DE2104048C3 - Anorganisches, künstlich hergestelltes Filtermaterial und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Anorganisches, künstlich hergestelltes Filtermaterial und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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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.
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.
und Kiesschichten durchgeführt, wobei großflächige
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
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.
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.
j temperatur«:« zwischen 700 und 900° C beschrieben.
verdichtendes 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.
>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-
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.
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 (7)
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.
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