СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к получению гранулированного материала и может быть использовано в технологии очистки природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения и очистки сточных вод в фильтровальных сооружениях.

Известен способ получения гранулированного фильтрующего материала [1], включающий введение в суспензию из каолина неорганической добавки порошкообразного доломита в количестве 20...25% от массы каолина, гранулирование смеси и обжиг гранул при температуре 900...950^oС. Однако фильтрующий материал, полученный указанным способом, не обеспечивает требуемой эффективности очистки воды от гумусовых, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов из-за недостаточно высокой силы адгезии частиц загрязнений, извлекаемых из воды, к поверхности зерен фильтрующих материалов и небольшой продолжительности фильтроцикла, в течение которого обеспечивается необходимая степень очистки воды.

Известен также способ получения гранулированного фильтрующего материала [2], включающий введение в суспензию из каолина неорганической добавки карбоната магния в количестве 15...30% от массы суспензии с последующей грануляцией и обжигом при температуре 850...900^oС. Однако фильтрующий материал, полученный указанным способом, не обеспечивает требуемой эффективности очистки природной воды при высокой цветности ее, обусловленной гумусовыми веществами, а также очистки промышленных сточных вод при высокой концентрации ионов тяжелых металлов.

Известен также способ получения гранулированного фильтрующего материала [3] , включающий введение в глинистую суспензию порошкообразного доломита в количестве 15. . .18% от массы глины с последующей ее грануляцией и обжигом при температуре 800......880^oС (прототип). Однако фильтрующий материал, полученный указанным способом, также не обеспечивает требуемой эффективности очистки природных вод с высокой концентрацией гумусовых веществ, обуславливающих цветность воды, а также сточных вод, имеющих в своем составе ионы тяжелых металлов, такие как цинк, медь, шестивалентный хром.

Задачей изобретения является создание способа получения гранулированного фильтрующего материала, обеспечивающего высокую степень и эффективность очистки различных вод от гумусовых, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов за счет повышения силы адгезионного взаимодействия между поверхностью зерен фильтрующего материала, частицами загрязнений, представленными механической взвесью, гумусовыми коллоидными веществами и соединениями тяжелых металлов.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе получения гранулированного фильтрующего материала, включающем введение в глинистую суспензию порошкообразного доломита карбонатной соли магния и кальция в количестве 10...20% от массы глины, механическое обезвоживание полученной гомогенной смеси с формованием в процессе обезвоживания окатышей, коржей или брикетов, подсушиванием сформованной смеси при температуре 200...400^oС, дробление подсушенного сформованного материала на гранулы и последующий обжиг полученных гранул при температуре 800...900^oС.

Новым по сравнению с прототипом является механическое обезвоживание с формованием, последующее подсушивание и дробление окатышей, коржей или брикетов, состоящих из гомогенной смеси глины и порошкообразного доломита, а также изменение границ количества неорганической добавки: нижней - с 15 до 10% и верхней - с 18 до 20%, а также изменение верхней границы температуры обжига с 880 до 900^oС. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Благодаря тому, что суспензию, состоящую из смеси глинистого сырья и порошкообразного доломита в количестве 10...20% от массы глины, перед обжигом механически обезвоживают с формованием, последующим подсушиванием сформованного материала, дроблением его на гранулы и обжигом гранул при температуре 800. . .900^oC получаем пористый фильтрующий материал с высокой сорбционной емкостью поглощения загрязнений, присутствующих в воде различного качественного состава. Пористость гранул фильтрующего материала обеспечивается полным разложением карбонатной соли магния и кальция уже при нижней границе рекомендуемой температуры обжига 800^oС с образованием большого количества углекислого газа и практически беспрепятственного выхода его из тела гранулы наружу, что и способствует созданию высокопористой структуры зерен фильтрующего материала.

Достижение таких результатов за счет введения в суспензию порошкообразного доломита в количестве 10...20% от массы глины, механического обезвоживания полученной смеси, подсушивания и дробления сформованной массы на гранулы и последующего обжига их при температуре 800...900^oС не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поэтому данное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Для изготовления фильтрующего материала по предлагаемому способу в качестве глинистого сырья используют кембрийскую глину нижеследующего химического состава: SiO₂ 52,1%; Al₂O₃- 41,6%; F₂O₃ 2,3%; MgO 0,83%; СaО 0,49%; Na₂O 0,1%; K₂O 0,05%. В качестве активирующей добавки был принят доломит Витебский в виде доломитовой муки.

Для приготовления суспензии 70% влажности было взято 10 кг кембрийской глины. Из полученной суспензии были отобраны 5 порций по 3,5 л. В каждую из порций ввели определенное количество доломитовой муки, а именно:
- в первую 0,12 кг (8 вес.% от массы глины),
- во вторую 0,15 кг (10 вес.% от массы глины),
- в третью 0,225 кг (15 вес.% от массы глины),
- в четвертую 0,30 кг (20 вес.% от массы глины),
- в пятую 0,33 кг С 22% вес от массы глины).

Полученные смеси перемешивали до гомогенного состояния.

Все пять порций смеси поочередно подвергли механическому обезвоживанию на лабораторной пресс-фильтровальной установке.

Из обезвоженной смеси тестообразного состояния сгранулировали окатыши размером 8...10 мм, считая по диаметру, подсушили несколько навесок при различных температурах и раздробили в ручной кофемолке.

Подсушивание осуществлялось с целью придания гранулам достаточной механической прочности, чтобы уменьшить степень измельчения и истирания их при последующей термообработке в обжиговых аппаратах.

Для установления оптимальной температуры подсушивания гранулированную смесь подсушивали при температурах 100, 150, 200, 300, 400^oС. Верхний предел температуры подсушивания (400^oС) был продиктован тем обстоятельством, что при температуре обработки смеси глины с доломитом более чем 400^oС начинается процесс разложения доломита с образованием оксидов кальция и магния и выделением большого количества углекислого газа. На стадии подсушивания материала с целью механического упрочнения его разложения карбонатной соли не требуется, оно (разложение) необходимо только на стадии обжига, когда формируется внутризерновая пористая структура гранулированного фильтрующего материала.

Критерием оценки достаточности температуры подсушки гранул служила степень измельчаемости и истираемости их при механическом воздействии. Механическое воздействие осуществлялось встряхиванием навески гранулированной смеси на лабораторном вибросите в течение 3 минут. Величина навески составляла 20 г, размер ячейки сита 0,25х0,25 мм. После встряхивания отсев взвешивался, величина отсева (г), отнесенная к величине навески (20 г), характеризовала степень разрушения (измельчения и истирания) материала.

Результаты определений степени разрушения гранул, подсушенных при различной температуре и подвергнутых встряхиванию, представлены в табл. 1.

Из данных табл.1 следует, что при температуре подсушивания 100 и 150^oС потери гранулированного материала на измельчение и истирание очень велики, что экономически невыгодно. При температуре подсушки от 200 до 400^oС суммарные потери значительно ниже и составляют от 25 до 8,3%. Эти показатели вполне приемлемы, поэтому температура подсушки от 200 до 400^oС принята для использования при изготовлении гранулированного фильтрующего материала.

Подсушенные и раздробленные навески материала обжигали в муфельной печи при различных температурах с целью определения механической прочности гранул в зависимости от температуры обжига и выбора диапазона температур, в котором гранулы фильтрующего материала удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним по механической прочности. Температуру обжига варьировали от 750 до 950^oС через каждые 50^oС. Показатели механической прочности (измельчаемость и истираемость) определяли по стандартной методике. Результаты испытаний представлены в табл.2.

Как показывают данные табл.2, при температуре обжига менее 800^oС наблюдается недостаточная механическая прочность гранул, при этом потери составляют более 4%. Повышение температуры обжига свыше 900^oС прироста механической прочности практически не дает.

Для сравнительной оценки фильтрующих свойств предлагаемого материала был взят фильтрующий материал (прототип), изготовленный на промышленной установке по выпуску гранулированного фильтрующего материала при следующих характеристиках: исходное глинистое сырье - кембрийская глина, добавка - доломитовая мука, количество добавки 15 вес.% от массы глины, температура обжига 850^oС.

Способность фильтрующих материалов к извлечению загрязнений из воды при различном количестве добавки доломитового порошка в глинистое сырье и фильтрующего материала, изготовленного в соответствии с прототипом, определяют следующим способом. Навеску каждого материала в количестве 10 г помещают в два набора колб. В каждую колбу из первого набора наливают по 100 мл воды цветностью 210^o платиново-кобальтовой шкалы; в каждую колбу из 2-го набора наливают по 100 мл воды, в которой содержится 21,6 мг/л ионов цинка. Содержимое всех колб слегка встряхивают через каждые 2 ч. Сорбционную емкость поглощения загрязнений у каждого материала определяют по изменению интенсивности окраски воды, вследствие адсорбции гумусовых веществ на поверхности гранул фильтрующих материалов и уменьшение концентрации ионов цинка в водном растворе по истечении 12 часового контакта.

Результаты испытаний представлены в табл.3.

Из данных табл.3 следует, что сорбционная способность материала, изготовленного по предлагаемому способу, по сорбции гумусовых веществ при любых количествах добавки активатора кроме добавки 8 вес.% от массы глины) выше на 20. . .35%, чем у материала, принятого за прототип. Емкость поглощения ионов тяжелого металла (цинка) у предлагаемого материала в среднем на 35...40% выше, чем таковая у материала, изготовленного по способу, принятому за прототип.

Технологические испытания фильтрующего материала, изготовленного согласно предложенному способу, проводили на фильтрационном стенде. Испытания состояли из двух этапов. На первом этапе определялась эффективность очистки высокоцветной воды, а на втором - эффективность очистки воды, содержащей ионы тяжелого металла (цинка).

На обоих этапах технологических испытаний 5 фильтровальных колонок загружались полученными гранулированными материалами, отличающимися один от другого лишь количеством вводимого порошкообразного доломита. Шестую колонку загружали гранулированным материалом, изготовленным согласно прототипу.

Фильтрующие загрузки на всех колонках характеризовались следующими параметрами: крупность зерен 0,6...1,0 мм, толщина слоя 400 мм.

Эффективность очистки воды определялась на всех шести колонках. Эталоном для сравнения служила фильтровальная колонка, загруженная материалом, изготовленным согласно прототипу.

На первом этапе через все шесть колонок фильтровали природную воду нижеследующего качественного состава: взвешенные вещества 4 мг/л, цветность 106^o. Скорость фильтрования в процессе фильтроцикла поддерживалась постоянной и составляла 2,5 м/ч. Коагулянт в воду перед ее фильтрованием не добавлялся. В данном случае коллоидные частицы гумусовых веществ, придающие воде цветность, сорбировались на поверхности зерен фильтрующих материалов без предварительной обработки их коагулянтом. Критерием эффективности очистки воды от цветности служат степень обесцвечивания воды и продолжительность фильтроцикла, в течение которого исходная вода очищается до требований СанПин 2.1.4.559-96 "Питьевая вода".

На втором этапе испытаний через все шесть колонок фильтровали иммитат сточной воды нижеследующего качественного состава: взвешенные вещества 2 мг/л, концентрация ионов цинка 16,8 мг/л. Скорость фильтрования составляла 2,5 м/ч. Критерием эффективности фильтрующего материала служила степень очистки иммитата стока от ионов цинка.

Результаты технологических испытаний на обоих этапах представлены в табл. 4 и 5.

Технологические испытания по очистке воды от цветности показывают, что продолжительность фильтрования, в течение которого вода обесцвечивается до требований СанПиН 2.1.4.559-96 (20^o) на фильтрующем материале, изготовленном по предлагаемому способу при добавке доломита к глине в количестве 10...20 вес. % от массы глины в 1,5...2,0 раза больше, чем на материале, изготовленном в соответствии с прототипом (кембрийская глина с добавкой доломита в количестве 15 вес.% от массы глины). При добавке доломита в глинистое сырье менее 10 вес.% от массы глины (например, 8%) обесцвечивающая способность фильтрующего материала значительно снижается. Она сопоставима только с материалом, изготовленным согласно прототипу.

Из данных табл.5, в которой приведены результаты фильтрования иммитата стока, содержащего ионы тяжелого металла цинка, следует, что материал, изготовленный по предлагаемому способу, значительно эффективнее очищает сток от ионов цинка, чем материал, изготовленный в соответствии с прототипом.

Наилучшие результаты при очистке стока от ионов цинка дают фильтрующие материалы, изготовленные из кембрийской глины с активирующими добавками доломита в количестве 10...22 вес.% от массы глины. Материал, изготовленный из кембрийской глины с добавкой доломита в количестве 8 вес.% от массы глины, лучше чем материал, изготовленный в соответствии с прототипом, но незначительно. Фильтрующий материал, изготовленный из кембрийской глины с добавкой доломита в количестве 22 вес.% от массы глины, имеет практически одинаковую емкость поглощения ионов цинка с материалом, имеющим добавку доломита в количестве 20 вес.% от массы глины.

Следует заметить, что молотый доломит существенно дороже, чем глинистое сырье. Поэтому наиболее рациональным количеством добавки доломита следует считать 10...20 вес.% от массы глины.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1243807, кл. В 01 J 20/02, С 02, 08.05.84 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1152650, кл. В 01 J 20/02 С 02, 17.02.84 г.

3. Патент РФ 2077380, кл. В 01 J 20/02, 20/04, 19.04.94 г.