DE2814463C2

DE2814463C2 - Gerät zum Abtrennen von feinen ferromagnetischen und/oder paramagnetischen Teilchen aus Flüssigkeiten und Schlämmen

Info

Publication number: DE2814463C2
Application number: DE2814463A
Authority: DE
Inventors: Kaneo Fukuoka Mohre
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1977-04-05
Filing date: 1978-04-04
Publication date: 1987-02-05
Also published as: DE2814463A1; US4247398A; GB1586651A; JPS53130572A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Abtrennen von feinen ferromagnetischen und/oder paramagnetischen Teilchen aus Flüssigkeiten und Schlämmen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zum Abtrennen von Eisenteilchen aus Industrieabwässern wird üblicherweise ein Sandfilter oder ein Absetztank verwendet, wobei die Eisenteilchen zuvor einer Oxydation unterworfen werden. In beiden Fällen werden relativ große Anlagen benötigt und die Abtrennzeit ist relativ lang.
Um den Raum zu vermindern, den die Anlagen benötigen, und um die Abtrennzeit zu verkürzen, ist es auf Grund der US-PS 35 67 026 bekannt, ein Gerät zu verwenden, welches aus einem Behälter besteht, in welchem Stahlwolle, insbesondere aus rostfreiem Stahl, angeordnet ist. Von der Außenseite des Behälters wird ein Magnetfeld an die Stahlwolle angelegt. Unter dem Ausdruck der Wolle sind feine lange Stahlfasern zu verstehen, welche in Form eines Filters zusammengepackt sind. Ein solches Gerät ermöglicht das Abtrennen und Sammeln von ferromagnetischen Teilchen aus einer Flüssigkeit, wie beispielsweise von Eisenteilchen, und ermöglicht weiterhin das Abtrennen von paramagnetischen Teilchen, wie beispielsweise von MnO₂-Teilchen. Ein solches Gerät wird eingesetzt beispielsweise zur Entschwefelung von verflüssigter Kohle, zur Konzentration von Eisenoxyden in Eisenerz und zur Behandlung von industriellen und urbanen Abwässern.
Dieses bekannte Gerät hat jedoch den Nachteil, daß die Abtrenneigenschaften während des Betriebs des Geräts abnehmen. Mit zunehmender Betriebszeit werden immer kleinere Mengen von Teilchen auf der Oberfläche der Metallfasern absorbiert. Die Abtrennfähigkeit wird auch durch die geringe mechanische Festigkeit der konventionellen Stahlfasern vermindert. Mit zunehmender Betriebszeit brechen nämlich die Metallfasern auseinander und die Bruchstücke gelangen in die zu reinigende Flüssigkeit. Dies stellt insbesondere dann ein sehr ernstes Problem dar, wenn die zu behandelnde Flüssigkeit sehr viskos ist, wie beispielsweise Öl, insbesondere Schmieröl. Ein weiteres Problem entsteht beim Auswaschen der Stahlfaserfilter mittels Waschwassers. Da die feinen Stahlfasern eine hohe Magnetflußdichte aufweisen, sind große Mengen von Waschwasser notwendig, um die abgetrennten Teilchen von den freien Drähten abwaschen zu können, an denen sie fest haften. Aus diesem Grund sind große Mengen von Waschwasser notwendig, um das Filter zu reinigen. Um den Reinigungseffekt zu verbessern, kann es erforderlich sein, ein Magnetfeld mit einer Frequenz im Ultraschallbereich auf die Stahlwolle einwirken zu lassen.
Es besteht die Aufgabe, das Gerät so auszubilden, daß die Metallfasern eine erhöhte Bruchfestigkeit aufweisen und das Filter leicht zu reinigen ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Eine amorphe Metallegierung, wie sie im vorliegenden Fall verwendet werden soll, ist dadurch gekennzeichnet, daß ihr Aufbau nicht kristallin ist. Eine amorphe Legierung wird von einer kristallinen Legierung durch Röntgenspektroskopie unterschieden. Eine amorphe Metalllegierung ergibt ein Beugungsbild, bei welchem die Lichthöfe sich nur wenig mit dem Beugungswinkel verändern, und bei welchem keine scharfen Beugungsspitzen von einem Kristallgitter reflektiert werden. Es ist daher leicht möglich, den Anteil der amorphen Substanz zu ermitteln durch Errechnen des Verhältnisses der Höhe der Beugungsspitzen in Bezug auf die theoretische Höhe dieser Spitzen bei Kristallen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die bei der Erfindung vorhandenen Molverhältnisse;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Hauptteil des Geräts;
Fig. 3 eine Darstellung der Anlage, bei welchem das erfindungsgemäße Gerät eingebaut ist und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Austauschänderung der Eisenteilchen in Abhängigkeit von der Betriebszeit des Geräts.
Die Fig. 2 zeigt einen Behälter 1, ein Filter 2 und Magnetspulen oder Elektromagnete 3. Der Behälter 1 ist mit einem Einlaßstutzen versehen, über den die zu behandelnde Flüssigkeit zugeführt wird. Bei diesen Flüssigkeiten handelt es sich beispielsweise um Öl, insbesondere um Schmieröl, um Wasser, insbesondere um Abwasser von Industrieanlagen, wie beispielsweise von Walzwerken, wobei diese Flüssigkeiten im Behälter 1 behandelt werden. Von diesen Flüssigkeiten sollen feine ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen abgeschieden werden. Das Filter 2 besteht aus feinen Fasern einer amorphen Legierung, welche im Behälter 1 zusammengepackt sind. Das Filter 2 ist aus Metallwolle aufgebaut, welche zu einem Paket zusammengepackt ist, wobei der Verdichtungsgrad derart ist, daß die zu behandelnde Flüssigkeit noch durch das Filter zu strömen vermag. Werden die Metallfasern zu dicht gepackt, dann ist der Strömungswiderstand für die Flüssigkeit zu groß. Werden dagegen die Fasern zu wenig dicht gepackt, dann werden nur geringe Anteile von abzuscheidenden Teilchen im Filter 2 absorbiert. Die feinen Fasern aus amorpher Metallwolle sollten einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 Mikron haben. Um die ferromagnetischen aus einer amorphen Legierung bestehenden Fasern magnetisieren zu können, sind zwei Magnetspulen 3 zur Erzeugung eines auf das Filter 2 wirkenden Magnetfeldes vorgesehen. Um die aus einer amorphen Legierung bestehenden Fasern magnetisch sättigen zu können, ist ein Magnetfeld erforderlich, das beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 4 KG liegt. Infolge des hohen magnetischen Gradienten in der Nachbarschaft der Fasern werden ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen in der Flüssigkeit auf der Oberfläche der feinen Fasern adsorbiert, so daß eine gereinigte Flüssigkeit den Behälter 1 über den Ablaßstutzen 1 b verläßt.
Die Fig. 3 zeigt eine Anlage mit dem Abtrennbehälter 1, der von einem Eisengehäuse 4 umschlossen ist. Über eine Leitung 11 ist der Behälter 1 an einen Tank 6 angeschlossen, in welchem sich die zu reinigende Flüssigkeit 7 befindet, bei der es sich beispielsweise um Abwasser eines Stahlwalzwerkes handelt. Eine Pumpe 5 führt die Flüssigkeit 7 über die Leitung 11 und ein Ventil 18 dem Abtrennbehälter 1 zu. Das im Abtrennbehälter 1 gereinigte Wasser wird über eine Leitung 10 a und eine Leitung 10 c, welche mit einem Ventil 14 versehen ist, einem Tank 8 zugeführt. Das gereinigte Wasser 9 wird wiederum dem Arbeitsprozeß zugeführt oder kann auch zur Reinigung des Filters 2 verwendet werden.
In einem Tank 12 ist eine Waschflüssigkeit 13 enthalten, bei der es sich um die gleiche Flüssigkeit wie die Flüssigkeit 7 handeln kann. Diese Flüssigkeit wird über eine Pumpe 16 und eine Leitung 10 b dem Abtrennbehälter 1 zugeführt. Bevor der Abtrennbehälter 1 durch die Flüssigkeit 13 ausgewaschen wird, werden die Spulen oder Elektromagnete 3 abgeschaltet, während das Ventil 15 geöffnet und das Ventil 14 geschlossen wird. Weiterhin wird das Ventil 18 in der Leitung 11 geschlossen, während ein Ventil 17 in einer Leitung 19 , welche von der Leitung 11 abgeht, geöffnet wird. Die auf der Oberfläche der feinen Fasern absorbierten Teilchen werden durch das Waschwasser 13 abgewaschen und dem Tank 6 zurückgeführt. Es ist jedoch auch möglich, einen getrennten Tank zum Sammeln des Waschwassers und der ausgewaschenen Partikel vorzusehen.
Die feinen Fasern aus einer amorphen Metallegierung werden erzeugt durch überschnelles Abkühlen einer Legierungsschmelze mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 10⁶ °C pro Sekunde.
Zu Vergleichzwecken wurden Filter aus einer amorphen Legierung und Filter aus einer kristallinen Legierung hergestellt, wobei die Fasern jeweils einen Durchmesser von 0,1 mm hatten.
Die Magneteigenschaften einer Fe₈Co₇₂P₁₄B₆ Legierung und eines Weichstahls sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1 &udf53;vz9&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Feine Fasern einer amorphen Legierung wurden erzeugt durch ein Verfahren, wie es von H.S. Chen und C.E. Miller in Rev. Sci. Instrum 41 (1970), Seite 1237 vorgeschlagen wurde. Eine Legierungsschmelze wurde bei einem Argonstrom hohen Drucks in den Spalt zwischen zwei Metallrollen injiziert, die sich mit 6000 Umdrehungen pro Minute drehten. Durch entsprechende Wahl des Durchmessers der Sprühdüse für die Metallegierung wurden feine Fasern erhalten, deren Durchmesser 0,1 mm betrug.
Nachdem die amorphen Legierungsfasern einer Beugungsmessung unterzogen wurden, wurden diese Fasern zu einer Wolle verarbeitet. Die erzeugte amorphe Legierung hat eine Zusammensetzung von Fe₈Co₇₂P₁₄B₆. Die Abtrennung feiner ferromagnetischer und/oder paramagnetischer Teilchen wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

1. Packungsdichte 0,5% (Prozentanteil des Querschnitts der Fasern relativ zum Querschnitt des Abtrennbehälters in Fig. 2).
2. Länge des Filters 4 cm.
3. Behandelte Flüssigkeit: Wasser mit 100 ppm Magnetteilchen.
4. Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 6 cm pro Sekunde.
5. Angelegtes Magnetfeld 3,8 KG.

Das Verhältnis der abgetrennten Teilchen zum Teilchenanteil im Wasser wurde gemessen und das Resultat ist in Fig. 4 wiedergegeben. Die Kurven A und B zeigen das Abtrennverhältnis einem bei einem amorphen Filter, zum anderen bei einem kristallinen, aus Weichstahl bestehenden Filter. Das Abtrennverhältnis gemäß Fig. 4 kann betrachtet werden als Wert des Abtrennwirkungsgrades des Geräts. Wie die Fig. 4 eindeutig zeigt, ist das Abtrennverhältnis gemäß Kurve A höher als das Abtrennverhältnis gemäß Kurve B bei einem Weichstahlfilter.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß bei Verwendung eines Weichstahlfilters zu Beginn des Durchflusses Bruchstücke von feinen Stahlfasern in der zu behandelnden Flüssigkeit bei deren Austritt aus dem Gerät festgestellt wurden. Es wurde weiterhin festgestellt, daß wenn ein benutztes Filter dieser Art Luft ausgesetzt wurde, sich schon nach kurzer Zeit Rost auf der Oberfläche der feinen Fasern aus Stahl bildete.
Wird dagegen ein Filter aus einer amorphen Metallegierung verwendet, dann wird dagegen weder ein Zerbrechen der Fasern noch eine Rostbildung festgestellt.
Nach der Abtrennung des Magnetits wurden die Filter durch Waschwasser gereinigt, das die Filter in einer Richtung durchströmte, welche entgegengesetzt war der Durchflußrichtung des zu behandelnden Wassers. Das Resultat des Auswaschens ist in Fig. 4 in gestrichelten Linien A und B wiedergegeben. Die Güte des Auswaschens des Filters ist um so besser, je mehr die Kurven innerhalb einer kurzen Zeitdauer abfallen. Auch hier zeigt sich, daß die Güte des Auswaschens bei der Kurve gemäß A wesentlich besser ist als die Güte des Auswaschens bei der Kurve B unter Verwendung von Stahlfasern.

Beispiel 2

Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde wiederholt mit Ausnahme folgender Bedingungen:

1. Fasermaterial
Amorphe Legierung (Erfindung) Fe₈₀P₁₄B₆
Kristalline Legierung (Kontrolle) rostfreier Stahl als Zusatz zu Weichstahl.
2. Behandelte Flüssigkeit: gebrauchtes Schmieröl, welches 4470 ppm Eisenpartikel enthielt.

Wenn das oben erwähnte Schmieröl im Gerät unter Verwendung von feinen Fasern aus Fe₈₀P₁₄B₆ in Form einer Wolle behandelt wurde, dann wurde der Anteil der Eisenpartikel vermindert auf 42 ppm. Es wurde weder eine Rostbildung festgestellt noch traten Faserbruchstücke in der bereits behandelten Flüssigkeit auf. Andererseits wurde bei Verwendung von Stahlwolle beträchtliche Anteile an Bruchstücken in dem bereits behandeltem Öl festgestellt.

Beispiel 3

Fasermaterial
Amorphe Legierung (Erfindung) Ni₄₀Fe₄₀P₁₄B₆
Kristallegierung (Kontrolle) rostfreier Stahl
Die Arbeitsergebnisse unter Verwendung feiner Fasern aus Ni40Fe₄₀P₁₄B₆ sind in Tabelle 2 wiedergegeben

Tabelle 2

Das Abtrennverhältnis der Teilchen auf der zu behandelnden Flüssigkeit ist in Tabelle 2 mit Abtrennung bezeichnet. Dieses Abtrennverhältnis liegt wesentlich höher als das Abtrennverhältnis unter Verwendung einer Stahlwolle aus rostfreiem Stahl. Bei dem Filter aus amorphen Legierungsfasern wurde weder eine Rostbildung noch das Auftreten von Bruchstücken von Fasern festgestellt.

Beispiel 4

Fasermaterial
Amorphe Legierung (Erfindung) Co₈Fe₆₂Mo₅Si₁₅B₁₀
Kristallegierung unter Verwendung eines Filters mit Fasern aus Co₈Fe ₆₂Mo₅Si₁₅B₁₀ sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3

Das Abtrennverhältnis der Teilchen in der zu behandelnden Flüssigkeit ist in Tabelle 3 wiedergegeben. Dieses Abtrennverhältnis ist wesentlich größer als bei Verwendung eines Filters aus Faser von rostfreiem Stahl. Bei dem Filter aus einer Wolle von Fasern einer amorphen Legierung wurde weder eine Rostbildung noch das Auftreten von Faserbruchstücken in der bereits behandelten Flüssigkeit festgestellt, und zwar dies auch über längere Betriebszeiten hinweg.

Claims

1. Gerät zum Abtrennen von feinen ferromagnetischen und/oder paramagnetischen Teilchen aus Flüssigkeiten und Schlämmen, bestehend aus einem einen Zufluß- und einen Abflußstutzen aufweisenden Behälter, in welchem ein Filter zum Abtrennen der Teilchen angeordnet ist, das aus einem Metallwollepaket aus ferromagnetischen Fasern besteht und außerhalb des Behälters Mittel zum Erzeugen eines zu- und abschaltbaren Magnetfelds vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus einer im wesentlichen amorphen Metallegierung bestehen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Metallegierung eine Zusammensetzung gemäß der Formel M_XN_Y aufweist, wobei M mindestens ein Metall der Eisen, Nickel und Kobalt aufweisenden Gruppe, N mindestens ein Metalloid der Phosphor, Bor, Kohlenstoff und Silicium aufweisenden Gruppe ist und X und Y Atomprozente sind, bei denen X + Y = 100 und 5 ≤ Y ≤ 35 ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch von Eisen, Nickel und/oder Kobalt, bezogen auf die Gesamtmolzahl dieser Metalle, innerhalb des durch die Punkte Fe, Co, P ₁ und P ₂ in Fig. 1 angegebenen Bereichs bzw. auf den jeweiligen Verbindungslinien liegt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch von Eisen, Nickel und/oder Kobalt, bezogen auf die Gesamtmolzahl dieser Metalle, innerhalb des durch die Punkte Fe, P ₃ und P ₄in Fig. 1 angegebenen Bereichs bzw. auf den jeweiligen Verbindungslinien liegt.

5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Atomprozentanteil von Y zwischen 5 und 20 Atomprozenten liegt.

6. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Nickel ist und der Atomprozentanteil von X maximal 75 Atomprozente beträgt.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Metallegierung eine Zusammensetzung gemäß der Formel M_XN _YT_Z aufweist, wobei M mindestens ein Metall der Eisen, Nickel und Kobalt aufweisenden Gruppe, N mindestens ein Metalloid der Phosphor, Kohlenstoff und Silicium aufweisenden Gruppe, T mindestens ein weiteres Metall der Molybden, Chrom, Wolfram, Tantal, Niob, Vanadium, Kupfer, Mangan, Zink, Antimon, Zinn, Germanium, Indium, Zirconium und Aluminium aufweisenden Gruppe ist und X, Y und Z Atomprozente sind, bei denen 5 ≤ Y ≤ 35, 0 < Z ≤ 15 und X + Y + Z = 100 ist.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch von Eisen, Nickel und/oder Kobalt, bezogen auf die Gesamtmolzahl dieser Metalle, innerhalb des durch die Punkte Fe, Co, P ₁ und P ₂ in Fig. 1 angegebenen Bereichs bzw. auf den jeweiligen Verbindungslinien liegt.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch von Eisen, Nickel und/oder Kobalt, bezogen auf die Gesamtmolzahl dieser Metalle, innerhalb des durch die Punkte Fe, P ₃ und P ₄ in Fig. 1 angegebenen Bereichs bzw. auf den jeweiligen Verbindungslinien liegt.

10. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Atomprozentanteil von Y zwischen 5 und 20 Atomprozenten liegt.

11. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Atomprozentanteil von Y und Z zwischen 5 bis 20 Atomprozenten bzw. zwischen 0,1 bis 5 Atomprozenten liegt.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metall ein Metall aus der Molybden, Chrom und Wolfram aufweisenden Gruppe ist.