent presen-
tation of the magnetic dry separa-
tion process.
Tegenkamp, Pfnür:Contact charging: an atomisticmodelThe process of electrostatic separa-
tion of insulators like NaCl and KCl
has been technically used since
many years. While the separation
yield strongly depends on the addi-
tion of special organic molecules
as conditioners to the NaCl-KCl grist,
the process of contact charging is
neither understood for this special
system nor in general on an atom-
istic level.
In this paper we show how the elec-
tron transfer between NaCl and KCl,
necessary for contact charging,
inevitably needs the electronic lev-
els provided by the adsorbed con-
ditioner molecules, which can
more or less efficiently reduce the
necessary energies of excitation.
The energetic positions of the
molecular orbitals (MO) of salicylic
acid, para-salicylic acid and benzoic
acids, that differ remarkably in their
separation efficiency, were deter-
mined by using UV photoelectron
and electron energy loss spec-
troscopy after adsorbing them onto
epitaxial NaCl(100) and KCl(100) sur-
faces. All three adsorbates generate
characeristic electronic states with-
in the band gaps of the alkali
halides, whereby the effective band
gap is reduced dramatically. The
HOMOs and the LUMOs of the organ-
ic acids are principally formed by
the �-MOs of the ben-zene-ring and
of the C=O orbitals of the functional
acid group. As shown by our exper-
imental data and also by self-con-
sistent Hartree-Fock calculations,
the phenolic OH-group of the hy-
droxy benzoic acids interacts with
the acid group and leads to char-
acteristic MO shifts.These shifts are
responsible for the changes of the
effective band gap between the
HOMOs and LUMOs of the acids
between 1eV and 2 eV for salicylic
acid and para-salicylic acid, respec-
tively. Since the occupied states line
up with the upper edge of the
valence bands, KCl gets neg-atively
charged. Assuming that this process
of adsorbate induced charge
exchange plays the essential role for
contact charging, we were able to
predict correctly the separation effi-
ciency of other organic acids like gal-
lic acid and o-cresotinic acid.
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 32 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Abstracts
Liebe Leserinnen und Leser,
auch mit dem heutigen Heft stellen wir Ihnen ein breites Themen-
spektrum vor, das hoffentlich Ihr Interesse findet.
Im Allgemeinen wird es als selbstverständlich unterstellt, dass die
Ware den Käufer zuverlässig und pünktlich erreicht. Issleib verdeutlicht
in seinem Beitrag, dass diese schlichte Forderung für den Transport von
Massengütern wie Düngemittel, Salzprodukte oder Getreide ein kom-
plexes und genau aufeinander abgestimmtes Logistiksystem voraussetzt.
Deutlich wird auch die erhebliche wirtschaftliche Bedeutung dieses
Bereichs für die K+S Gruppe.
Ein ganz anderes Thema ist der Einbau der neuen Fördermaschine
im Schacht Gröna des Werkes Bernburg. Fast zu nüchtern beschreibt
Merz diese technische Meisterleistung. Einem Laien wie mir konnte schon
der Atem stocken, wenn er diese gewaltigen, am askanischen Himmel
schwebenden Maschinenteile betrachtete.
Die Sicherheit unter Tage ist eine ständige Herausforderung. Grégoire,
Halleux und Lukas stellen die ganz wichtige Möglichkeit dar, mit Hilfe
eines hochfrequenten Radarsystems Ablösungen in den Streckenfirsten
noch verlässlicher erkennen zu können.
Die elektrostatische Aufbereitung der Kalirohsalze ist seit vielen Jah-
ren eine bewährte Verfahrenstechnik. Gleichwohl gibt es noch immer
nicht zu unterschätzende Verbesserungs- und Optimierungsmöglich-
keiten. Der Beitrag von Tegenkamp und Pfnür ist eine wichtige Hilfe
zur Erschließung dieser Potentiale.
In Heft 01/2003 unserer Zeitschrift hatten Zapp und Lindloff das für
das Verbundwerk Werra außerordentlich wichtige Sylvinitprojekt vor-
gestellt. Beier ergänzt dies mit seinem Beitrag zum Mineral Rinneit, das
er selbst im Streben nach vollkommenen bergmännischen Glück als
Störenfried bezeichnet.
Nicht unerwähnt bleiben sollte schließlich die Kurzdarstellung von
Langefeld am Ende dieses Heftes über den neuen Studiengang „Ener-
gie- und Rohstoffversorgungstechnik“ an der TU Clausthal.
Damit genug der Vorrede. Ich wünsche Ihnen eine anregende
Lektüre. Dr. Arne Brockhoff
Issleib Seite 6Das Logistiksystem der K+S Gruppe
Mersch Seite 12Neue Fördermaschine für Schacht Gröna
Grégoire, Halleux, Lukas Seite 18Fracture detection and characterisation by groundpenetrating radar in a salt mine
Tegenkamp, Pfnür Seite 26Ein atomistisches Modell zum Phänomen der Kontaktaufladung
Impressum Seite 35
Beier Seite 36Das Mineral Rinneit: Vorkommen, Eigenschaften, Analytik und Abtrennung
Firmennachrichten Seite 42
Personalien Seite43
Mitteilungen Seite44
Inhalt Editorial
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 54 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
1. EinleitungIn vorliegendem Beitrag wird aus-
schließlich die externe Logistik, d.h.
alle Produktbewegungen ab Werks-
tor betrachtet. Somit wird auf die
werksinterne Produktionslogistik
sowie auf den Versand und die Ver-
ladung nicht eingegangen. Darüber
hinaus soll ein kleiner Einblick in
die logistischen Dienstleistungen
gegeben werden, die das K+S Logis-
tiksystem nicht nur für die eigenen
Gruppen- bzw. Beteiligungsgesell-
schaften (K+S KALI GmbH, fertiva
GmbH, esco – european salt com-
pany GmbH & Co. KG, COMPO
GmbH & Co. KG, K+S Entsorgung
GmbH), sondern auch für dritte,
konzernfremde Unternehmen er-
bringt.
Zu Beginn wird die organisato-
rische Struktur der verschiedenen
Logistikeinheiten innerhalb der
K+S Gruppe dargestellt. Daran
anschließend wird näher auf das
gesteuerte Transportvolumen – dif-
ferenziert nach den verschiedenen
Transportträgern – eingegangen.
Abschließend werden u.a. vor dem
Hintergrund des sehr politisch
beeinflussten Verkehrsmarktes in
Europa die ständigen Optimie-
rungsaufgaben innerhalb der Sup-
ply-Chain unserer Lieferprozesse
sowie strategische Ausrichtungen
aufgezeigt.
2. Organisation der K+S LogistikDer generelle Begriff Logistik
umfasst für die K+S Gruppe die
gesamte Transport- und Lieferkette
der Fertigprodukte, Handelswaren
und Reststoffe zur Entsorgung
sowie der Roh-, Hilfs- und Betriebs-
stoffe. So sind die Hauptbestandteile
der K+S Logistik die Zurverfügung-
stellung von Transporten, Lager- und
Umschlagplätzen sowie die Ein-
richtung und Steuerung diesen Zwe-
cken dienender Prozessabläufe,
also Absatz- und Produktionskoor-
dination, Warenverfügbarkeits- und
Transportmittelkoordination, Auf-
tragsabwicklung und weitere, die
logistische Kette begleitende Auf-
gaben.
Damit wird unter Logistik bei K+S
eine Teilmenge des unterneh-
mensübergreifenden – vom Liefe-
ranten über Produktion und Dis-
tribution bis zum Kunden – Supply-
Chain-Management verstanden.
Die Komplexität solcher Abläufe
erfordert eine sinnvolle Aufgaben-
und Verantwortungsteilung zwi-
schen und innerhalb verschiedener
Bereiche und Einheiten. Die Orga-
nisation der K+S Logistik bzw. der
verschiedenen logistischen Bereiche
und Einheiten innerhalb der Grup-
pe, die im Folgenden beschrieben
wird, ist eingebettet in die Matrix-
organisation der K+S Gruppe
(Abb.1).
2.1 Der Funktionsbereich Logistik (FB Logistik)Der FB Logistik, innerhalb der K+S
AG als geschäftsbereichsübergrei-
fende Querschnittfunktion plat-
ziert, ist für die Logistik hinsichtlich
Preisen und Strukturen verant-
wortlich. Die Wahrnehmung der
Verantwortung für Preise und Kon-
ditionen wird über ein zentrales
Beschaffungs- bzw. Vertragsmandat
für externe Logistikdienstleistungen
für die K+S Gruppe gewährleistet.
Unter „Strukturen“ wird die Aus-
gestaltung der Distributionssysteme
der Geschäftsbereiche verstanden.
Die Verantwortung besteht in der
Optimierung und synergieschaf-
fenden Gestaltung der Distribu-
tionssysteme der Geschäftsbereiche.
Die operative Nutzung der
vorhandenen Strukturen bzw. Dis-
tributionswege liegt hingegen in der
Verantwortung der jeweiligen
Geschäftsbereiche.
Die konkrete Zielsetzung des FB
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 7
Wirtschaft
6 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Wirtschaft
Das Logistiksystem der K+S Gruppe
Mit der Erweiterung der K+S Gruppe um wei-tere Gesellschaften in den letzten vier Jahrensowie der Einführung der Matrixstruktur als Organisationsform sind auch die Anfor-derungen an die logistischen Beschaffungs-,Steuerungs- und Optimierungsprozessequalitativ und quantitativ stark gewachsen.Nach den Personalkosten stellen dieLogistikkosten (ohne Produktionslogistik)aufgrund der massengutaffinen Produkt-struktur den zweitgrößten Kostenblock inner-halb der K+S Gruppe dar. Dieser Beitrag solleinerseits die aktuelle Struktur, Größe undKomplexität des Logistiksystems der K+SGruppe beschreiben, andererseits auch diezukünftigen Herausforderungen und strate-gischen Ausrichtungen verdeutlichen.
Dipl.-Kfm. Jörg IssleibFunktionsbereich Logistik
K+S Aktiengesellschaft, Kassel
Abb. 1: Matrixorganisation der K+S Gruppe / Organisational matrix of the K+S Group
Abb. 2: KTG Gruppe / KTG Group
(KTG) mit ihren Tochterunterneh-
men German Bulk Chartering
GmbH (GBC) und UBT See- und
Hafen-Spedition GmbH (UBT) reprä-
sentiert (Abb. 2).
Die GE Logistik ist verantwortlich
für
• die Erbringung günstigster logis-
tischer Dienstleistungen auf einem
Service- und Qualitätsniveau wie
für/von Fremde(n) Dritte(n) spezi-
fisch für die Geschäftsbereiche
• die Vermarktung logistischer
Dienstleistungen bei Nutzung vor-
handener Kapazitäten an Dritte,
wobei Geschäfte mit konzernfrem-
den Dritten dem Gruppeninteresse
dienen müssen und der Zustim-
mungspflicht durch den Funk-
tionsbereich Logistik unterliegen
• die Beschaffungsfunktionen, die
ihr vom Funktionsbereich Logistik
übertragen werden (z.B. Seeschiffs-
befrachtung durch die GBC)
Die GE Logistik arbeitet auf der Basis
fachlicher Vorgaben (im Sinne der
Matrixorganisation) des FB Logistik
und in enger Zusammenarbeit mit
den GB-Logistikeinheiten entspre-
chend ihren Anforderungen.
Im Einzelnen hat die GE Logistik
folgende Aufgaben für die Geschäfts-
bereiche der K+S Gruppe und drit-
te Kunden:
Kali-Transport Gesellschaft (KTG),
Hamburg
• KTG-eigene Lager- und Umschlag-
anlage in Hamburg-Wilhelmsburg
mit einer Umschlagleistung von ca.
4 Mio. Tonnen Düngemittel, Salze
und Getreide p.a. (Abb. 3)
• Seehafen- und Containerspedition
• Umschlagorganisation an Um-
schlaganlagen in Hamburg, Bre-
men, Brunsbüttel, Antwerpen sowie
weiteren Seehafenstandorten für
Massengüter (insb. Düngemittel,
Salze) und Container
• Vor- und Nachlauforganisation für
Bahn, LKW, Binnenschiff und See-
schiff
• Organisation der Lagerhaltung
und produktspezifischer Neben-
leistungen, wie Absacken, Sieben,
Probeentnahme, Tiefgangsexperti-
sen etc.
• Zollabwicklung der Ex- und
Importe
German Bulk Chartering (GBC),
Hamburg
• Seeschiffsbefrachtung für Kurz-
streckenseeverkehre und Übersee-
verkehre
• Schiffsdisposition
UBT See- und Hafen-Spedition,
Rostock
• Umschlagorganisation an Um-
schlaganlagen in Rostock, Wismar
und Lübeck sowie weiteren Stand-
orten im Binnenland für
Massengüter und massenhafte
Stückgüter, insb. für Erze, Stahler-
zeugnisse, Düngemittel, Salze,
Grundchemikalien, Baumateria-
lien und Container (Abb. 4)
• Vor- und Nachlauforganisation für
Bahn, LKW, Binnenschiff und
Seeschiff
• Organisation der Lagerhaltung
und produktspezifischer Neben-
leistungen, wie Absacken, Sieben.
Probeentnahme, Tiefgangsexperti-
sen etc.
• Klarierung ein- und ausgehender
Seeschiffe (Agentur)
• Zollabwicklung der Ex- und
Importe
• LKW-Frachtbeschaffung für alle
Produktgruppen und Gefahrgüter
• LKW-Abfertigung für verschiedene
Standorte der K+S KALI GmbH und
esco – european salt company
GmbH & Co. KG
3. Transportvolumen in der K+S GruppeDas eigen- und fremdbeschaffte
Transportvolumen betrug im Jahr
2003 für die Geschäftsbereiche der
K+S Gruppe und dritte Kunden ca.
33 Mio. Tonnen. Davon entfielen ca.
30 Mio. Tonnen auf Produkte der
K+S Gruppe und ca. 3 Mio. Tonnen
auf konzernfremde Produkte. Hier-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 9
Wirtschaft
Logistik besteht in dem Beitrag zur
Steigerung der Wettbewerbsfähig-
keit der Gruppe durch Kostenredu-
zierung, Prozessoptimierung sowie
der Leistungsverbesserung.
Im Einzelnen hat der FB Logistik
folgende Aufgabenstellungen und
Ziele:
• Beschaffung günstigster externer
Dienstleistungen (i.W. Bahn-,
Binnenschiff- und LKW-Transport-
dienstleistungen sowie Lager- und
Umschlagdienstleistungen) in
der durch das Geschäft bedingten
Qualität, Leistungsfähigkeit und
Verfügbarkeit auf Basis von Ein-
kaufsstrategien, ständiger Markt-
beobachtung, gruppenweiter Men-
genbündelung (Synergien) und
Ablaufoptimierungen (z.B. die Schaf-
fung von win-win-Verhältnissen
mit unseren Dienstleistungsunter-
nehmen – beispielsweise durch Ein-
satz von getakteten Regelgüterzügen
bei minimalem Ressourceneinsatz
von Lokomotiven, Waggons und
Personal)
• Ständige Analysen, Überwachung
und Hinterfragung von Transport-
und Prozessketten nach Qualitäts-,
Kosten- und Effizienzaspekten sowie
Erarbeitung und Umsetzung ent-
sprechender Optimierungsmodelle
in Absprache mit allen Beteiligten
(Geschäftsbereiche und Dienstleis-
tungsunternehmen)
• Verbesserung des IT-Instrumen-
tariums hinsichtlich logistischer
Funktionen und Auswertungs-
möglichkeiten
• Erhalt und Ausweitung des Logis-
tikgeschäftes mit Dritten, kon-
zernfremden Unternehmen, soweit
dies der K+S Gruppe dient (Syner-
gien durch Know-how-Nutzung,
Bündelung und Generierung zusätz-
licher Deckungsbeiträge durch
„economies of scale and size“ – z.B.
Nutzung der Umschlagkapazitäten
in Hamburg am Kalikai für Dritte).
Hierzu zählen strategische Allian-
zen, Kooperationen und Joint
Ventures, die sich dem Gruppen-
interesse unterordnen und Kosten-
synergien in die Gruppe transpor-
tieren.
2.2 Die Logistikeinheiten derGeschäftsbereiche (GB-Logistikein-heiten)Die GB-Logistikeinheiten sind
verantwortlich für die geschäftsbe-
reichsrelevanten Teile der Supply-
Chain, also i.W. für die Auftragsab-
wicklung, Absatz- und Produk-
tionskoordination sowie Waren-
und Transportmitteldisposition mit
internen und externen Dienstleis-
tern im Tagesgeschäft. Solche
geschäftsbereichsspezifischen Auf-
gaben werden in einigen Fällen in
Abstimmung mit dem Funktions-
bereich Logistik auch an andere
Bereiche/Einheiten in der K+S Grup-
pe und an Drittdienstleister außer-
halb der Gruppe übertragen.
Weiterhin liegt in ihrem Aufga-
benfeld die bereits erwähnte opti-
male Ausgestaltung der Supply-
Chain im Rahmen des K+S Logis-
tiksystems, d.h. die operative
Nutzung der vorhandenen Struk-
turen bzw. der Distributionswege.
Insofern tragen sie die Kostenver-
antwortung innerhalb ihres
Geschäftsbereichs.
Die GB-Logistikeinheiten setzen
damit die Vorgaben des Funktions-
bereichs Logistik sowohl mit inter-
nen als auch mit externen Partnern
im Tagesgeschäft um.
2.3 Die Geschäftseinheit Logistik (GE Logistik)Die GE Logistik wird innerhalb des
Geschäftsbereichs Dienstleistun-
gen und Handel der K+S AG durch
die Kali-Transport Gesellschaft mbH
8 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Wirtschaft
Abb. 3: Umschlaganlage Kalikai / Kalikai loading and storage facility
Abb. 4: Containerumschlag im Seehafen Wismar / Container handling at the port
of Wismar
durchgeführt (Abb. 6). Mit dieser
Tonnage und einem relativ konti-
nuierlichen Transportaufkommen
stellt die K+S Gruppe für die euro-
päische Trockengutschifffahrt einen
nicht unbedeutenden Faktor dar.
Darüber hinaus ist die GE Logis-
tik (KTG-Gruppe) in der Container-
binnenschifffahrt mit eigenen Fee-
der-Linien von Binnen- zu Seehäfen
für die K+S Gruppe und dritte Kun-
den tätig.
3.4 SeeschiffsverkehreNeben dem Heimatmarkt Europa
liegen wichtige Absatzmärkte der
K+S Gruppe im überseeischen
Bereich. So kommt dem Transport-
träger Seeschiff eine sehr große
Bedeutung zu. Von ca. 8 Mio. Ton-
nen transportierter Ware auf dem
Seeweg (europäische Seeverkehre
und Überseeverkehre) in 2003 wer-
den ca. 5 Mio. Tonnen durch die
KTG-Tochter GBC befrachtet. Die
restliche Transporttonnage wird
durch unsere Kunden eingekauft
und vorgelegt. GBC nutzt überwie-
gend Kontrakte, um die Transport-
sicherheit und Preisstabilität im See-
frachtenmarkt für die K+S Gruppe
zu gewährleisten. Der aktuell feste
Überseefrachtenmarkt erfordert
jedoch weitere, neue Lösungen, um
kostengünstig zu verschiffen. So
werden neben verpackter Ware auch
zunehmend lose Schüttgüter in
Containern in die überseeischen
Märkte geliefert. Im Jahr 2003
betrug die Anzahl der von der K+S
Gruppe verschifften Container ca.
15.000 mit steigender Tendenz.
3.5 Lagerei und UmschlagIn der Massengutlogistik spielen
Lager- und Umschlagstandorte eine
besondere Rolle. Um eine schnelle
Lieferfähigkeit in den Verbrauchs-
märkten sicherzustellen, existieren
vorwiegend in den europäischen
Ländern ca. 200 verschiedene Lager-
und Umschlagstandorte. Diese
Standorte sind einerseits Bestandteil
der verschiedenen K+S Gruppenge-
sellschaften und werden anderer-
seits bei externen Partnern ange-
mietet. Neben Lager- und Umschlag-
dienstleistungen erbringen diese
Standorte auch weitere Dienstleis-
tungen wie z.B. Konfektionierung
und Veredelung der Produkte.
Ein Hauptaugenmerk der logis-
tischen Aktivitäten in der K+S
Gruppe liegt in der Schaffung von
Synergien zwischen dieser hohen
Anzahl von Standorten.
4. Zukünftige Herausforderungen derK+S LogistikAktuell bestehen die Hauptaufgaben
für das K+S Logistiksystem in der
ständigen Kostenreduzierung und
Lieferprozessoptimierung. Künftig
wird mehr die qualitative Steige-
rung des logistischen Leistungser-
stellungsprozesses im Vordergrund
stehen. Um diesen Anforderungen
gerecht zu werden, bedarf es der Ent-
wicklung neuer bzw. Weiterent-
wicklung bestehender Instrumente:
• Ausbau von Procurement- / e-Pro-
curementsystemen, z.B. LKW-Frach-
tenbeschaffung
• Steigerung des Kundennutzens
durch die Einführung von Order-
Tracking-Systemen auch für Mas-
sengüter
• Anbindung an Online-Beschaf-
fungs- und Dispositionsplattfor-
men für Transportträger bei gleich-
zeitiger Bildung von strategischen
Allianzen mit anderen Massengut-
großverladern
• Prüfung von modernen Steue-
rungsinstrumenten wie der Balan-
ced-Score-Card auf deren Einsatz-
fähigkeit im Unternehmensumfeld
• Supply-Chain-Controlling: Aufbau
von effizienten Berichtspyramiden
• Erweiterung der bestehenden
Controllinginstrumente für noch
effektiveres Kostenmanagement in
der GE Logistik
• Ausbau von Drittgeschäften in der
GE Logistik durch die in der K+S
Gruppe generierte Stärke
Zusammenfassend lässt sich fest-
halten, dass sich der weitere Ausbau
der logistischen Strukturen auf
Basis des bereits begonnenen Weges
vielfältigen Herausforderungen stel-
len muss, ganz besonders durch
noch intensivere Vernetzung inner-
halb der K+S Gruppe und mit
Dritten.
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 11
Wirtschaft
bei gilt es zu berücksichtigen, dass
durch vielfach gebrochene Trans-
porte (z.B. Vorlauf per Bahn, Haupt-
lauf per Binnenschiff, Nachlauf per
LKW) das Transportvolumen sys-
tembedingt Doppel- oder Mehr-
fachzählungen enthält. So ent-
sprechen ca. 14–15 Mio. Tonnen End-
produkt in der K+S Gruppe dem o.g.
Transportvolumen von 30 Mio.
Tonnen.
Für das Logistiksystem des Mas-
sengutproduzenten K+S sind die
Hauptkostentreiber zwangsläufig
die Transportträger. So sind bei-
spielsweise einige Produkte mit bis
zu 50 % (!) externen Logistikkosten,
bezogen auf den Verkaufspreis,
belastet. Logistik wird folglich als
Kernkompetenz innerhalb der K+S
Gruppe angesehen. Demzufolge
liegt das Hauptaugenmerk in der
Erlangung bzw. Wahrung der Trans-
portbeschaffung durch K+S-eigene
Bereiche/Einheiten. Dies dient
weiterhin auch dem koordinierten
Transportablauf, wenn Werke/Ver-
sandstellen, Transportdienstleister
sowie Lager- und Umschlagstellen
möglichst vollständig durch K+S
operativ gesteuert werden.
3.1 BahnverkehreAls Massengutverlader ist K+S –
bedingt durch die geographische
Lage ihrer Grubenstandorte – tra-
ditionell stark mit der Eisenbahn
verbunden. Auch die Bahnaffinität
der Produkte (überwiegend lose
Schüttgüter) trägt hierzu bei.
K+S ist einer der größten Bahn-
kunden Deutschlands und trans-
portiert zurzeit europaweit ca. 8
Mio. Tonnen auf der Schiene.
Moderne Produktionskonzepte
wie z.B. der Einsatz von getakteten
Regelgüterzügen zwischen wichti-
gen Standorten mit fest definierten
Belade-, Entlade- und Fahrplanzeit-
fenster minimieren den Ressour-
ceneinsatz und tragen über günstige
Frachten nachhaltig zu wirtschaft-
lichen Transporten bei. Darüber hi-
naus investieren unsere Bahn-
dienstleister in leistungsfähiges
Waggonequipment (Großraum-
waggons mit Mittenbodenentlee-
rung – siehe Abb. 5), das einerseits
Größenvorteile generiert, anderseits
die operativen Entladevorgänge
stark vereinfacht. Über die GE Logis-
tik (KTG) agiert die K+S Gruppe
zudem als Bahnspediteur für Con-
tainertransporte. So wurden bereits
mehrere Containerzugverbindun-
gen innerhalb Deutschlands unter
dem Produktnamen „Baltic-Train“
für die K+S Gruppe und konzern-
fremde Unternehmen eingerichtet.
3.2 LKW-VerkehreDas Transportvolumen der K+S
Gruppe auf der Straße beträgt euro-
paweit aktuell mehr als 8 Mio. Ton-
nen p.a. und wird zu einem großen
Teil über die firmeneigene Spedi-
tionstochter UBT beschafft und ope-
rativ gesteuert (Disposition und
Abfertigung für verschiedene K+S
Standorte).
Obwohl der konsequente Einsatz
der Massengutverkehrsträger Bahn
und Binnen-/Seeschiff bei K+S eine
hohe Priorität besitzt, lässt sich ein
bestimmter Anteil an LKW-Trans-
porten nicht vermeiden. Hier sehen
wir es aus ökonomischer wie öko-
logischer Sicht als unsere Aufgabe
an, den Anteil an Leerfahrten wei-
testgehend zu reduzieren und mit
unseren LKW-Transportpartnern
zum Aufbau von paarigen Verkeh-
ren beizutragen. Darüber hinaus
nutzen wir verstärkt die am Trans-
portmarkt angebotene Alternative
des Kombinierten Verkehrs (KV)
Straße-Schiene-Straße, um bereits
im Vorfeld der Einführung der stre-
ckenbezogenen LKW-Maut für deut-
sche Autobahnen mit zusätzlichen
Kostenbelastungen proaktiv zu agie-
ren.
3.3 BinnenschiffsverkehreMit einem Gesamtvolumen von ca.
4 Mio. Tonnen p.a. werden die euro-
päischen Binnenschiffsverkehre in
der K+S Gruppe weitgehend zentral
ausgeschrieben und befrachtet. So
werden Massengutverschiffungen
von ca. 12–15 Binnenhäfen in
Deutschland, Frankreich, Nieder-
lande und Belgien auf ca. 300 ver-
schiedene europäische Löschhäfen
10 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Wirtschaft
Abb. 5: Moderne Großraumwaggons im Kaliwerk Zielitz / Large capacity cars at the
production plant in Zielitz
Abb. 6: Binnenschiffsbeladung am
Kalikai / A barge loading potash at the
Kalikai
Schacht GrönaTeufbeginn für den Schacht Gröna
war der 24.04.1912. Der Schacht hat
einen Durchmesser von 4,5 m, eine
Teufe von 529 m und ist über zwei
Sohlen angeschlagen. Er dient als
einziehender Wetterschacht, Seil-
fahrt- und Materialschacht und ist
mit einer Schachtwetterheizung
ausgestattet.
Die Förderung erfolgt mit einem
2-etagigen Gestell mit Gegenge-
wicht. Im Schacht sind außerdem
eine Freifallleitung für die Unter-
tageverwertung, eine Dieselfalllei-
tung sowie Kabel für die 6-kV-Strom-
versorgung und Signalkabel instal-
liert. Im Jahre 1994 erfolgte der
Umbau in die heutige Form. Neben
einer Sanierung des Schachtes wur-
de das alte Strebengerüst durch das
heutige Fördergerüst ersetzt, es wur-
den Stahlspurlatten und Stahlein-
striche eingebaut, die Gestellförde-
rung sowie die Schachtsignalanlage
erneuert.
Der Materialtransport erfolgt
für den Grubenbetrieb über die 2.
Sohle bei 512 m Teufe und für die
UTV, hier vor allem Abfälle zur Ver-
wertung in BigBags und Containern,
über die 1. Sohle bei 432 m.
Torsten Mersch
Grubenwirtschaftsingenieur
esco – european salt company
GmbH & Co. KG
Werk Bernburg
Technik und Anwendung
Die alte FördermaschineDie alte Fördermaschine, von der die
Hauptwelle sowie die Lager noch im
Einsatz waren, wurde ursprünglich
1913/14 von EPR in Dülmen gebaut.
In den Jahren 1960 und 1978 erfolg-
ten Umbauten und Modernisie-
rungen durch NOBAS Nordhausen.
Die pneumatische Siemens-
Schuckert-Bremse aus dem Jahr
1940 hatte keine Bauartzulassung.
Sie war einsträngig aufgebaut, und
insbesondere bei Bremsdruckregler
und Sicherheitsbremsmagnet wa-
ren Ersatzteile nicht mehr beschaff-
bar.
Die zwei Gleichstromfördermo-
toren mit einer Leistung von jeweils
425 kW waren aus den Baujahren
1959 und 1975, sie wurden von
einem Leonard - Umformer mit 550
V Gleichspannung versorgt.
Die Steuerung wurde in heute
nicht mehr zulässiger, offener Bau-
art 1975 nach Plänen von 1913 pro-
jektiert und 1985 eingebaut. Ersatz-
teile für die RELOG-Technik waren
nicht mehr beschaffbar, teilweise
wurden Bauteile in Eigenarbeit
angefertigt.
Die gesamte Fördermaschine
war nicht TAS-konform aufgebaut
und wurde unter Bestandsschutz
betrieben.
Ausschlaggebend für die Ersatz-
investition war die Tatsache, dass
wichtige Ersatzteile nicht mehr
beschaffbar waren und der Umbau
einzelner wesentlicher Komponen-
ten den Bestandsschutz der gesam-
ten Fördermaschine in Frage gestellt
hätte. Auch wären Teilmodernisie-
rungen technisch nur sehr auf-
wendig realisierbar und unter wirt-
schaftlichen Gesichtspunkten we-
nig sinnvoll gewesen.
Als Aufgabenstellung ergab sich
somit der Bau einer komplett neu-
en Fördermaschine einschließlich
Bremse und Steuerung nach TAS,
wobei lediglich die schon 1994 er-
neuerte Schachtsignalanlage über-
nommen werden sollte. Bei diesem
Umbau sollte gleichzeitig die Nutz-
last von 8 t auf 10 t erhöht werden.
Vorgabe war, dass das Fundament
der Fördermaschine erhalten blei-
ben musste, so dass aufgrund der
Abmessungen der Treibscheiben-
grube enge Grenzen für die Größe
der Ersatzmaschine gesetzt waren.
EntscheidungsfindungBevor die Entscheidung zugunsten
einer neuen, integrierten Förder-
maschine fiel, wurden verschiede-
ne Varianten betrachtet.
Der naheliegende Gedanke, eine
gebrauchte Maschine zu überneh-
men, wurde intensiv untersucht.
Eine leistungsmäßig den Anforde-
rungen entsprechende Maschine
wurde schließlich im Ruhrgebiet
ausfindig gemacht. Es stellte sich
jedoch schnell heraus, dass auch bei
dieser Maschine eine komplett
neue Steuerung notwendig war. Die
Bremse war nicht bauartzugelassen,
die Treibscheibe entsprach nicht der
TAS und der Fördermotor war leis-
tungsmäßig überdimensioniert,
was erhöhte Betriebskosten zur Fol-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 13
Neue Fördermaschine für Schacht Gröna
Im August 2003 wurde am Schacht Gröna des Steinsalzwerkes Bern-burg der esco – european salt company GmbH & Co. KG eine neue,integrierte Fördermaschine errichtet. Mit diesem Projekt wurdenUmbau und Modernisierung des Schachtes abgeschlossen.
Abb. 1: Die pneumatische Siemens-Schuckert-Bremse der alten Fördermaschine
Gröna / The pneumatic Siemens-Schuckert-brake of the old hoisting machine Gröna
Abb. 2: Teil der alten Steuerung in offe-
ner Bauart / Part of the old electrical
control in open design
12 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Technik und Anwendung
geringen Breite der Treibscheiben-
grube von nur 1.280 mm zu erheb-
lichen Problemen für die Kon-
strukteure des Motors. Der Syn-
chronmotor mit 12 Polpaaren hat
eine installierte Leistung von 700
kW, zusätzlich sind rund 90 kW für
die Kühlung, die Bremse und sons-
tigen Eigenverbrauch installiert.
Das Gewicht der Treibscheibe
beträgt rund 80 t bei einem Durch-
messer von 5 m in der Seilrille. Sie
ist auf einem Grundrahmen verla-
gert, der auch die Bremsständer auf-
nimmt. Der Maschinenrahmen
wurde derart konstruiert, dass er
alle Maschinenbaugruppen auf-
nimmt und sämtliche auftretenden
Kräfte in das vorhandene Maschi-
nenfundament ableitet. Durch die-
se Konstruktion konnten Änderun-
gen am Fundament vermieden
werden.
Besonderes Augenmerk wurde
auf die „Tachomaschine“ gelegt.
Diese besteht aus einem Inkre-
mentalwertgeber, der je Treibschei-
benumdrehung 5.800 Impulse auf-
nimmt und diese an die Ma-
schinensteuerung übergibt. Nicht
die genaue Erfassung der aktuellen
Geschwindigkeit erfordert diese
hohe Auflösung, sondern die Kon-
struktion des Fahrtreglers. Dieser
benötigt jederzeit die genaue Posi-
tion der Treibscheibe und damit des
Motors. Aus diesem Grund wurde
zur Drehübertragung ein spielfreies
Getriebe installiert, bei dem das Rit-
zel aus zwei Hälften besteht, die mit
Federn gegeneinander verspannt
sind.
Die Bremse ist eine hydraulische
Scheibenbremse der SIEMAG mit
zwei Bremsständern und jeweils
zwei Bremszangen BE 100 in
bewährter Technik. Das Hydraulik-
aggregat ist mit zwei Pumpen und
Antrieben ausgestattet, die wahl-
weise im Wechsel betrieben werden.
Die Bremse ist auf die beim Über-
heben wirkende maximale Überlast
von 18 t ausgelegt. Die Bremsschei-
ben sind direkt aus den Seiten-
schilden gearbeitet. Um bei einer
eventuellen Beschädigung der
Bremsscheibe keine aufwendigen
Reparaturen durchführen zu müs-
sen, wurden beide Seitenschilde als
Bremsscheibe ausgeführt, so dass im
Bedarfsfall lediglich die Brems-
ständer umgesetzt werden müssen.
Neben dem Bremsdruck werden die
Scheibentemperatur und der Schei-
benschlag überwacht.
Beim Fahrtregler handelt es sich
um einen digitalen Fahrtregler
FR2000i, ausgeführt mit Program-
mierbarer Elektronischer Steue-
rung (PES) von ALSTOM, Logidyn D2.
In dieser Form ist der Fahrtregler an
der Fördermaschine Gröna erst-
malig eingesetzt. Zur Zeit läuft der
halbjährige Bewährungsbetrieb,
die Bauartzulassung soll bis März
2004 erfolgen.
Ebenfalls in Logidyn D2 ist die
Steuerung aufgebaut. Alle sicher-
heitsrelevanten Funktionen sind
konsequent diversitär redundant
ausgeführt.
Als Leistungsteil ist ein Fre-
quenzumrichter MD 2000 im Ein-
satz. Dieser ist so ausgelegt, dass bei
Ausfall jeweils einer Einheit im Netz-
und Motorpulser die Maschine mit
voller Last und voller Geschwin-
digkeit gefahren werden kann. Im
Störungsfall wird die betreffende
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 15
Technik und Anwendung
ge gehabt hätte. Die konstruktive
Ausführung dieser Maschine hätte
einen hohen Bauaufwand im För-
dermaschinengebäude erfordert,
z.B. für einen Hilfsrahmen und
Anpassung des Fundamentes für
den angekuppelten Motor. Kein Auf-
tragnehmer hätte eine Garantie auf
die mechanischen Teile und den
Fördermotor abgegeben. Da der
finanzielle Vorteil gegenüber einer
Neuanlage letztlich auch nicht
entscheidend war, wurde diese
Variante aufgegeben.
Als Neubau standen grundsätz-
lich die Varianten Treibscheibe mit
direkt gekuppeltem Motor oder
integrierte Fördermaschine zur
Auswahl, die als neue Anlagen
jeweils für den Bedarf des Schach-
tes Gröna optimal angepasst werden
konnten. Aufgrund des geringen
Kostenunterschiedes und der über-
zeugenden betrieblichen Vorteile,
wie geringer Platzbedarf, geringere
Anforderungen an Fundament und
Verlagerung, einfachere und damit
zeitsparendere Montage, wurde
schließlich die Entscheidung
zugunsten einer integrierten Förder-
maschine getroffen.
Nach erfolgreicher Vergabever-
handlung wurde der Auftrag an die
ALSTOM Power Conversion GmbH
als Generalauftragnehmer verge-
ben. Unterauftragnehmer für den
mechanischen Teil waren die
SIEMAG GmbH und für den Motor
die Lloyd Dynamowerke GmbH &
Co. KG.
Konzept der FördermaschineDie betrieblichen Anforderungen
sind eine Fördergeschwindigkeit
von 10 m/s, eine Nutzlast von 10 t
sowohl einhängend als auch zie-
hend und die Möglichkeit, mit der
Maschine überheben zu können,
wobei dann eine einseitige Überlast
von 18 t wirkt.
Die Steuerung kann im Hand-
und Automatikbetrieb erfolgen,
die wesentlichen Betriebsarten sind
Selbstfahrerseilfahrt und Seilfahrt
mit Anschläger, Materialförderung,
Revisionen und Überheben.
Die maximale Ausfallzeit darf
50 h/a betragen und für die Wälz-
lager wird eine Mindestlaufzeit von
300.000 Betriebsstunden garan-
tiert.
Die realisierte Fördermaschine ist
von der Bauart her eine integrierte
Maschine, das heißt, dass der Motor
komplett in die Treibscheibe ein-
gebaut ist. Dies führte aufgrund der
14 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Technik und Anwendung
Abb. 4: Der neue Steuerstand mit Visu-
alisierung über Monitore / The new con-
trol place with visualization over monitors
Abb. 5: Das neue Hydraulikbremsaggregat im Untergeschoss des Fördermaschi-
nengebäudes / The new hydraulic brake in the basement of the engine house
Abb. 3: Mit einem 650-t-Kran wird die Fördermaschine in das Gebäude gehoben/
With a 650-t crane the machine is lifted into the building
se. Im laufenden Betrieb wurden
nach und nach die einzelnen Ele-
mente bis hin zum Steuerstand ver-
kabelt, getestet und in Betrieb ge-
nommen. Die Bremsständer wurden
neben der alten Maschine aufge-
stellt, provisorisch an das Brems-
aggregat angeschlossen und paral-
lel mitbetrieben.
Durch die Vielzahl der frühzeitig
möglichen Montageleistungen war
es möglich, einzelne Komponenten
vor Ort zu testen und vorab in
Betrieb zu nehmen, so dass der
Installations- und Prüfaufwand in
der eigentlichen Umbauphase stark
entlastet werden konnte.
Am 1. August war es dann
soweit, die neue Maschine stand auf
dem Hof, und vor dem Werkstor
wartete ein 650-t-Kran samt vier Tief-
ladern. Nach der Seilfahrt zur Früh-
schicht wurden die alte Maschine
stillgelegt und das Förderseil abge-
legt. Mittags wurde das Dach geöff-
net, gleichzeitig begann die Demon-
tage. Während auf der Werkstraße
der Kran aufgebaut wurde, wurde
innen mit Schneidbrennern Platz
geschaffen.
Am 2. August wurden die alte
Treibscheibe und die Fördermotore
aus dem Gebäude gehoben, um
16:00 Uhr war bereits alles zer-
brannt und auf Schrottcontainern
und Tiefladern vom Werksgelände
verschwunden. Bereits am Abend
konnte der neue Maschinenrahmen
eingehängt und ausgerichtet wer-
den.
Parallel zu den Arbeiten im För-
dermaschinengebäude wurde auf
der 1. Sohle eine Bühne mit Gerüst
in den Schacht gebaut, um den Prall-
bunker der UTV-Fallleitung weiter-
hin befahren zu können. Für die
Kontrolle der Fallleitung in der
Umbauphase wurde die vorhande-
ne Videokamera an einer Seilwinde
eingesetzt.
Am 4. August wurde die neue
Maschine eingehoben. Neben dem
650-t-Kran war ein 300-Tonner zur
Hilfestellung angerückt. Nach dem
Aufrichten und der Befreiung aus
dem Transportgestell schwebte die
Maschine durch das Dach auf den
Rahmen.
Nach dieser spektakulären Ak-
tion wurde es bis auf den parallel
durchgeführten Abriss des Umfor-
meranbaus ruhig. Das Bild be-
herrschten jetzt Elektriker beim Ver-
kabeln und Inbetriebnehmer vor
ihren PCs beim Programmieren,
Parametrieren und Optimieren.
Am 12.08.2003 konnte nach erfolg-
reichem Betrieb ohne Seil das För-
derseil wieder aufgelegt werden.
Probetreiben wurden zunächst mit
ausgeglichenen Lasten und geringen
Fahrgeschwindigkeiten durchge-
führt. Die Belastungen konnten
allmählich gesteigert werden, bis
zur erfolgreichen Sicherheits-
bremsung bei 10 t Last und 10 m/s
einhängend.
In der 34. Kalenderwoche erfolg-
ten die Prüfungen der Sachver-
ständigen von TÜV und DMT,
abends am 24. August wurde vom
LAGB Sachsen-Anhalt schließlich
die Fördermaschine für den Betrieb
in Handsteuerung zugelassen. Seit
dem 25.08.2003 wird der Schacht
vom Grubenbetrieb und der UTV
wieder genutzt, wobei in der Mit-
tags- und Nachtschicht von ALSTOM
der Automatikbetrieb eingerichtet
wurde. Am 09.09.2003 wurden alle
Betriebsarten auch in Automatik-
fahrweise zugelassen.
Im Probebetrieb hat die Maschi-
ne ab dem 10.09.2003 alle gefor-
derten Leistungsparameter nach-
gewiesen, so dass am 25.09.2003 die
Abnahme erfolgen konnte.
Seitdem läuft die neue Förder-
maschine Gröna störungsfrei. Die
„Kinderkrankheiten“, die bei einer
derartigen Neukonstruktion selbst-
verständlich auftreten, hielten sich
in Grenzen.
Inzwischen sind auch die Rest-
arbeiten am Fördermaschinenge-
bäude abgeschlossen, so dass sich
die neue Fördermaschine in einem
angemessen Rahmen präsentiert.
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 17
Technik und Anwendung
Einheit ausgeklemmt. Ein Maschi-
nenausfall durch eine Störung des
Frequenzumrichters wird durch die-
se Ausführung vermieden.
Motor und Steuerung werden
durch eine Umluft- Luft-Wasser-Küh-
lung gekühlt. Die getrennten Küh-
ler für die Luftkreisläufe werden von
einem gemeinsamen Wasserkreis-
lauf versorgt, das Wasser wird über
einen außerhalb des Förderma-
schinengebäudes aufgebauten, last-
abhängig geregelten Rückkühler
gekühlt.
Als Besonderheit ist ein zweiter
Steuerstand auf dem 250 m ent-
fernten Förderturm des Schachtes
Bernburg in der Steuerkabine für
die Fördermaschine Bernburg instal-
liert. Die Bedienung der Förderma-
schine ist von beiden Steuerständen
aus gleichermaßen möglich, mit
den Ausnahmen Überheben und
Notsteuerung, die nur von vor Ort
gefahren werden können. Die
Umschaltung zwischen den beiden
Steuerständen erfolgt durch das
Abgabeprinzip, das heißt, dass der
Maschinist das Pult, von dem aus er
gefahren ist, deaktivieren muss. Erst
dann kann am anderen Pult die
Bedienberechtigung erlangt werden
und die Maschine gesteuert werden.
Die Steuerstände sind in Pultbau-
weise aufgebaut. Die Visualisierung
des Teufenzeigers, aller Meldungen
und Betriebszustände erfolgt über
Bildschirme. Während ein Bild-
schirm ausschließlich für die Visu-
alisierung des Teufenzeigers reser-
viert ist, können am zweiten Bild-
schirm eine Vielzahl weiterer
Informationen über die Betriebs-
zustände von Bremse, Motor,
Umformer, Stellung der Schacht-
klappen und Tore usw. über ca. 15
Bilder angezeigt werden. Die nach
TAS geforderten Anzeigen sind
zusätzlich über Leuchttableaus rea-
lisiert.
Die Betriebsartenumschaltung
erfolgt durch Mausbedienung am
Bildschirm. Voraussetzung dafür ist
eine ständige Monitorüberwachung
(MOWA). Komplettiert wird die För-
deranlage durch eine FTS-Anlage
von Gründer und Hötten und eine
Videoüberwachung der Anschläge.
BauablaufEs bestand die anspruchsvolle Auf-
gabe, den Umbau der Förderma-
schine im laufenden Betrieb so vor-
zubereiten, dass die „heiße Phase“,
der Zeitraum zwischen Abschalten
der alten Anlage und Inbetrieb-
nahme der neuen, nicht länger als
21 Tage beträgt. Gleichzeitig muss-
te das Fördermaschinengebäude
innen und außen saniert werden.
Bis auf wenige Ausnahmen erfolg-
te die Montage problemlos und vor
allem unfallfrei, so dass nach den
vorgesehenen drei Wochen Still-
stand der Schacht wieder für den
Grubenbetrieb zur Verfügung stand.
Im Einzelnen gestaltete sich die Bau-
phase folgendermaßen:
Im Vorfeld wurde der statische
Nachweis für die Tragfähigkeit des
vorhandenen Maschinenfunda-
mentes erbracht.
Bereits seit März wurden im För-
dermaschinengebäude erste Vorbe-
reitungen getroffen. Es wurden,
ohne die Schachtnutzung zu beein-
trächtigen, überwiegend in der Mit-
tags- und Nachtschicht die Löcher
für die Aufnahme der neuen Rah-
menverankerung gebohrt. Nach
deren Fertigstellung wurden die
Ankerschrauben eingesetzt und
zementiert. Im Untergeschoss wur-
den die Räume für das neue Brems-
aggregat und die Umluftkühlung
der Maschine vorbereitet. Hier mus-
sten alte Fundamente entfernt und
Mauerdurchbrüche geschaffen wer-
den, im Anschluss konnten die neu-
en Fundamente gegossen werden.
Eine provisorische Motorkühlung,
die bereits den neuen Kühler inte-
grierte, wurde aufgebaut.
Seit April des Jahres wurde im
benachbarten Gebäude ein früher
als Kaue genutzter Raum für die Auf-
nahme der Steuerung vorbereitet.
Ein Traforaum wurde geräumt und
baulich angepasst.
Nachdem am Maschinengebäude
und am Schaltraum Durchbrüche
in den Außenwänden fertiggestellt
waren, konnte am 13.06.2003 eine
Verbindungsbrücke eingehängt wer-
den. Diese Brücke nimmt die Leis-
tungs- und Steuerkabel sowie die
Kühlwasserrohre auf und dient als
Verbindungsgang zwischen Maschi-
ne und Steuerräumen.
Ab dem 24.06.2003 begann die
Montage von Steuerung und Brem-
16 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Technik und Anwendung
Abb. 6: Die neue Fördermaschine im
sanierten Fördermaschinengebäude /
The new hoisting machine in the repaired
engine house
Abb. 7: Die Sanierungsarbeiten sind nahezu abgeschlossen / The repair works are
almost final
more than 2500 m are drilled and
radar surveyed. Three years ago, a
trial was conducted in the Werra
mine of K+S KALI GmbH to use the
ground penetrating radar as a pos-
sible method to detect fractures in
the roof of the drifts. These fractures
sometimes occur in horizontal
bedded salt up to approx. 3 m above
the roof because of stress relief due
to mining. When fractures are
detected the roof has to be scaled
mechanically or anchors have to be
installed to prevent block fall. The
early detection of these fractures is
therefore very important.
A high frequency radar was test-
ed to detect and locate the fractures
in salt. The required objectives were
the distinction between induced
fractures and geological reflec-
tions on the radar profiles and the
need to carry on an extensive sur-
vey in a relatively short time peri-
od, as several hundreds of kilome-
ters of drifts have to be sampled reg-
ularly in the underground mine.
The survey should be carried out
with small time effort because of the
length of the drifts in a mine.
After some successful initial
tests using different radar equip-
ments, a car was equipped with a
control unit (4 channels) and a
hydraulic arm to lift a maximum of
4 antennas near the roof of a drift.
At the moment two 900 MHz Gssi
antennas are installed. The survey
speed of this two channels applica-
tion is approx. 15 km/h. The tests
have shown that a direct coupling
of the antenna to the salt is not nec-
essary. A working distance of 0.5 to
1 m to the roof gives a satisfactory
signal quality. Fig. 1 and Fig. 2 show
the equipment used for the inves-
tigation of fractures in the roof of
the drift. Complementary testing
radar measurements have been car-
ried out by the company G-Tec (Spa,
Belgium) and by the KULeuven (Uni-
versity of Leuven in Belgium) in
order to:
•Evaluate the effect of the antenna-
roof distances
•Evaluate the effect of the velocity
of acquisition
•Define the ability of the radar to
detect thin fractures in the roof of
the drifts
•Determine the fracture opening
from the radar reflection
GPR technique applied in the salt mine.The radar technique is based on the
propagation and reflection of high
frequency electromagnetic waves
(20 MHz–2 GHz). The technique is
widely described in Daniels (1996).
The radar method provides images
of non-conductive media at shallow
depths. The reflections are due to a
contrast in the dielectric permit-
tivity and conductivity, e.g. salt ver-
sus an open fracture. The radar
pulse has a large bandwidth to
achieve a high resolution. The pen-
etration, which can reach several
hundreds of meters in resistive envi-
ronments, decreases when the used
frequency increases. A higher fre-
quency provides on the other hand
a better resolution. The quality of
the profiles is well improved by
using processing techniques like fil-
tering, automatic gain control,
background removal and migration.
A planar reflector results in a pla-
nar event on the radar profile (see
Fig. 3). Heterogenities (e.g. a hole)
with very small dimensions com-
pared to the wavelength result in a
hyperbolic event on the radar pro-
file. Because of his high resistivity,
the salt rock is a good medium for
the propagation of radar waves. GPR
and borehole radar have been suc-
cessfully used in potash and salt
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 19
Forschung und Entwicklung
18 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Fracture detection and characterisation by groundpenetrating radar in a salt mine
In the Werra mine of K+S KALI GmbH highfrequency ground penetrating radar is usedto detect fractures in the roof of the drifts byroutine. Complementary test measurementshave been carried out in order to compare cal-culations of the openings of the fracturesbased on the frequency spectrum of theirreflections with directly measured openingsin boreholes. The results and limitations ofthese calculations are discussed.
Colette Grégoire KULeuven, Departmentof Civil Engineering, KULeuven, Belgium
Lucien Halleux KULeuven, Departmentof Civil Engineering, KULeuven, Belgium
Dr. Volker Lukas K+S Aktiengesellschaft,Kassel, Germany
Introduction.In the early seventies, the K+S Group
developed a radar system, which is
especially adapted for investigations
in underground mines. The main
objectives of the surveys were the
investigation of the top and base of
evaporite deposits, the flanks as well
as the top of salt domes, the struc-
tural geology of anhydrite or clay
beds within the evaporite sequence,
the shape and extention of natural
or mining openings and the pre-
sence and extention of dangerous
water or brine reservoirs within the
evaporite sequences. The system
using frequencies of 30 to 100MHz
has become an extremely important
tool in salt mine exploration espe-
cially to detect geological hazards.
The borehole application allows
exploration far in advance of
mining. For this purpose horizon-
tal boreholes reaching a length of
Fig. 1: Car with the radar equipment (control unit, antennas).
Fig. 2: Antennas mounted on the hydraulic arm of the car.
tance and velocity of acquisition are
analysed. The ability of the radar
method to detect very thin fractures
in salt has also been studied using
the aquired data in order to derive
some conclusion on the detectabil-
ity of fractures in function of their
opening and their position.
The fracture openings were meas-
ured directly just before the radar
data acquisition using a hook. The
openings vary from 1 mm up to
90mm. The 15 boreholes and the
measured fracture openings are
represented in Fig. 5 for the two
sites.
Static data analysis.The data are aquired with the anten-
na fixed in one position. These
measurements have the advantage
to provide an accurate position for
the acquisition. On the other hand,
the identification of a reflector from
one trace is more difficult than on
dynamic profiles where numerous
traces are recorded. Moreover, if the
antenna is placed in a bad location
(irregularity in the roof or presence
of anchors), the quality of the reg-
istered signal is negatively affected.
These static data are used to estimate
the effect of the antenna-roof dis-
tance on the signal quality. After-
wards, they are compared to the
dynamic data. The antenna-roof dis-
tances for the static measurements
vary from 0.2 m up to 2.4 m,
depending on the location. The dis-
tances are calculated from the radar
traces using the time between the
direct wave and the reflection on
the roof, which proved to be a quite
accurate method. There are three
antenna positions for each of the
boreholes of the site 1 and two
antenna positions for the boreholes
of the site 2 because the roof of the
drift is lower. From the data, it is
observed that the increase of the
antenna-roof distance causes a larg-
er attenuation of the signal (see Fig.
6 for borehole 3, site 2). The signal
remains satisfactory until an anten-
na-roof distance of 1 m–1.5 m. When
the antenna-roof distances become
too large (2 m), the signal-to-noise
ratio is too low.
Dynamic data analysis .The dynamic profiles were acquired
over a distance of 40 to 50 m for two
antenna-roof distances per site with
a registration time of 60 ns. The
penetration is about 2.5 m in salt.
A dynamic profile of site 1 (Fig. 7)
and site 2 (Fig. 8) is represented. The
position of the borehole and their
intersection with fractures is indi-
cated. At site1 a long fracture ap-
pears between 20 and 30 ns over the
entire profiles. A small fracture is
visible at 25 m from the beginning
of the profiles between the times 10
and 20 ns, corresponding to a depth
of about 0.25 m. On profiles regis-
tered at site 2, a long fracture cross-
es the entire profile between 20 and
30 ns, corresponding to a maximum
depth of about 1.40 m in salt. A first
dipping reflector is visible at a dis-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 21
Forschung und Entwicklung
mines in order to map stratigraph-
ic features or to determine the exten-
sion of the deposit [Beer, 1990;
Annan et al., 1988; Käding and
Lukas, 1997; Halleux et al., 2000;
Zeibig and Wendzel, 2000; Eisen-
burger and Gundelach, 2000].
An example of radar profiles car-
ried out in the mine is given on Fig.
4. This profile is carried out with the
900MHz Gssi antenna (system cho-
sen for the investigation in the
mine) and the quality of the profile
is considered to be good.
The first reflection after the
direct wave corresponds to the
reflection on the roof. This reflec-
tion is energetic because of the large
permittivity contrast air-salt. The
arrival time changes along the pro-
file because of the irregularity of the
roof. The other reflections corre-
spond to open fractures. The polar-
ity of these reflections is opposite
to the polarity of the reflection on
the roof because they correspond to
a contrast in permittivity salt-air. As
the velocity of electromagnetic
waves is known, the position of the
fractures in salt can be easily deter-
mined.
Testing radar measurements.Radar measurements have been car-
ried out at two site of the K+S Wer-
ra mine where the fracture openings
could also be directly recorded in 15
boreholes. Two radar systems were
used: the 900MHz Gssi antenna and
the 1 GHz Ramac antenna. Static
and dynamic measurements were
carried out at several antenna-roof
distances with the two radar sys-
tems. For the static measurements,
the antenna is fixed at one location
during the acquisition. The dynam-
ic data are carried out at the normal
car speed (about 15 km/h). The stat-
ic measurements are compared to
the dynamic measurements to
determine the influence of the car
speed on the signal quality.
From these measurements, the
influence of the antenna-roof dis-
20 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Fig. 3: Principle of the radar technique.
Fig. 4: Radar profile carried out in the salt mine (site1) with the 900MHz Gssi antenna.
Fig. 5: Boreholes drilled at two sites of the mine. The depths [m] and fracture openings
[mm] are represented.
Fig. 6: Static acquisition carried out at two
antenna-roof distances (borehole 3, site2).
at 1.28 m but this result has to be
interpreted with care (borehole 1).
The strong reflection at this location
is probably due to a fracture larger
than the opening measured in the
borehole.
Some fractures can not be dis-
tinguished because they are too
close too each other. In theory, if the
distance separating is smaller than
62 mm (resolution corresponding
to a central frequency of 1 GHz), it
is not possible to distinguish the
fractures as separate reflection in
the radar data. Nevertheless the
characteristic interference of the
two reflections prove in most cases
the existence of more than one frac-
ture. Other fractures can not be dis-
tinguished because they are locat-
ed to close to the roof and the reflec-
tions related to these fractures
interfere with the reflection on the
roof.
Estimation of fracture opening.Information about the opening
width can not be deduced quanti-
tatively from the simple radar pro-
files. A more detailed analysis of the
radar signal, however, provides this
information. This method was
developed in the phD work by C. Gré-
goire (2001). Some results were pre-
sented in (Grégoire, 2001). It is based
on the frequency content analysis
of the radar reflection within a
broad frequency range. The radar
reflection has to be compared to a
reference signal. In this case, the ref-
erence used is the reflection on the
roof.
A typical radar trace registered in
one of the profiles in the salt mine
is presented in Fig. 10. The direct
wave, the reflection on the roof and
the reflections on the fracture in salt
are indicated. These fracture-reflec-
tions have to be compared to a ref-
erence signal. The source wave of the
radar equipment can not be used
because this signal is unknown.
Indeed, the emitted signal depends
on the coupling of the antenna to
the ground. The amplitude spec-
trum of the reflection on the frac-
ture (Fig. 11.b) is thus compared to
the amplitude spectrum of the
reflection on the roof (Fig. 11.c).
Some corrections taking into
account the geometry and the salt
properties are applied to this ampli-
tude ratio. After having applied
these corrections, this ratio can be
compared to the theoretical reflec-
tion coefficient (Grégoire, 2001). The
fracture opening is thus determined
by inversion. The solution is deter-
mined using the root mean square
error between the reflectivitity
deduced from the data and the the-
oretical reflection coefficient. The
opening giving the smallest root-
mean-square error is the solution.
The value of the rms error has to be
analysed to estimate the reliability
of the result. The results of the inver-
sion applied to the data depend
strongly on the signal quality of the
radar reflection as well for the stat-
ic as the dynamic data. For the sig-
nals of good quality, the calculated
openings are represented versus the
openings measured in the boreholes
(Fig. 12). Overall, the inversion gives
satisfactory results. There are how-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 23
Forschung und Entwicklung
tance of 2 m from the beginning of
the profile (between 10 and 20 ns).
A second dipping reflector is visible
at a distance of about 30 m, also
between 10 and 20 ns.
The quality of the signals is good
as well for the Gssi antenna as for
the Ramac antenna. The dynamic
acquisition does not affect the sig-
nal quality in a negative way. The
identification of a particular reflec-
tor is even easier. For a same site, the
profiles show some differences due
to the horizontal and vertical posi-
tions of the antenna which is not
accurately reproduced. It can also be
observed that the shape of the reflec-
tions varies quickly due to a spatial
variation of the fractures.
Fracture detectability.To quantify the reliability of the
radar measurements, the observed
events on the radar profiles (dynam-
ic data) were compared to the bore-
hole data. Most of the fractures
observed in the boreholes were
detected by the radar. If not the rea-
sons could be that (1) the fracture
opening width is much too small,
(2) the presence of local heterogen-
ities or reflections of shallower frac-
tures cover the actual fracture.
Several radar profiles have been
realised at the same site (2 profiles
with the Gssi antenna and 2 profi-
les with the Ramac antenna). They
show that some fractures could not
be detected on all profiles. In this
case, the lack of detection is most
likely caused by not exactly repro-
duced positions of the antenna. Due
to the limited length of the bore-
holes, the comparison can not be
done for events deeper than 2 m.
The results are presented on Fig.
9 in detail. All fractures with an
opening larger than 10 mm are eas-
ily detected. Smaller fractures are
not always detected during the test.
The following observations have
been made concerning smaller
fractures: The 5mm fracture at 0.64
m depth in borehole 1 is not detect-
ed due to covering by the reflection
of a fracture at 0.38 m. The 2 mm
fracture located at 0.15 m can be
detected (borehole 8). The detection
of 1 mm fractures becomes difficult.
A 1 mm fracture has been detected
22 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Fig. 7: Radar profile registered with the 900 MHz Gssi antenna (site 1). The position of
the boreholes are indicated.
Fig. 8: Radar profile registered with the 1GHz Ramac antenna (site 2). The positions of
the boreholes are indicated.
Fig. 9: Detectability of the positions of the fractures based on the dynamic data.
Fig. 10: A typical trace of the radar profile
are daily carried out in the mine of
K+S. Testing measurements have
been carried out at 2 sites in this
mine where boreholes were avail-
able for direct observation of the
fractures. The testing measure-
ments have shown that the dynam-
ic acquisition at the speed of 15
km/h does not affect the quality of
the data in comparison to static
data. An antenna-roof distance of
about 1 m gives satisfactory radar
signals.
A comparison between fractures
observed in boreholes and the frac-
tures identified on radar profiles
shows during the test some limita-
tion for the detectability of very thin
fractures in salt. The radar allows
the detection of fractures with an
opening larger than 10 mm without
problem, at least in the first 2 m of
salt. For thinner fractures, the detec-
tion depends on the fracture open-
ing, the position of the fracture in
salt, the presence of other local het-
erogenities or more shallow frac-
tures.
In order to determine the fracture
opening, the frequency content of
the radar reflection has to be stud-
ied. An inversion of the fracture
opening is carried out. The method
is based on the frequency content
analysis of the reflection and its
comparison to a reference signal
(e.g. reflection on the roof). For good
quality signals, the inversion gives
satisfactory results and this of the
static as well as the dynamic acqui-
sition.
Some of the observed differences
with the real openings observed in
the boreholes can be due to the spa-
tial variation of the fracture open-
ing, the irregularity of the fracture,
the system composed of several frac-
tures close to each other or the qual-
ity of the reference signal. They can
also be due to the method itself in
opening ranges where the reflec-
tivity does not vary very much with
the opening. Although the method
shows some limitations, the knowl-
edge of the fracture openings is
improved.
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Kali und Steinsalz Heft 1/2004 25
Forschung und Entwicklung
ever some differences between the
data sets (see Fig. 12). They can be
due to the spatial variation of the
fracture opening, the irregularity of
the fracture, the system composed
of several fractures close to each oth-
er or the quality of the reference sig-
nal. They can also be due to the
method itself in opening ranges
where the reflectivity is less sensi-
ble to opening variations. Moreover,
the method used to measure the
openings in the borehole (hook) is
not very accurate.
Conclusion.The radar technique has proved to
be efficient for mapping fractures
in the roof of drifts in a salt mine.
A high frequency is used (900 MHz
and 1 GHz) to achieve a good reso-
lution. Such radar measurements
24 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Fig. 11: Reflection on the fracture in the time-domain (a); Reflection on the roof in the time-domain (b). Fourier transform of the
reflection on the fracture (b); Fourier transform of the reflection on the roof (d); Spectral ratio amplitude of the radar reflection to
the reflection on the roof (e).
Fig. 12: Results of the inversion applied to good quality signals of radar data.
tausch beim Kontakt und die letzt-
liche Trennung, bis heute auf der
atomaren Skala recht wenig unter-
sucht und daher weitgehend unbe-
kannt ist. Er hängt notwendiger-
weise mit den mikroskopischen
Eigenschaften der Berührflächen
zusammen, die für isolierende
Materialien, und um diese handelt
es sich immer bei der Kontaktauf-
ladung, erst in jüngster Zeit zuneh-
mend einer Erforschung zugänglich
werden. Hinzu kommt die Tatsache,
dass für die Kontaktaufladung
kleinste Ladungskonzentrationen
ausreichen, die sich im Allgemeinen
spektroskopisch nicht nachweisen
lassen. So genügt bei der techni-
schen Salztrennung schon eine ein-
zelne Elementarladung pro Korn
zur Trennung, die an einem der
typisch 1012 Oberflächenmoleküle
(bei einer Korngröße um 0,5 mm)
oder einer passenden Fehlstelle loka-
lisiert sein kann.
Aufschlussreich und Ausgangs-
punkt unserer Untersuchungen
war die Tatsache, dass nach Mahlen
des Salzgemisches sich durch Zuga-
be von typischerweise nur 10–20
ppm [2] eines Konditionierungs-
mittels in Form einfacher organi-
scher Säuren die elektrostatische
Trennung um viele Größenord-
nungen effizienter gestalten lässt
[2,3]. Diese Menge entspricht bei den
gerade genannten Korngrößen einer
Oberflächenkonzentration von
weniger als einer Monolage auf der
Kornoberfläche, was wiederum auf
einen Oberflächeneffekt hinweist.
Wichtig scheint dabei auch zu sein,
dass der Trennungsprozess unter
Umgebungsbedingungen bei rela-
tiven Luftfeuchten zwischen 10%
und 20% durchgeführt werden
muss, die jedoch bei unseren
Betrachtungen zunächst unbe-
rücksichtigt bleiben. Da am Beispiel
der Kontaktaufladung wichtige
Fragen zu elementaren Wechsel-
wirkungen zwischen einzelnen
Molekülen und Oberflächen stu-
diert werden können, wie sie bei-
spielsweise für zukünftige Techno-
logien (Stichwort Molekulare
Elektronik) von zentraler Bedeutung
sein könnten [4,5], sind Untersu-
chungen zur Kontaktaufladung
auch von recht grundlegendem
Interesse.
Bereits aus unseren ersten Arbei-
ten [6] war klar, dass ein Ladungs-
austausch zwischen perfekt termi-
nierten, d.h. an den Grenzflächen
fehlerfreien Kristalliten der Salze
wegen der hohen Aktivierungs-
energien von typisch 8 eV über die
Bandlücke des jeweiligen Isolators
völlig ausgeschlossen ist. Damit ein
Ladungsaustausch stattfinden kann,
muss diese Aktivierungsschwelle
stark vermindert werden. Darin
besteht nach unseren Ergebnissen
die wesentliche Funktion der Kon-
ditionierungsmittel. Wir gehen in
diesem Beitrag der Frage nach, was
die spezifische Rolle der organi-
schen Additive ist, und zeigen, dass
die Effizienz eines Konditionie-
rungsmittels wesentlich von der
energetischen Lage der elektroni-
schen Niveaus der auf den beteilig-
ten Isolatorflächen adsorbierten
Moleküle abhängt. Somit scheint
der direkte elektronische Ladungs-
transfer, wie schon in den Arbeiten
von Ernst [2,7,8] angenommen,
eine dominierende Rolle zu spielen.
Der grundlegende Mechanismus
soll am Energieschema von Abb. 1
erläutert werden. Dargestellt sind
links die elektronisch besetzten
Valenz (VB)- und die nicht besetzten
Leitungsbänder (LB) der reinen
ungestörten Salze NaCl und KCl.
Adsorbierte Moleküle weisen bezüg-
lich der Bindung an die entspre-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 27
Forschung und Entwicklung
Die Erzeugung elektrischer Ladun-
gen durch die Kontaktaufladung
und die Entladung geladener Gegen-
stände durch Funken oder Licht-
bögen ist die wohl älteste uns
bekannte kontrollierte Beobach-
tung von Elektrizität („Reibungs-
elektrizität“). Sie wurde 600 v. Chr.
erstmalig vom Naturphilosophen
Thales beschrieben. Der Effekt ist im
täglichen Leben allgegenwärtig
und macht sich meistens in uner-
wünschter Weise bemerkbar, z.B.
wenn man beim Verlassen eines mit
Teppich ausgelegten Raumes einen
metallischen Gegenstand, bei-
spielsweise eine Türklinke, anfasst.
Neben der Erzeugung hoher Span-
nungen wird die Kontaktaufla-
dung großtechnisch von der Kali
und Salz AG eingesetzt, um Hart-
salzgemische oder auch Kunststof-
fe elektrostatisch im Trennscheider
in die einzelnen Komponenten zu
fraktionieren [1]. In allen Fällen wird
dabei ausgenutzt, dass elektrische
Ladungen oder geladene Teilchen
bei Berührung verschiedenartiger
Festkörper zwischen diesen trans-
feriert werden, da dadurch ein ener-
getisch günstigerer Zustand erreicht
wird. Der bei Trennung der Körper
durch mechanische oder elektrische
Kräfte oftmals gefundene (weitge-
hende) Verbleib der Ladungen in der
durch die Berührung entstandenen
Verteilung hat allerdings meist
kinetische Gründe, da der Ladungs-
austausch nur langsam erfolgt. So
entsteht eine Kontaktaufladung
der Kontaktpartner nach deren
Trennung.
Im starken Gegensatz zur allge-
meinen Bekanntheit dieses Effekts
steht die Tatsache, dass der genaue
Mechanismus der Ladungstren-
nung, d.h. die genaue Lokalisierung
der Ladungen, der Ladungsaus-
26 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Ein atomistisches Modell zumPhänomen der Kontaktaufladung
Der Ladungsaustausch und damit die Kon-taktaufladung funktioniert bei Isolatoren wieNaCl und KCl nur, indem die effektive elektro-nische Bandlücke an den Kontaktflächendurch adsorbierte Moleküle entscheidend ver-kleinert wird. ElektronenspektroskopischeMessungen, kombiniert mit theoretischenErgebnissen, ergeben für diesen wichtigenSchritt der Kontaktaufladung ein konsistentesBild, das in einfachen Fällen bereits Vorher-sagen erlaubt.
Dr. Christoph Tegenkamp
Institut für Festkörperphysik,
Universität Hannover
Prof. Dr. Herbert Pfnür
Institut für Festkörperphysik,
Universität Hannover
Abb. 1: Energieschema zur Kontaktaufladung am Beispiel NaCl und KCl mit Valenz-
(VB) und Leitungsbändern (LB). Besetzte und unbesetzte Molekülorbitale (MO) sind
schematisch eingetragen (grün). Rechts: Gleichgewichtszustand nach Kontakt
durch Ladungsaustausch zwischen adsorbierten Molekülen an der Oberfläche /
Schematic energy diagram to illustrate contact charging of NaCl and KCl with valen-
ce (VB) and conduction bands (KB). Occupied and unoccupied moelcular orbitals (MO)
are schematically shown. Right: Equilibrium state after contact and charge exchange
between adsorbed molecules at the surface
taktischen Dünnschichten geome-
trisch und elektronisch äquivalent
zu Spaltkristallen sind und damit
als Modellsysteme für die in der
Industrie genutzten Volumenma-
terialien geeignet sind. Nähere
Informationen über die Messme-
thoden bzw. über die detaillierte Prä-
paration der Schichten können
[10,11] entnommen werden.
Die beim Mahlprozess entste-
henden Defektstrukturen, wie Ver-
setzungen, Stufen und Punktde-
fekte, konnten im Labor idealisiert
und durch das Anwenden unter-
schiedlicher Techniken kontrol-
liert hergestellt und charakterisiert
werden. Dabei stellt die Anionen-
fehlstelle, auch Farbzentrum
genannt, die sich experimentell
durch Beschuss der Alkalihalogenid-
Oberflächen mit niederenerge-
tischen Elektronen (40–200 eV)
realisieren lässt, sicher nur ein
Modell für einen Punktfehler dar.
Neben einzelnen Farbzentren ent-
stehen auch Aggregate von Farb-
zentren. Die maximale Oberflä-
chenkonzentration wurde zu 7 %
einer Monolage abgeschätzt. Es soll-
te an dieser Stelle erwähnt werden,
dass Farbzentren relativ instabil
sind, selbst im Ultrahochvakuum
noch mit typischen Zeitkonstanten
von einigen Minuten zerfallen.
Experimente zur Adsorption von
Wasser haben allerdings gezeigt,
dass die reaktiven Zentren sich sta-
bilisieren lassen durch die Ausbil-
dung von OH-Zentren [12,13]. Stufen
und modulierte Salzfilme hingegen
konnten durch eine entsprechende
Vorstrukturierung der Ge(100)-Sub-
strate generiert werden [14]. Im Hin-
blick auf die Salztrennung fungie-
ren diese Defekte als einfache
Nukleationszentren bei Adsorp-
tion der Konditionierungsmolekü-
le. Eine Wasserdissoziation, wie bei
den Farbzentren beobachtet, konn-
te für diese Defektstrukturen nicht
nachgewiesen werden [13,15]. Der
eigentliche Schritt der Konditio-
nierung ließ sich in einfacher Weise
durch Adsorption relevanter orga-
nischer Moleküle im Ultrahochva-
kuum realisieren. Dabei sind bisher
experimentell die Salizylsäure (SA),
die Benzoesäure (BA) und die para-
Salizylsäure (p-SA) untersucht wor-
den. Nähere Details können eben-
falls in [10,11] nachgelesen werden.
Ergebnisse:Im ersten Schritt wurde die elektro-
nische Struktur der drei organi-
schen Moleküle, adsorbiert auf
NaCl(100) als Multischicht, mit
UPS und mit EELS bestimmt. Zur
Identifikation der Molekülorbitale
wurden ergänzend Rechnungen
mit der Dichtefunktionalmethode
(DFT) durchgeführt. Als Beispiel
zeigt Abb. 3 mit UPS gemessene
Spektren der besetzten Molekülzu-
stände für mehrere Monolagen
dicke Schichten von Salizylsäure
(SA), Benzoesäure (BA) und para-Sali-
zylsäure (p-SA). Die Bindungsener-
gien sind auf die Valenzbandober-
kante des NaCl bezogen. Alle drei
Säuren zeigen ähnliche Spektren
mit 4 charakteristischen Emissionen
(gekennzeichnet mit U1–U4). Prin-
zipiell ist dieses nicht weiter ver-
wunderlich, da die hier untersuch-
ten Moleküle chemisch ähnlich
sind. Im Fall von SA und p-SA liegt
dem Molekül gar die gleiche Sum-
menformel zu Grunde (C7H6O3).
Trotzdem fallen gerade beim direk-
ten Vergleich von SA und p-SA deut-
liche Verschiebungen auf. Vor allem
dem mit U2 gekennzeichneten
Zustand kommt eine besondere Rol-
le zu. Für die technologisch nicht
einsetzbare p-SA wird eine chemi-
sche Verschiebung dieses Zustands
von 0.6 eV zu kleineren Bindungs-
energien gemessen. In Überein-
stimmung mit Rechnungen (siehe
unten) kann diese Verschiebung
allein auf intramolekulare Effekte
zurückgeführt werden. Ein signifi-
kanter Einfluss durch die Unterla-
ge oder durch Nachbarmoleküle
kann anhand unserer Experimente
ausgeschlossen werden (siehe
unten).
In Übereinstimmung mit dieser
Feststellung wurden bei Experi-
menten zur Beugung langsamer
Elektronen an diesen Systemen kei-
ne geordneten Adsorptionsphasen
der organischen Moleküle gefunden
(schwache zwischenmolekulare
Wechselwirkung). Die fehlenden
Wechselwirkungen erlauben meh-
rere unterschiedliche Adsorptions-
geometrien relativ zum Substrat
und vor allem relativ zueinander.
Dies führt zu typischen Emissions-
verbreiterungen in der Spektros-
kopie, so dass sich die molekülspe-
zifischen Emissionen nicht weiter
auflösen lassen.
Aufgrund der nur schwach wech-
selwirkenden Moleküle sind DFT-
Rechnungen schon am isolierten
Molekül aussagekräftig. Zugleich
konnten damit auch den charakte-
ristischen Emissionen eindeutig
Positionen im Molekül zugeordnet
werden. Exemplarisch sind für das
BA-Molekül die für den Prozess des
Ladungstransfers relevanten Mole-
külzustände in Abbildung 3 mit ein-
gezeichnet. Dabei stellte sich heraus,
dass die mit U1 gekennzeichnete
Emission primär dem besetzten
�-Zustand des Benzolringes zuzu-
ordnen ist, wohingegen die U2-Emis-
sion von einer Zustandsdichte her-
rührt, die an der Carboxylgruppe
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 29
Forschung und Entwicklung
chenden Grenzflächen bindende
Orbitale (mit Überlapp zu den
Valenzbändern) und nichtbindende
Orbitale auf, die teilweise in den
Bandlücken liegen und am absolu-
ten Temperaturnullpunkt nicht
mit Elektronen besetzt sind. Bei end-
lichen Temperaturen ist für die
elektronisch dicht am Valenzband
liegenden unbesetzten Orbitale
eine (thermische) Anregung von
Elektronen aus den Valenzbän-
dern der entsprechenden Oberflä-
che jedoch möglich, wodurch sich
eine Teilbesetzung dieser Niveaus
einstellt. Bringt man nun unter-
schiedliche Materialien mit vorad-
sorbierten Molekülen in Kontakt,
können die Elektronen in angereg-
ten Molekülzuständen von einem
zum anderen Molekül springen, vor-
zugsweise in Molekülzustände
geringerer Energie. Dieser Prozess
stoppt, wenn dadurch im Mittel kein
Energiegewinn mehr erzielbar ist,
er führt jedoch im Allgemeinen zu
einer Ladungsverschiebung zwi-
schen den auf den unterschied-
lichen Materialien adsorbierten
Molekülen, da deren energetische
Niveaus wegen der Adsorption
nicht identisch sind. Dieser Prozess
des Ladungsaustausches über
elektronische Hüpfprozesse ist ver-
gleichsweise langsam, so dass z.B.
bei schneller mechanischer Tren-
nung eine hohe Wahrscheinlichkeit
für den Verbleib der Ladungen am
momentanen Aufenthaltsort und
damit für die Ladungstrennung
besteht. Unsere Untersuchungen
legen in der Tat die Bedeutsamkeit
eines solchen Modells für die Kon-
taktaufladung nahe, wie unten
näher erläutert.
Experimentelle Realisierung:Um den Effekt der Kontaktaufla-
dung auf atomarer Skala studieren
zu können und die eingehenden
Parameter überschaubar zu
machen, mussten wir für ein
brauchbares Labormodell die tech-
nischen Prozesse (Salzgemisch,
Mahlprozess, Konditionierung)
stark vereinfachen und idealisieren.
Dies betrifft insbesondere die Expe-
rimentierbedingungen. Auch haben
wir uns dabei bisher nur mit dem
vergleichsweise einfachen Problem
der Sylvinittrennung befasst.
Die Idealisierung beginnt bereits
bei der Auswahl des Ausgangsma-
terials. Statt natürlicher NaCl- und
KCl-Kristalle haben wir für unsere
Studien epitaktisch gewachsene,
dünne NaCl- und KCl-Schichten ver-
wendet. So konnten messtechnisch
bedingte Aufladungserscheinun-
gen unterdrückt werden. Ferner
sind zur Vermeidung störender Kon-
taminationen sämtliche Experi-
mente im Ultrahochvakuum durch-
geführt worden. Abb. 2 zeigt ein Bild
der verwendeten Apparatur. Die
energetisch stabilen (100) orien-
tierten NaCl-Schichten ließen sich
nahezu defektfrei auf Ge (100) durch
molekulare Verdampfung herstel-
len. Typische Schichtdicken für die
hier durchgeführten Untersu-
chungen lagen im Bereich zwischen
8 und 16 atomare Lagen. Die KCl
Schichten wurden in einem weite-
ren Schritt epitaktisch auf den
NaCl (100)-Schichten gewachsen [9],
um so den direkten Vergleich zu
ermöglichen.
Entsprechend unserem Modell
spielen elektronische Zustände die
entscheidende Rolle. Zur Bestim-
mung der energetischen Lage der
Valenzelektronen in den reinen
Schichten und den mit adsorbierten
Molekülen wurde daher die mit
ultraviolettem monochromati-
schem Licht angeregte Photo-
elektronenspektroskopie (UPS) ver-
wendet.
Als ergänzende Methode hierzu,
wurde die so genannten Elektronen-
energie-Verlustspektroskopie(EELS)
benutzt. Dabei wird die Oberfläche
mit Elektronen einer definierten
Energie bestrahlt, die charakteris-
tische Energieverluste bei der Anre-
gung von Valenzelektronen aus
besetzten in unbesetzte Zustände
erleiden. Diese Methode gibt also
Auskunft über die charakteristi-
schen Anregungen und über die
Lage unbesetzter Zustände. Die Mor-
phologie der Schichten untersuch-
ten wir intensiv mittels Beugung
langsamer Elektronen (LEED).
Wesentliches Ergebnis all dieser
Untersuchungen war, dass die epi-
28 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Abb. 2: Typische Ultrahochvakuum-
Anlage mit Analyseinstrumenten zur
Spektroskopie der elektronischen
Struktur / Typical ultrahigh vacuum
apparatus with analytic instruments for
spectroscopy of the electronic structure.
der Valenzbandoberkante des Sub-
strates möglich, die die effektive
Anregungsenergie an der Ober-
fläche durch die adsorbierten
Moleküle bis auf 1 eV für die SA her-
absetzen! Damit werden thermische
Anregungen mit ausreichenden
Wahrscheinlichkeiten schon knapp
oberhalb Raumtemperatur möglich.
Wie bereits oben erwähnt, ist die
Wechselwirkung für die hier
behandelten Moleküle mit den
NaCl- und KCl-Substraten weitge-
hend durch schwache van-der-
Waals-Kräfte gekennzeichnet. Dies
ist leicht durch Vergleich z.B. der UP-
Spektren von Mono- und Multilagen
adsorbierter Moleküle zu erkennen
(siehe dazu Abb. 5 für den Mono-
und Submonolagenbereich von SA).
In allen Fällen, nicht nur den hier
dargestellten, lässt sich das jeweilige
Spektrum (unter passender Gewich-
tung) zusammensetzen aus einem
Beitrag des Salzsubstrates (gestri-
chelte Linie in Abb. 5) und des Spek-
trums der Moleküle, wie sie für die
Multilagen gemessen wurden. Dabei
sind maximal Verschiebungen von
0,1 eV notwendig. Interessant ist
dabei, dass unabhängig vom Sub-
stratmaterial die charakteristischen
Molekülorbital-Emissionen mit dem
gleichen Modell (bzgl. Halbwerts-
breiten und Position der Peaks) an
den experimentellen Datensatz
angepasst werden konnten. Kleine
Variationen der Intensitäten können
auf unterschiedliche Adsorptions-
geometrien und geänderte Wir-
kungsquerschnitte zurückgeführt
werden. Insbesondere fiel bei einer
näheren Analyse auf, dass sich das
SA-Molekül energetisch in nahezu
der gleichen Weise sowohl an die
NaCl als auch der KCl-Bandstruktur
anlagert. Somit lassen sich die an
den Multischichten gewonnenen
Ergebnisse direkt auf die Mono- und
Submonolagen übertragen. Diese
Ergebnisse zeigen insbesondere,
dass für die vorliegenden Material-
kombinationen keinerlei Dissozia-
tion auftritt und dass die Lage des
obersten besetzten Zustandes stets
in gleicher Weise auf beiden Salzen
mit der Valenzbandoberkante der
Salze verbunden ist. Aufgrund der
unterschiedlichen Austrittsarbei-
ten der reinen Salze resultieren
daraus energetische Unterschiede
der Molekülorbitale für die Salz-
oberflächen ohne Kontakt von
etwa 0,4 eV (siehe Abb. 1).
Die Adsorption der organischen
Moleküle in Abhängigkeit unter-
schiedlicher Defektstrukturen auf
den Alkalihalogenidflächen ist in
der Vergangenheit ebenso intensiv
untersucht worden.
Allen dabei näher untersuchten
Defektstrukturen (Farbzentren, ato-
mare Stufen, Versetzungen) war
gemein, dass sie in erster Linie die
Bindungsstärke der Moleküle an der
Unterlage erhöhen. Eine Sonder-
stellung nimmt dabei das Farbzen-
trum ein. Eine Desorption der Mole-
küle konnte für den Fall der Adsorp-
tion von SA an Farbzentren erst für
Temperaturen oberhalb von 500 K
nachgewiesen werden.
Ein Beispiel zur Adsorption an
Defekten zeigen die unteren Gra-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 31
Forschung und Entwicklung
(nz-Zustand) lokalisiert ist. Die
Emissionen für SA bzw. p-SA haben
den gleichen Ursprung. Interes-
santerweise konnte die experimen-
tell bestimmte relative Abfolge der
MO-Zustände bei allen drei Mole-
külen theoretisch richtig wieder-
gegeben werden. Der absolute Feh-
ler der Rechnungen ist kleiner als
0.5 eV und für diese einfachen Rech-
nungen als klein anzusehen. Nähe-
re Details können in [11] nachgele-
sen werden.
Entsprechend dem eingangs auf-
gestellten Modell zur Kontaktauf-
ladung sind neben den besetzten
Zuständen ebenso die unbesetzten
Zustände von zentraler Bedeutung.
Daher sind parallel EELS-Messungen
durchgeführt worden. Die Ergeb-
nisse sind in Abbildung 4 darge-
stellt. Das unterste Spektrum zeigt
zum Vergleich das Spektrum der rei-
nen NaCl(100)-Fläche mit einer
Bandlücke von 8.9 eV. Ebenfalls
schön zu sehen ist der charakteris-
tische exzitonische Zustand (Exc.)
bei ca. 8 eV Verlustenergie. Nach
Adsorption der Säuren ändert sich
dieser Sachverhalt komplett. Die
Bandlücke erscheint nur noch halb
so groß. Darüber hinaus stellt man
analog zu den UPS-Experimenten
fest, dass auch bei der Verlustspek-
troskopie die Abfolge der Verlust-
peaks E1 bis E4 in allen drei Säuren
den gleichen Molekülorbitalen
zugeordnet werden kann und nur
relative Verschiebungen beobachtet
werden. Um auch für die unbe-
setzten Zustände eine Zuordnung
der Verluste am Molekül vornehmen
zu können, wurden entsprechende
quantenchemische Rechnungen
durchgeführt. Die für den Tren-
nungsprozess relevanten Zustände
E1 bzw. E2 können dabei bei allen
drei Molekülen (Dipol-)Anregungen
zugeschrieben werden, deren
Anfangszustände der nz-Zustand
(E1) bzw. der �-Zustand (E2) des Ben-
zolsystems sind. Die hierbei
ermittelten Übergangsenergien
stimmen auf absoluter Skala erfah-
rungsgemäß nur schlecht mit den
experimentell bestimmten Werten
überein. Typischerweise werden Ver-
luste in den Rechnungen über-
schätzt, die Abfolge der relativen
Anregungsenergien wird jedoch ein-
gehalten. Eine gemeinsame Skalie-
rung der rechnerischen Ergebnisse
um den Faktor 1,5 lieferte jedoch
gute Übereinstimmung mit den
experimentellen Daten.
Mit diesen Ergebnissen und dem
Vergleich mit Abb. 3 wurden zwei
wichtige Dinge klar:
a) Da die relative Lage der besetz-
ten und unbesetzten Zustände für
die erste Monolage der Multi-
schicht nur kleine, kaum nach-
weisbare Verschiebungen aufweist,
sind diese Ergebnisse auch für die
erste adsorbierte Monolage gültig.
b) Für diese erste Monoschicht ist
die effektive minimale Anregungs-
energie noch erheblich kleiner als
es in den EELS-Spektren auf den
ersten Blick erscheint: Parallel zu
den messmethodisch stark überbe-
tonten intramolekularen Dipol-
übergängen sind auch (nicht unbe-
dingt dipolartige) Anregungen von
30 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Abb. 4: EEL-Spektren von BA, SA und p-SA adsorbiert auf NaCl(100). Im Vergleich
dazu ist unten das Verlustspektrum der reinen NaCl(100) dargestellt. / EEL spec-
tra of BA, SA and p-SA adsorbed on NaCl(100). For comparison we show at the bottom
the loss spectrum of pure NaCl(100)
Abb. 3: UP-Spektren von Benzoe-(BA), Salizyl-(SA) und para-Salizylsäure (p-SA) adsor-
biert auf NaCl(100)-Schichten. Unten ist das Spektrum der reinen NaCl(100)-Ober-
fläche zum Vergleich dargestellt. Die charakteristischen Emissionen wurden mit-
tels DFT-Rechnungen (oben) bestimmten Molekülpositionen zugeordnet. / UP spectra
of benzoic (BA), salicylic (SA) and para salicylic acids (p-SA) that are adsorbed on NaCl(100)
thin films. Bottom: spectrum of the clean NaCl(100) surface for comparison. The cha-
racteristic emissions have been assigned to particular molecular locations by DFT cal-
culations (top)
werden. Sie müssen den Energie-
unterschied von 0,4 eV für zwischen
den auf NaCl und KCl adsorbierten
Molekülen ausgleichen, der durch
die feste Lage der Niveaus bezüglich
des jeweiligen Valenzbandes ent-
steht. Dadurch lädt sich KCl gegen-
über NaCl negativ auf, in Überein-
stimmung mit den experimentellen
Befunden. Der Grund für das unter-
schiedliche Trennverhalten im
direkten Vergleich von SA und p-SA
muss letztlich auf die unterschied-
lichenen Position der phenolischen
OH-Gruppe am Benzolring zurück-
geführt werden. Während sich bei
der SA ein quasi-aromatisches Sys-
tem ausbildet, das eine höhere
Akkumulation an Elektronendich-
te in der Nähe des nz-Zustandes
bedingt, ist die zusätzliche Aroma-
zität bei der p-SA komplett zerstört
mit der Folge, dass der höchste
besetzte Zustand an der COOH-Grup-
pe zu kleineren Bindungsenergien
schiebt.
Aus den bisherigen Experimen-
ten und Rechnungen können erste
„Auswahlregeln“ für gute Kondi-
tionierungsmittel abgeleitet wer-
den, die sich bei dem momentanen
Kenntnisstand wie folgt formulieren
lassen:
1) Die Größe der sich an der Ober-
fläche durch Adsorption eines Kon-
ditionierungsmittels ausbildenden
effektiven Bandlücke, d.h. die mini-
male Anregungsenergie, bestimmt
wesentlich die Trenngüte.
2) Die Bandlücke ergibt sich bei
Aromaten mit einer Carboxylgrup-
pe (COOH) aus dem Abstand zwi-
schen dem ersten unbesetzten C=O-
Zustand und der Valenzbandkante
des Salzes.
3) Die Position des unbesetzten
Zustandes kann durch Wechselwir-
kung mit benachbarten funktio-
nellen Gruppen zu kleineren Bin-
dungsenergien verschoben werden.
4) Experimentell bzw. theoretisch
ist die Lage des Endzustandes
bestimmt durch die Position des
dazugehörigen Anfangszustandes
und durch seine Übergangsenergie.
Entsprechend unseren bisherigen
Ergebnissen lagert sich dabei das �-
System des Benzolsystems an das VB
des Salzes an.
In Anbetracht der Tatsache, dass
einfache quantenchemische Rech-
nungen die Tendenz richtig wider-
spiegeln, wollten wir testen, ob das
Trennverhalten bei Zugabe von Gal-
lussäure und o-Kresotinsäure durch
unser Modell tendenziell richtig
wiedergegeben wird. Bei den Rech-
nungen ist vorab die Geometrie der
Moleküle sowohl semiempirisch als
auch mittels einer DFT-Rechnung
optimiert worden, bevor eine end-
gültige single-point-Rechnung mit
einem hochdimensionalen Basissatz
durchgeführt wurde. Zur Berech-
nung der Verlustenergien sind wie-
derum RCIS-Rechnungen durchge-
führt worden. Das Ergebnis der
Rechungen ist ebenfalls in Abbil-
dung 6 nach den oben angegebenen
„Auswahlregeln“ eingezeichnet.
Die Rechnungen zeigen, dass der
nz-Zustand des carboxylischen Sau-
erstoffs bei der o-Kresotinsäure, die
mit der SA bis auf eine Methyl-
gruppe identisch ist, energetisch sig-
nifikant tiefer liegt als bei der Gal-
lussäure, die bis auf zwei pheno-
lische OH-Gruppen ähnlich zur p-SA
ist. Die Verlustenergien sind eben-
falls kleiner bei der o-Kresotinsäu-
re im Vergleich zur Gallussäure, da
der quasi-aromatische Ring eine
delokalisierende Wirkung auf die
Elektronendichteverteilung an der
C=O-Einheit ausübt. Es ergibt sich
damit für o-Kresotinsäure eine
effektive Bandlücke (1 eV), die ver-
gleichbar mit der von SA ist. Die Gal-
lussäure hingegen weist nach
Adsorption eine signifikant größe-
re Bandlücke zur VB-Oberkante auf.
Sie ist mit dem errechneten Wert
von 1.7 eV daher eher vergleichbar
in ihrer Wirkung mit BA bzw. p-SA.
Die größte Unsicherheit bei den
Rechnungen kann auf die Bestim-
mung der Endzustände zurückge-
führt werden. Dies zeigt beispiels-
weise der Vergleich des theoretisch
bestimmten Wertes der p-SA von 4.2
eV, der deutlich vom experimen-
tellen Wert (4.7 eV ) um 0.5 eV
abweicht. Dementsprechend ist der
theoretisch bestimmte Wert von 4.0
eV für die Gallussäure trotz empi-
rischer Korrektur eher unterschätzt.
Ein Vergleich der chemischen Struk-
tur von p-SA und der Gallussäure
lässt eher vermuten, dass der C=O-
Verlust wesentlich höher sein muss.
D.h., in einem entsprechenden
Experiment mit Gallussäure sollte
sich eine größere Bandlücke ein-
stellen, so dass die Gallussäure letzt-
endlich in ihrer Wirkung eher mit
der p-SA vergleichbar ist. Unsere
Ergebnisse konnten im Nachhinein
durch reale Experimente im Trenn-
scheider bestätigt werden.
Zusammenfassend möchte wir
feststellen, dass der Schritt des
Ladungsaustausches zwischen den
beteiligten Salzkristallen ganz
wesentlich die Trenneffizienz beein-
flusst, aber natürlich nur einen Teil
des mehrstufigen Verfahrens dar-
stellt. Bei den untersuchten Salzen
NaCl und KCl wird die effektive
Bandlücke durch die elektroni-
schen Zustände der adsorbierten
Moleküle des Konditionierungs-
mittels so weit reduziert, dass bei
typischen Prozesstemperaturen von
60°C Elektronen thermisch anreg-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 33
Forschung und Entwicklung
phen in Abb. 5. Links ist das Spek-
trum chemisorbierter SA-Moleküle
an einer Restbedeckung an Farb-
zentren zu sehen, rechts die Adsorp-
tion von SA am Versetzungsnetz-
werk von epitaktisch gewachsenen
KCl(100)- auf NaCl(100)-Filmen. Auch
für den chemisorbierten Fall konn-
te das Gesamtspektrum als ideale
Überlagerung molekül- und sub-
stratspezifischer Emissionen dar-
gestellt werden, d.h. es liegen
immer noch intakte SA-Moleküle
vor. Eine Defragmentierung, wie sie
beispielsweise in früheren Modellen
zur Kontaktaufladung [7,8] ange-
nommen wurde, konnte nicht
nachgewiesen werden. Das Gleiche
gilt auch für die Adsorption von SA
an molekularen Wasserschichten
bzw. OH-Zentren [10,13]. Trotz der
erhöhten Bindungsstärke zum Sub-
strat waren die Auswirkungen auf
die für den Kontaktaufladungs-
prozess relevanten molekularen
elektronischen Zustände kleiner als
0,1 eV. Die elektronische Struktur
der hier untersuchten Moleküle ist
also bestimmt durch die inneren im
Molekül wirkenden Kräfte. Erst die-
ser Umstand erlaubt es dem Che-
miker, Synthesestrategien anzu-
wenden für ein gezieltes moleculeengineering. In welcher Form die
funktionellen Gruppen wichtig
sind und welche Konsequenzen sich
daraus ergeben, soll nun im Fol-
genden anhand der bisher unter-
suchten organischen Additive näher
erläutert werden.
Dazu sind in Abbildung 6 alle
relevanten Zustände, d.h. der höch-
ste besetzte bzw. unterste unbesetz-
te Zustand der COOH-Gruppe, rela-
tiv zur Valenzbandkante des Salzes
(NaCl oder KCl) für die verschiede-
nen Konditionierungmittel aufge-
tragen, wie sie aus den Rechnungen
und Experimenten heraus bestimmt
worden sind. Der Grund für eine
mögliche thermische Anregung
der Elektronen ist nun offen-
sichtlich: Obwohl in den EELS-Mes-
sungen Bandlücken im Bereich von
4–5 eV bestimmt wurden, erkennt
man nun, dass die sich ausbildende
effektive Bandlücke nach Adsorp-
tion empfindlich von der Position
des Anfangszustandes (nz-Zustand
der Carboxylgruppe) abhängt. Unter
Berücksichtigung der energetischen
Anlagerungen ergeben sich effektive
Bandlücken (Abstand zwischen
Valenzbandkante und erstem unbe-
setzten Molekülzustand), die
wesentlich kleiner sind als die Band-
lücken der ungestörten Alkalihalo-
genidsysteme.
Die effektiven Bandlücken, die
sich experimentell und theore-
tisch (nach Korrektur) ergeben, sind
zu 1,0 eV für SA, 1,3 eV für BA und
2,3 eV für p-SA bestimmt worden.
Die Tatsache, dass im Fall der p-SA
die effektive Bandlücke um einen
Faktor zwei größer ist als für SA,
reicht aus, um bei den großtech-
nisch vorkommenden Prozesstem-
peraturen die Anzahl der für den
Trennungsprozess verfügbaren
freien Ladungsträger empfindlich
zu beeinflussen. Während im Fall
der SA bei 350 K ca. 104 Elektronen
pro Mahlkorn (Durchmesser 0,5
mm, 10 % Defektkonzentration)
angeregt wären, ist im Fall der p-SA
die Zahl de facto Null (10-5 Elektro-
nen pro Korn). Entsprechend unse-
rem Ergebnis wären im Falle der BA
immerhin noch ca. 102 angeregte
Elektronen pro Korn vorhanden,
was auf den ersten Blick ausreicht,
da nur eine Ladung transferiert wer-
den muss. Nur von diesen wenigen
Elektronen kann allerdings der
Ladungsaustausch bewerkstelligt
32 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Abb. 5: UP-Spektren von SA auf NaCl (links) und KCl (rechts) im Mono- (oben) und
Submonolagenbereich (unten). Näheres siehe Text. / UP spectra of SA on NaCl (left)
and KCl(right) for the mono- (top) and submonolayer coverage ranges. For details, see
text.
[5] A. Aviram und M.R. Ratner, Chem.
Phys. Lett. 29 (1974) 277.
[6] S. Fölsch und M. Henzler, Surface
Science 247 (1991) 269.
[7] L. Ernst, Ber. Bunsenges. Phys.
Chem 93 (1989) 857.
[8] L. Ernst, Ber. Bunsenges. Phys.
Chem. 94 (1990) 1435.
[9] U. Malaske, H. Pfnür, M. Bäßler, M.Weiß und E. Umbach, Physical Review
B 53 (1996) 13115.
[10] U. Malaske, C. Tegenkamp, M. Henz-ler und H. Pfnür, Surface Science 480
(1998) 237.
[11] C. Tegenkamp und H. Pfnür, Phys.
Chem. Chem. Phys. 4 (2002) 2653.
[12] M. Henzler, C. Homann, U. Malas-ke und J. Wollschläger, Physical
Review B 52 (1995) R17060.
[13] U. Malaske, Dissertation Hanno-
ver 1997.
[14] W. Ernst, M. Eichmann, H. Pfnür,
K.-L. Jonas, V. von Oeynhausen und K.H.Meiwes-Broer, Appl. Phys. Lett. 80
(2002) 2595.
[15] C. Tegenkamp, W. Ernst, M. Eich-mann und H. Pfnür, Surface Science
466 (2000) 41.
[16] M. Henzler, A. Stock und M. Böl,Proceedings on „Adsorption on
Ordered Surfaces of Ionic Solids and
Thin Films“, Ed. Freund/Umbach
Springer Series (1993).
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 35
Forschung und Entwicklung
bar sind. Im Gegensatz dazu wird in
den Arbeiten von L. Ernst [7,8] davon
ausgegangen, dass Defekte (Farb-
zentren) und daran adsorbiertes
Wasser diese charakteristischen
Zustände hervorrufen. Diese Hypo-
these wird durch unsere Ergebnisse
eindeutig widerlegt. Wie eigene
Arbeiten [6,12,16] hierzu gezeigt
haben, sind Farbzentren und Was-
ser auch für das in Abbildung 1 dar-
gestellte Modell wichtig, allerdings
nur in sekundärer Weise, um das
Molekül stärker an die Unterlage zu
binden. Im Widerspruch zu [7]
haben unsere Messungen ergeben ,
dass (i) H2O an Farbzentren zu OH-
Zentren dissoziiert und (ii) das Kon-
ditionierungsmolekül auch nach
Adsorption an die reaktiven Zentren
als ganzes Molekül intakt bleibt. Die
Abspaltung eines Protons, die zur
Bildung der H3O+-Zentren notwen-
dig ist, konnte nicht beobachtet wer-
den. Nach unserem jetzigen Kennt-
nisstand ist das Wasser nötig, um
dem schnellen Farbzentrenzerfall
nach Erzeugung entgegenzuwirken,
allerdings ohne Wasserfilme auf
den Salzkörnern zu bilden, die den
gegenteiligen Effekt hätten. Mes-
sungen zur elektronischen Struktur
von Salizylsäure an F-Zentren und
OH-Zentren haben keine signifi-
kanten Unterschiede ergeben [13].
Andere Defekte wie Stufen und Ver-
setzungen, die ebenfalls beim Mahl-
prozess erzeugt werden, verhalten
sich ähnlich wie das Farbzentrum
und sollten nur zu einer Erhöhung
der Adsorptionsenergie führen [15].
Ausblick:Obwohl die Messungen gezeigt
haben, dass die Wechselwirkungen
zwischen Substrat und Molekül auf
den Alkalihalogenidschichten klein,
aber dennoch vorhanden sind,
müssen die Substrate für zukünfti-
ge theoretische Untersuchungen
mit einbezogen werden. Diese Ein-
beziehung sollte den Fehlerbalken
drastisch verkleinern, so dass the-
oretische Rechnungen in Zukunft
zuverlässiger wären. Inwieweit End-
zustände theoretisch besser be-
stimmbar sein werden, kann zur
Zeit noch nicht gesagt werden.
Darüber hinaus wird momentan
versucht, unser Modell zum Phä-
nomen der Kontaktaufladung auf
realere Systeme, wie beispielsweise
die Trennung carnalitischer Hart-
salze, zu übertragen. Dazu laufen
momentan erste theoretische und
experimentelle Arbeiten. Ein Ziel ist
die Bestimmung der elektroni-
schen Struktur von Kieserit. In
einem zweiten Schritt soll auf die-
sen Flächen die Adsorption geeig-
neter Konditionsmittel studiert
werden. Zugute kommen werden
uns unsere bisherigen Ergebnisse
zur Adsorption organischer
Moleküle auf perfekten Isolator-
schichten. Dieser Sachverhalt könn-
te beim Kieserit empfindlich gestört
sein, da eine stärkere Wechselwir-
kung zwischen Substrat und Adsor-
bat erwartet wird.
Diese Untersuchungen entstan-
den in Zusammenarbeit und mit
finanzieller Unterstützung durch
die K+S AG.
Literatur:[1] I. Stahl und U. Kleine-Kleffmann,
Sonderdruck Kunststoffberater, Juni
1994.
[2] L. Ernst, Kali und Steinsalz, Novem-
ber 1966.
[3] A. Singewald,Erzmetall 33 (1980) 19.
[4] J.M. Tour, Acc. Chem. Res. 33 (2000)
791.
34 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
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stellte oder benutzte Kopie dient gewerblichen Zwe-
cken gem. § 54 (2) UrhG und verpflichtet zur Gebüh-
renzahlung an die VG Wort, Abteilung Wissenschaft,
Goethestr. 49, D-80336 München.
Abb. 6: Ergebnisse aus Rechnung und Experiment zu den für den Trennungs-
prozess relevanten Zuständen. Auffällig ist, dass sich unterschiedliche effektive
Bandlücken ausbilden, die im Bereich zwischen 1 eV und 2,3 eV variieren. Die Posi-
tion der Zustände ist primär durch die inneren Kräfte im Molekül bestimmt. /
Results from calculations and experiments for the electronic states most relevant for the
process of separation. Most striking is the fact that the effective band gaps formed vary
between 1 eV and 2.3 eV. The positions of electronic levels are primarily determined by
intramolecular forces
VorkommenDer Auslöser, sich erneut mit dem
Themenkomplex Rinneit zu befas-
sen, war die Erschließung des Süd-
Ost-Feldes Werk Werra, Standort
Unterbreizbach, 2. Sohle. Hier la-
gern Sylvinitvorräte von 52,5 Mil-
lionen Tonnen mit einem durch-
schnittlichen K2O-Gehalt von 27 %.
Diese werden seit Spätherbst 1998
am Standort Unterbreizbach und ab
Herbst 2004 am Standort Winters-
hall zugefördert und verarbeitet.
Mindestens 80 % des Vorkommens
wurden als rinneitfrei klassifiziert,
bei maximal 20 % könnte eine Rin-
neit-Kontamination vorliegen.
Rinneit wurde 1908 beim Abbau
im Nordhäuser Kaliwerk und fast
zeitgleich in Hildesia angetroffen
und von Boeke nach Herrn Geheim-
rat Prof. Dr. F. Rinne benannt [1].
Fundorte in Deutschland liegen in
den Bundesländern:
Niedersachsen:
• Bad Salzdetfurth
• Sarstedt
• Schwarmstedt
• Wathlingen
Sachsen-Anhalt:
• Staßfurt
Thüringen:
• Wolkramshausen
• Unterbreizbach
Darüber hinaus wurde er in Ita-
lien am Vesuv und in den USA im
Bundesstaat Texas am Racoon-Bend
Salt Dome identifiziert.
Zur Genese kann folgende Theo-
rie angeführt werden: Bei Kontakt
mit Lösungen bzw. kristallwasser-
haltigen Gesteinen, wie z. B. Carnal-
lit, könnte eine Umbildung bzw. Zer-
setzung von Basalten erfolgt sein.
Eisenreiche Umbildungslösungen
kamen dann unter reduzierenden
Bedingungen mit Carnallit in
Berührung. Infolge der inkongru-
enten Carnallitzersetzung bei der
Entstehung der Umwandlungssyl-
vinite liegt der Rinneit in den aller-
meisten Fällen seines Auftretens mit
Sylvinit verwachsen vor. Rinneit
muss nicht zwingend an Basalten
auftreten. Wird er jedoch dort ange-
troffen, nimmt die Konzentration
mit Annäherung an den Basalt zu.
EigenschaftenRinneit ist in der Sprache des Che-
mikers Tri-Kalium-Natrium-hexach-
loroferrat(II). Das Aussehen kann
von farblos über rosa, gelb bis hin
zu violett reichen. Er weist eine tri-
gonale Kristallstruktur auf.
In der Abbildung 1 ist die Ele-
mentarzelle des Rinneits dargestellt.
Man erkennt die Natrium- (grau)
und Kaliumatome (oliv) sowie die
FeCl6-Oktaeder.
Letzterer ist detailliert in der
Abbildung 2 aufgeführt. Man sieht
rot dargestellt das Zentralatom
Eisen sowie die sechs Chloridligan-
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 37
Forschung und Entwicklung
36 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Das Mineral Rinneit:Vorkommen, Eigenschaften,Analytik und AbtrennungVortrag anlässlich der K+S-Forschungstagung am 03. November 2003 in Kassel
Infolge der Erschließung eines Sylvinit-vorkommens im Bereich des Werkes Werra,Standort Unterbreizbach, lag es nahe, sicherneut dem Themenkomplex Rinneit zu wid-men. Rinneit (K3NaFeCl6) tritt bevorzugt in derNähe von Basaltstörungen auf und kann beiKontakt mit wässrigen Medien zu uner-wünschten pH-Wert-Absenkungen führen.Nach kurzer Darstellung der Fundorte undEigenschaften dieses Minerals werden Metho-den zur Identifizierung aufgezeigt. Im Wei-teren wird anhand der Magnetscheidung einVerfahren zur trockenen Vorabtrennungvorgestellt.
Dr. Peter-Michael Beier
Leiter K+S-Forschungsinstitut
K+S Aktiengesellschaft
Abb. 1: Elementarzelle / Unit cell
Abb. 2: FeCl6-Oktaeder / FeCl6-octahedron
schen verschiedenen Eisenverbin-
dungen differenziert werden, das
Verfahren ist jedoch im niedrigen
Prozentbereich zu ungenau. Die
prompte Gamma-Spektroskopie
käme vermutlich als Online-Ver-
fahren für die Gesamteisenbestim-
mung in Frage, befindet sich aber
noch in der Machbarkeitsstudie.
Bleibt als letzte Variante die magne-
tische Suszeptibilität.
Der Magnetismus beruht auf
einer quantenmechanischen Aus-
richtung der Elektronenspins. Die-
ses bedingt eine entsprechende Aus-
richtung der magnetischen Momen-
te. Neben den für uns interessanten
Dia- und Paramagnetismus existie-
ren noch der Ferro-, Ferri- bzw. Anti-
ferromagnetismus.
Diamagnetisch sind alle Stoffe,
deren Atome, Ionen oder Moleküle
abgeschlossene Schalen oder Unter-
schalen haben. Spin und Bahnmo-
mente kompensieren sich gegen-
seitig. Wird von außen ein Magnet-
feld angelegt, wird im Stoff eine dem
äußeren Feld entgegengerichtete
Polarisation induziert und der Kör-
per aus dem Feld heraus getrieben.
Im Falle des Paramagnetismus sind
analog zum Diamagnetismus die
magnetischen Momente statistisch
verteilt und heben sich daher
gegenseitig auf. Wird ein äußeres
Feld angelegt, so richten sich die
magnetischen Momente in Feldrich-
tung aus und es entsteht ein
Magnetfeld, das dem äußeren Feld
gleichgerichtet ist. Der Körper wird
in das Feld hineingezogen.
Wie erwähnt, ist im Inneren eines
Körpers in einem homogenen
Magnetfeld nicht die angelegte
Flussdichte (B außen), sondern eine
neue Flussdichte (B innen) vorhan-
den.
Die Suszeptibilität beschreibt
die Aufnahmefähigkeit des einge-
brachten Stoffes für das magne-
tische Feld als dimensionslose Pro-
portionalitätskonstante �.
M = H · �
Die Magnetisierung M eines Stof-
fes ist das Produkt aus Magnetfeld
der Stärke H und Suszeptibilität �.
Letztere setzt sich aus einem dia-
und paramagnetischen Anteil
zusammen.
Die diamagnetische Suszepti-
bilität ist unabhängig von der Feld-
stärke und Temperatur und stets
negativ. Die paramagnetische Sus-
zeptibilität dagegen ist temperatur-
abhängig und um mehrere Größen-
ordnungen stärker als die des Dia-
magnetismus. Wie vorher erwähnt,
ist Rinneit paramagnetisch.
Messgeräte für die Suszeptibilität
sind als Hand-, Labor- und Online-
Geräte erhältlich. Bei K+S sind der-
zeit Hand- und Laborgeräte im Ein-
satz. Erstere zeichnen sich durch
einen vergleichsweise niedrigen
Aufwand, leichte Bedienbarkeit
und eine schnelle Messwertfindung
aus. Nachteilig machen sich die
geringe Eindringtiefe und eine
relativ große Streuung der Mess-
werte bemerkbar. Dennoch scheint
dieses Gerät bislang für eine schnel-
le Überblicksmessung der Ortsbrust
ausreichend zu sein.
Im Zentrallabor des K+S-For-
schungsinstitutes ist des Weiteren
ein Laborgerät verfügbar. Bei dieser
Variante kann eine exakt kalibrier-
bare Messung realisiert werden.
Durch Analyse des gesamten Bohr-
mehls, welches bei der Herstellung
der Sprenglochbohrlöcher anfällt,
ist eine tiefenspezifische Aussage
möglich. Prinzipiell wäre eine kon-
tinuierliche Online-Messung auf
dem Bohrlochwagen denkbar,
jedoch muss der bauliche Aufwand
hierfür noch quantifiziert werden.
In der Abbildung 3 sind sowohl
für das Hand- (Rauten) als auch für
das Laborgerät (Dreiecke) die Wer-
te zur Kalibrierung dargestellt.
Dem durch ICP bestimmten und auf
Rinneit umgerechneten Eisengehalt
(Abszisse) wurden auf der Ordinate
die jeweils gemessenen Suszeptibi-
litäten gegenübergestellt. Alle Daten
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 39
Forschung und Entwicklung
den, grün dargestellt.
Rinneit ist ein Fe(II)-high-spin-
Komplex und paramagnetisch. Er
weist eine Dichte von 2,35 g/cm3 und
eine Härte nach Mohs von 3,0 auf.
Der Geschmack, ein wesentliches
Kriterium für Geologen, wird mit „...
nach Tinte, nur stärker zusam-
menziehend“ beschrieben.
Protolyse: [FeCl6]4- + 2 H2O ➔
[Fe(OH)Cl5]4- + H3O+ + Cl-
Beim Kontakt mit Wasser kommt
es zur dargestellten Protolyse, wobei
H3O+-Ionen entstehen und sich der
pH-Wert der Lösung in den sauren
Bereich verschiebt.
Oxidation: 2 [Fe(OH)Cl5]4- + 2 H3O+
+ 0,5 O2 ➔ 2 [Fe(OH)Cl5]3- + 3 H2O
In einem zweiten Schritt erfolgt
unter Anwesenheit von Sauerstoff
eine Oxidation von Fe(II) zu Fe(III).
Neben 14 % Eisen enthält Rinneit
auch 35 % K2O. Basierend auf zwei
dieser Eigenschaften ist Rinneit für
die Fabrikbetriebe ein problemati-
sches Mineral. Wie bereits ange-
deutet, lässt zum einen die Färbung
– da uneinheitlich – nicht zwingend
einen Schluss auf den Rinneitgehalt
zu. Zum anderen ist der Rinneit
zwar hygroskopisch, aber dennoch
an der Luft über einen längeren Zeit-
raum stabil. Demzufolge haben
höhere Rinneitanteile im Fördergut
negative Auswirkungen auf die Ver-
arbeitungsprozesse. Erstens tritt in
den Nassbetrieben bei erniedrigten
pH-Werten eine verstärkte Korrosion
auf. Hieraus resultiert ein größerer
Reparaturaufwand. Zweitens ent-
steht durch die Bildung von Eisen-
oxiden bzw. -hydroxiden ein erhöh-
ter Reinigungsaufwand infolge
stärkerer Schlamm- und Krusten-
bildung an den Oberflächenkon-
densatoren und letztendlich tritt
eine Färbung der Endprodukte auf,
die vor allem bei den Pharmapro-
dukten nicht tolerabel ist.
Bereits in Niedersachsen-Riedel
traten Schwierigkeiten mit sauren
Laugen (pH-Wert von 2), verursacht
durch Rinneit im Rohsalz, auf. Hier
konnte, begünstigt durch die nied-
rigen Magnesiumgehalte von 0,3 %,
der pH-Wert durch Zusatz von
Natron- oder Kalilauge wieder in den
neutralen Bereich (pH-Wert 7,2) ver-
schoben werden. Jedoch erfolgte
neben der Neutralisation auch eine
Bildung von Magnesiumhydroxid.
An der Werra stellt sich die Situa-
tion heute anders dar. Durch das
carnallitische Rohsalz am Standort
Unterbreizbach ist der MgO-Gehalt
im Fördersalz mit 5,1 % rund sieb-
zehnmal höher als in Niedersach-
sen-Riedel. Hieraus resultieren bei
Zugabe von Laugen starke Ausfäl-
lungen von Magnesiumhydroxid.
Somit wurde im Werk Werra auf
eine Neutralisation verzichtet und
der Grenzwert für die Fabrikver-
träglichkeit auf 0,04 % Rinneit, ent-
sprechend 0,007 % Eisen, festgelegt.
Dieser Wert ist siebenmal niedriger
als seinerzeit in Niedersachsen-Rie-
del üblich und stellt daher hohe
Anforderungen an die Rinneitana-
lytik.
AnalytikZur Rinneitbestimmung existieren
verschiedene Verfahren. Die pH-
Wert-Bestimmung nach Auflösen
einer Rohsalzprobe als indirekte
Methode ist unter Tage nicht beson-
ders praktikabel. Die Bestimmung
über die Farbänderung beim Be-
sprühen eines Stoßes mit einem
Indikator wird massiv durch Stäu-
be verfälscht. Mittels ICP (induktiv
gekoppeltes Plasma) oder RFA (Rönt-
genfluoreszenzanalyse) lässt sich
der Eisengehalt exakt messen, aller-
dings nur im Labor. Durch RDA
(Röntgendiffraktometrie), eine wei-
tere Labormethode, könnte zwi-
38 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Abb. 3: Kalibration / calibration
Abb. 4: Fabrikschema Standort Wintershall / Schematic layout plant Wintershall
sich auch für die Abtrennung des
Rinneits seinen Paramagnetismus
zu Nutze zu machen. Im Handel
werden hierzu überwiegend Per-
manentmagnetscheider angeboten.
In der Abbildung 5 ist der im K+S-
Forschungsinstitut vorhandene
Labormagnetscheider zu sehen.
Ein Nachteil der Magnetscheidung
ist jedoch, dass jedes Teilchen Kon-
takt zur Magnetrolle haben sollte.
Dies erfordert zum einen eine gute
Zerkleinerung des Haufwerkes und
zum anderen eine möglichst kleine
aufzubereitende Menge. Möchte
man für die Fabrik Wintershall
einen durchschnittlichen Rinneit-
gehalt im Rohsalz von 0,04 % sicher-
stellen, bedeutet das: Bei 950 t/h
Förderung und einem Verhältnis
80 % Wintershaller Salz und 20 %
Sylvinit Unterbreizbach, wovon
80 % als rinneitfrei zu betrachten
sind, dürfte die Restmenge maximal
1 % Rinneit enthalten. Dieses ent-
spricht einer stündlichen Verarbei-
tung von etwa 40 t/h.
Versuche im K+S-Forschungsin-
stitut zeigten, dass die erforderliche
Aufmahlung kleiner 4 mm betragen
sollte. Bei Rinneitgehalten bis 5 %
erwies sich eine Einrollenkonfigu-
ration als ausreichend. Zwischen 5
und 28 % Rinneitanteil konnte mit
einer zwei- bis dreistufigen Tren-
nung das Ziel von < 1 % eingehalten
werden. Rohsalze mit noch höheren
Anfangsgehalten waren über ein
dreistufiges Verfahren nicht mehr
aufbereitbar. Allgemein wird ein
zwei- bis dreistufiger Prozess als
sicher ausreichend angesehen.
In Kombination mit dem Gru-
benbetrieb Unterbreizbach und der
Zentralwerkstatt der K+S KALI
GmbH wurde eine Aufbereitungs-
anlage mit sieben dreistufigen
Magnetscheidern und einer Leis-
tung von 50 t/h konzipiert. Die Inves-
titionskosten belaufen sich auf
rund 5 Millionen Euro.
AusblickBislang wurde einiges zum Vor-
kommen und den Eigenschaften des
Rinneites dargelegt. Des Weiteren
konnte gezeigt werden, dass mit Hil-
fe der magnetischen Suszeptibilität
Analysenmethoden entwickelt wur-
den, die eine zuverlässige Detektion
sicherstellen. Im Fall von höheren
Rinneitgehalten im Rohsalz – die
derzeit nicht erwartet werden – ist
eine Aufbereitung durch Vorabtren-
nung des Rinneites über Magnet-
walzenscheidertechnik unter Tage
jederzeit realisierbar. Dennoch soll-
te Rinneit nicht nur als Störenfried
für die wässrigen Produktionspro-
zesse betrachtet werden. Wie
erwähnt, enthält Rinneit neben
35 % K2O auch 14 % Eisen. Hieraus
können sich diverse Vermark-
tungspotentiale ergeben.
Literatur[1]: H. E. Boeke, Rinneit, ein neuge-
fundenes eisenchlorürhaltiges Salz-
mineral; Zentralblatt für Minera-
logie, Geologie und Paläontologie;
1909, 72–75.
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 41
Forschung und Entwicklung
zur Suszeptibilität wurden an
einem Messplatz bei 21 °C ermittelt.
Der Temperatureinfluss beträgt
–0,075 Prozentpunkte Rinneit pro
1 °C Temperaturerhöhung. Man fin-
det einen nahezu linearen Verlauf,
der aber bei hohen Gehalten ver-
stärkt streut. Wie bei der Genese
erwähnt, findet sich der Rinneit ver-
mehrt in der Nähe von Basalt. Dort
kann auch der ferrimagnetische
Magnetit bzw. Maghemit vorhanden
sein, welcher infolge hoher Sus-
zeptibilität bereits in geringsten
Konzentrationen hohe Rinneitge-
halte vortäuscht. Dies führt im
schlimmsten Fall dazu, dass ein
Abschlag stehen bleibt, obwohl kein
Rinneit enthalten ist. In dieser Situa-
tion könnte eine Probe im Labor
analysiert und bei Nichtbestätigung
der Online-Messung der Abschlag
nachträglich gewonnen werden.
Alternativ wird derzeit eine Vorge-
hensweise geprüft, bei der Rinneit
bereits bei der Herstellung der
Sprenglochbohrlöcher auch bei
Anwesenheit von Magnetit exakt
nachgewiesen werden kann.
AbtrennungDie Forderung, dass das Rohsalz nur
0,04 % Rinneit enthalten soll, be-
deutet zukünftig für den Standort
Wintershall, dass bereits ein
Abschlag von 400 t mit 3 % Rinneit-
gehalt ausreicht, um die Tagesver-
träglichkeit der Fabrik voll auszu-
schöpfen.
Ein Blick auf das stark verein-
fachte Fabrikschema des Standorts
Wintershall (Abb. 4) zeigt, dass
37 % der geförderten Rohsalzmen-
ge über die elektrostatische Trenn-
anlage (ESTA) direkt als trockener
Rückstand auf die Halde gelangen.
In diesen 37 % ist jedoch nur ein
Prozent des durch das Rohsalz ein-
geführten Rinneits enthalten. Ins-
gesamt 98 % des Rinneits gelangen
in irgendeiner Form in die Nass-
prozesse (Lösehaus und Carnallit-
zersetzung des Kaliwertstoffes).
Will man den Grenzwert von
0,04 % Rinneitgehalt im Rohsalz
anheben, müsste gewährleistet sein,
dass weniger Rinneit in die Nass-
betriebe eingetragen wird. Nur so
ließen sich unerwünschte pH-Wert-
Absenkungen vermeiden. Eine Maß-
nahme hierzu wäre, das trockene
Ausbringen an Rinneit auf die Hal-
de zu erhöhen. Hierzu wurde für die
A-Stufe der ESTA – Steinsalzabtren-
nung – ein zweistufiges Verfahren
entwickelt. Bei modifizierter che-
mischer Konditionierung gelingt es,
durch eine erneute thermische Kon-
ditionierung und Nachtrennung
der Konzentratfraktion das Rin-
neitausbringen zur Halde auf 52 %
anzuheben. Jedoch wären hierfür
erhebliche Investitionen erforder-
lich. Daher wurde dieser Weg nicht
weiter verfolgt und die potentiellen
Auswirkungen einer geänderten
Konditionierung in A auf die nach-
folgenden Prozesse nicht explizit
untersucht.
Als nächste Variante wurde der
Versuch einer Vorabtrennung des
Rinneits unter Tage geprüft. Analog
zur Anhydritabtrennung in Braun-
schweig-Lüneburg wurde eine opto-
elektronische Sortieranlage getestet.
Die Aufbereitung wäre prinzipiell
möglich, scheitert aber daran, dass
die Farbe des Salzes nicht mit dem
Rinneitgehalt korreliert. Zum einen
ist der Rinneit, wie erwähnt, selbst
unterschiedlich gefärbt, zum ande-
ren enthält das Rohsalz auch
Carnallit. Für jeden Abschlag wäre
infolgedessen eine eigene Kalibra-
tion erforderlich.
Als weitere Möglichkeit blieb,
40 Kali und Steinsalz Heft 1/2004
Forschung und Entwicklung
Abb. 5: Labormagnetscheider / Laboratory magnetic separator
Abb. 6: Schema der Rinneittrennanlage / Schematic layout Rinneit separation plant
esco – european saltcompany GmbH & Co. KG
Werk BernburgMartin Wagner, Leiter Produktion
unter Tage Werk Bernburg, hat seit
1. Januar 2004 die Funktion des Lei-
ters unter Tage der Werke Bernburg
und Braunschweig-Lüneburg sowie
zusätzlich die Funktion des stell-
vertretenden Werkleiters für beide
Werke übernommen.
Adolf Hiltscher, Peißen, ehemals
Werkleiter Bergbau der Werke Bern-
burg und Braunschweig-Lüneburg,
vollendet am 4. September 2004 das
65. Lebensjahr.
Steinsalzbergwerk und Saline BorthHeinz Fauseweh, Leiter Produktion
unter Tage, hat seit 1. Januar 2004
zusätzlich die Funktion des stell-
vertretenden Werkleiters über-
nommen.
Kali-Chemie AG
Dieter Seidel, Hannover, ehemals
Direktor in der Hauptverwaltung,
vollendet am 22. September 2004
das 80. Lebensjahr.
K+S Aktiengesellschaft
UnternehmensleitungDr. Walter Topp, Neuss, ehemals
Leiter des Bereichs Personal- und
Sozialwesen, vollendet am 6. Juli
2004 das 80. Lebensjahr.
Dr. Volker Schäfer, Kassel, ehemals
Mitglied des Vorstandes der K+S
Aktiengesellschaft und der Ge-
schäftsführung der Kali und Salz
GmbH sowie Präsident der Wirt-
schaftsvereinigung Bergbau e. V.
und langjähriger Vorstandsvorsit-
zender des Kalivereins e. V., vollen-
det am 14. August 2004 das 65.
Lebensjahr.
Dr. Heimo Mayrhofer, Kassel, ehe-
mals Leiter des Bereichs Geologie,
vollendet an 15. September 2004 das
85. Lebensjahr.
Udo Moye, Leiter des Funktionsbe-
reichs Bergbau und Vorsitzender des
Bergtechnischen Ausschusses des
Kalivereins e. V., vollendet am 17.
September 2004 das 65. Lebensjahr.
K+S KALI GmbH
UnternehmensleitungHans-Dieter Wolter, Leiter Vertrieb
Industrieprodukte, ist nach über
42-jähriger Tätigkeit für das Unter-
nehmen am 31. März 2004 in den
Ruhestand getreten.
Dr. Franz-Georg Loth hat seit 1.
April 2004 die Funktion des Leiters
Vertrieb Industrie (KVI) übernom-
men.
Werk Neuhof-EllersDr. Harald Schnez, Leiter Produk-
tion und Technik über Tage, voll-
endet am 17. Juli 2004 das
60. Lebensjahr.
Dr. Wolfgang Manthey, Bad Hers-
feld, ehemals Werkleiter Fabrik, voll-
endet am 3. August 2004 das
80. Lebensjahr.
Werk SigmundshallBruno Howe, Wunstorf, ehemals
Leiter der kaufmännischen Ver-
waltung, vollendet am 2. Juli 2004
das 75. Lebensjahr.
Karl v. Stösser, Hannover, ehemals
Werkleiter kaufmännischer Be-
reich, vollendet am 3. August 2004
das 95. Lebensjahr.
Werk WerraGustav-Adolf Burghardt, Habichts-
wald, ehemals Werkleiter Bergbau
am Standort Hattorf, vollendet am
1. Mai 2004 das 70. Lebensjahr.
Werk ZielitzHans-Joachim Kind, Werkleiter,
begeht am 1. August 2004 sein
25-jähriges Dienstjubiläum.
Dr. Arno Michalzik, Wolmirstedt,
ehemals Leiter Bereich Bergbau, voll-
endet am 25. August 2004 das 70.
Lebensjahr.
MSW-Chemie GmbH
Stefan Lotze, Kassel, ehemals
Geschäftsführer, vollendet am 2. Juli
2004 das 75. Lebensjahr.
Solvay Deutschland GmbH
Karl Schmidt, Solingen, ehemals
Direktor, vollendet am 28. Juni 2004
das 75. Lebensjahr.
Kali und Steinsalz Heft 1/2004 43
esco – european saltcompany GmbH & Co. KGK+S beabsichtigt, von der belgischen
Solvay deren 38-%-Anteil an dem
gemeinsamen Salzunternehmen
esco – european salt company zu
erwerben. Darauf haben sich die bei-
den Unternehmen in einer im
Februar unterzeichneten Absichts-
erklärung verständigt. Ziel ist, dass
die Transaktion rückwirkend zum
1. Januar 2004 wirtschaftlich wirk-
sam wird.
esco wird eine eigene Vertriebs-
gesellschaft in Schweden gründen.
Die neue Firma soll esco Nordic AB
heißen und von Göteborg aus ope-
rieren. Die Geschäftsführung wird
Fredrik Nordberg, bisher Leiter der
BASF Salts Nordic, übertragen. Die
Aufnahme der Geschäftstätigkeit ist
für den 1. Mai 2004 geplant.
K+S GruppeAm 11. März 2004 wurde in Frank-
furt am Main die geschäftliche Ent-
wicklung der K+S Gruppe im
Geschäftsjahr 2003 vorgestellt. Der
Umsatz wurde gegenüber dem Vor-
jahr um 1,3 % auf 2,29 Mrd. ge-
steigert. Das Ergebnis der Betriebs-
tätigkeit (EBIT) erreichte mit
115,7 Mio. nicht den bisherigen
Spitzenwert aus dem Jahr 2002
(-13%). Der Jahresüberschuss erreich-
te mit 101,3 Mio. aufgrund des
deutlich besseren Finanzergebnisses
jedoch nahezu den guten Vor-
jahreswert (2002: 103,8 Mio. ). Die
Investitionen lagen mit 126,6 Mio.
nur leicht unter dem Niveau des
Vorjahres (129,0 Mio. ). In der K+S
Gruppe waren am 31. Dezember
2003 10.627 Mitarbeiter beschäftigt
(2002: 10.610); davon 550 Auszubil-
dende (2002: 542).
K+S KALI GmbHEnde 2003 wurden die Werke und
Standorte Sigmundshall, Winters-
hall und Zielitz sowie einige Zen-
traleinheiten der K+S KALI GmbH in
Kassel durch den TÜV NORD CERT
erstmalig im Verbund nach der neu-
en Qualitätsnorm DIN EN ISO
9001:2000 zertifiziert. Auditiert
wurden die Produktgruppen „Hoch-
reine Salze“ sowie die Industrieka-
lisorten KCl 97 % und KCl 99 % als
auch Montanal.
Südwestdeutsche Salzwerke AGDie Arbeiten zur Erstellung eines
weiteren Tagesschachtes (Schacht
Konradsberg) für das Steinsalz-
bergwerk Heilbronn der Südwest-
deutschen Salzwerke AG sind im
Zeitplan. Im März 2004 konnten die
Teufarbeiten durch die wasser-
führenden Schichten erfolgreich
abgeschlossen werden. In den nächs-
ten Monaten wird der endgültige
Schachtausbau eingebracht und das
Abteufen bis ins Steinsalzlager fort-
gesetzt. Nach seiner Fertigstellung
im August 2004 soll der Schacht
Konradsberg für die Infrastruktur
des Bergwerkes Heilbronn, insbe-
sondere für die Frischwetterversor-
gung, genutzt werden.
Firmennachrichten Personalien
42 Kali und Steinsalz Heft 1/2004