DE2104048A1

DE2104048A1 - Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2104048A1
Application number: DE19712104048
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Chem. Dr. 4300 Essen; Seger Michael 4150 Krefeld-Linn; Seidl Alois Dipl.-Phys. 8496 Thürnstein Post Lam Kraemer
Original assignee: Wasagchemie GmbH, 8000 München
Priority date: 1971-01-28
Filing date: 1971-01-28
Publication date: 1972-08-03
Also published as: JPS5325139B1; SE401101B; FR2149035A5; CA996038A; ZA715305B; CH541343A; DE2104048C3; AT315875B; GB1366340A; BE771765A; DE2104048B2; IT965608B; ES394754A1; NL7110651A

Description

Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand und Verfahren zu seiner Herstellung,

Die Erfindung betrifft einen anorganischen, künstlich hergestellten Filtersand zur Schwebstoffabfilterung aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei der Aufbereitung von Oberflächen- und Grundwasser zu Nutz-, Brauch- und Trinkwasser ist das Entfernen mechanischer suspendierter Verunreinigungen durch Filtration eine übliche Verfahrensstufe, insbesondere wenn im Zuge der Wasserreinigung eine Flockung mit Metallsalzen vorgenommen wird«

Am einfachsten wird die Filtration mittels Sand- und Kiesschichten durch·· geführt, wobei großflächige Filterbecken mit Grobkies, Feinkies und Sand so geschichtet sind, daß die Körnung von unten nach oben feiner wird.

Abgesehen davon, daß die Filterleistung je m Filterfläche wegen der geringen Filtergeschwindigkeit niedrig liegt, ist die Standzeit der Filter kurz, weil praktisch nur die Filteroberfläche wirksam ist und eine tiefer gestaffelte Filterung unterbleibt. Die Filtergeschwindigkeit läßt sich erheblich steigern, wenn geschlossene Druckfilter anstelle der einfachen Schwerkraftfilter verwendet werden. Da auch in diesem Falle nur die Oberfläche der Filterfüllung wirksam wird, sind die Filterstandzeiten ebenfalls gering. Diese lassen sich beträchtlich verlängern, wenn die Filtrationsrichtung entgegen der Schwerkraft, d.h. von unten nach oben bzw. von der groben zur feinen Körnung erfolgt, weil dann der Niederschlag tiefer gestaffelt in der Filtermasse festgehalten wird. Hierbei muß die Filtrationsgeschwindigkeit

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aber auf wenige m/h gesenkt werden, um ein Aufwirbeln der auf der Reinwasserseite liegenden Feinkornschicht - und damit Sekundärtrübung - zu vermeiden.

Optimale Filtrationsbedingungen lägen vor, wenn die Filterschicht so aufgebaut wäre, daß die Unterschicht eine Körnung von ca. 0,2 1 mm aufwiese, darüber eine Körnung von 1-1,5 nun, anschließend eine solche von 1,5 - 2 mm und schließlich die Oberschicht in einer Körnung von ca. 2 - 4 mm angeordnet wäre· Ein solches'Filter ließe sich mit hohen Filtrationsgeschwindigkeiten in Schwerkraftrichtung betreiben, besäße eine tiefgestaffelte Filterwirkung und damit sehr hohe Standzeit bei sehr geringem Druckverlust. Die Durchbruchssicherheit wäre groß, weil die feinstkörnige Filterschicht am Wasserausgang in jedem Beladungszustand als Sicherheitszone wirkt. Ein so aufgebautes Filter gibt es bisher aber nicht in der Praxis, weil es sich nicht durch Rückspülen regenerieren ließe. Beim Sedimentieren nach einem evtl. Spülen wurden sich nämlich die groben Partikel zuerst und die feinen zuletzt absetzen; somit würde sich die Schichtung umkehren und sämtliche zunächst erzielten Vorteile entfielen.

Versuchen, die Sedimentationsreihenfolge im gewünschten Sinne durch Auswahl und Einsatz von Produkten zu erzielen, deren Korndichte bei größerem Durchmesser niedriger ist als bei kleinerem, war nur ein Teilerfolg beschieden. Die Korndichte der für die Filtration brauchbaren Stoffe konnte nämlich nur maximal zwischen 1,8 und 2,5 kp/l variiert werden. Nur die Kombination Hydroanthrazit / Quarzsand hat Eingang in die Praxis gefunden, wobei der hohe Preis des Hydroanthrazits einer breiten Verwendung Grenzen setzt.

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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein neues Filtermaterial zu schaffen, das bei gleicher Materialbeschaffenheit in der Dichte zwischen 1,0 und 2,2 variiert werden kann, bei jeder Dichte in diesem Bereich in einer Korngröße von 0,3 - 10 mm herstellbar ist und bei dem die Kornoberfläche in weiten Grenzen glatt oder rauh gestaltet werden kann.

Dementsprechend besteht der erfindungsgemäße Filtersand aus amorphen und/oder kristallinen pulverförmigen Stoffen, die mit einem Bindemittel und/oder einem gemäß DBP 1.154.752 und/oder DBP 1.182.577 und/ oder Patentanmeldung P 16 71 266.6-45 hergestellten Vorprodukt zu Kügelchen geformt und bei Temperaturen oberhalb 700 C geschmolzen sind, und weist unterschiedliche Korndichten zwischen ca. 1,0 bis 2,2 g/cm sowie unterschiedlichen Korndurchmesser zwischen 0,3 bis 10 mm auf, mit der Maßgabe, daß die Korndichte mit zunehmendem Korndurchmesser abnimmt. Weiterhin ist der Filtersand gekennzeichnet durch ein Korn mit glatter Oberfläche oder durch ein Korn mit rauher Oberfläche.

Zur Herstellung dieeee Filtermaterials werden die amorphen und/oder kristallinen pulverförmigen Stoffe zusammen mit dem Vorprodukt im Verhältnis 2 bis 6 : 1 feingemahlen, unter Zugabe von Wasser granuliert, getrocknet und gegebenenfalls unter Verwendung von Trennmitteln zur Schaffung einer rauhen Oberfläche geschmolzen , wobei in einem Ar« beitsgang Korndichten zwischen 1,0 und 2,2 g/cm gebildet werden. Die Feinmahlung wird erforderlichenfalls gemeinsam in einer Kugelmühle, Rohrmühle oder ähnlich wirkenden Anlagen vermählen. Die Mischung wird unter Zugabe von Wasser, in dem nach einem weiteren Merkmal der Erfindung anorganische Bindemittel, wie Wasserglas und/oder organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol u.a., in Mengen bis zu 5 ^ gelöst sein können, granuliert, getrocknet und anschließend im Drehrohr, Wirbelschichtofen ο.dgl. Appaiatu-cea oberhalb 700 C geschmolzen. Unter

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Schmelzen ist in dieses? Zusammenhang auch Ain Anschmelzen oder Sintern zu verstehen.

Statt des angegebenen Vorproduktes kann auch ein entsprechend feines Glaspulver einer genügend wasserbeständigen und physiologisch unbedenklichen Zusammensetzung mit Hochofenschlackenmehl gemischt und gegebenenfalls gemeinsam vermählen und dann mit verdünnter Wasserglaslösung oder Wasser, das anorganische oder organische Bindemittel enthalten kann, granuliert werden. Nach dem rocknen hat auch hier anschließend Schmelzen bei Temperaturen oberhalb 700 C zu erfolgen.

Die Bildung der Korndichten zwischen 1,0 und 2,2 g/cm erfolgt durch Blähen bei Temperaturen zwischen ca. 400 und ca. 700 C und ein verdichtendes Schmelzen bei Temperaturen oberhalb ca. 700 C unter teilweisem Verlust der Blasenstruktur.

Die Korndichte kann durch das Mischungsverhältnis Schlackenmehl zu Vorprodukt und/oder Glaspulver bestimmt werden, das je nach Qualität und Eigenschaften von Schlackenmehl und/oder Glaspulver im allgemeinen 4-40 : 1, vorzugsweise 4-20 : 1, beträgt. Verweilizeit und/oder Temperatur beim Schmelzvorgang bieten weitere Möglichkeiten zur Variation der Korndichte, j

Beim Schmelzen, insbesondere im Drehrohrofen, empfiehlt sich die Zugabe eines Trenn- oder Pudermittels (Kalksteinmehl, Kreide, Dolciaitmehl, Kieselgur, Schlackeniuehl etc.), um Zusammenbacken oder Zusammensintern der Einzelkörner zu vermeiden. Ein evtl. Überschuß an Trennmitteln kann leicht durch Sieben, pneumatisches Klassieren, Wässern etc. vom Fertigprodukt getrennt und, wenn gewollt, wieder zur Puderung eingesetzt werden.

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Die Schutt- bzw. Packungsdichte bei loser Schüttung oder Kuttelung kann bei gegebenem Produkt außer durch das Kornepektrum auch durch die Kornform beeinflußt werden. Tunlichst rundes Korn zeigt beispielsweise bei enger Kornfraktion eine Raumerfüllung von 55·-58 /6, bei breiterem Kornspektrum 6Ο-65 J&· Kantigeres Korn, das durch entsprechende Granulierbedingungen, insbesondere kürzere Laufzeit für die Rundung leicht zugänglich ist, weist eine Raumerfüllung von nur 45-50 ^ auf.

Die Oberflächenrauhigkeit dee Granulats läßt sich durch die Verwendung an sich bekannter, physiologisch einwandfreier Trennmittel in weiten Grenzen variieren. Um so glatter wird die Oberfläche, je feiner das Trennmittel und je geringer die angewandte ^enge ist. Je leichter die Schüttdichte des Trennmittels und je bizarrer seine Kornform ist, um so rauher wird die Granulatoberfläche· Beispielsweise wird die rauheste Struktur bei Verwendung von Kieselgur erhalten.

Es wurde weiterhin gefunden, daß es nicht notwendig ist, die in Korngröße und Korndichte sich unterscheidenden Filtermaterialien für die verschiedenen Filterschichten getrennt herzustellen. Wird nämlich ein in der Zusammensetzung gleiches, gemischtkörniges Granulat der Hitzebehandlung unterworfen, so werden die kleinen Partikel schneller durchgewärmt und blasenfreier geschmolzen als die großen. Bei geeigneter Abstimmung von Verweilzeit und Temperatur läßt sich so in einem Arbeitsgang beispielsweise ein Granulatgeinisch erhalten, bei dem die Feinanteile von o,3 - 1 mm eine um etwa 0,5 - 0,8 g/cm höhere Korndichte haben als die Partikel mit einem Durchmesser von 4-5 mm. Wird dieses Korngemisch in Wasser aufgewirbelt und sedimentieren gelassen, zeigt

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sich

sich, dal/das Feinkorn bevorzugt zuerst absetzt, während das Grobkorn bevorzugt zuletzt sedimentiert.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung des anorganischen Filtersandes in Schwerkraft- und in Druckfiltern vorgesehen.

Das folgende Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

100 kg Vorprodukt gemäß DP 1.154.752 werden mit 300 kg Sehlackensand in einer Kugelmühle 90 Minuten lang fein gemahlen« Das erhaltene pulvrige Gemisch wird in üblicher Weise auf einem Granulierteller unter

von

Zugabe von Wasser auf eine Korngröße' 0,2 bis 2 mm granuliert und anschließend in einem Drehrohr bei Temperaturen bis zu 200 C getrocknet» Das erhaltene Vorgranulat wird mit ca. 10 kg Kreide als Trennmittel der Körner gemischt und in einem im egenstrom direkt beheizten Drehrohr auf Temperaturen oberhalb 700 C (im Ofenauslauf gemessen) gebracht. In der Einlaufzone des Drehrohrs bis etwa 400 erfolgt eine Expandierung des Korns. Bei der zunehmenden Erwärmung zum Auslauf des Rohrs hin verdichtet sich das Korn durch von außen nach innen fortschreitende Sinterung und/oder Schmelzen.

Durch gleichzeitige Schmelzbehandlung der Körner mit verschiedenem Durchmesser wird ein Mischgranulat der erfindungsgemäß unterschiedlichen Korndichte gebildet, wobei größere Körner eine geringere Korndichte aufweisen als kleinere, deren Blasenstruktur weitgehend verloren ging. Dieses Mischgranulat wird als Filtersand verwendet.

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Behälter zur Schwebstoffabfilterung von Wasser haben am Boden einen Wasserablauf, darüber eine Grobkieselfüllung, Kieseldurchmesser > 10 l\tfm, darüber einen Siebboden mit feiner Lochung, darüber den Filtersand in Korngrößen von 0,3-2 mm. Über dem Behälter befindet sich bei Schwerkraftfiltern der Wasserzulauf. Bisher hat man gewaschenen Flußsand mit einheitlicher Korndichte verwendet, der nach dem Rückspulen und Aufwirbeln des verschmutzten Filtersandes sich so ablagerte, daß die größeren Körner unten und die feineren oben waren. Die Filterstandzeit ließ durch Verschmutzung der oberen Feinsandschicht schnell nach, während die untere Grobsandschicht nicht oder nur wenig ausgenutzt wurde.

Der erfindungsgemäße Filtersand lagert sich auf Grund seiner bei größerem Korndurchmesser geringeren Korndichte nach dem durch Aufwirbeln des Filtersandes erfolgten Rückspülen völlig anders ab. Die schwereren Feineandkörner setzen sich zuerst ab und obenauf liegen die leichteren größeren Körner, So wird die Filterstandzeit verdoppelt und verdreifacht, da fast die gesamte Filterdicke genutzt werden kann.

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Claims

WASAGCHEMIE ..^: " ^:..^: ' München, den 13. Januar 1971 Gesellschaft m.b.H. ^ 2104048

Patentansprüche

/l_f Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand zur Schwebstoffabfilterung aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, dadurch gekennzeichnet,

daß er aus amorphen und/oder kristallinen pulverförmigen Stoffen, die mit einem Bindemittel und/oder einem gemäß DBP 1.154.752 und/ oder DBP 1.182.577 und/oder Patentanmeldung P 16 71 266.6-45 hergestellten Vorprodukt zu Kügelchen geformt und bei Temperaturen oberhalb 700 C gescrfblzen sind, besteht und unterschiedliche Korndichten zwischen ca. 1,0 bis 2,2 g/cm sowie unterschiedlichen Korndurchmesser zwischen 0,3 bis 10 mm aufweist, mit der Maßgabe, daß die Korndichte mit zunehmendem Korndurchmesser abnimmt.

2. Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand gemäß Anspruch 1,

gekennzeichnet durch ein Korn mit glatter Oberfläche,

3. Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand gemäß Anspruch 1,

gekennzeichnet durch ein Korn mit rauher Oberfläche.

4. Verfahren zur Herstellung des Filtersandee gemäß den Ansprüchen 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die amorphen und/oder kristallinen pulverfÖrmigen Stoffe zusammen mit dem Vorprodukt im Verhältnis 2 bis 6 : 1 feingemahlen, unter Zugabe von Wasser granuliert, getrocknet und gegebenenfalls unter Verwendung von Trennmitteln zur Schaffung einer rauhen Oberfläche

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geschmolzen wird, wobei in einem Arbeitsgang Korndichten zwischen 1,0 und 2,2 g/cm gebildet werden.

5· Verfahren gemäß Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß dem zur Granulierung verwendeten Wasser anorganische Bindemittel, wie Wasserglas und/oder organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol u.a., in Mengen bis zu 5 $ zugesetzt werden.'

6« Verfahren gemäß Anspruch 4 und 5»

dadurch gekennzeichnet,

daß die Bildung der Korndichten zwischen 1,0 und 2,2 g/cm durch Blähen bei Temperaturen zwischen ca, 400 und ca« 700 C und ein verdichtendes Schmelzen bei Temperaturen oberhalb ca, 700°C unter teilweisem Verlust der Blasenstruktur erfolgt,

7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 4 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß an sich bekannte, physiologisch einwandfreie Trennmittel wie Kreide, Kieselgur, Schlackenmehl u, dgl. zur Schaffung einer rauhen Oberfläche verwendet werden,

S, Verwendung des Anorganischen Filtersandes gemäß den Ansprüchen 1 bis in Schwerkraftfiltern.

9· Verwendung des anorganischen Filtersandes gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 in Druckfiltern·

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