Фільтруючий матеріал для очищення води

Изобретение относится к способам очистки природных и сточных вод от различных примесей путем фильтрации через неорганические пористые фильтрующие материалы. Известен фильтрующий материал, состоящий из эластичного пенопластового носителя с открытыми порами, в которых расположены адсорбирующие частицы [1]. Недостатком материала является невысокая продолжительность эксплуатации из-за разрушения материала. Известен способ продления срока эксплуатации фильтрующего слоя в устройстве для очистки воды путем ее фильтрования через пористую стр уктуру. Для увеличения продолжительности эксплуатации на поверхность пористой структуры наносят защитный слой, содержащий крупнозернистые частицы, нерастворимые в воде и мелкозернистые частицы связующего. Наличие такого защитного покрытия из частиц разной крупности практически не повышает динамического сопротивления, но предотвращает разрушение фильтрующего материала [2]. Известен фильтрующий материал для жидкости при высокой температуре, представляющий собой спеченную массу со средним диаметром пор от 500 мкм до 1 мм при пористости, 15-40 %, содержащий 100 мол. ч. огнеупорного вещества (корунд, муллит, боксит и т.п.), 15-30 мол. ч. связующего (глины, глинозем, кремнезем, стекло) и 0,1-1 мол. ч. ускорителя спекания (фторид и окись лития) [3]. Недостатком материала является его малая пропускная способность. Известна фильтрующая масса с повышенной пропускной способностью, имеющая объемный вес 1,70-2,27 и кажущуюся пористость 39-51 %. Масса содержит 100 вес. ч. спекшеюся глинозема, карбида или нитрида кремния 5-18 вес. ч. неорганического связующего и 13-15 вес. ч. горючего материала [4]. Материал с успехом может применяться для очистки горячих жидких сред, однако применительно к большим объемам воды он не эффективен из-за малой пропускной способности. Известен фильтрующий материал для воды, образованной частицами угля, склеенными в единый блок полимерным материалом, причем из материала смонтирован фильтр. Фильтр состоит из вставленных одна в другую оболочек, внутренняя оболочка образована скрепленными межу собой частицами угля размером 0,0370,177 мм, а внешняя - частицами угля размером 0,177-0,84 мм [5]. Известный материал для хорошей эффективности фильтрования и удовлетворительной степени очистки воды от органических веществ не обеспечивает высокой степени по тяжелым металлам. Известен пористый синтетический загрузочный материал для биофильтров, выполненный в виде сотовых плит с четырехгранными ячейками, две грани которых наклонены к горизонтальной плоскости под углом 45° [6]. Материал пригоден для биологической очистки воды, а при очистке воды фильтрацией он не обеспечивает высокой степени очистки. Известны керамические фильтрующие материалы сотовой структуры для очистки газов. Определенное расположение каналов в керамическом сотовом фильтре даёт возможность обеспечивать высокую степень очистки газов от механических примесей [7]. Однако известковые керамические сотовые фильтры для газов не обеспечивают удовлетворительной степени очистки воды от органических и неорганических примесей. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является фильтрующий материал из металла, имеющий ситовую структур у с отверстиями регулируемой величины. Причем, для получения на материале приемлемых потерь напора поверхности сита придают волнистую или гофрированную форму, а с помощью покрытия материала различными металлами дополнительно к фильтрующему действию можно получить адсорбирующее и каталитическое [8], Недостатком материала является недостаточно высокая пропускная способность при обеспечении высокой степени очистки. В основу изобретения поставлена задача получения фильтрующего материала на основе керамических пористых структур п утем его формования и спекания, с дальнейшим их применением для комплексной очистки природных и сточных вод от примесей. Технический результат выражается в увеличении пропускной способности фильтрующего материала при обеспечении высокой степени очистки вод, удешевлении строительства фильтрующи х сооружений. Поставленная задача решается предлагаемым фильтрующим материалом, для очистки воды от примесей, представляющим собой неорганический пористый гидростойкий формованный материал сотовой структуры, со сквозной пустотностью не менее 50 %, имеющим на поверхности гидроксогруппы, причем материал выбирают из группы: нитриды титана, или кремния, алюмосиликаты, силикаты, кордиерит, металлы и их сплавы и карбиды металлов. Отличительной особенностью предлагаемого материала является то, что использование неорганического пористого вещества, выбранного из вышеуказанной группы и сформованного в виде сотовой структуры с „определённой сквозной пустотностью, обеспечивает при контакте его с водой появление на поверхности фильтрующего материала свободных гидроксогрупп, которые оказывают коагулирующее воздействие на содержащиеся в воде примеси, что обеспечивает высокую ступень очистки. Предлагаемая же структура материала позволяет скоагулированным примесям беспрепятственно проникать через него и оседать в виде отделяемого осадка. Высокая пропускная способность материала и, следовательно, большой ресурс работы обеспечивается тем, что скоагулированные примеси не забивают поры материала и его сквозная пустотность остается неизменной в течение всего периода эксплуатации. Указанные свойства заявленного материала позволяют использовать его в качестве основы для нанесения различных видов селективных покрытий, таких как металлические, оксидные, углеродные и др., что в свою очередь позволит использовать его для очистки различных видов примесей, содержащихся в воде. К ним относятся различные взвеси, тяжелые металлы, радионуклиды, органические соединения. На чертеже изображен фрагмент фильтрующего материала (фильтрующий элемент) с вырезом для наглядности сотовой структуры. Фильтрующий элемент содержит керамический носитель 1, изготовленный из нитридокремниевых материалов имеющий сквозные соты 2, поверхность которых покрыта адсорбентами и коагулянтами в зависимости от вида и химсостава очищаемых примесей. Боковая нефильтрующая поверхность 3 по форме выполнена с возможностью сопряжения (например, склеивания) отдельных элементов в фильтрующие блоки и системы. Для решения поставленной задачи сквозная пустотность фильтрующего элемента должна быть не менее 50 %. Фильтрующий материал изготавливают следующим образом. Для получения сотовой конструкции из керамики на основе нитрида кремния с пористой микроструктурой использованы порошки нитрида кремния (Sі3N4), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Характеристики порошков приведены в таблице 1. Порошок А существенно отличается от порошка Б по фазовому составу и морфологии, тогда как химический состав и дисперсность их сходны. Гранулометрический состав исходных порошков приведен в таблице 2. Составы А1 и Б1 представляют собой исходные порошки А и Б соответственно, подвергнутые ультразвуковому диспергированию в ацетоне в течение 5 мин. Составы А2 и Б2 получены из различных фракций порошков А и Б, каждого соответственно. отдельно смешанных в соотношении в вибрационном смесителе (насухо течение 30 мин). В процессе смешивания фракций в составы вводили порообразующую добавку поливиниловый спирт (ПВС), который имеет гранулометрический состав, приведенный в таблице 2. Благодаря использованию пластификаторов, порошковая масса для экструзии обладает способностью течь под давлением и затем сохранять формуй размеры, придаваемые формообразующим инструментом. Пластификатор не должен взаимодействовать с порошком в процессе экструзии и термообработки готового изделия, а также должен легко удаляться. В качестве пластификаторов керамических порошков широко используются органические вещества, основные характеристики которых представлены в таблице 3. В качестве пластификатора при изготовлении пластических масс из порошка Si3N4 использовали петролатум - смесь высокомолекулярных твердых углеродов (парафинов и церазинов) с незначительным остатком масла. Следующие компоненты связующего - олеиновую кислоту и воск, добавляют в небольших количествах для обеспечения заданных реологических характеристик, зависящих от морфологии частиц и дисперсности порошковой шихты. Физические свойства компонентов пластификатора приведены в таблице 4. Приготовление составов пластических масс осуществляли в вакуумсмесителе с использованием органической связки (петролатум) при температуре 85°С в течение 4 час. Экструдирование производили прямым выдавливанием пластической массы из стального контейнера через насадку при температуре 26...34°С. Оптимальные технологические параметры процесса формирования образцов приведены в таблице 5. Спекание образцов производили в вертикальной индукционной печи в графитовом тигле в токе азота при температуре 1800°С в течение 60 мин. Характеристики пористой структуры нитридокремниевых материалов приведена в таблице 6. После изготовления блочных носителей сотовой структуры на них наносят адсорбенты и коагулянты, удовлетворяющие основным требованиям - высокая удельная поверхность и высокая адсорбционная способность. Нанесение коагулянтов и адсорбентов производили растворным методом. Для нанесения оксида алюминия в качестве коагулянта, составляли суспензию содержащую дистиллированную воду и мелкодисперсный порошок оксида алюминия. В такой раствор суспензии опускают готовый блок и выдерживают 5 мин (первый цикл), после чего блоки высушивают при температуре 170°С. Затем операцию повторяют 8...10 раз, после чего проводят сушку при температуре 200°С в течение одного часа, а затем - обжиг при температуре 700°С в течение 20 мин. Все последующие операции с нанесением коагулянтов и адсорбентов производили на слой подложки из оксида алюминия. Следующим коагулянтом является оксид железа. Время нанесения одного цикла - 10 мин, количество циклов 5...8, температура сушки 120...140°С, температура окончательного обжига 450...500°С. Эффективным коагулянтом для осаждения ионов стронция и цезия является раствор оксида сурьмы. Суспензию для нанесения готовили следующим образом: 0,856 кг металлического железа, 6,251 кг HN03 (уд. вес 1,38) и 7,751 кг дистиллированной воды нагревают при температуре 60°С с образованием раствора, далее прибавляют 5,65 кг Fе2O3 . К этой смеси прибавляют 15 % раствор NH^OH до РН-2,5. Эту массу нагревают с постоянным перемешиванием в течение 20 мин. В такую суспензию опускают сотовый блок, выдерживают не более 10 мин и высушивают при температуре 120°С. Цикл повторяют 6....8 раз, после чего проводят окончательный обжиг при температуре 500°С. В качестве адсорбента использовали высококачественную сажу с удельной поверхностью 50 м 2/г. Суспензию приготавливали из дистиллированной воды и навески сажи. Нанесение проводили погружением блока в суспензию в течение 5 мин. Операцию проводят 8...10 раз с последующей сушкой при температуре 100°С и окончательным обжигом при температуре 350...400°С. Из секций сотовых стр уктур, изготовленных вышеописанным способом, была собрана лабораторная установка, через которую пропустили природную воду, содержащую следующие примеси: железо 0,76 мг/л, кадмий 6 мкг/л, цинк 22 мкг/л, свинец 6,3 мкг/л, марганец 87 мкг/л, ДДТ 0.9 мкг/л, g - ГХУГ 1,5 мкг/л, метафос 0,6 мкг/л, нитраты 78 мкг/л, нитриты 0,24 мг/л. коли-индекс в 1 л воды 27, общая суммарная -9 b - активность 5 × 10 Ки / л. Основные характеристики опыта и его результаты приведены в таблице 7. Кроме того были проведены лабораторные испытания эффективности заявляемого фильтрующего материала при очистке воды от радионуклидов. С этой целью по описанной выше технологии были изготовлены по два вида сотовых блоков с оксидом железа, алюминия, сурьмы и высококачественной сажи. Из района р. Припять возле Чернобыля была взята вода с высоким со держанием радионуклидов: концентрация цезия - 137-1,4.10-10 Ки/л, стронция - 90 - 1,35.10-10 Ки/л. В эту воду помещали сотовые блоки и выдерживали 10 суток. Гамма-излучения замеряли до погружения блоков и после 10-суточной их выдержки в воде. Активность гамма-излучения после выдержки в воде на блоке с адсорбентом сажа возросла в 5,8 раза, а на блоке с оксидом алюминия - в 3,7 раза, соответственно уменьшилась радиоактивность очищаемой воды. По строн-цию-90 использование блока с оксидом алюминия для очистки воды показало, что радиоактивность последней уменьшилась в 1,5 раза. Положительный эффект от использования предлагаемого фильтрующе го материала обусловлен его высокими фильтрационными и сорбционными характеристиками, повышенной пропускной способностью, что позволяет очищать с выcоким качеством большие объемы воды в единицу времени с обеспечением длительной и эффективной эксплуатации фильтрующего материала без его регенерации.