PL248548B1 - Materiał filtracyjny i sposób wytwarzania materiału filtracyjnego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest materiał filtracyjny drobnoziarnisty, który wykonany jest z margla. Zawiera on co najmniej 25% wag. węglanu wapnia CaCO₃, co najmniej 20% wag. krzemianu wapnia CaSiO₃, co najmniej 20% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO₄ oraz co najmniej 20% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³. Przedmiotem zgłoszenia jest też sposób otrzymywania materiału filtracyjnego, który prowadzi się w pięciu etapach z wykorzystaniem margla w postaci skały macierzystej. W pierwszym etapie margiel kruszy się mechanicznie. Kolejno w drugim etapie skruszony margiel przesiewa się do uzyskania ziaren o wielkości od 1 do 6 mm, a następnie w trzecim etapie przesiany margiel przemywa się. W czwartym etapie przemyty margiel suszy się, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w temperaturze od 500 do 1000°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest materiał filtracyjny i sposób wytwarzania tego materiału filtracyjnego.

Powszechnie znane są materiały filtracyjne stosowane w procesach filtracji do oczyszczania i do pochłaniania zanieczyszczeń z filtrowanego medium. Najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniu są piaski kwarcowe, węgiel antracytowy, węgiel aktywny, diatomit, chalcedonit, zeolit, klinoptylolit, kwarcyt, marmur, wapień, bazalt. Materiał filtracyjny może stanowić materiał pochodzenia naturalnego, taki jak skała lub minerały, materiał syntetyczny albo materiał odpadowy pochodzenia przemysłowego lub poprodukcyjnego. Materiał filtracyjny może być materiałem internym - obojętnym chemicznie lub reaktywnym z właściwościami sorpcyjnymi względem substancji chemicznych. W gronie materiałów reaktywnych, wykazujących zdolności, zwłaszcza do wiązania fosforu na drodze sorpcji i wytrącania, znajdują się materiały naturalne, syntetyczne - sztuczne i odpadowe, co znane jest z publikacji S. Gubernat, A. Masłoń, J. Czarnota, P. Koszelnik pt.: „Reactive Materials in the Removal of Phosphorus Compounds from Wastewater - A Review”, Materials 2020, 13(15), 3377. Do naturalnych sorbentów zaliczyć można boksyt, getyt, diatomit, opokę, glinę akadama, lateryt, łupek ilasty, zeolit, bentonit, kalcyt, dolomit, sepiolit, marmur, piasek, wapień, wollastonit, żwir. Do materiałów odpadowych natomiast zaliczane są żużle stalowe, węglowe, piecowe, wielkopiecowe, biowęgle, popiół lotny, beton komórkowy, odpady tlenku żelaza, pył ceglasty, popiół z klinkieru, czerwony szlam, odpady z oczyszczania kwaśnych wód kopalnych. Do grupy materiałów sztucznych zaliczany jest piasek syntetyczny pokryty tlenkiem żelaza, piasek naturalnie pokryty tlenkiem żelaza, pokruszona cegła pokryta tlenkiem żelaza, nanokompozyt magnetyczny diatomitu, nanokompozyt illitu glinowego oraz modyfikowany montmorylonit, bariery nanowalentne oraz porowate kruszywa dostępne w handlu.

Z opisu patentowego PL152033B1 znany jest sposób wytwarzania sorbentów mineralno-węglowych przeznaczonych do stosowania w przemyśle spożywczym, chemicznym i farmaceutycznym. W tym znanym sposobie sorbenty mineralno-węglowe wytwarzane są z porowatych substancji nieorganicznych takich jak ziemie krzemionkowe, okrzemkowe, glinokrzemianowe i inne minerały ilaste pokryte substancjami organicznymi bogatymi w węgiel pierwiastkowy przez karbonizację w ograniczonej przestrzeni. W tym znanym sposobie proces prowadzi się przy ciągłym mieszaniu i zmienia się strefowo temperaturę oraz skład gazów, wprowadzając kontrolowaną ilość powietrza, niezbędną do wytworzenia na matrycę mineralnej zwęglonej substancji organicznej od 1 do 25% wag., najkorzystniej w ilości 600 - 2100 m³ na 100 kg substancji organicznej zawartej na matrycy nieorganicznej. Na wejściu surowce utrzymuje się temperaturę minimum 273 K, a w obszarze doprowadzanie powietrza od 673 - 1273 K, najlepiej 773 - 873 K.

Z opisu patentowego PL166564B1 znany jest materiał filtracyjny zawierający krzemionkę, który stanowi odpowiednio rozdrobniona i wyselekcjonowana wysokokrzemionkowa skała chalcedonitowa, zawierająca krzemionkę niekrystaliczną w postaci chalcedonu i opalu oraz niewielką domieszkę krzemionki krystalicznej, w postaci kwarcu, w sumarycznej ilości nie mniejszej niż 95% wag., przy czym ilość krzemionki krystalicznej w postaci kwarcu nie przekracza 6,6% wag., a ponadto posiada ona w swoim składzie nie więcej niż 3,5% wag. pozostałych tlenków, takich jak: tlenek glinu, tlenek wapnia, tlenek żelaza, tlenek magnezu, tlenek sodu, tlenek potasu i tlenek tytanu.

W opisie patentowym PL186444B1 został ujawniony sposób usuwania fosforu ze ścieków biologicznie oczyszczonych z wykorzystaniem procesu filtracji, za pomocą wapna, przy czym pH ścieków zawierających do 13 g PO4/m³ koryguje się wapnem do uzyskania pH w granicach od 8,9 do 9,1 i następnie filtruje w kierunku z dołu do góry z prędkością 5,0 m/h przez złoże filtracyjne zaimpregnowane fosforanem wapnia o wysokości co najmniej 0,7 m i uziarnieniu materiału filtracyjnego d10=0,6 mm i d60=1,75 mm. Po kolejnych cyklach filtracji i uzyskaniu objętości skutecznie oczyszczonych ścieków większej niż 40 objętości złoża filtracyjnego, złoże spulchnia się, płucze filtratem pozbawionym związków fosforu o pH=9,0 lub wodą wodociągową o pH skorygowanym wapnem do pH=9,0 i następnie włącza je do dalszej eksploatacji.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku PL350019A1 znane jest wypełnienie filtracyjne do usuwania związków fosforu ze ścieków i sposób otrzymywania wypełnienia filtracyjnego do usuwania związków fosforu ze ścieków. To znane wypełnienie filtracyjne do usuwania związków fosforu ze ścieków stanowią żelowe kapsułki alginianowo-żelazowe, składające się z dwóch warstw: jądra utworzonego przez jony żelaza oraz zewnętrznej otoczki stanowiącej substancję aliginianową. Znany natomiast sposób otrzy mywania wypełnienia filtracyjnego do usuwania związków fosforu ze ścieków polega na tym, że mieszaninę alginianu z wodorotlenkiem żelaza wkrapla się do roztworu chlorku wapnia, stosując ciągłe mieszanie, a wytrącone kapsułki pozostawia się w roztworze chlorku wapnia do momentu ich utwardzenia, po czym przemywa się wodą.

W opisie zgłoszeniowym wynalazku PL377886A1 został ujawniony sposób modyfikacji zeolitu naturalnego oraz sposób doczyszczania ścieków z zastosowaniem tego zeolitu, które rozwiązują zagadnienie oczyszczania ścieków z zastosowaniem zeolitów naturalnych modyfikowanych ditlenkiem manganu w procesie filtracji złożonej. Ścieki oczyszczone, w oczyszczalni doczyszczane są na złożu filtracyjnym, którego wypełnieniem jest naturalny zeolit modyfikowany ditlenkiem manganu. Po wyczerpaniu pojemności sorpcyjnej i katalitycznej zeolit jest regenerowany roztworem H2O2, zwłaszcza 2-3% oraz roztworem KMnO4, zwłaszcza 0,3%. Modyfikacja zeolitu polega na przemyciu zeolitu kwasem solnym oraz wypłukaniu wodą. Następnie ziarna zeolitu są traktowane w pierwszej kolejności roztworem chlorku manganu (II) i suszone w wyparce próżniowej, a w drugiej roztworem manganianu (VII) potasu i ponownie poddawane są suszeniu w wyparce próżniowej. Przed zastosowaniem ziarna są płukane wodą.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku PL419736A1 znany jest sposób wytwarzania materiału filtracyjnego na bazie tufu bazaltowego, który polega na przetworzeniu mechanicznym albo mechanicznym i termicznym albo mechanicznym, termicznym i chemicznym tufu bazaltowego. Podstawowym składnikiem odpadowego tufu bazaltowego jest krzemionka oznaczona w postaci SiO2 w ilości od 47,2% do 66,22% wag, a także inne składniki tworzące różne materiału, które są przedstawione w postaci tlenków takich jak: Fe2O3 w ilości od 12,31% do 14,49% wag., AI2O3 w ilości od 10,73% do 13,9% wag., MgO w ilości 3,74% do 7% wag., CaO w ilości 1,67% do 2,79% wag., K2O w ilości 1,48% do 2,43% wag., Na2O w ilości od 0,59% do 4,87% wag., P2O5 w ilości od 0,14% do 2,43% wag., TiO2 w ilości od 0,21% do 1,34% wag., MnO w ilości od 0,09% do 0,17% wag., SO3 w ilości od 0,03% do 1,98% wag., H2O w ilości od 0,43% do 5,22% wag. oraz inne zanieczyszczenia w ilości od 1,62% do 2,13% wag. Przetworzenie tufu bazaltowego polega na kruszeniu wydobytego surowca i na wyselekcjonowaniu po procesie kruszenia składu ziarnowego o wielkości ziaren od 1 mm do 3 mm. Wyselekcjonowane ziarna tufu bazaltowego stanowią materiał filtracyjny o sorpcyjności odpowiadającej piaskom kwarcowym. Dla uzyskania znacznie większej pojemności sorpcyjnej korzystnym jest poddanie wyselekcjonowanych ziaren materiału filtracyjnego procesowi prażenia w temperaturze od 105°C do 500°C w czasie nie dłuższym niż 6 godzin. Powstałe w procesie prażenia granule charakteryzują się wysoką porowatością, a zatem wysoką zdolnością sorpcyjną i całkowitym brakiem toksycznych domieszek, co jest szczególnie istotne w procesach uzdatniania wody pitnej.

W opisie zgłoszeniowym wynalazku SE1951309A1 został ujawniony sposób wiązania fosforu z osadów dennych. Wykorzystywany jest w tym celu materiał zawierający wapń, który w swoim składzie zawiera CaCO3, CaO, Ca(OH)2.

Z opisu patentowego RU2343954C2 znany jest filtr do oczyszczania wody, który składa się z obudowy, króćców wlotowych i wylotowych oraz elementu filtracyjnego składającego się z co najmniej jednej płyty sorbent-materiał umieszczonej na wsporniku łożyska lub zwiniętą na wsporniku łożyska w kształcie walca lub zestaw sorbentu. Zastosowany materiał filtracyjny jest termicznie obrobioną mieszaniną spoiwa termoplastycznego z marglem.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego materiału filtracyjnego, który będzie miał dobrą zdolność sorpcyjną, a jednocześnie będzie łatwy i tani w pozyskiwaniu, a jednocześnie pozwoli na oczyszczanie i doczyszczanie ścieków przy niskich stężeniach zanieczyszczeń. Celem wynalazku jest również opracowanie nowego sposobu wytwarzania tego nowego materiału filtracyjnego.

Materiał filtracyjny drobnoziarnisty, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wykonany jest z margla i zawiera on co najmniej 25% wag. węglanu wapnia CaCO3, co najmniej 20% wag. krzemianu wapnia CaSiO3, co najmniej 20% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO4 oraz co najmniej 20% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³, zaś wielkość ziaren wynosi od 1 do 6 mm.

Sposób wytwarzania materiału filtracyjnego, w którym skruszone ziarna przemywa się wodą, według wynalazku charakteryzuje się tym, że prowadzi się go w pięciu etapach z wykorzystaniem margla w postaci skały macierzystej, przy czym w pierwszym etapie margiel kruszy się mechanicznie, zaś kolejno w drugim etapie skruszony margiel przesiewa się do uzyskania ziaren o wielkości od 1 do 6 mm, a następnie w trzecim etapie przesiany margiel przemywa się wodą, po czym w czwartym etapie przemyty margiel suszy się, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w temperaturze od 500 do 1000°C w czasie od 1 do 2 godzin.

Korzystnie w pierwszym etapie margiel kruszy się w kruszarce młotkowej albo w kruszarce stożkowej, zaś w drugim etapie margiel przesiewa się na sicie obrotowym.

Kolejne korzyści uzyskuje się, jeśli w trzecim etapie margiel przemywa się w płuczce mieczowej, zaś w czwartym etapie margiel suszy się w temperaturze 100°C w czasie od 30 do 60 minut, a ponadto w piątym etapie margiel wypraża się w piecu rotacyjnym.

Zaletą materiału filtracyjnego według wynalazku jest jego bardzo dobra zdolność sorpcyjna, wysoka porowatość, brak toksycznych domieszek, łatwość pozyskania oraz niski koszt jego wytworzenia sposobem według wynalazku, który jest prosty i nieskomplikowany. Ten nowy materiał filtracyj ny znajduje zastosowanie do oczyszczania ścieków komunalnych lub wody w procesach uzdatniania, a także w procesach gospodarowania odpadami. Wyprażanie margla pozwala również na wyraźną intensyfikację właściwości sorpcyjnych w porównaniu do naturalnego margla, szczególnie w zakresie niskich stężeń fosforu, zwłaszcza 2 mg P-PO4/I w oczyszczanym medium, dla których efektywność usuwania fosforu przez poddany obróbce termicznej materiał wynosi ponad 97%.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania.

Materiał filtracyjny, według wynalazku, w pierwszym przykładzie wykonania jest drobnoziarnisty i wykonany jest z wyselekcjonowanego margla. Ten nowy materiał filtracyjny zawiera 30% wag. węglanu wapnia CaCOs, 25% wag. krzemianu wapnia CaSiOs, 25% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO4 oraz 20% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³.

Materiał filtracyjny, według wynalazku, w drugim przykładzie wykonania jest drobnoziarnisty i wykonany jest z wyselekcjonowanego margla. Ten nowy materiał filtracyjny zawiera 40% wag. węglanu wapnia CaCOs, 20% wag. krzemianu wapnia CaSiOs, 20% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO4 oraz 20% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³.

Materiał filtracyjny, według wynalazku, w trzecim przykładzie wykonania jest drobnoziarnisty i wykonany jest z wyselekcjonowanego margla. Ten nowy materiał filtracyjny zawiera 35% wag. węglanu wapnia CaCO3, 20% wag. krzemianu wapnia CaSiO3, 20% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO4 oraz 25% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³.

Sposób otrzymywania materiału filtracyjnego, według wynalazku, w pierwszym przykładzie realizacji prowadzi się w pięciu etapach, w których obróbce poddaje się margiel w postaci skały macierzystej. W pierwszym etapie skałę surową margla kruszy się mechanicznie w kruszarce młotkowej. Kolejno w drugim etapie skruszony margiel przesiewa się w sicie obrotowym do uzyskania frakcji ziaren o wielkości od 1 do 6 mm. Następnie w trzecim etapie margiel przemywa się wodą w płuczce mieczowej w celu usunięcia frakcji pylistej. W czwartym etapie margiel suszy się w temperaturze 100°C w czasie 30 minut, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w piecu rotacyjnym w temperaturze 1000°C w czasie 1 godziny. Powstały w procesie prażenia materiał charakteryzuje się dobrą wytrzymałością mechaniczną oraz bardzo wysoką zdolność sorpcyjną zanieczyszczeń w stosunku do formy naturalnej.

Sposób otrzymywania materiału filtracyjnego, według wynalazku, w drugim przykładzie realizacji, taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że w pierwszym etapie skałę surową margla kruszy się w kruszarce stożkowej, zaś w czwartym etapie margiel suszy się w temperaturze 100°C w czasie 45 minut, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w piecu rotacyjnym w temperaturze 750°C w czasie 1,5 godziny.

Sposób otrzymywania materiału filtracyjnego, według wynalazku, w trzecim przykładzie realizacji, taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że w pierwszym etapie skałę surową margla kruszy się w kruszarce stożkowej, zaś w czwartym etapie margiel suszy się w temperaturze 100°C w czasie 60 minut, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w piecu rotacyjnym w temperaturze 500°C w czasie 2 godzin.

Claims (8)

1. Materiał filtracyjny drobnoziarnisty, znamienny tym, że wykonany jest z margla i zawiera on co najmniej 25% wag. węglanu wapnia CaCO3, co najmniej 20% wag. krzemianu wapnia CaSiO3, co najmniej 20% wag. ortokrzemianu wapnia CaSiO4 oraz co najmniej 20% wag. tlenku wapnia CaO, a ponadto jego gęstość właściwa jest z zakresu od 2,6 do 3,0 g/cm³, zaś wielkość ziaren wynosi od 1 do 6 mm.

2. Sposób wytwarzania materiału filtracyjnego określonego w zastrz. 1, w którym skruszone ziarna przemywa się wodą, znamienny tym, że prowadzi się go w pięciu etapach z wykorzystaniem margla w postaci skały macierzystej, przy czym w pierwszym etapie margiel kruszy się mechanicznie, zaś kolejno w drugim etapie skruszony margiel przesiewa się do uzyskania ziaren o wielkości od 1 do 6 mm, a następnie w trzecim etapie przesiany margiel przemywa się wodą, po czym w czwartym etapie przemyty margiel suszy się, zaś w piątym etapie wysuszony margiel wypraża się w temperaturze od 500 do 1000°C w czasie od 1 do 2 godzin.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie margiel kruszy się w kruszarce młotkowej.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie margiel kruszy się w kruszarce stożkowej.

5. Sposób według jednego z zastrz. od 2 do 4, znamienny tym, że w drugim etapie margiel przesiewa się na sicie obrotowym.

6. Sposób według jednego z zastrz. od 2 do 5, znamienny tym, że w trzecim etapie margiel przemywa się w płuczce mieczowej.

7. Sposób według jednego z zastrz. od 2 do 6, znamienny tym, że w czwartym etapie margiel suszy się w temperaturze 100°C w czasie od 30 do 60 minut.

8. Sposób według jednego z zastrz. od 2 do 7, znamienny tym, że w piątym etapie margiel wypraża się w piecu rotacyjnym.