Гранулированный фильтрующий и/или сорбирующий материал
GRANULATED FILTERING AND/OR SORBING MATERIAL

Изобретение относится к области очистки жидкостей и газов и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности для повышения качества фильтрации.
Известен гранулированный фильтрующий материал, содержащий кембрийскую глину, бой керамических изделий, доломит, огнеупорную глину и формоотход - отход сталеплавильного производства, на основе кварцевого песка (патент на изобретение РФ №2433853, МПК B01D 39/06, 2011 г.). Недостатком известного гранулированного материала являются его невысокие эксплуатационные свойства, т.е. низкое качество гранул. Неудовлетворительные эксплуатационные свойства известного гранулированного материала связаны с формированием пористой структуры гранулы лишь на этапе сушки и обжига, что приводит к: а) неравномерному распределению пор по объему гранулы; б) неконтролируемому и случайному изменению проходного сечения пор; в) наличию большого количества замкнутых пор, которые не участвуют в процессе фильтрации, но снижают прочность гранулы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является гранулированный фильтрующий материал, содержащий кембрийскую глину и молотый бой автоклавного пенобетона (патент на изобретение РФ №2553896, МПК B01D 39/06, 2005 г.). Недостатком данного материала являются его невысокие эксплуатационные свойства, т.е. низкое качество гранул (готового продукта). Известный фильтрующий материал имеет:
а) недостаточную эффективность очистки из-за малого количества открытых взаимосвязанных пор, неравномерного распределения пор по объему гранулы и неконтролируемого изменения проходного сечения пор;
б) недостаточную прочность в связи с наличием большого количества замкнутых пор, которые не участвуют в процессе фильтрации;
в) нерациональную форму гранул, что снижает сыпучесть, порционирование и плотность упаковки фильтрующего материала, скорость фильтрации, время работы до забивки, увеличивает время регенерации, количество разрушенных гранул в процессе транспортировки и эксплуатации.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении качества гранулированного материала и, соответственно, эффективности процессов фильтрации и сорбции.
Указанный технический результат достигается тем, что в гранулированном фильтрующем и/или сорбирующем материале, по крайней мере, внешний слой гранулы содержит частицы абразивного материала размером не более 100 мкм (преимущественно не более 40 мкм), которые жестко соединены между собой спеканием или склеиванием с сохранением существующих между частицами сообщающихся пустот (пор).
Абразивный материал (карбид кремния, естественный корунд, наждак, диатомит, трепел и пр.) имеет острые грани, что позволяет в процессе обратной промывки фильтра очищать забившиеся поры, повышая срок службы гранулированного материала (т.е. его эксплуатационные свойства). Абразивная поверхность гранул предотвращает слипание гранул и перекрытие (экранирование) входных отверстий пор у гранул, с которыми они соприкасаются.
Размер частиц абразивного материала определяет размер пор (они примерно соответствуют друг другу): при использовании частиц, эквивалентный диаметр которых превышает 100 мкм, гранулированный материал получается со слишком большим размером пор, пропускающим основные загрязнения насквозь. Поры в предлагаемом материале образуются в процессе формования гранул (а не при обжиге гранул, как в аналогах), что увеличивает количество открытых взаимосвязанных пор, равномерность их распределения по объему гранулы и стабильность проходного сечения пор. Соединение частиц между собой спеканием или склеиванием (с минимальным количеством клея, чтобы он не перекрыл пустоты) позволяет сохранить существующие между частицами сообщающиеся поры. В качестве клея (связующей добавки) могут использоваться эпоксидные смолы, алюмохромфосфат, различные полимеры, например метилметакрилат и пр.
От 20% до 85% (преимущественно от 60% до 80%) общего объема внешнего слоя гранулы должны составлять открытые сообщающиеся поры. Если сообщающиеся поры составляют меньше 20% от общего объема внешнего слоя гранулы, то это резко: увеличивает сопротивление потоку, уменьшает пропускную способность (сорбционную емкость) фильтра и сокращает время работы гранулированного материала. Если сообщающиеся поры составляют больше 85% от общего объема внешнего слоя гранулы, то это снижает прочность гранул до уровня саморазрушения в процессе транспортировки и эксплуатации.
Внешний слой гранулы может состоять из материала на основе диатомита, который является природным абразивом и позволяет в процессе обратной промывки фильтра очищать забившиеся поры.
Отношение продольного размера гранулы к ее поперечному размеру должно быть не более 1,6. Поскольку у фильтров, содержащих более 20% гранул вытянутой формы с отношением продольного размера к поперечному более 1,6, фиксируется: повышенная склонность к агломерации и разрушению; повышается сопротивление потоку (ухудшаются гидро- и аэродинамические свойства); падает пропускная способность; снижается качество очистки гранул (т.к. они менее подвижны) и увеличивается унос материала при обратной промывке. Кроме того, более равносторонняя форма гранул улучшает сыпучесть и порционирование материала, облегчает его поверхностную обработку, обеспечивает более высокую плотность упаковки и стабильность гранулометрического состава продукта по высоте при засыпке в больших объемах. Более равномерные зазоры между гранулами повышают скорость фильтрации и время работы фильтра до забивки (снижения производительности ниже минимальной величины). Уменьшается гидравлическое сопротивление фильтра и количество застойных зон, снижается износ (истираемость) гранул, т.к. в первую очередь разрушаются выступающие части гранул. При обратной промывке фильтра увеличивается подвижность гранул и очистка их поверхности, уменьшается время регенерации и давление, необходимое для взвешивания слоя.
Эквивалентный диаметр гранул должен находиться в интервале от 0,3 мм до 6,0 мм. При меньшем эквивалентном диаметре гранулы не поддаются регенерации, т.к. вымываются в процессе обратной промывки. Кроме того, при эквивалентном диаметре гранул меньше 0,3 мм каналы между гранулами быстро забиваются, нарушая межгранульную фильтрацию. При эквивалентном диаметре гранул больше 6,0 мм загрязнения в массовом порядке проходят по каналам между гранулами и фильтр перестает выполнять свою функцию.
Гранула может состоять из ядра и одной или более оболочек. Это позволяет придавать ядру и оболочке различные свойства, что повышает качество готового продукта. Например, если эквивалентный размер пор оболочки гранулы сделать больше эквивалентного размера пор ядра, то повысится время эксплуатации гранулы, поскольку ее поры не будут сразу забиваться мелкими частицами осадка в самом своем начале (на поверхности гранулы).
Для придания грануле максимально равносторонней формы ядро гранулы имеет сферическую форму.
Ядро гранулы и ее оболочки спекают и/или сплавляют между собой, что позволяет: а) повысить прочность гранулы; б) зафиксировать связи между порами в различных элементах гранулы и, соответственно, повысить стабильность и время эксплуатации гранулы.
В состав гранул, выполненных из диатомита, может входить от 0,1 до 10,0% (в зависимости от состава диатомита) стеклообразующих оксидов щелочных (натрия, калия, лития) и/или щелочно-земельных (кальция, магния, цинка, бария, свинца) металлов, что (за счет остекловывания оксидов металлов в процессе обжига) обеспечивает эффективное спекание частиц и повышает прочность гранул. Если оксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов будет меньше 0,1%, то образовавшиеся отдельные вкрапления стекла не объединяться в цельный стеклянный каркас и, соответственно, прочность гранулы не увеличится. Если оксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов будет больше 10%, то начнет снижаться пористость гранулы и, соответственно, ее фильтрационная эффективность.
Ядро гранулы для регулирования ее веса и гидравлической крупности может быть выполнено, в частности, из стекла (например, из частички измельченного стекла; из стеклянного микрошарика; из стеклянной микросферы; из частички пеностекла) или быть полым (т.е. представлять собой герметичную полость).
Проведенный в Океанариуме эксперимент по очистке воды от органических загрязнений с помощью диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм показал, что при размере частиц диатомита 1-20 мкм сорбционная емкость фильтра составляет 67,7 г/л, при размере частиц диатомита 20-40 мкм сорбционная емкость фильтра составляет 63,1 г/л, при 40-60 мкм - 51,6 г/л, при 60-80 мкм - 46,8 г/л, при 80-100 мкм - 38,2 г/л, при 100-120 мкм - 38,1 г/л, а далее остается неизменной. Таким образом, сорбционная емкость фильтра снижается с увеличением размера частиц абразивного материала, образующих гранулу, и при размере частиц абразивного материала более 100 мкм очистка ведется только за счет удержания загрязнений между гранулами, т.е. путем межгранульной фильтрации.
Объем сообщающихся пор от общего объема гранулы влияет на ее прочность: при объеме сообщающихся пор 18,7% от общего объема диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм их прочность составляет 12,7 МПа, при объеме сообщающихся пор 29,3% прочность гранул составляет 10,3 МПа, при 51,2% - 9,5 МПа, при 67,5% - 8,9 МПа, при 82,3% - 8,1 МПа. При объеме сообщающихся пор свыше 85% от общего объема гранул их прочность опускается ниже 7,2 МПа, что не позволяет использовать такие гранулы для фильтрации, т.к. они саморазрушаются в процессе транспортировки и эксплуатации.
Объем сообщающихся пор от общего объема гранулы также влияет на сорбционную емкость фильтра: при объеме сообщающихся пор 82,3% от общего объема диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм сорбционная емкость фильтра составляет 67,7 г/л, при объеме сообщающихся пор 67,5% сорбционная емкость фильтра составляет 63,1 г/л, при 51,2% - 51,6 г/л, при 29,3% - 46,8 г/л, при 18,7% - 38,2 г/л, а далее остается неизменной. Таким образом, сорбционная емкость фильтра снижается с уменьшением объема сообщающихся пор, и при снижении объема сообщающихся пор ниже 20% очистка ведется в основном за счет удержания загрязнений между гранулами, т.е. путем межгранульной фильтрации.
Отношение продольного размера гранулы к ее поперечному размеру влияет на гидро- и аэродинамические свойства материала. Чем ниже отношение продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, тем ниже общее сопротивление гранул потоку воды или воздуха при обратных промывках, что позволяет проводить более интенсивную регенерацию материала с меньшими энергозатратами и потерями (уносом) фильтровального материала.
Испытания, проведенные в исследовательской лаборатории заявителя на фильтровальной засыпке (массой 29 кг и объемом 28,4 л) из диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм при высоте фильтровального слоя 80 см и высоте подвижного слоя до 40 см, показали следующее.
При отношении продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, равном 1,6, и скорости обратной промывки 64 м/ч высота расширения подвижного слоя составляет 25 см, а потери материала в весе отсутствуют.
При отношении продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, равном 1,7, и скорости обратной промывки 61 м/ч высота расширения подвижного слоя составляет 31 см, а потери материала в весе отсутствуют. При скорости обратной промывки 64 м/ч потери материала в весе составляют 80 г.
При отношении продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, равном 1,9, и скорости обратной промывки 58 м/ч высота расширения подвижного слоя составляет 36 см, а потери материала в весе составляют 140 г.
При отношении продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, равном 2,1, и скорости обратной промывки 49 м/ч высота расширения подвижного слоя составляет 40 см, а потери материала в весе составляют 1630 г.
При отношении продольного размера гранулы к ее поперечному размеру, равном 2,3, и скорости обратной промывки 46 м/ч высота расширения подвижного слоя составляет 40 см, а потери материала в весе составляют 2320 г.
Таким образом, эксперименты подтверждают, что отношение продольного размера гранулы к ее поперечному размеру должно быть не более 1,6.
Оптимальный эквивалентный диаметр гранул должен находиться в интервале от 0,3 до 6,0 мм. Исследования на диатомитовых гранулах с эквивалентным диаметром 0,1-0,3 мм показали, что такой фильтр обеспечивает высокую тонкость очистки воды, но быстро накапливает загрязнения и блокируется. При этом даже на скорости обратной промывки 12 м/ч потери материала составляют 4700 г (при массе фильтра в 20 кг), что исключает применение материала в промышленных условиях. Фильтр из гранул с эквивалентным диаметром от 6,0 до 9,0 мм способен задерживать в межгранульном пространстве загрязнения размером не менее 80 мкм, что не попадает в востребованный диапазон применения.
Примеры конкретного выполнения
2
3
Пример 1. Гранулы фильтрующего и сорбирующего материала, эквивалентный диаметр которых находится в интервале от 0,3 до 6,0 мм, формируют из измельченной до 20-30 мкм частиц диатомитовой породы (кизельгур, трепел, опока, инфузорная земля и др.) и обжигают при температуре 700-1000°C, что обеспечивает спекание частиц диатомита между собой при сохранении имеющихся между частицами сообщающихся пор. В зависимости от состава диатомита в состав гранул может быть добавлено (для повышения их прочности путем остекловывания в процессе обжига) от 0,1 до 10,0% стеклообразующих оксидов щелочных (натрия, калия, лития) и/или щелочно-земельных (кальция, магния, цинка, бария, свинца) металлов. Например, для остекловывания гранул, изготовленных из диатомита Инзенского месторождения, достаточно добавить около 2% соды NaCO.
После обжига гранулы, у которых объем сообщающихся пор составляет 65-70% от общего объема гранулы, а все гранулы имеют отношение своего продольного размера к поперечному не более 1,6, делят по эквивалентному диаметру на 4 группы: 0,3-0,7; 0,7-1,7; 1,7-2,5; 2,5-6,0 мм.
Для очистки питьевой воды использовалась фракция 0,3-07 мм. Загрязненный в процессе эксплуатации гранулированный фильтрующий материал восстанавливали противоточной регенерационной промывкой. В ходе активного взаимодействия (трения) гранул при промывке происходит эффективное очищение открытых пор находящимися на поверхности гранулы частицами абразивного материала.
Пример 2. Гранула фильтрующего и сорбирующего материала состоит из пеностеклянного ядра диаметром от 600 до 1200 мкм, на которое накатано две оболочки: нижняя оболочка средней толщиной 150 мкм - из частиц морского диатомита, имеющего мелкие поры; внешняя оболочка средней толщиной 100 мкм - из частиц озерного диатомита с более крупными порами. Диатомит в результате обжига при температуре от 700 до 1200°C остекловывается, образуя прочную связь с ядром и между частицами, что повышает прочность гранулы. Выполненное из пеностекла ядро облегчает промывку гранулы при регенерации фильтра, повышает ее прочность и снижает вес, понижая гидравлическую крупность.