DE2104048C3

DE2104048C3 - Anorganisches, künstlich hergestelltes Filtermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2104048C3
Application number: DE2104048A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Chem. Dr. 4300 Essen Kraemer; Michael 4150 Krefeld Seger; Alois Dipl.-Phys. 8496 Thuernstein Seidl
Original assignee: Wasagchemie 8000 Muenchen GmbH
Current assignee: Wasagchemie 8000 Muenchen GmbH
Priority date: 1971-01-28
Filing date: 1971-01-28
Publication date: 1975-05-28
Also published as: ES394754A1; DE2104048A1; GB1366340A; BE771765A; AT315875B; CH541343A; IT965608B; ZA715305B; SE401101B; NL7110651A; DE2104048B2; JPS5325139B1; FR2149035A5; CA996038A

Description

Die Erfindung betrifft ein anorganisches, künstlich hergestelltes Filtermaterial, bei dem mit zunehmender Korndichte die Korngröße kontinuierlich abnimmt, zur Schwebstoffabfilterung aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser sowie ein Verfahren zu seiner Her-Stellung.

Bei der Aufbereitung von Überflächen- und

Grundwasser zu Nutz-, Brauch- und Trinkwasser ist das Entfernen mechanischer suspendierter Vciunreinigungen durch Filtration eine übliche Verfahrensstufe, insbesondere wenn im Zuge der Wasserreinigung eine Rockung mit Ivfctallsaben vorgenommen wird.

Am einfachsten wird die Filtration mittels Sand-

und Kiesschichten durchgeführt, wobei großflächige

Filterbecken mit Grobkies, Feinkies und Sand so ge-

ίο schichtet sind, daß die Körnung von unten nach ob*-" fe«ner wird. Abgesehen davon, daß die Filterleish- _o

je m' Filterfläche wegen der geringen Filtergeschwin"

digkeit niedrig liegt, ist die Standzeit der Filter kurz,

weis praktisch nur die Filteroberfläche wirksam ist und

«5 eine tiefer gestaffelte Filterung unterbleibt.

Behälter zur Schwebstoffabfilterung von Wasser haben am Boden einen Wasserablauf, darüber eine Grobkieselfüllung, Kieseldurchmesscr > 10 mm, darüber einen Siebboden mit feiner Lochung, darüber

ao den Fiitersand in Korngrößen von 0.3 bis 2 mm Über dem Behälter befindet sich bei Schwerkraftfiitern der Wasserzulauf. Bisher hat man gewaschenen Flußsand mit einheitlicher Korndichte verwendet, der nach dem Ruckspülen und Aufwirbeln des verschmutzten FiI-

as tersandes 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

Die Filtergeschwindigkeit läßt sich erheblich steigern, wenn geschlossene Druckfilter an Stelle der einfachen Schwerkraftfilter verwendet werden. Da auch in diesem Falle nur die Oberfläche der Filterfüllung wirksam wird, sind die Filterstandzeiten ebenfalls ge-

ring. 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 wild. Hierbei

«o muß die Filtrationsgeschwindigkeit aber auf wenige m/h gesenkt werden, um ein Aufwirbeln der auf der Reinwasserseite liegenden Feinkornschicht - und damit Sekundärtriibung - zu vermeiden.
Optimale Hitrationsbedingungen lägen vor, wenn

die Filterschicht so aufgebaut wäre, daß die Unterschicht eine Körnung von etwa 0.2 bis 1 mm aufwiese, da» , «r eine Körnung von 1 bis 1,5 mm, anschließend eine solche von 1,5 bis 2 mm und schließlich die Oberschicht in einer Körnung von etwa 2 bis 4 mm ange-

so ordnet wäre. Ein solches Filter ließe sich mit hohen Filtratit nsgeschwindigkeiten in Schwerkraftrichtung betreiben, besäße eine tiefgestaffelte Filterwirkung und damit sehr hohe Standzeit bei sehr geringem Druckverlust. Die Durchbruchssicherheit wäre groß,

SS weil die feinkörnige 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 Sedimenticren nach einem even-

fio tucllen Spülen würden sich nämlich die grohen Partikel zuerst und die feinen zuletzt absetzen; somit würde sich die Schichtung umkehren und sämtliche zunächst erzielten Vorteile entfielen.

Versuchen, die Sedimentationsreihenfolge im ge-

6j wünschten 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

nitration brauchbaren Stoffe konnte nämlich nur macmal zwischen 1,8 und 2,5 kp/1 variiert werden. Nur die Kombination Hydroanthrazit/Qinarzsand hat Eingang in die Praxis gefunden, wobei der hohe Preis des Hydroanthrazits einer breiten Verwendung Grenzen setzt.

Ein Mehrstoff-Rlter mit einem hinsichtlich der Wichte aus mindestens drei verschiedenen Stoffarten zusammengesetzte'- Teilchengemisch, wobei die durchschnittliche Korngröße der Teilchen in Richtung des Filterdurchgangs kontinuierlich abnimmt, deren Wichte dagegen ansteigt, ist aus der deutschen Auslegeschrift 1436327 bekanntgeworden. Die Beispiele offenbaren definierte, sprunghaft ansteigende Wichteunterschiede.

Demgegenüber liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde, ein Filtermaterial zu schaffen, das bei gleicher Materialbesdiaffenheit in der Dichte zwischen 1,0 und 2,2 variiert werden kann und bei jeder Dichte in diesem Bereich in einer Korngröße von 0,3 bis 10 mm herstellbar ist.

Erfindungsgemäß besteht das Filtermaterial aus amorphen und/oder kristallinen, pulverförmigen Grundstoffen silikaiischer und/oder oxidischer Natur gebildeten, geblähten und durchgeschmolzenen Kügelchen gleicher Materialbeschaffenheit, aber unterschiedlichem Blasenanteil und weist Korndichten kontinuierlich zunehmend von etwa 1,0 bis 2,2 g/cm³ sowie Korndurchmesser von 10 bis 0,3 mm auf.

Somit hegt ein aus mehreren Grundstoffen erhaltenes, chemisch einheitliches Ausgangsmateral vor, dessen Korndichte mit zunehmendem Korndurchmesser nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich abnimmt. Das veriormte Endprodukt besitzt Kugelform und ermöglicht zum Unterschied von den getrochenstückigen Partikeln des beschriebenen Standes der Technik eine höhere Packungsdichte und dadurch verbesserte Filtrationswirkung.

Nach weiteren Ausführungsformen ist das Filtermaterial durch ein Korn mit glatter Oberfläche oder durch ein Korn mit rauher Oberfläche gekennzeichnet.

Für die Herstellung eines Filtermaterial ist schon ein Verfahren bekannt (deutsche Auslegeschrift 1275 938), bei dem aufgeblähter Perlit zunächst mit Hilfe einer Flüssigkeit zu einer bestimmten Korngröße agglomeriert und/oder mit einem Flußmittel wie z. B. Soda calciniert wird, um den Perlit durch Beschweren ι mit Flußmittel auf eine nicht näher angegebene Dichte einzustellen.

In dieser Druckschrift ist lediglich eine bestimmte Kuchendichte gekannt. Das vermuhlene Filterhilfs-■ mittel kann auf Grund dieser Behandlung kein rundes Korn besitzen und somit keine größtmögliche Pakkungsdichte gewährleisten.

In der deutschen Patentschrift 1154 752 wird der Aufschluß von faserigem silikatischem Material in wäßriger AlkaUsiUkatlösungund in der deutschen Patentschrift 1182 577 wird der zuvor geschilderte Auf- ;{schluß in Gegenwart von wasserlöslichen organischen, !reduzierend wirkenden Zusatzstolffen gelehrt. Die nicht vorveröffentlichte deutsche Auslegeschrift 1671266 beschreibt den Aufschluß pulvrigen silikatischen und/oder oxidischen Materials.

In der deutschen Patentschrift 1 154 752 ist die Herstellung !poröser Formkörper durch Erhitzen auf

j temperatur«:« zwischen 700 und 900° C beschrieben.

Die erhaltenen Formkörper weisen jedoch, da kein

ve^rdichtendes Schmelzen erfolgt, Dichten um 0,25 g/ cm³ auf. Derartige Partikel wären für den erfindungsgemäßen Vorschlag eicht einsetzbar; sie würden auf dem Wasser schwimmen.

Während also nach diesem Stand der Technik ein Blähen zu Korndichten zu weit unter 1 g/an³ vorgenommen wird, ist zur Erzielung von Dichten über 1 g/cm' ein verdichtendes Schmelzen erforderlich. Die deutsche Auslegeschrift 1275 938 sieht ein CaI-

cinieren von bereits aufgeblähtem Material vor. Dagegen geht man anmeldungsgemäß von unverschäumtem Material aus und schafft erst durch das Blähen die Dichteunterschiede.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Filtenna-

>s teials erfolgt, indem amorphe und/oder kristalline, pulverförmige Stoffe mit einem Bindemittel und/oder einem an sich bekannten Vorprodukt, das aus in wäßrigen Alkalisilikaten im Veihältnis von 0,02 bis 0,7:1 gelöstem, faserigem oder pulvrigem silikatischem

ao und'oder oxidischem Material besteht, im Verhältnis von 2 bis 6:1 feingemahlen, unter Zugabe von Wasser granuliert, getrocknet, gebläht und gegebenenfalls unter Verwendung von Trennmitteln durchgeschmolzen werden, wobei in einem Arbeitsgang Komdichten von 1,0 bis 2,2 g/cm³ und Korngrößen von 10 bis 0,3 mm gebildet werden.

Die Feinmahlung wird erforderlichenfalls gemeinsam in einer Kugelmühle, Rohrmühle oder ähnlich wirkenden Anlagen vorgenommen. Die Mischung

wird unter Zugabe von Wasser, dem nach einem weiteren Merkmal der Erfindung anorganische Bindemittel wie Wasserglas und/oder organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol u. a. in Mengen bis zu 5 % zugesetzt sein können, granuliert. Den Zusatz anorga-

nischer Flußmittel bei der Herstellung eines Filterhilfsmittels beschreibt die deutsche Auslegeochrift I 275 938. Diese Flußmittel werden dem bereits verschäumten Produkt hinzugefügt. Dagegen sieht die Erfindung vor, die anorganischen Bindemittel in der

Granuiierungsstufs, vor dem Verschäumen, einzuarbeiten.

Nach der deutschen Patentschrift 1182577 werden den zum Aufschließen vun faserigem silikatuchem Material verwendeten Alkalisilikatlösungen organi-

jsatzstoffe als Ver-

sehe, reduzierend wirkende Zu schüumungsmittel beigefügt. Aiime

nen dagegen bestimmte organische Hilfsmittel bei der Granulierung.

Nach der Granulierungsstufe wird anschließend im Drehrohr, Wirb«

mfißdieals

net und

iüchtofen oder

dergleichen Apparaturen oberhalb 70b" C geschmolzen. Unter »Schmelzen« *st in diesem Zusammenhang auch ein Anschmelzen oder Sintern zu verstehen. Statt des angegebenen Vorprodukte kamt auch ein

entsprechend feines Glaspulver einer genügend wasserbeständigen und physiologisch unbedetJdkhen Zusammensetzung mit liochofemchlackenmehj gemischt und gegebenenfalls gemeinsam vermählen und dann mit verdünnter Wasserglaslotung cder WiKer,

das anorganische oder organische Bindemittel enthalten kann, granuliert werden. Nach dem Trocknen hat auch hier anschließend Schmelzen bei Temperaturen oberhalb 700° C zu erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsfotfn der Erfin-

dung erfolgt die Bildung der Korndfchten zwischen 1,0 und 2,2 g/cm¹ durch Blähen bei Temperaturen zwischen etwa 400 und etwa 700° C und ein verdichtendes Schmelzen bei Temperaturen oberhalb etwa

700° C unter teüweisem Verlust der Blasenstruktur.

Die Korndiehte 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 bis 40: i, vorzugsweise 4 t»s 20. 1, beträgt. Verweiizeit und/oder Temperatur beim Schmelzvorgang bieten weitere Möglichkeiten zur Variation der Korndiehte.

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

Die Schutt- bzw. Packungsdichte bei loser Schüttuftgoder Rutteking kann bei gegebenem Produkt außer diirch das Kornspekuwn auch durch die Kornform beeinflußt werden. Tunlichst rundes Korn zeigt beispielsweise bei enger Kornfraktion eine Raumerfüllung von 55 bis 58 %, bei breiterem Kornspektrum 60 bis 65 %. Kantigeres Korn, das durch entsprechende Granulierbedingungen, insbesondere kürzere Iaufzeit für die Rundung leicht zugänglich ist, weist eine RaumerfuUung von nur 45 bis 50 % auf.

Die Oberflächenrauheit des 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 Menge ist. Je leichter die Schüttdichte des Trennmittels und je bizarrer seine Kornform ist, um so rauher wird die Grenulatoberflfiche. Beispielsweise wird die r&uheste Struktur bei Verwendung von Kieselgur erhalten.

Bs hat sich gezeigt, daß es nicht notwendig ist, die in KomgröBe und Korndiehte sich unterscheidenden FiltermateriaUen füt die verschiedenen FtUerschich-ΐοη getrennt herzusteMen. WiH nämlich ein in der Zusammensetzung gleiches, gemischtkörniges Granulat der Hitzebehandlunfi unterworfen, so werden die kleinen Partikel schneller durchgewärmt und blaserfreier geschmolzen ate die großen. Bei geeigneter Abstimmung von Verweilzeit und Temperatur läßt sich so in ein*m Arbeitegang beispielsweise ein Granulatgemisch erhallen, bei dem die «-einaateile von 0,3 b\> 1 mm eine um etwa 0,5 bis 0,8 g/cm' höhtre Korndiehte haben als die Partikel mit einem Durchmesser von 4 bis 5 mm. Wird dieses Komgemisch in Wasser aufgewirbelt und sedimentieren gelassen, zeig! sich, daß sich das Feinkorn bevorzugt zuerst absetzt, wahrend das Grobkorn bevorzugt zuietzt sedimentiert. Das anorganische Filtermaterial ist zur Verwendung in Schwerkraft- und Druckfiltern vorgesehen.

ίο Das folgende Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

100 kg durch Aufschluß von faserigem hilikati-

is schem Material in wäßriger Alkalisiiikatlösung erhaltenes Vorprodukt (gemäß deutscher Patentschrift 1 154752) werden mit 300 kg Schlackensand in einer Kugelmühle 90 Minuten lang fein gemahlen. Das erhaltene, pulverige Gemisch wird in üblicher Weise auf

so einem Granulierteller unter Zugabe von Wasser auf eine Korngröße von 0,2 bis 2 mm granuliert und anschließend in einem Drehrohr bei Temperaturen bis zu 200" Cgetrocknet. Daserhaltene Vorgranulat wird mit etwa 10 kg Kreide als Trennmittel dtr Körner

as gemischt und in einem im Gegenstrom direkt beheizten Drehrohr auf Temperaturen oberhalb 700° C (im Ofenauslauf gemessen) gebracht. In der Einlaufzone des Drehrohrs bis etwa 400° C erfolgt eine Expandierung des Korns. Bei der zunehmenden Erwärmung

S> 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 Korndiehte gebildet, wobei größere Körner eine geringere Korndiehte aufweisen als kleinere, deren Blasenstruktur weitgehend verlorenging. Dieses Mischgranulat wird als Filtermaterial verwendet.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial lagert sich auf Grund seiner bei größerem Korndurchmesser geringeren Korndichte nach dem durch Aufwirbeln des Filtermaterials erfolgten Rückspulen derart ab, daß die schwereren Feinkörner sich zuerst absetzen und obenauf die leichteren, größeren Körner liegen. So wird die Filterstandzeit verdoppelt und verdreifacht, da fart die gesamte Filterdicke genutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Anorganisches, künstlich hergestelltes Filtermaterial, bei dem mit zunehmender Korndichte die Korngröße kontinuierlich abnimmt, zur Schwebstoffabfilterung aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß es aus amorphen und/oder kristallinen, pulverförmigen Grundstoffen silikatischer und/ oder oxidischer Natur gebildeten, geblähten und durchgeschmolzenen Kügelchen gleicher Materialbeschaffenheit, aber unterschiedlichem Blasenanteil besteht und Korndichten kontinuierlich zunehmend von etwa 1,0 bis 2,2 g/cm* sowie Korndurchmesser von 10 bis 0,3 mm aufweist.

2. Anorganischer, künstlich hergestellter Filtersand gemäß Anspruch !,gekennzeichnetdurch ein Korn mit glatter Oberfläche.

3. Anorganischer, künstlich hergestellter FiI-tersand gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Korn mit rauher Oberfläche.

4. Verfahren zur Herstellung des Filtermaterials gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß amorphe und/oder kristalline, pulverförmige Stoffe mit einem Bindemittel und/oder einem an sich bekannten Vorprodukt, das aus in wäßrigen Alkalisilikaten im Verhältnis von 0,02 bis 0,7:1 gelöstem, faserigem oder pulvrigem silikatischem und/oder oxidischem Material besteht, im Verhältnis von 2 bis 6:1 feingemahlen, unter Zugabe von Wasser granuliert, getrocknet, gebläht und gegebenenfalls unter Verwendung von rrennmitteln durchgeschmolzen werden, wobei in einem Arbeitsgang Korndichten von 1,0 bis 2,2 g/cm'und Korngrößen von 10 bis 0,3 mm 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 S % zugesetzt werden.

6. Verfahren gemäf* Anspruch 4 und S, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Korndichten

ih

zwischen 1,0 und 2,2 g/cm¹ durch Blähen bei Temperaturen zwischen etwa 400 und etwa 700 C und ein verdichtendes Schmelzen bei Temperaturen oberhalb etwa 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 rauben Oberfläche verwendet werden.