Фильтрующий материал для очистки воды
Материал представляет собой пористое формованное вещество сотовой структуры, имеющее на поверхности гидроксогруппы. Он может быть выполнен из нитрида кремния , на поверхность которого нанесены различные коагулянты или сорбирующие вещества. 1 ил., 7 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Ю С» ,М Д > Од (21) 4954169/26 (22) 10.06.91 (46) 23.01.93. Бюл. ¹ 3 (75) К.А, Чеботько и В.Д. Дупляк (73) К.А. Чеботько (56) Заявка ФРГ ¹ 2804154, кл. В 01 0 39/00, 1979. Заявка Японии ¹ 58 †981, кл, С 02 F 1/42, 1983, Патент США N.. 4278544, кл, В 01 D 39/20, 1981, Патент США N 3838079, кл, В 01 D 39/20, 1976. Патент США N 4753728, кл. В 01 D 39/20, 1988. Авторское свидетельство СССР ¹ 216624, кл, В 01 0 39/20, 1967. Патент США ¹ 4652286, кл. В 01 D 39/20, 1987. Европейский патент № 0140072, кл. В 01 D 39/00, 1985. 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 изза разрушения материала. Известен способ продления срока эксплуатации фильтрующего слоя в устройстве для очистки воды путем ее фильтрования через пористую структуру. Для увеличения „„59„„1790434 АЗ (54) ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ (57) Материал представляет собой пористое формованное вещество сотовой структуры, имеющее на поверхности гидроксогруппы, Он может быть выполнен из нитрида кремния, на поверхность которого нанесены различные коагулянты или сорбирующие вещества. 1 ил„7 табл. 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 1790434 (глины, глинозем, кремнезем, стекло) и 0,1— 1 мол,ч. ускорителя спекания (фторид и окись лития). Недостатком материала является его малая пропускная способность, 5 Известна фильтрующая масса с повышенной пропускной способностью, имеющая объемный вес 1,70 — 2,27 и кажущуюся пористость 39 — 517. Масса содержит 100 мас,ч, спекшегося глинозема, карбида или нитрида кремния, 5 — 18 мас.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 способностити. Известен фильтрующий материал для воды, образованный частицами угля, скле- 20 енными в единый блок полимерным материалом, причем из материала смонтирован фильтр. Фильтр состоит из всгавленных одна в другую оболочек, внутренняя оболочка образована скрепленными между собой частицами угля размером 0,037 — 0,177 мм, а внешняя — частицами угля размером 0,1770,84 мм, Известный материал при хорошей эффективности фильтрования и удовлетвори- 30 тельной степени очистки воды от органических веществ не обеспечивает высокой степени по тяжелым металлам, Известен пористый синтетический загрузочный материал для биофильтров, 35 выполненный в виде сотовых плит с четырехгранными ячейками, две грани которых наклонены к горизонтальной плоскости под углом 45 . Материал пригоден для биологической 40 очистки воды, а при очистке воды фильтрацией он не обеспечивает высокой степени очистки. Известны керамические фильтрующие материалы сотовой структуры для очистки 45 газов, Определенное расположение каналов в керамическом сотовом фильтре дает возможность обеспечивать высокую степень очистки газов от механических примесей. 50 Однако известные керамические сотовые фильтры для газов не обеспечивают удовлетворител ьной степени очистки вод от органических и неорганических примесей. Наиболее близким по технической сущ- 55 ности к достигаемому результату является фильтрующий материал из металла, имеющий сотовую структуру с отверстиями регулируемой величины. Причем, для получения на матерйаБе" и риемлемых 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 предлагаемым фильтрующим материалом, представляющим собой неорганический пористый гидростойкий формованный материал сотовой структуры, со сквозной пустотностью не менее 50/o, имеющий на поверхности гидроксогруппы, причем материал выбирают из группы: нитрид титана, нитрид кремния, алюмосиликаты, силикаты, кордиерит, металлы и их сплавы и карбиды металлов, Отличительной особенностью предлагаемого материала является то, что использование неорганического пористого вещества, выбранного из вышеуказанной группы и сформованного в виде сотовой структуры с определенной сквозной пустотностью обеспечивает при контакте его с водой появление на поверхности фильтрующего материала свободных гидроксогрупп, которые оказывают коагулирующее воздействие на содержащиеся в воде примеси, что обеспечивает высокую степень очистки. Предлагаемая же структура материала позволяет скоагулированным примесям беспрепятственно проникать через него и оседать в виде отделяемого осадка. Высокая пропускная способность материала и следовательно большой ресуос работы обеспечивается тем, что скоагулированные примеси не забивают поры материала и его сквозная пустотность остается неизменной в течение всего периода эксплуатации. Указанные свойства заявленного материала позволяют использовать его в качестве основы для нанесения различных видов селективных покрытий, таких как металлических, оксидных, углеродных и др., что в свою очередь позволит использовать его для очистки различных видов примесей, содержащихся в воде. К ним относятся различные взвеси, тяжелые металлы, радионуклиды, органические соединения. На чертеже изображен фрагмент фильтрующего материала (фильтрующий элемент) с вырезом для наглядности сотовой структуры. 1790434 Фильтрующий элемент содержит керамический носитель 1, изготовленный из нитридокремниевых материалов (подробную технологию изготовления см. ниже), имеющий сквозные соты 2, поверхность которых 5 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 10 (например, склеивания) отдельных элементов в фильтрующие блоки и системы. Для достижения поставленной цели сквозная пустотность фильтрующего элемента должна быть не менее 50%. 15 Фильтрующий материал изготавливают следующим образом. Для получения сотовой конструкции из керамики на основе нитрида кремния с пористой микроструктурой использованы порошки нитрида кремния 20 (SiaN4), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Характеристики порошков приведены в табл, 1. 25 Порошок А существенно отличается от порошка Б по фазовому составу и морфологии, тогда как химический состав и дисперсность их сходны. Гранулометрический состав исходных 30 порошков приведен в табл. 2. Составы А1 и Б1 представляют собой исходные порошки А и Б соответственно, подвергнутые ультразвуковому дисперсированию в ацетоне в течение 5 мин. Составы 35 А2 и Б2 получены из различных фракций порошков А и Б каждого соответственно отдельно смешанных в соотношении s вибрационном смесителе (насухо в течение 30 мин). В процессе смешивания фракций в 40 составы вводилась порообразующая добавка — поливиниловый спирт (ПВС), который имеет гранулометрический состав, приведенный в табл. 2. Благодаря использованию пластифика- 45 тора порошковая масса для экструзии обладает способностью течь под давлением и затем сохранять форму и размеры, придаваемые формообразующим инструментом. Пластификатор не должен взаимодейство- 50 вать с порошком в процессе экструзии и термообработки готового изделия, а также должен легко удаляться. В качестве пластификаторов керамических порошков широко используются 55 органические вещества, основные характеристики которых представлены в табл, 3, В качестве пластификатора при изготовлении пластических масс из порошка Si;N4 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 пластификатора сведены в табл, 4. Приготовление составов пластических масс осуществлялось в вакуум-смесителе с использованием органической связки (петролатум) при температуре 85 С в течение 4 ч. Экструдирование производилось прямым выдавливанием пластической массы из стального контейнера через насадку при температуре 26 — 34 С. Оптимальные технологические параметры процесса формирования образцов сведены в табл, 5. Спекание образцов производилось вертикальной индукционной печи в графи товом тигле в токе азота при температурс 1800 С в течение 60 мин. Характеристики пористой структуры нитридокремниевых материалов приведены в табл. 6. После изготовления блочных носителей сотовой структуры на них наносят адсорбенты и коагулянты, удовлетворяющие основным требованиям — высокая удельная поверхность и высокая адсорбционная способность. Нанесение коагулянтов и адсорбентов производилось растворным методом. Для нанесения, например, оксида алюминия в качестве коагулянта, составлялась суспензия, содержащая дистиллированную воду и мелкодисперсный порошок оксида алюминия. В такой раствор суспензии опускают 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 затем 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— 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 следующим образом. 0,856 кг металлического железа, 6,251 кг НКОз (уд. масса 1,38) 7,751 кг дистиллированной воды нагреваю при температуре 60 С с образованием рас твора, далее прибавляют 5,65 кг Ре Оз. 1 этой смеси прибавляют 15%-ный раство(1790434 Таблица NH40H 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 5 повторяют 6 — 8 раз, после чего проводят окончательный обжиг при температуре 500 С, В качестве адсорбента испольэовали также высококачественную сажу с удельной 10 поверхностью 50 м /r. Суспензию приготавливают из дистиллированной воды и навески сажи. Нанесение проводят погружением блока в суспензию в течение 5 мин, Операцию проводят 8 — 10 раз с 15 последующей сушкой при температуре 100 С и окончательным обжигом при температуре 350-400 С, N3 секций coT08blx структур, l13f QToBленных вышеописанным методом, была со- 20 брана 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 25 0,9 мкг/n, y= 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 /3-активность 5 10 Ки/л, Основные характеристики опыта и его 30 результаты сведены в табл. 7. Кроме того были проведены лабораторные испытания эффективности заявляемого Формула изобретения 40 1, Фильтрующий материал для очистки воды от примесей на основе неорганического гидростойкого вещества, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения пропускной способности при обеспечении вы- 45 сокой степени очистки, он содержит пористое формованное вещество сотовой 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 цезия137 1,4 10 Ки/л, стронция-90 1,35 10 Ки/л. В эту воду помещали сотовые блоки и выдерживали 10 сут. 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 стронцию90 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 сорбционныMè 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. структуры со сквозной пустотностью не менее 50 /,, имеющее на поверхности гидроксогруппы. 2. Материал поп, 1, отлича ющийс я тем, что он содержит вещество, выбранное из группы: нитриды титана или кремния, алюмосилi/Iкаты, силикаты, кордиерит, металлы и их сплавы, карбиды металлов; 1790434 Таблица 2 Продолжение табл.2 Таблица 3 1790434 Таблица 4 во лота Таблица 5 став св оле Таблица б миним, ПВС ПВС ПВС Таблица 7 25 25 ош ковой шихты, .мас. % орос ропу ния Пооистость после спекания 1,35 0,9 0,54 0,22 1790434 Продолжение табл.7 Продолжени Составитель К.Чеботько Редактор И.Мельникова Техред М.Моргентал Корректор М,Андрушенко Заказ 350 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101
