Керамический материал с высокой пористостью в гранулированной форме

 

Изобретение относится к керамическим материалам, способам их получения и применения, особенно в качестве фильтрующего материала, накопителей воды и адсорбентов. Изобретение касается керамического материала, включающего SiO₂ и Na₂O и/или К₂О, отличающегося пористостью выше 60% и содержащего поры, более 70% которых имеют размер 0,1-15 мкм. Техническим результатом является создание керамического материала, который обладает высокой адсорбционной способностью. 15 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение касается керамического материала на основе SiО ₂ и Na₂О и/или К₂О, способа его получения и применения, особенно в качестве фильтрующего материала, гидронакопителей и адсорбентов.

Общеизвестно, что пористые керамические материалы пригодны в качестве фильтрующих материалов и могут использоваться также как адсорбенты. В обоих случаях используется пористость и/или большая поверхность материалов.

Так, например, в качестве фильтрующей среды применяются песок и гравий, при этом, однако, отдельные гранулы таких материалов не являются пористыми. Пористость обеспечивается только загружаемым количеством материала, благодаря чему достигается проницаемость для жидкостей. Однако поскольку такое количество материала обеспечивает лишь сравнительно небольшую поверхность, для фильтрации необходимо значительно больше песка и гравия, чем в случае, когда гранулы уже обладают пористостью.

Далее известно также использование активированного угля в качестве фильтрующего материала. Активированный уголь обладает высокой поверхностью и потому обладает хорошими адсорбционными свойствами. Однако очень маленькие размеры частиц активированного угля, как правило, создают опасность засорения фильтров при его использовании.

В качестве фильтрующих материалов могут использоваться также пористые синтетические материалы, например из полиэтилена. Однако такие материалы не термостойки и при повышении температуры (80°C и выше) становятся мягкими.

Благодаря своей пористости и термостойкости в качестве фильтрующей среды также пригодны минеральные глины. Однако недостатком их является то, что в процессе фильтрации мелкие частицы глины могут растворяться, что приводит к нежелательному загрязнению фильтрата.

Из уровня техники известно применение керамики для адсорбции и накопления воды. Накопление воды происходит прежде всего на поверхности частиц за счет поверхностного натяжения воды. Накопление воды является эффективным только при температурах не выше комнатной, так как при более высоких температурах (40°C и выше) адсорбированная на поверхности вода сравнительно быстро испаряется.

Для накапливания и хранения воды применяют также керамзит, представляющий собой пористый керамический материал. Однако поскольку данный материал не обладает высокой пористостью, водопоглощающая способность относительно его собственного веса также незначительна.

Кроме того, пористые керамические материалы непригодны для адсорбции как воды, так и впитывания крупных молекул, например, бактерий. Для поглощения больших молекул, таких как бактерии, требуется величина пор по меньшей мере 0,1 мкм. До сих пор для этой цели используются керамические материалы на основе Al₂O₃ и SiO₂, однако данные материалы не обладают высокой пористостью, что ограничивает количество адсорбированных бактерий.

Задачей данного изобретения является создание керамического материала, который обладает высокой адсорбционной способностью и потому пригоден для применения в качестве фильтрующего материала, для адсорбции и накопления воды и адсорбции больших молекул, как например, бактерии.

Поставленная задача решается с помощью керамического материала, содержащего SiO₂ и Na₂O и/или K₂O и обладающего пористостью более 60%, причем 70% пор имеют размер от 0,1 до 15 мкм.

Керамический материал согласно изобретению содержит SiO₂ и Na₂O и/или K₂O. Благодаря содержанию неорганических окислов он является термостойким и не разлагается при высокой температуре.

Керамический материал согласно изобретению обладает пористостью выше 60%. Пористость определялась на основе объема пор, который измерялся экспериментально с помощью ртутной порозиметрии, и плотности твердого вещества, которая измерялась гелийпикнометрическим методом. Пористость рассчитывалась по формуле:

P=V/(1/S+V)×100%,

где Р – пористость; S – плотность твердого вещества; V – объем пор.

Материал согласно изобретению характеризуется порами, из которых по меньшей мере 70% имеют размер пор от 0,1 до 15 мкм. Распределение пор по размерам определялось с помощью ртутной порозиметрии.

Керамический материал согласно изобретению наряду с Al₂O₃ может содержать и другие окислы, как, например, Fe₂O₃, MgO и СаО.

Предпочтительно более 95% гранул керамического материала согласно изобретению имеют размер гранул от 1 до 15 мм, преимущественно от 5 до 12 мм. Размер гранул определяется измерением, например, штангенциркулем. Гранулы размером менее 1 мм не являются предпочтительными, так как в процессе фильтрации они могут вызвать потерю напора. Верхний предел распределения пор по размерам устанавливается исходя из того, что с увеличением размера гранул уменьшается площадь поверхности в сравнении с объемом материала.

Плотность засыпки (насыпной вес) керамического материала составляет 0,2-1,0 г/см³, преимущественно 0,3-0,5 г/см³. Насыпной вес определяют наполнением керамическим материалом согласно изобретению емкости объемом 1 л. Затем взвешивают сосуд, наполненный керамическим материалом объемом 1 л, в результате получают вес 1 л керамического материала.

Керамический материал предпочтительно имеет насыпную поверхность от 350 до 1500 м²/л. Под насыпной поверхностью понимают поверхность, которая образуется из поверхности собственно керамического материала и плотности загрузки керамического материала. Поверхность керамического материала согласно изобретению определяют с помощью азотной порозиметрии и оценки изотермы адсорбции методом BET.

Керамический материал согласно изобретению получают способом, который включает следующие стадии:

а) гранулирование смеси, состоящей из 1,0 вес.ч. керамического сырья состава: более 40 вес.% SiO₂ и 0,5-10 вес.% Na ₂O+К₂О и 0,5-1,5 вес.ч. водного связующего, которое состоит из воды и жидкого стекла при весовом соотношении вода: жидкое стекло 95:5–55:45;

(b) сушку и спекание полученных на стадии (a) гранул.

Способ получения согласно изобретению далее подробно описывается по отдельным стадиям способа.

На стадии (a) применяют керамическое сырье, содержащее более 40 вес.% SiO₂ и 0,5-10 вес.% Na₂O+K ₂O. В предпочтительной форме выполнения керамическое сырье содержит 60-90 вес.% SiO₂. Кроме того, керамическое сырье может содержать Al₂O₃ и другие окислы, например, Fe₂O₃, MgO и СаО. В предпочтительной форме выполнения керамическое сырье включает кизельгур. Наиболее предпочтительная форма выполнения представляет собой керамическое сырье на основе кизельгура, включающее 70-90 вес.% SiO₂ , 0,5-4 вес.% Na₂O+K₂O и 4-10 вес.% Al ₂O₃.

Следующим компонентом смеси на стадии (a) является водное связующее, включающее воду и жидкое стекло при весовом соотношении вода : жидкое стекло 95:5-55:45, преимущественно 75:25. Жидкое стекло может включать стекло на основе натрия, и/или калия, и/или кальция. Наиболее предпочтительной формой выполнения является жидкое стекло, содержащее 8-10 вес.% Na ₂O, 26-32 вес.% SiO₂, остальное - вода.

Смесь, которая подвергается гранулированию, состоит из 1,0 вес.ч. керамического сырья и 0,5-1,5 вес.ч. водного связующего. Предпочтительным соотношением керамического сырья к водному связующему является 1:0,8–1,2, особенно 1:0,9–1,1.

Смесь из водного связующего и керамического сырья гранулируется на тарельчатых грануляторах, при этом получают гранулы, более 95% которых имеют размер 1-15 мм, преимущественно 5-12 мм. Свойства гранул формируются в основном за счет регулирования угла тарелок гранулятора, соотношения высоты их краев и скорости вращения.

Полученные на стадии (a) гранулы сушат и спекают на стадии (b). Наиболее благоприятный режим на данной ступени следующий: вначале гранулы непрерывно сушат в области температур от комнатной до 650°С и затем спекают в диапазоне температур от 650°С (начальная температура) до 1000-1200°С (конечная температура). В заключение гранулы на ступени (c) фракционируют по размеру от 1 до 15 мм. Фракционирование осуществляется на механических ситах с использованием, например, качающихся грохотов.

Керамический материал согласно изобретению благодаря высокой пористости пригоден для фильтрации жидкостей, особенно воды. Кроме того, высокая пористость керамического материала может быть использована и для гидронакопления. Керамический материал согласно изобретению обладает водопоглощающей способностью более 70% от своего собственного веса.

Благодаря свойству накапливать в большом количестве воду керамический материал может использоваться, например, для увлажнения растений в жарких и засушливых районах. Накопленная вода очень медленно поступает в окружающую среду, что позволяет избежать высыхание растений. Керамический материал может также поглощать и другие гидрофильные жидкости, например спирты.

Данный керамический материал может использоваться и для адсорбции таких крупных молекул, как, например, бактерии. Возможна адсорбция и других подобных крупных молекул, например полимеров соответствующего молекулярного веса.

Далее изобретение поясняется подробнее двумя примерами исполнения.

Пример 1

Для приготовления жидкости для гранулирования растворяют в воде жидкое натриевое стекло со следующим составом: 8,2 вес.% Na₂O, 27,3 вес.% SiO₂ и 64,5 вес.% H ₂O при весовом соотношении вода : жидкое стекло 75:25. Полученную таким образом жидкость для гранулирования при скорости подачи в гранулятор 20 л/час смешивают с кизельгуром, включающим 84 вес.% SiO₂, 5,8 вес.% Al₂O₃ , 2,7 вес.% Fe₂O₃, 1,4 вес.% MgO+CaO и 0,7 вес.% Na₂O+K₂O, который подают на тарелки гранулятора со скоростью 20 г/час. Гранулирование на грануляторе проводят при соотношении высоты краев Н/Д=0,28. Во время гранулирования наклон тарелок составляет 50±5°, число оборотов 6-7 об/мин. В результате получают гранулы, более 95% которых имеют величину 6-12 мм. Полученные таким образом гранулы со скоростью 1 м/мин подают во вращающуюся трубчатую печь длиной 12 м, оттуда в нагревательную зону длиной 6 м и далее в зону охлаждения длиной 6 м. Благодаря такой обработке образцы сушатся при непрерывном нагревании в области температур от комнатной до 650°С, затем спекаются в диапазоне температур 650-1100°С и в заключение охлаждаются при комнатной температуре.

Физические свойства полученной керамики представлены в таблице.

Пример 2

Для приготовления жидкости для гранулирования растворяют в воде натриевое жидкое стекло с составом: 8,2 вес.% Na₂ O, 27,3 вес.% SiO₂ и 64,5 вес.% воды при весовом соотношении вода : жидкое стекло 95:5. Приготовленная таким образом жидкость для гранулирования при скорости подачи 20 л/час на тарельчатом грануляторе смешивают с кизельгуром, включающим 75 вес.% SiO ₂, 9,0 вес.% Al₂O₃, 6,0 вес.% Fе ₂O₃, 2,5 вес.% CaO, 1,0 вес.% MgO и 2,5 вес.% Na₂O+K₂O, который подают в гранулятор со скоростью 25 кг/час. Гранулирование происходит при соотношении высоты краев Н/Д=0,28. Наклон тарелок гранулятора во время гранулирования составляет 60±5° и число оборотов 6-7 об/мин. Получают гранулы, более 95% которых имеют размер 1-15 мм. Полученные гранулы направляют со скоростью 1 м/мин в трубчатую вращающуюся печь длиной 12 м, затем - в нагревательную зону длиной 6 м и зону охлаждения длиной 6 м. Благодаря такой обработке образцы сушатся при непрерывном нагревании в области температур от комнатной до 650°С, затем спекаются в диапазоне температур 650-1100°С и в заключение охлаждаются при комнатной температуре.

Физические свойства полученной керамики представлены в таблице.

Формула изобретения

1. Керамический материал, включающий SiO₂ и Na ₂O и/или К₂О, отличающийся тем, что пористость составляет более 60% и более 70% пор имеют размер 0,1-15 мкм.

2. Керамический материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Al₂O₃.

3. Керамический материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что более 95% гранул имеют размер от 1 до 15 мм.

4. Керамический материал по одному и более пп.1-3, отличающийся тем, что его загрузка характеризуется насыпной плотностью 0,2-1,0 г/см ³.

5. Керамический материал по одному или более пп.1-4, отличающийся тем, что его загрузка характеризуется насыпной поверхностью 350-1500 м²/л.

6. Способ получения керамического материала по одному или более пп.1-5, отличающийся тем, что он включает следующие стадии: (a) гранулирование смеси, включающей 1,0 вес.ч керамического сырья, содержащего более 40 вес.% SiO ₂ и 0,5-10 вес.% Na₂O+K₂O, и 0,5-1,5 вес.ч. водного связующего, содержащего воду и жидкое стекло при весовом соотношении вода : жидкое стекло 95:5–55:45, и (b) сушка и спекание полученных на стадии (a) гранул.

7. Способ получения керамического материала по п.6, отличающийся тем, что керамическое сырье содержит 1-10 вес.% Al₂ O₃.

8. Способ получения керамического материала по п.7, отличающийся тем, что керамическое сырье включает кизельгур.

9. Способ получения керамического материала по п.8, отличающийся тем, что кизельгур включает: 70-90 вес.% SiO₂, 0,5-4 вес.% K₂O+Na₂О и 4-10 вес.% Al₂ O₃.

10. Способ получения керамического материала по одному или более пп.6-9, отличающийся тем, что жидкое стекло содержит 8-10 вес.% Na₂O, 26-32 вес.% SiO₂ и остальное вода.

11. Способ получения керамического материала по одному или более пп.6-10, отличающийся тем, что соотношение керамического сырья к водному связующему составляет 1:0,8-1,2.

12. Способ получения керамического материала по одному или более пп.6-11, отличающийся тем, что стадия (b) включает сушку в области температур от комнатной до 650°С и затем спекание при температуре от 650°С (начальная температура) до 1000-1200°С (конечная температура).

13. Способ получения керамического материала по одному или более пп.6-12, отличающийся тем, что полученные на стадии (c) спекшиеся гранулы фракционируют по размерам 1-15 мм.

14. Керамический материал по одному или более пп.1-5, отличающийся тем, что пригоден для фильтрации воды.

15. Керамический материал по одному или более пп.1-5, отличающийся тем, что пригоден для накапливания воды.

16. Керамический материал по одному или более пп.1-5, отличающийся тем, что пригоден для адсорбции бактерий.

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.05.2006

Извещение опубликовано: 20.12.2007        БИ: 35/2007

---