DE102021003358A1 - Verbessertes keramisches Filtermaterial zur Wasseraufbereitung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen zur Herstellung von Tongranulaten, welche Tone sowie eine Kombination aus ein oder mehreren Sintermitteln und ein oder mehreren Porosierungsmitteln aufweisen. Die Tongranulate können als Filtermaterial zur Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Filtrierung von Wasser, verwendet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin Filter zur Wasseraufbereitung, welche als Filtermedium die erfindungsgemäßen Tongranulate enthalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Filtermaterial zur Reinigung insbesondere zur Filtrierung von Wasser. Weiterhin betrifft die Verwendung des Filtermaterials in Filteranlagen zur Wasseraufbereitung.
  • Um eine gewünschte Wasserqualität zu erreichen, werden üblicherweise Filter und Filteranlagen eingesetzt, die vor allem gröbere Verunreinigungen und Schwebteilchen entfernen. So werden zum Beipiel bei der Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser, in Schwimmbecken und in Aquarien regelmäßig Filter und Filteranlagen eingesetzt, um die erforderliche Wasserqualität zu erreichen und zu halten.
  • Bisher ist es üblich als Filtermaterial Kies, Sand und Glasgranulat einzusetzen. Als Filterkies wird üblicherweise Feinkies eingesetzt, der Partikel mit Korngrößen von 2 bis 6,3 mm aufweist. Im Folgenden wird unter dem Begriff Kies Material verstanden, welches Gesteins- und/oder Mineralkörner umfasst, die Korngrößen zwischen 2 und 63 mm aufweisen. Als Filtersand werden vor allem Mittel- und Grobsand eingesetzt, die Korngrößen von 0,2 bis 2 mm aufweisen. Unter dem Begriff Sand wird im Folgenden ein Material verstanden, das wie Kies Gesteins- und Mineralkörner umfasst. Die Sandpartikel sind kleiner, sie weisen Korngrößen von 0,063 mm bis 2 mm auf. Kiese und Sande werden im Allgemeinen durch Siebklassierung fraktioniert. Zur Wasseraufbereitung werden in der Regel Filtersande mit Korngrößen zwischen 0,4 und 1,2 mm eingesetzt.
  • Als Filterglas werden Glasgranulate mit geeigneten Korngrößen, vor allem Granulate aus dem Recycling von Altglas eingesetzt. In der Regel wird als Filterglas Misch-Recyclingglas aus zerkleinertem weißen, braunen und grünen Altglas verwendet. Häufig werden die Granulate nicht oder nicht ausreichend gereinigt, so dass Fremdstoffe wie Holz, Plastik oder Papier im Granulat verbleiben. Auch wird Filterglas oft nur unzureichend desinfiziert mit der Folge, dass es durch Mikroorganismen und andere Schadstoffe kontaminiert ist.
  • Filterkiese und Filtersande werden üblicherweise als Filtersand für Sandfilteranlagen bezeichnet. Die Filtersande müssen je nach Verwendung des gefilterten Wassers den geltenden Vorschriften zur Wasseraufbereitung entsprechen. Die bekannten Filtermaterialien haben den Nachteil, dass sie ein ausgezeichneter Nährboden für Bakterien sind. Bakterien sondern einen Schleim ab, der als Biofilm bezeichnet wird. Dieser Biofilm reduziert zum einen die Filterleistung erheblich. Zum anderen werden aus dem Biofilm Keime freigesetzt, die den Verbrauch an den Desinfektionsmitteln wie Chlor und Aktivsauerstoff, die beispielsweise im Bereich der Schwimmbecken üblich sind, heblich erhöhen. Vor allem beim Einsatz von Chlor entstehen unerwünschte, gesundheitsschädliche Desinfektionsnebenprodukte wie Chloramine und Trihalogenmethane (THM), die im gefilterten Wasser gelöst sind.
  • Um die Wasserqualität zu erhalten, muss das Filtermaterial in den Filtern oder Filteranlagen regelmässig erneuert werden. Aufgrund der Keimbelastung und der Desinfektionsnebenprodukte müssen die üblicherweise eingesetzten Filtermaterialien wie Sand und Kies aufwendig entsorgt werden. Darüber hinaus weisen die üblichen Sande und Kiese ein hohes Gewicht auf, was die Handhabung erschwert.
  • Aus DE 202017006991 U1 sind Tongranulate als Filtermaterial mit hoher Bioresistenz und geringem Schüttgewicht bekannt, welche nach Gebrauch einfach kompostiert oder zum Verbessern von Böden eingesetzt werden können. Sie zeigen jedoch die üblichen Nachteile von Tongranulaten, insbesondere im Hinblick auf ihre mechanische Stabilität und Frostbeständigkeit.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, verbesserte Tongranulate als Filtermaterial zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile unter Beibehaltung der bekannten Eigenschaften überwinden. Diese Aufgabe wird durch Tongranulate gemäß Hauptanspruch und deren Verwendung als Filtermaterial zur Wasseraufbereitung gemäß Nebenanspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen und der Beschreibung offenbart.
  • Die erfindungemäßen Zusammensetzungen enthalten Tone sowie eine Kombination aus Sintermitteln und Porosierungsmitteln. Bevorzugt werden magere oder abgemagerte Tone eingesetzt. Unter dem Begriff magere Tone werden im Folgenden Tone mit nichtplastischen Bestandteilen verstanden. Erfindungsgemäß liegt der Anteil der nichtplastischen Bestandteile im Bereich von 20 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 35 bis 45 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht der Tone. Bevorzugte magere Tone enthalten als nichtplastische Bestandteile Quarz. Unter dem Begriff Abmagern wird die Zugabe von nichtplastischen Zuschlagsstoffen verstanden, um die gewünschte Plastizität zu erreichen. Als Zuschlagsstoffe sind die üblichen, dem Fachmann geläufigen Magerungsmittel geeignet. Bevorzugt werden Massen aus gebranntem und gepulvertem Klinker eingesetzt.
  • Unter dem Begriff Sintermittel werden im folgenden Hilfsmittel verstanden, die das Verdichten und Verfestigen tonhaltiger Zusammensetzungen verbessern. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten Sintermittel in Mengen von 5 bis 31 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammemsetzung. Erfindungsgemäß geeignete Sintermittel sind Natriumhydrogencarbonat, Kaliumcarbonat, Natronfeldspat, Kalifeldspat und deren Gemische.
  • In einer bevorzugten Ausführungsforn enthalten die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ein Gemisch aus 5 bis 7,5 Gew.-% Natriumhydrogencarbonat, 7 bis 14 Gew.-% Natronfeldspat und 6 bis 12 Gew.-% Kalifeldspat, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
  • Unter dem Begriff Porosierungsmittel werden im folgenden Hilfsmittel verstanden, welche die Porosität des gebrannten Tongranulats beeinflussen. Diese werden der Tonmischung zugegeben und verbrennen beim Brand vollständig. Dabei hat die Teilchengröße des Porosierungsmittels Einfluß auf Art und Größe der Poren, die sich während des Brennens ausbilden. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten Porosierungsmittel in Mengen von 5 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. Erfindungsgemäß geeignete Porosierungsmittel sind organische Substanzen insbesondere pflanzliche Stoffe. Bevorzugt sind Holz, Nussschalen und Getreide. Besonders bevorzugt sind Holzspäne, Nußschalen, Hartweizengrieß, handelsübliche Weizenmehle und deren Gemische.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die erfindungsgemäßen Zusammensetzung ein Gemisch aus Porosierungsmitteln aus verschiedenen pflanzlichen Stoffe mit unterschiedlichen Teilchengrößen. Gemische aus Holzspänen mit einer Teilchengröße kleiner 0,5 mm und Weizenmehl Typ 405 in gleichen Mengenanteilen sind besonders bevorzugt.
  • Aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen werden Tongranulate mit hohen Porositäten und geringen Schüttgewichten erhalten, die überraschend hohe mechanisch Stabilität und Abriebfestigkeit.
  • Unter dem Begriff Porosität wird im Folgenden eine dimensionslose Messgröße verstanden, die das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches angibt. Die Tongranulate zeigen Porositäten im Bereich von 40 bis 85 %, bevorzugt 40 bis 75 %. Dabei liegen die an offener Porosität im Bereich 35 bis 70 %, bevorzugt von 40 bis 65 %. Darüber hinaus weisen sie eine bimodale Porengrößenverteilung auf, wobei ein erstes Maximum bei Porendurchmessern im Bereich von 100 bis 300 nm, bevorzugt von 150 bis 250 nm, liegt und ein zweites Maximum bei Porendurchmessern im Bereich von 10.000 und 40.000 nm, bevorzugt bei 15.000 bis 25.000 nm. Porosität und Porengrößenverteilung wurden durch Quecksilber-Porosimetrie ermittelt. Dieses Messverfahren basiert auf dem Eindringen der nichtbenetzenden Flüssigkeit Quecksilber bei hohem Druck in ein Material. Die Porengröße wird als Funktion des äußeren Drucks bestimmt, der notwendig ist, um die Flüssigkeit gegen ihre Oberflächenspannung in die Poren des zu untersuchenden Materials zu drücken.
  • Im Folgenden wird unter dem Begriff Schüttgewicht die Masse eines körnigen Feststoff, auch als Schüttguts bezeichnet, pro Volumen eines kontinuierlichen Fluid, welches die Hohlräume zwischen den Partikeln ausfüllt, verstanden. Ohne weitere Angabe ist das kontinuierliche Fluid Luft. Die erfindungsgemäßen Tongranulate weisen Schüttgewichte auf, die im Bereich von 300 bis 900 kg/m3, bevorzugt von 300 bis 700 kg/m3, besonders bevorzugt von 300 bis 600 kg/m3, liegen.
  • Die erfindungsgemäßen Tongranulate können weiterhin unterschiedliche Korngröße aufweisen, je nach Anforderungen. Diese sind in der Regel von den Filtern oder Filteranlagen abhängig, in denen die Granulate eingesetzt werden.
  • Aufgrund ihrer Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Tongranulate als Filtermaterial zum Filtrieren von Flüssigkeiten, insbesondere zum Filtrieren von Wasser, verwendet werden. Die hohe Porosität und die bimodale Porengrößenverteilung führen durch die Aufnahme von feinen Schmutzteilchen zu einer sehr guten Filterleistung. Die Tongranulate zeigen keine Neigung zur Klumpenbildung, so dass sie über die gesamte Nutzungsdauer gleichmäßig von der zu reinigenden Flüssigkeit durchströmt werden. Sie sind zudem mechanisch sehr stabil, zeigen wenig Abrieb und sind beständig gegenüber Frost.
  • Auf der Oberfläche des erfindungsgeäßen Tongranulats siedeln sich nur sehr wenige Bakterien an, so dass kein oder kaum Biofilm entsteht. Der Einsatz von Desinfektionsmitteln wie Chlor ist daher gar nicht oder nur in geringem Umfang erforderlich. Auch über lange Zeiträume wurde keine biologische Aktivität im erfindungsgemäßen Tongranulat festgestellt. Darüber hinaus wurde eine signifikante Hemmung des Algenwachstums in Wasser, das durch die erfindungsgemäßen Tongranulate gefiltert wurde, im Vergleich zu Wasser, das über herkömmliche Filtermaterialien gefiltert wurde.
  • Damit ist das Tongranulat besonders für die Aufbereitung chlorfreier Systeme sehr gut geeignet. Beim Einsatz des Tongranulats zur Aufbereitung gechlorter Systeme, wie sie beispielsweise im Bereich der Schwimm- und Badebecken üblich sind, werden wesentlich geringere Mengen an Chlor und auch an Fällungsmitteln benötigt. Im Gegensatz zu Filterkiesen und Filtersanden, die nach Gebrauch stark mikrobiologisch belastet sind und entsprechend entsorgt werden müssen, ist das erfindungsgemäße Filtermaterial nach Gebrauch kompostierbar. Es kann als Wasserspeicher- und Auflockerungsgranulat zur Verbesserung des Bodens verwertet werden, wobei die im Tongranulat aufgenommenen Verunreinigungen oder Schmutzpartikel kompostiert werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Filter, welche erfindungsgemäße Tongranulate als Filtermedium enthalten. Die erfindungsgemäßen Filter können in allen Bereichen der Wasseraufbereitung eingesetzt werden, in denen bisher Kies- oder Sandfiltermedien gebräuchlich sind. Sie können beispielsweise in Schwimmbädern, Fischzuchten, Aquarien, Brunnen oder zur Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden.
  • Beispiele
  • Tabelle 1: erfindungsgemäße Zusammensetzungen
    Beispiel 1 2 3 4
    Bestandteil Anteil in Gew.-%
    magerer Ton 52 49,5 49,5 49,5
    Natriumhydrogencarbonat 5 7,5 7,5 7,5
    Natronfeldspat 7 7 7 7
    Kalifeldspat 6 6 6 6
    Holzspäne 30 -- -- 15
    Nussschalen 30 -- --
    Weizenmehl -- -- 30 15
  • Im Unterschied zu den bekannten Tongranulaten weisen die erfindungsgemäßen Tongranulate geringere Schüttdichten, höhere Porositäten und Porenvolumina auf. Tabelle 2 zeigt die Daten der erfindungsgemäßen Granulate entsprechend der Beispiele 1 und 2 sowie die Werte der aus DE 202017006991 U1 bekannten Granulate im Vergleich (Beispiel V1). Porositäten und Porenvolumen wurden durch Quecksilber-Porosimetrie ermittelt. Tabelle 2: Ergebnisse
    Beispiel 1 3 V1
    Schüttdichte [kg/m3] 410 560 600 - 800
    Porosität [%] 63,2 57,3 35 - 45
    Porenvolumen [mm3/g] 642,4 519, 3 150 - 430
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202017006991 U1 [0007, 0022]

Claims (13)

  1. Zusammensetzung zur Herstellung eines Tongranulats umfassend ein oder mehrere Tone sowie eine Kombination aus ein oder mehreren Sintermitteln und ein oder mehreren Porosierungsmitteln.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tone magere oder abgemagerte Tone mit einem nichtplastischen Anteil im Bereich von 20 bis 60 Gew.-% bezogen auf auf das Gesamtgewicht der Tone sind.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermittel einen Anteil von 5 bis 31 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammemsetzung aufweisen.
  4. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermittel ausgewählt sind aus Natriumhydrogencarbonat, Kaliumcarbonat, Natronfeldspat, Kalifeldspat und deren Gemischen.
  5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel 5 bis 7,5 Gew.-% Natriumhydrogencarbonat, 7 bis 14 Gew.-% Natronfeldspat und 6 bis 12 Gew.-% Kalifeldspat enthält, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
  6. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosierungsmittel einen Anteil von 5 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, aufweisen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
  7. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosierungsmittel ausgewählt sind aus Holz, Nussschalen, Getreide und deren Gemischen.
  8. Tongranulat hergestellt aus einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Tongranulat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat eine Porosität im Bereich von 40 bis 85 % aufweist, wobei der Anteil an offener Porosität im Bereich von 35 bis 70 % liegt.
  10. Tongranulat nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat eine bimodale Porengrößenverteilung mit einem ersten Maximum bei Porendurchmessern von 100 bis 300 nm und einem zweiten Maximum bei Porendurchmessern zwischen 10.000 bis 40.000 nm aufweist.
  11. Tongranulat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat ein Schüttgewicht im Bereich von 300 bis 700 kg/m3 aufweist.
  12. Verwendung des Tongranulats nach einem der Ansprüche 8 bis 11 als Filtermaterial für Flüssigkeiten.
  13. Filter zur Wasseraufbereitung aufweisend Tongranulate nach einem der Ansprüche 8 bis 12 als Filtermedium.
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