Керамічний матеріал з високою пористістю у гранульованій формі та спосіб його одержання

Винахід стосується керамічного матеріалу на основі SіО2 та Na2O і/або К2О, способу його одержання та застосування, особливо як фільтрувального матеріалу, гідронакопичувачів та адсорбентів. Загальновідомо, що пористі керамічні матеріали придатні до використання як фільтрувальні матеріали і можуть використовуватись також як адсорбенти. У обох випадках використовується пористість і/або велика поверхня матеріалів. Так, наприклад, як фільтрувальне середовище застосовують пісок та гравій, однак при цьому окремі гранули таких матеріалів не є пористими. Пористість забезпечується тільки кількістю матеріалу, який засипають, і завдяки цьому досягають проникливості для рідин. Однак, оскільки така кількість матеріалу утворює лише порівняно невелику поверхню, для фільтрування необхідно значно більше піску та гравію, ніж у випадку, коли гранули вже мають пористість. Далі, відоме також застосування активованого вугілля як фільтрувального матеріалу. Активоване вугілля має велику поверхню і тому має добрі адсорбційні властивості. Однак, дуже малі розміри часток активованого вугілля, як правило, створюють небезпеку засмічення фільтрів при його використанні. Як фільтрувальні матеріали можуть використовуватись також пористі синтетичні матеріали, наприклад, із поліетилену. Однак, такі матеріали не термостійкі і при підвищенні температури (80°С та вище) розм'якшуються. Завдяки своїй пористості та термостійкості як фільтрувальне середовище придатні також мінеральні глини. Однак, їх недоліком є те, що в процесі фільтрування дрібні частки глини можуть розчинятися, що призводить до не бажаного забруднення фільтрату. Із рівня техніки відоме застосування кераміки для адсорбування та накопичення води. Накопичення води відбувається, перш за все, на поверхні часток за рахунок поверхневого натягу води. Накопичення води є ефективним тільки при температурах, що не перевищують кімнатну, оскільки при більш високих температурах (40°С та ви ще) адсорбована на поверхні вода порівняно швидко випаровується. Для накопичення та зберігання води застосовують також керамзит, що являє собою пористий керамічний матеріал. Однак, оскільки даний матеріал не має високої пористості, водопоглинальна здатність відносно його власної ваги також незначна. Крім того, пористі керамічні матеріали не придатні як для адсорбування води, так і для усмоктування великих молекул, наприклад, бактерій. Для поглинання великих молекул, таких, як бактерії, потрібна величина пор принаймні 0,1мкм. Досі для цієї мети використовують керамічні матеріали на основі АІ2О 3 та SiO2, однак, ці матеріали не мають високої пористості, що обмежує кількість адсорбованих бактерій. Завданням даного винаходу є створення керамічного матеріалу, який має високу адсорбційну здатність і тому придатний для застосування як фільтрувального матеріалу для адсорбування та накопичення води та адсорбування великих молекул, наприклад, бактерій. Поставлене завдання вирішують за допомогою керамічного матеріалу, який містить SiO2 та Na2O і/або К2О і має пористість більшу, ніж 60%, причому 70% пор мають розмір від 0,1 до 15мкм. Керамічний матеріал за винаходом містить SiO2 та Na2O і/або К2О. Завдяки вмісту неорганічних окислів він є термостійким і не розкладається при високій температурі. Керамічний матеріал за винаходом має пористість вищу, ніж 60%. Пористість визначали, базуючись на об'ємі пор, який вимірювали експериментально за допомогою ртутної порозиметрії, і щільності твердої речовини, яку вимірювали гелійпікнометричним методом. Пористість розраховували за формулою: P=V/(1/S+V)x100% де Ρ - пористість, S - щільність твердої речовини і V - об'єм пор. Матеріал за винаходом характеризується наявністю пор, із яких принаймні - 70% мають розмір від 0,1 до 15мкм. Розподіл пор за розмірами визначали за допомогою ртутної порозиметрії. Керамічний матеріал за винаходом крім АІ2 О3 може містити і інші окисли, такі, як, наприклад, Fе2О3, МgО та СаО. Краще, коли більше, ніж 95% гранул керамічного матеріалу за винаходом мають розмір гранул від 1 до 15мм, переважно від 5 до 12мм. Розмір гранул визначають вимірюванням, наприклад, штангенциркулем. Гранули розміром менше, ніж 1мм, не є кращими, оскільки в процесі фільтрування вони можуть спричинити втрату напору. Верхня межа розподілу пор за розмірами встановлюється, виходячи з того, що із збільшенням розміру гранул зменшується площа поверхні порівняно з об'ємом матеріалу. Щільність засипки (насипна вага) керамічного матеріалу становить 0,2-1,0г/см 3, переважно 0,3-0,5г/см 3. Насипну вагу визначають шляхом наповнення керамічним матеріалом за винаходом ємності об'ємом 1л. Потім зважують посудину об'ємом 1л, наповнену керамічним матеріалом, в результаті одержують вагу 1л керамічного матеріалу. Керамічний матеріал переважно має насипну поверхню від 350 до 1500м 2/л. Під насипною поверхнею розуміють поверхню, яка утворюється із поверхні власне керамічного матеріалу і щільності засипки керамічного матеріалу. Поверхню керамічного матеріалу за винаходом визначають за допомогою азотної порозиметрії і оцінки ізотерми адсорбції методом BET. Керамічний матеріал за винаходом одержують способом, який включає такі стадії: а) гранулювання суміші, яка складається з: 1,0ваг. ч. керамічної сировини такого складу: більше, ніж 40ваг.% SіО2 та 0,5-10ваг.% Nа2О+К2 Ота 0,5-1,5ваг.ч. водного зв'язуючого, яке складається із води та рідкого скла при ваговому співвідношенні вода : рідке скло 95:5 - 55:45; б) сушіння та спікання одержаних на стадії (а) гранул. Спосіб одержання за винаходом далі детально описаний по окремим стадіям способу. На стадії (а) використовують керамічну сировину, яка містить більше, ніж 40ваг.% SiO2 та 0,5-10ваг.% Na2O+К2О. У кращій формі виконання керамічна сировина містить 60-90ваг.% SiO2. Крім того, керамічна сировина може містити АІ 2О 3 та інші окисли, наприклад, Fe2O3, MgO та СаО. У кращій формі виконання керамічна сировина включає кізельгур. Найкраща форма виконання являє собою керамічну сировину на основі кізельгуру, яка має у своєму складі: 70-90ваг.% SiO2, 0,5-4,0ваг.% Na2O+К2 О та 4-10ваг.% АІ2 О3. Наступним компонентом суміші на стадії (а) є водне зв'язуюче, яке містить воду та рідке скло при ваговому співвідношенні вода : рідке скло, яке становить 95:5 - 55:45, краще 75:25. Рідким склом може бути скло на основі натрію і/або калію і/або кальцію. Найкращою формою виконання є рідке скло , яке містить 810ваг.% Na2O, 26-32ваг.% SiO2, решта вода. Суміш, яку гранулюють, складається із 1,0ваг.ч. керамічної сировини та 0,5-1,5ваг.ч. водного зв'язуючого. Кращим співвідношенням керамічної сировини до водного зв'язуючого є 1:0,8-1,2, особливо 1:0,9-1,1. Суміш із водного зв'язуючого і керамічної сировини гранулюють на тарільчатих грануляторах, при цьому одержують гранули, більше, ніж 95% яких мають розмір 1-15мм, переважно 5-12мм. Властивості гранул формуються в основному за рахунок регулювання кута тарілок гранулятора, співвідношення висоти їх країв та швидкості обертання. Одержані на стадії (а) гранули висушують і спікають на стадії (б). Найбільш сприятливий режим на цій стадії такий: спочатку гранули безперервно висушують в межах температур від кімнатної до 650°С, а потім спікають в діапазоні температур від 650°С (початкова температура) до 1000-1200°С (кінцева температура). На завершення гранули на стадії (в) фракціонують за розмірами від 1 до 15мм. Фракціонування здійснюють на механічних ситах з використанням, наприклад, грохотів, що хитаються. Керамічний матеріал за винаходом завдяки високій пористості придатний для фільтрування рідин, особливо води. Крім того, висока пористість керамічного матеріалу може бути використана і для гідронакопичення. Керамічний матеріал за винаходом має водопоглинальну здатність більшу, ніж 70% від своєї власної ваги. Завдяки властивості накопичувати велику кількість води керамічний матеріал можна використовувати, наприклад, для зволожування рослин у жарких та засушливи х районах. Накопичена вода дуже повільно надходить у навколишнє середовище, що дає можливість уникнути висушування рослин. Керамічний матеріал може також поглинати і інші гідрофільні рідини, наприклад, спирти. Даний керамічний матеріал можна використовувати і для адсорбування таких великих молекул, як, наприклад, бактерії. Можливе адсорбування і інших подібних великих молекул, наприклад, полімерів відповідної молекулярної ваги. Далі винахід пояснюють більш детально прикладами виконання. Приклад 1 Для приготування рідини для гранулювання розчиняють у воді рідке натрієве скло такого складу: 8,2ваг.% Na2O, 27,3ваг.% SiO2 та 64,5ваг.% Н2О при ваговому співвідношенні вода : рідке скло, яке становить 75:25. Одержану таким чином рідину для гранулювання при швидкості подачі в гранулятор 20л/год. змішують з кізельгуром, який включає: 84ваг.% SiO2, 5,8ваг.% ΑΙ2Ο 3, 2,7 ваг.% Fe2 O3 , 1,4ваг.% MgO+СаО та 0,7ваг.% Nа2О+К 2О, який подають на тарілки гранулятора зі швидкістю 20кг/год. Гранулювання на грануляторі здійснюють при співвідношенні висоти країв Н/Д=0,28. Під час гранулювання нахил тарілок становить 50±5°, число обертань 6-7об./хв. В результаті одержують гранули, більше, ніж 95% яких мають величину 6-12мм. Одержані таким чином гранули зі швидкістю 1м/хв. подають у обертальну трубчату піч довжиною 12м, звідси у нагрівальну зону довжиною 6м і далі у зону охолодження довжиною 6м. Завдяки такій обробці зразки висушують при безперервному нагріванні у межах температур від кімнатної до 650°С, потім спікають в діапазоні температур 650-1100°С і, нарешті, охолоджують при кімнатній температурі. Фізичні властивості одержаної кераміки наведені в таблиці. Приклад 2 Для приготування рідини для гранулювання розчиняють у воді натрієве рідке скло такого складу: 8,2ваг.% Na2O, 27,3ваг.% SiO2 та 64,5ваг.% води при ваговому співвідношенні вода : рідке скло, яке становить 95:5. Приготовану таким чином рідину для гранулювання при швидкості подачі 20л/год на тарільчатому грануляторі змішують з кізельгуром, який включає: 75ваг.% SiO2, 9,0ваг.% АІ 2О 3, 6,0ваг.% Fe2O3 , 2,5ваг.% СаО, 1,0ваг.% МgО та 2,5ваг.% Na2O+К2 O, який подають у гранулятор зі швидкістю 25кг/год. Гранулювання відбувається при співвідношенні висоти країв Н/Д=0,28. Нахил тарілок гранулятора під час гранулювання становить 60±5° і число обертань становить 6-7об./хв. Одержують гранули, більше, ніж 95% яких мають розмір 1-15мм. Одержані гранули направляють зі швидкістю 1м/хв в тр убчату обертальну піч довжиною 12м, потім у нагрівальну зону довжиною 6м і зону охолодження довжиною 6м. Завдяки такій обробці зразки висушують при безперервному нагріванні у межах температур від кімнатної до 650°С, потім опікають в діапазоні температур 650-1100°С і, нарешті, охолоджують при кімнатній температурі. Фізичні властивості одержаної кераміки наведені в таблиці. Таблиця 1 Фізичні властивості одержаної кераміки Властивості Приклад 1 Приклад 2 Пористість, % 62,7 63,7 Доля пор з розміром 0,174 94 15мкм, % 3 Об'єм пор, см /г 0,73 0,72 ВЕТ-поверхня, м 2/г 0,9 3,5 Насипна вага, г/см 3 0,42 0,42 Насипна поверхня, м 2/л 378 1470