Фильтрующий материал для очистки воды Советский патент 1993 года по МПК B01D39/20 

Изобретение относится к способам очистки природных и сточных вод от различных примесей путем фильтрации через неорганические пористые фильтрующие материалы.

Известен фильтрующий материал, состоящий из эластичного пенопластового носителя с открытыми порами, в которых расположены адсорбирующие частицы.

Недостатком материала является невысокая продолжительность эксплуатации из- за разрушения материала.

Известен способ продления срока эксплуатации фильтрующего слоя в устройстве для очистки воды путем ее фильтрования через пористую структуру. Для увеличения

продолжительности эксплуатации на поверхность пористой структуры наносят защитный слой, содержащий крупнозернистые частицы, нерастворимые в воде и мелкозернистые частицы связующего. Наличие такого защитного покрытия из частиц разной крупности практически не повышает динамического сопротивления, но предотвращает разрушение фильтрующего материала.

Известен фильтрующий материал для жидкости при высокой температуре, представляющий собой спеченную массу со средним диаметром пор от 500 мкм до 1 мм при пористости 15-40%. содержащий 100 мол.ч. огнеупорного вещества (корунд, муллит, боксит и т.п.), 15-30 мол.ч. связующего

XI

Ю

о

;

со

(глины, глинозем, кремнезем, стекло) и 0,1- 1 мол.ч. ускорителя спекания (фторид и окись лития).

Недостатком материала является его малая пропускная способность.

Известна фильтрующая масса с повышенной пропускной способностью, имеющая объем и .вес 1,70-2,27 и кажущуюся пористость 39-51%. Масса содержит 100 мае.ч. спекшегося глинозема, карбида или нитрида кремнияj ё-18 мае.ч. неорганического связующего и 3-15 мас.ч. горючего материала.

Материал с успехом может применяться для очистки горячих жидких сред, однако применительно к большим объемам воды он не эффективен из-за малой пропускной способности.

Известен фильтрующий материал для воды, образованный частицами угля, склеенными в единый блок полимерным материалом, причем из материала смонтирован фильтр. Фильтр состоит из вставленных одна в другую оболочек, внутренняя оболочка образована скрепленными между собой частицами угля размером 0,037-0,177 мм, а внешняя - частицами угля размером 0,177- 0,84 мм.

Известный материал при хорошей эффективности фильтрования и удовлетворительной степени очистки воды от органических веществ не обеспечивает высокой степени по тяжелым металлам.

Известен пористый синтетический загрузочный материал для биофильтров, выполненный в виде сотовых плит с четырехгранными ячейками, две грани которых наклонены к горизонтальной плоскости под углом 45°.

Материал пригоден для биологической очистки воды, а при очистке воды фильтрацией он не обеспечивает высокой степени очистки.

Известны керамические фильтрующие материалы сотовой структуры для очистки газов. Определенное расположение каналов в керамическом сотовом фильтре дает возможность обеспечивать высокую степень очистки газов от механических примесей.

Однако известные керамические сотовые фильтры для газов не обеспечивают удовлетворительной степени очистки вод от органических и неорганических примесей.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является фильтрующий материал из металла, имеющий сотовую структуру с отверстиями регулируемой величины. Причем, для получения на материале приемлемых потерь напора

поверхности сита придают волнистую или гофрированную форму, а с помощью покрытия материала различными металлами дополнительно к фильтрующему действию

можно получить адсорбирующее и каталитическое.

Недостатком материала является недостаточно высокая пропускная способность при обеспечении высокой степени очистки.

Целью изобретения является увеличение пропускной способности фильтрующего материала при обеспечении высокой степени очистки,

Поставленная цель достигается предла5 гаемым фильтрующим материалом, представляющим собой неорганический пористый гидростойкий формованный материал сотовой структуры, со сквозной пус- тотностью не менее 50%, имеющий на

0 поверхности гидроксогруппы, причем материал выбирают из группы: нитрид титана, нитрид кремния, алюмосиликаты, силикаты, кордиерит, металлы и их сплавы и карбиды металлов.

5 Отличительной особенностью предлагаемого материала является то, что использование неорганического пористого вещества, выбранного из вышеуказанной группы и сформованного в виде сотовой

0 структуры с определенной сквозной пусто- тностью обеспечивает при контакте его с водой появление на поверхности фильтрующего материала свободных гидроксогрупп, которые оказывают коагулирующее воздей5 ствие на содержащиеся в воде примеси, что обеспечивает высокую степень очистки. Предлагаемая же структура материала позволяет скоагулированным примесям беспрепятственно проникать через него и

0 оседать в виде отделяемого осадка. Высокая пропускная способность материала и следовательно большой ресурс работы обеспечивается тем, что скоагулированные примеси не забивают поры материала и его

5 сквозная пустотность остается неизменной в течение всего периода эксплуатации. Ука- занныесвойства заявленного материала позволяют использовать его в качестве основы для нанесения различных видов селектив0 ных покрытий, таких как металлических, ок- сидных, углеродных и др., что в свою очередь позволит использовать его для очистки различных видов примесей, содержащихся в воде. К ним относятся различные

5 взвеси, тяжелые металлы, радионуклиды, органические соединения.

На чертеже изображен фрагмент фильтрующего материала (фильтрующий элемент) с вырезом для наглядности сотовой структуры.

Фильтрующий элемент содержит керамический носитель 1, изготовленный из нит- ридокремниевых материалов (подробную технологию изготовления см. ниже), имеющий сквозные соты 2, поверхность которых может быть покрыта различными адсорбентами и коагулянтами в зависимости от. вида и химсостава очищаемых примесей. Боковая нефильтрующая поверхность 3 по форме выполнена с возможностью сопряжения (например, склеивания) отдельных элементов в фильтрующие блоки и системы. Для достижения поставленной цели сквозная пустотность фильтрующего элемента должна быть не менее 50%.

Фильтрующий материал изготавливают следующим образом. Для получения сотовой конструкции из керамики на основе нитрида кремния с пористой микроструктурой использованы порошки нитрида кремния (Si3N4), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (С В С).

Характеристики порошков приведены в табл. 1.

Порошок А существенно отличается от порошка Б по фазовому составу и морфологии, тогда как химический состав и дисперсность их сходны.

Гранулометрический состав исходных порошков приведен в табл. 2.

Составы А1 и Б1 представляют собой исходные порошки А и Б соответственно, подвергнутые ультразвуковому дисперси- рованию в ацетоне в течение 5 мин. Составы А2 и Б2 получены из различных фракций порошков А и Б каждого соответственно отдельно смешанных в соотношении в вибрационном смесителе (насухо в течение 30 мин). В процессе смешивания фракций в составы вводилась порообразующая добавка - поливиниловый спирт (ПВС), который имеет гранулометрический состав, приведенный в табл.2.

Благодаря использованию пластификатора порошковая масса для экструзии обладает способностью течь под давлением и затем сохранять форму и размеры, придаваемые формообразующим инструментом. Пластификатор не должен взаимодействовать с порошком в процессе экструзии и термообработки готового изделия, а также должен легко удаляться.

В качестве пластификаторов керамических порошков широко используются органические вещества, основные характеристики которых представлены в табл. 3.

В качестве пластификатора при изготовлении пластических масс из порошка SisN4 использовался петролатум-смесь высокомолекулярных твердых углеродов (парафинов и церазинов) с незначительным остатком масла. Компоненты связующего (олеиновая кислота и воск) добавляют в небольших количествах для обеспечения заданных реологических характеристик, зависящих от морфологии частиц и дисперсности порошковой шихты.

Физические свойства компонентов пла0 стификаторасведены в табл. 4.

Приготовление составов пластических масс осуществлялось в вакуум-смесителе с использованием органической связки (пет- ролатум) при температуре 85°С в течение

5 4 ч. Экструдирование производилось прямым выдавливанием пластической массы из стального контейнера через насадку при температуре 26-34°С. Оптимальные технологические параметры процесса формиро0 вания образцов сведены в табл. 5.

Спекание образцов производилось Е вертикальной индукционной печи в графитовом тигле в токе азота при температуре 1800°С в течение 60 мин. Характеристик /

5 пористой структуры нитридокремниевых материалов приведены в табл. 6.

После изготовления блочных носителей сотовой структуры на них наносят адсорбенты и коагулянты, удовлетворяющие ос0 новным требованиям - высокая удельная поверхность и высокая адсорбционная способность.

Нанесение коагулянтов и адсорбентов производилось растворным методом. Для

5 нанесения, например, оксида алюминия в1 качестве коагулянта, составлялась суспензия, содержащая дистиллированную воду и мелкодисперсный порошок оксида алюминия. В такой раствор суспензии опускают

0 готовый блок и выдерживают 5 мин (первый цикл), после чего блоки высушивают при температуре 170°С. Затем операцию повторяют 8-10 раз, после чего проводят сушку при температуре 200°С в течение 1 ч, а за5 тем обжиг при температуре 700°С в течение 20 мин. Все последующие операции с нанесением коагулянтов и адсорбентов производили на слой подложки из оксида алюминия. Аналогично можно нанести коагулянт 0 оксид железа, оксид сурьмы. Время нанесения одного цикла 10 мин, количество циклов 5-8, температура сушки 120-140°С, температура окончательного обжига 450 500°С. Суспензию для нанесения готовят сле5 дующим образом. 0,856 кг металлического железа, 6,251 кг НМОз (уд. масса 1,38) i/ 7,751 кг дистиллированной воды нагреваю при температуре 60°С с образованием рас твора, далее прибавляют 5,65 кг Рв20з. Ъ этой смеси прибавляют 15%-ный раствор

NhUOH до PH-2,5. Эту массу нагревают при постоянном перемешивании в течение 20 мин, В такую суспензию опускают сотовый блок, выдерживают не более 10 мин и высушивают при температуре 120°С. Цикл повторяют 6-8 раз, после чего проводят окончательный обжиг при температуре 500°С.

В качестве адсорбента использовали также высококачественную сажу с удельной поверхностью 50 м /г. Суспензию приготавливают из дистиллированной воды и навески сажи. Нанесение проводят погружением блока в суспензию в течение 5 мин. Операцию проводят 8-10 раз с последующей сушкой при температуре 100°С и окончательным обжигом при температуре 350-400°С.

Из секций сотовых структур, изготовленных вышеописанным методом, была собрана лабораторная установка, через которую пропустили природную воду, содержащую следующие примеси: железо 0,76 мг/л, кадмий 6 мкг/л, цинк 22 мкг/л, свинец 6,3 мкг/л, марганец 87 мкг/л, ДДТ 0,9 мкг/л, у ГХЦГ 1,5 мкг/л, метафос 0,6 мкг/л, нитраты 78 мг/л, нитриты 0,24 мг/л, коли-индекс в 1 л воды 27, общая суммарная / -активность 5- Ки/л.

Основные характеристики опыта и его результаты сведены в табл. 7.

Кроме того были проведены лабораторные испытания эффективности заявляемого

0

5

0

5

0

фильтрующего материала при очистке воды от радионуклидов. С этой целью по описанной выше технологии были изготовлены по два вида сотовых блоков с оксидом железа, алюминия, сурьмы и высококачественной сажи.

Из района р. Припять возле Чернобыля была взята вода с высоким содержанием радионуклидов: концентрация цезия- 137 1,4 Ки/л, стронция-90 1,35- Ки/л. В эту воду помещали сотовые блоки и выдерживали Юсут. Гамма-излучение замеряли до погружения блоков и после 10-ти суточной их выдержки в воде. Активность гамма-излучения после выдержки в воде на блоке с адсорбентом сажа возросла в 5,8 раза, а на блоке с оксидом алюминия в 3,7 раза, соответственно уменьшилась радиоактивность очищаемой воды. По стронцию- 90 использование блока с оксидом алюминия для очистки воды показало, что радиоактивность последней уменьшилась в 1,5 раза.

Положительный эффект от использования предлагаемого фильтрующего материала обусловлен его высокими фильтрационными и сорбционными характеристиками, повышенной пропускной способностью, что позволяет очищать с высоким качеством большие объемы воды в единицу времени с обеспечением длительной и эффективной эксплуатации фильтрующего материала без его регенерации.

Материал представляет собой пористое формованное вещество сотовой структуры, имеющее на поверхности гидроксогруппы. Он может быть выполнен из нитрида кремния, на поверхность которого нанесены раз- личные коагулянты или сорбирующие вещества. 1 ил., 7 табл.

Формула изобретения40 1. Фильтрующий материал для очистки воды от примесей на основе неорганического гидростойкого вещества, отличающийся тем; что, с целью увеличения пропускной способности при обеспечении вы- 45 сокой степени очистки, он содержит пористое формованное вещество сотовой

структуры со сквозной пустотностью не менее 50%, имеющее на поверхности гидро- ксогруппы.

Таблица 1

Таблица 2

Продолжение табл.2

Таблица 3

11

1790434

12 Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

Продолжение табл.7

Продолжение табл.7