СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК B01J20/02 B01J20/04 

Изобретение относится к способу получения гранулированного фильтрующего материала и может быть использовано в технологии очистки природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения и очистки сточных вод в фильтровальных сооружениях.

Известен способ получения гранулированного фильтрующего материала, включающий введение в глинистую суспензию неорганической добавки с последующей грануляцией при нагреве и обжиг гранул при t 700-900 ^o С, в качестве добавки используют доломитизированный известняк в количестве 15-30% от массы глинистой суспензии. Однако, фильтрующий материал, полученный указанным способом, не обеспечивает эффективности очистки воды от гумусовых взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов из-за низкой силы адизионного взаимодействия между извлекаемыми из воды загрязнениями и поверхностью зерен фильтрующего материала и короткого фильтроцикла, в течение которого достигается требуемое качество очистки.

Известен способ получения гранулированного фильтрующего материала, включающий смешивание каолина с порошкообразным доломитом в количестве 20-25% от массы каолина, гранулирование смеси и обжиг гранул при t 900-950 ^o С (прототип). Однако, фильтрующий материала, полученный указанным способом, не обеспечивает требуемой эффективности очистки воды от гумусовых, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов, также из-за недостаточно высокой силы адгезии частиц, извлекаемых из воды загрязнений к поверхности зерен фильтрующего материала и небольшой продолжительностифильтроцикла, в течение которого обеспечивается необходимая степень очистки воды.

Задачей изобретения является создание способа получения гранулированного фильтрующего материала, обеспечивающего высокую очистку воды от гумусовых, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов, за счет повышения силы адгезионного взаимодействия между поверхностью зерен фильтрующего материала, частицами загрязнений, представленными механической взвесью, гумусовыми веществами и соединениями тяжелых металлов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения гранулированного фильтрующего материала, включающего введение в глинистую суспензию порошкообразного доломита с последующей ее грануляцией и обжигом, добавку вводят в количестве 15-18% от массы глины, а обжиг осуществляют при t 800-880 ^o С.

Новым по сравнению с прототипом является введение в глинистую суспензию порошкообразного доломита в количестве 15-18% от массы глины, а обжиг осуществляют при t 800-880 ^o С, поэтому данное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Благодаря тому, что в глинистую суспензию вводят порошкообразный доломит в количестве 15-18% от массы глины, получается наиболее рациональное соотношение между количеством активатора, которым является доломит и количеством глинистого сырья, в кристаллической структуре которого размещается активатор, на единицу объема смеси. За счет обжига гранул при t 800-880 ^o С не происходит изменения первоначальной кристаллической структуры глинистого сырья, а также завершается полное разложение доломита с образованием оксидов кальция и магния, кристаллическая структура которых идентична кристаллической структуре глинистого сырья, что обеспечивает высокую совместимость кристаллов глины и активатора оксидов кальция и магния. Кроме того, большое количество углекислого газа, образующегося в результате разложения доломита, способствует созданию высокопористой структуры зерен фильтрующего материала.

Достижение таких результатов за счет введение порошкообразного доломита в количестве 15-18% от массы глины и обжига гранул при t 800-880 ^o С не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поэтому данное техническое решение соответствует "изобретательскому уровню".

Для изготовления фильтрующего материала по предлагаемому способу в качестве глинистого сырья используют, например, каолин нижеследующего химического состава: SiO₂ 46,95% Al₂O₃ 38,5% СаО - 0,35% К₂O 0,64% TiO₂ 0,48% Na₂О 0,09% прочие примеси 13,9% влажность сырья 2-2,5%
Гранулирование фильтрующего материала производят в экспериментальном грануляторе, который работает по принципу "кипящего" (псевдоожиженного) слоя. Для этого из 15 кг каолина, измельченного в шаровой мельнице (до порошкообразного состояния) приготовляют 40 л глинистой суспензии 70% влажности, плотностью 1,25 г/см³. Эту суспензию делят на 5 порций по 8 л. В одну порцию добавку доломита не вводят. В каждую из последующих 4 порций суспензии вводят определенное количество доломитовой муки, а именно:
в первую 1,83 кГ (12 вес. от глины);
во вторую 2,25 кГ (15 вес. от глины);
в третью 2,7 кГ (18 вес. от глины);
в четвертую + 3,0 кГ (20 вес. от глины).

Все 5 порций поочередно подают на грануляцию в экспериментальный гранулятор. Полученные гранулы обжигают в муфельной печи при различныхтемпературах с целью определения механической прочности гранул в зависимости от температуры обжига и выбора диапазона температур, в котором гранулы полученного керамического песка удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним по механической прочности. Температуру обжига варьируют от 800 до 880 ^o С. Показатели механической прочности (истираемость и измельчаемость) определяют по стандартной методике. Результаты испытаний представлены в табл.1.

Как показывают данные опытов по износу керамических гранул фильтрующего материала при температуре обжига 800-880 ^o С, суммарные годовые потери материала, истираемость и измельчаемость могут составить от -3,16 до 2,34% что вполне приемлемо, т.к. для активированного угля, тоже фильтрующего материала и ионообменных смол износа и потерь значительно выше.

Способ фильтрующих материалов к извлечению загрязнений из воды при различном количестве добавки доломитового порошка в глинистое сырье и фильтрующего материала, изготовленного в соответствии с прототипом, определяют следующим образом. Навеску каждого материала в качестве 10 г помещают в две колбы, одна из которых со 100 мл торфяной вытяжки цветностью 500 градусов платино-кобальтовой шкалы, а другая с водным раствором хлорида цинка, при концентрации ионов цинка 26 мг/л. Содержимое всех колб слегка встряхивают через каждые 2 часа. Сорбционную активность каждого материала определяют по изменению интенсивности окраски вытяжки (вследствие адсорбции гуминовых веществ на поверхности гранул фильтрующих материалов) и уменьшению концентрации ионов цинка в водном растворе по истечении 12 часового контакта.

Результаты испытаний представлены в табл.2.

Из данных табл. 2 следует, что очищающая способность материала, изготовленного по предлагаемому способу, от ионов тяжелого металла (Zn²⁺) в 1,25 раза выше, чем таковая у материала, изготовленного по способу, принятому за прототип во всем интервале количества вводимой добавки. Обесцвечивающая способность материала, изготовленного по предлагаемому способу, практически одинакова с материалом, принятом за прототип.

Фильтрующий материала прототип имеет весьма существенный недостаток по сравнению с материалом, изготовленным по предлагаемому способу, заключающийся в том, что водородный показатель рН профильтрованной через него воды значительно выше, чем рН воды, профильтрованной через материал, изготовленный по предлагаемому способу. Так как для питьевой воды и для очищенной сточной воды предельно допустимое значение рН не должно превышать 9,0, то на подкисление воды, прошедшей через материал прототип, потребуется намного больше кислоты, чем для проведения той же технологической операции с водой, профильтрованной через материал, изготовленный предлагаемым способом.

Кроме того, фильтрующий материал прототипа имеет меньшую механическую прочность в части измельчения, чем материал, изготовленный по предлагаемому способу. Показатели измельчаемости определялись по стандартной методике. Результаты испытаний представлены в табл.3.

Как следует из табл.3, у фильтрующего материала, изготовленного в соответствии с прототипом, измельчаемость в процессе механического воздействия (при водяных промывках и pегенерациях) в 2 раза выше, чем у материала, изготовленного по предлагаемому способу. Это обусловлено тем, что повышение весового содержания доломита в единице объема гранул фильтрующего материала снижает прочность гранулы.

Технологические испытания фильтрующего материала, изготовленного согласно предложенному способу, проводили на фильтрационном стенде. Испытания состояли из трех этапов. На первом этапе определялась эффективность очистки высокоцветной воды, а на втором эффективность очистки воды, содержащей ионы тяжелого металла (цинка).

На третьем этапе сравнивалась эффективность очистки природной и имитата сточной воды при фильтровании их через три типафильтрующих материалов, загруженных в три колонки. В первую колонку загружался фильтрующий материал, изготовленный в соответствии с предложенным способом при добавке в глинистое сырье доломита в количестве 18% весовых от массы каолина. Во-вторую колонку загружался материал прототип. В третью колонку загружался материал, изготовленный из кембрийской глины с добавкой в нее доломита в количестве 18% весовых от массы глины. Данный фильтрующий материал служит для получения сравнительной оценки материалов, полученных из двух наиболее распростpаненных в природе разновидностей глинистого сырья: каолина и кембрийской глины.

На первых двух этапах испытаний четыре фильтровальные колонки загружают полученными гранулированными материалами, отличающимися один от другого лишь количеством вводимого порошкообразного доломита. Пятую колонку загружают гранулированным материалом, изготовленным согласно прототипу: каолин + доломит в количестве 23% от веса каолина.

Фильтрующие загрузки на всех колонках характеризовались следующими параметрами: крупность зерен 0,5-1,0 мм, толщина слоя 600 мм.

Эффективность очистки воды оценивается на четырех колонках, загруженных изготовленным керамическим материалом. Эталоном для сравнения служит пятая фильтровальная колонка, загруженная материалом, изготовленным согласно прототипу.

На первом этапе через все пять колонок фильтруют природную воду, нижеследующего качественного состава: взвешенные вещества 2 мг/л, цветность 110 градусов, рН 6,8. Скорость фильтрования в процессе фильтро-цикла поддерживается постоянной и составляет 3 м/ч. Коагулянт в воду перед ее фильтрованием не добавляется. В данном случае коллоидные частицы гумусовых веществ, придающие воде цветность, сорбируются на поверхности зерен фильтрующихматериалов без предварительной обработки их коагулянтом. Критерием эффективности очистки воды от цветности служат: степень обесцвечивания воды и продолжительность фильтроцикла, в течение которого исходная вода очищается до требований ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая".

На втором этапе испытаний через все пять колонок фильтруют имитат сточной воды нижеследующего качественного состава: взвешенные вещества 2 мг/л, концентрация цинка Zn²⁺=18,5 мг/л, рН 6,8. Скорость фильтрования V_ф 3 м/ч. Критерием эффективности фильтрующего материала служила степень очистки имитата стока от ионов цинка.

На третьем этапе испытаний через все три колонки фильтруют сначала природную высокоцветную воду с цветностью 120 градусов, а затем после водяной промывки фильтрующих загрузок через эти же колонки фильтруют имитат сточной воды, содержащей 20,5 мг/л ионов цинка. Скорость фильтрования 3 м/ч, толщина слоя фильтрующих загрузок 600 мм.

Результаты технологических испытаний на обоих этапах представлены в табл.4, 5 и 6.

Технологические испытания по очистке воды от цветности, результаты которых представлены в табл.4, показывают, что эффективность обесцвечивания фильтрованием через материал, изготовленный предлагаемым способом при добавке доломита в количестве 15-18% весовых от массы каолина практически одинакова с таковой у материала прототипа. Однако предлагаемый материал имеет существенное технологическое преимущество перед прототипом, заключающееся в том, что после фильтрования через него, отпадает необходимость в проведении весьма трудоемкой, требующей специальной аппаратуры, технологической операции корректировки водородного показателя рН.

Изобретение относится к получению гранулированного материала и может быть использовано в технологии очистки природных вод. Сущность изобретения заключается во введении в глинистую суспензию порошкообразного доломита с последующей ее грануляцией и обжигом. Причем доломит вводят в количестве 15-18% от массы глины, а обжиг гранул осуществляют при 800-880 град. С. 6 табл.

1 Способ получения гранулированного фильтрующего материала, включающий введение в глинистую суспензию порошкообразного доломита с последующей ее грануляцией и обжигом, отличающийся тем, что доломит вводят в количестве 15-18% от массы глины, а обжиг осуществляют при 800 880<198>С.