ES2204861T3 - Material ceramico de elevada porosidad en forma granulada. - Google Patents

Abstract

Material cerámico en forma granulada, que comprende SiO2 y Na2O y/o K2O, caracterizado mediante una porosidad mayor que 60% y poros de los que más de 70% muestran un tamaño de poro entre 0, 1 y 15 m.

Description

Material cerámico de elevada porosidad en forma granulada.

La invención se refiere a un material cerámico a base de SiO_{2} y Na_{2}O y/o K_{2}O, a un procedimiento para su fabricación y su uso, en particular como material de filtros, depósito de agua y adsorbente.

Es bien sabido que los materiales cerámicos porosos son adecuados entre otras cosas para el uso como materiales de filtros y se pueden usar como adsorbentes. Por ello se utilizan en ambos casos la porosidad y/o las grandes superficies de los materiales.

Así por ejemplo la arena y grava se usan como medios de filtros, con lo cual en este caso los mismos granos individuales no son porosos. Solamente mediante su carga se produce porosidad, con lo cual se consigue la permeabilidad para los líquidos. Sin embargo, como una tal carga presenta solamente una superficie relativamente pequeña, se deben usar mucha más arena y grava para fines de filtración que en el caso de materiales, en los cuales los granos mismos son ya porosos.

Además, es bien conocida la utilización de carbón activo como material de filtros. El carbón activo posee una gran superficie y muestra por tanto buenas propiedades de adsorción. Sin embargo, como consecuencia del tamaño de grano muy pequeño el riesgo de obstrucción de los filtros es bastante elevado con la utilización de carbón activo.

Además, los plásticos porosos, por ejemplo de poli(etileno), pueden usarse como material de filtros. Sin embargo, estos materiales no son estables frente a la temperatura y se ponen blandos con el suministro de calor (80ºC y más altas). Debido a su porosidad y estabilidad frente a la temperatura, los minerales de la arcilla son igualmente adecuados como medios de filtración. Sin embargo éstos presentan el inconveniente de que las partículas de arcilla se pueden separar durante la filtración, lo que conduce a impurezas del filtrado no deseadas.

A la categoría de técnica pertenecen además cerámicas que se usan con el fin de adsorber y almacenar agua. El almacenamiento del agua tiene lugar sobre todo en la superficie de los granos, con lo cual se usa la tensión superficial del agua. Sin embargo, el almacenamiento de agua es eficaz solamente a temperaturas hasta la temperatura ambiente, porque a temperaturas altas (40ºC y mayores) el agua adsorbida sobre la superficie se evaporaría relativamente rápido.

La arcilla expandida representa a una cerámica porosa, que se usa igualmente para almacenamiento de agua. Sin embargo, como los materiales no presentan porosidad alta, también su capacidad de adsorción de agua es relativamente pequeña con respecto a su propio peso.

Finalmente, las cerámicas porosas son adecuadas no solamente para adsorber agua, sino también para recoger moléculas más grandes, por ejemplo, bacterias. Para la admisión de moléculas grandes como en las bacterias es necesario un tamaño de poro de al menos 0,1 \mum. Hasta ahora se usan para este fin cerámicas a base de Al_{2}O_{3} y SiO_{2}, sin embargo estos materiales no muestran ninguna porosidad alta, lo que limita el número de bacterias adsorbidas. Se conoce bien de la patente US-A-1970280 un granulado poroso sinterizado a base de SiO_{2} en unión a silicatos alcalinos. El objetivo fundamental de las tareas de la invención consiste en fabricar un material cerámico que muestra una capacidad de adsorción alta y por tanto es extraordinariamente adecuado para el uso como material de filtros, para adsorción y almacenamiento de agua y para la adsorción de grandes moléculas tales como bacterias.

El objetivo mencionado se resuelve mediante un material cerámico, que comprende SiO_{2} y Na_{2}O y/o K_{2}O, que muestra una porosidad mayor que 60% y poros de los que más de 70% poseen un tamaño de poro en el intervalo entre 0,1 y 15 \mum.

El material cerámico de acuerdo con la invención comprende SiO_{2} y Na_{2}O y/o K_{2}O. Debido a la composición de óxidos inorgánicos es resistente al calor y además no se descompone a temperaturas altas.

El material cerámico de acuerdo con la invención posee una porosidad mayor que 60%. La porosidad se calcula mediante el volumen de poro determinado experimentalmente por medio de porosimetría de mercurio y la densidad verdadera (densidad sólida) que se determinó con ayuda de un picnómetro de helio, según la fórmula siguiente:

P = V / (1/S + V) \cdot 100%

en la que P representa la porosidad, S la densidad verdadera y V el volumen de poro.

El material de acuerdo con la invención se caracteriza además mediante poros, de los que al menos 70% se encuentran en un intervalo de tamaños entre 0,1 y 15 \mum. La distribución de tamaños de poros se determinó con ayuda de la porosimetría de mercurio.

Además, el material cerámico de acuerdo con la invención puede comprender Al_{2}O_{3} y también más óxidos, como por ejemplo Fe_{2}O_{3}, MgO y CaO.

Preferentemente, más de 95% de los granos del material cerámico de acuerdo con la invención presenta un tamaño de grano entre 1 y 15 mm, especialmente preferido entre 5 y 12 mm. Con ello el tamaño de grano se determina midiendo los granos, por ejemplo con un pie de rey. No se prefieren los granos con tamaños de grano más pequeños que 1 mm, porque éstos pueden producir un gran aumento de pérdida de presión con su utilización en la filtración. El límite superior preferido de la distribución de tamaños de partículas resulta del hecho de que con granos mayores se reduce la superficie en comparación con el volumen del material.

Además, la densidad volumétrica del material cerámico asciende preferentemente a entre 0,2 y 1,0 g/cm^{3}, especialmente preferida entre 0,3 y 0,5 g/cm^{3}. La determinación de la densidad aparente se realiza echando el material cerámico de acuerdo con la invención en un recipiente con un volumen de 1 litro. A continuación se pesa el recipiente lleno de cerámica en 1 litro, con lo cual se determina la cantidad en peso de la cerámica por litro.

El material cerámico, además, muestra de manera más ventajosa una superficie volumétrica entre 350 y 1500 m^{2}/l. La superficie se entiende como superficie volumétrica, que resulta del producto de la superficie del material cerámico mismo y la densidad de la carga del material cerámico. Con ello la superficie del material cerámico de acuerdo con la invención se determina por medio de porosimetría de nitrógeno y evaluación de la isoterma de adsorción de acuerdo con el método BET.

El material cerámico de acuerdo con la invención se produce a lo largo de un procedimiento que comprende las etapas siguientes:

(a) aglomeración de una mezcla, que comprende:

1,0 parte en peso de una materia prima cerámica, que comprende más de 40% en peso de SiO_{2} y 0,5 - 10% en peso de Na_{2}O + K_{2}O,

y

0,5 - 1,5 partes en peso de aglomerante acuoso, que comprende agua y vidrio soluble con una proporción en peso agua : vidrio soluble de 95 : 5 - 55 : 45

(b) Secado y sinterización de los granos obtenidos en la etapa (a).

El procedimiento de fabricación de acuerdo con la invención se describe a continuación con más detalle con respecto a las etapas individuales de fabricación. En la etapa (a) se introduce una materia prima cerámica que comprende más de 40% en peso de SiO_{2} y 0,5 - 10% en peso de Na_{2}O + K_{2}O. En una forma preferida de realización la materia prima cerámica comprende 60 - 90% en peso de SiO_{2}. Además la materia prima cerámica puede contener Al_{2}O_{3} y más óxidos como, por ejemplo, Fe_{2}O_{3}, MgO y CaO. Además, la materia prima cerámica comprende tierra de infusorios en una forma preferida de realización. En una forma particularmente preferida de realización, la materia prima cerámica es una tierra de infusorios que comprende 70 - 90% en peso de SiO_{2}, 0,5 - 4% en peso de Na_{2}O+K_{2}O y 4 - 10% en peso de Al_{2}O_{3}.

Como componente adicional de la mezcla de la etapa (a) se introduce un aglomerante acuoso que comprende agua y vidrio soluble, con una proporción en peso agua : vidrio soluble de 95 : 5 - 55 : 45, preferentemente 75 : 25. Con ello el vidrio soluble puede comprender vidrio soluble sódico y/o vidrio soluble potásico y/o vidrio soluble cálcico. En una forma de realización particularmente preferida el vidrio soluble comprende 8 -10% en peso de Na_{2}O, 26 - 32% en peso de SiO_{2}, el resto agua.

La mezcla, que se aglomera, comprende 1,0 parte en peso de la materia prima cerámica y 0,5 - 1,5 partes en peso del aglomerante acuoso. En una forma de realización preferida se introduce la proporción de la materia prima cerámica a aglomerante acuoso de 1 : 0,8-1,2 y particularmente preferida de 1 : 0,9-1,1.

La mezcla del aglomerante acuoso y materia prima cerámica se aglomera en un plato de aglomeración, en donde se obtendrán los granos, de los que preferentemente más de 95% muestran un tamaño entre 1 y 15 mm, especialmente preferido entre 5 y 12 mm. Las características de los granos pueden estar afectadas en particular por la posición del ángulo del plato de aglomeración, su relación de altura borde y su velocidad de rotación.

Los granos producidos en la etapa (a) se secan y sinterizan en la etapa (b). En una forma de realización preferida, los granos se secan primero por calentamiento continuo desde la temperatura ambiente hasta 650ºC, y se sinterizan después desde 650ºC (temperatura inicial) hasta 1000ºC-1200ºC (temperatura final). Ulteriormente los granos se pueden clasificar en una etapa c) según un tamaño de 1 a 15 mm. La clasificación se realiza mediante tamices mecánicos usando, por ejemplo, un tamiz de balanceo lineal o un tamiz de volteo.

El material cerámico de acuerdo con la invención es adecuado, debido a su gran porosidad, para la filtración de líquidos, en particular agua. Además, la gran porosidad del material cerámico se puede utilizar para el almacenamiento de agua. El material cerámico de acuerdo con la invención muestra con ello un poder de adsorción de agua mayor que 70% de su propio peso. Debido a la propiedad de almacenar agua en gran medida, los materiales cerámicos de acuerdo con la invención se pueden poner para riego de plantas en zonas cálidas y secas. El agua almacenada se transfiere solo muy lentamente al entorno, con lo cual el marchitamiento de la planta se puede evitar. Además de ello, pueden recogerse también del material cerámico de acuerdo con la invención líquidos hidrófilos, como alcoholes. Los materiales cerámicos de acuerdo con la invención pueden ser útiles además para la adsorción de moléculas grandes como bacterias. Además, se concibe la admisión de moléculas similarmente grandes, como por ejemplo polímeros con pesos moleculares apropiados. A continuación se describe la invención con más detalle sobre la base de dos ejemplos.

Ejemplo 1

Para la producción del líquido aglomerante se disuelve silicato sódico con una composición de 8,2% en peso de Na_{2}O, 27,3% en peso de SiO_{2} y 64,5% en peso de H_{2}O en agua con una proporción en peso agua : vidrio soluble de

\hbox{75 :}

25. El líquido aglomerante producido de este modo se mezcla con un caudal de alimentación de 20 l/h en un plato de aglomeración con una tierra de infusorios, que comprende 84% en peso de SiO_{2}, 5,8% en peso de Al_{2}O_{3}, 2,7% en peso de Fe_{2}O_{3}, 1,4% en peso de MgO+CaO y 0,7% en peso de Na_{2}O+K_{2}O, que se suministra al plato de aglomeración con un caudal de alimentación de 20 kg/h. La aglomeración se realiza en un plato de aglomeración con una relación altura borde de H/D 0,28. Durante la aglomeración, la inclinación del plato y la velocidad de giro ascienden a
50º \pm 5º y 6-7 U/min. De este modo se obtienen los granos, de los que más de 95% muestran un tamaño entre 6 y 12 mm. Los granos producidos así son conducidos con una velocidad de 1 m/min a través de un horno giratorio con una longitud de 12 m, de 6 m de zona de calentamiento y 6 m de zona enfriamiento. Así, las muestras se secan mediante calentamiento continuo en un intervalo de temperatura desde temperatura ambiente hasta 650ºC, después se sinterizan en un intervalo de temperatura de 650 hasta 1100ºC y finalmente se enfrían a temperatura ambiente.

Los datos físicos de la cerámica obtenida se compendian en la Tabla 1.

Ejemplo 2

Para la producción del líquido aglomerante se disuelve silicato sódico con una composición de 8,2% en peso de Na_{2}O, 27,3% en peso de SiO_{2} y 64,5% en peso de H_{2}O en agua con una proporción en peso de agua : vidrio soluble de 95 : 5. El líquido aglomerante producido así se mezcla con un caudal de alimentación de 20 l/h en un plato de aglomeración con tierra de infusorios, que comprende 75% en peso de SiO_{2}, 9,0% en peso de Al_{2}O_{3}, 6,0% en peso de Fe_{2}O_{3}, 2,5% en peso de CaO, 1,0% en peso de MgO y 2,5% en peso de Na_{2}O+K_{2}O, que se suministra al plato de aglomeración con un caudal de alimentación de 25 kg/h.

La aglomeración se realiza en un plato de aglomeración con una relación altura borde de H/D 0,28. La inclinación del plato durante la aglomeración asciende a 60º \pm 5º y la velocidad de giro a 6-7 U/min. De este modo se obtienen los granos, de los que más de 95% muestran un tamaño entre 1 y 15 mm. Los granos producidos así son conducidos con una velocidad de 1 m/min a través de un horno giratorio con una longitud de 12 m, de 6 m de zona de calentamiento y 6 m de zona enfriamiento. Así, las muestras se secan mediante calentamiento continuo en un intervalo de temperatura desde temperatura ambiente hasta 650ºC, después se sinterizan en un intervalo de temperatura de 650 hasta 1100ºC y finalmente se enfrían a temperatura ambiente.

Los datos físicos de la cerámica obtenida se compendian en la Tabla 1.

TABLA 1

1

Claims (16)

1. Material cerámico en forma granulada, que comprende SiO_{2} y Na_{2}O y/o K_{2}O, caracterizado mediante una porosidad mayor que 60% y poros de los que más de 70% muestran un tamaño de poro entre 0,1 y 15 \mum.

2. Material cerámico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque contiene adicionalmente Al_{2}O_{3}.

3. Material cerámico de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque más de 95% de sus granos muestran un tamaño de grano entre 1 y 15 mm.

4. Material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 1 a 3, caracterizado porque su carga presenta una densidad volumétrica entre 0,2 y 1,0 g/cm^{3}.

5. Material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, caracterizado porque su carga muestra una superficie volumétrica entre 350 y 1500 m^{2}/l.

6. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por las etapas de producción siguientes:

(a)

Aglomeración de una mezcla que comprende

1,0 parte en peso de una materia prima cerámica, que comprende más de 40% en peso de SiO_{2} y 0,5-10% en peso de Na_{2}O+K_{2}O, y

0,5-1,5 partes en peso de aglomerante acuoso, que comprende agua y vidrio soluble con una relación en peso

\hbox{agua :}

vidrio soluble de 95 : 5 - 55 : 45

(b)

Secado y sinterización de los granos obtenidos en la etapa (a).

7. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la materia prima cerámica muestra 1 - 10% en peso de Al_{2}O_{3}.

8. Procedimiento para la producción de material cerámico de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la materia prima cerámica comprende una tierra de infusorios.

9. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la tierra de infusorios comprende 70 - 90% en peso de SiO_{2}, 0,5 - 4% en peso de K_{2}O+Na_{2}O y 4 - 10% en peso de Al_{2}O_{3}.

10. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 6 a 9, caracterizado porque el vidrio soluble comprende 8 - 10% en peso de Na_{2}O, 26 - 32% en peso de SiO_{2} y el resto agua.

11. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 6 a 10, caracterizado porque la relación materia prima cerámica a aglomerante acuoso es 1 : 0,8-1,2.

12. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 6 a 11, caracterizado porque la etapa b) implica un secado en el intervalo de temperaturas entre temperatura ambiente y 650ºC y subsiguiente sinterización a 650ºC (temperatura inicial) hasta 1000-1200ºC (temperatura final).

13. Procedimiento para la producción del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes 6 a 12, caracterizado porque en una etapa c) los granos sinterizados se clasifican conforme a un tamaño de grano de 1 - 15 mm.

14. Uso del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, para la filtración de agua.

15. Uso del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, para el almacenamiento de agua.

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16. Uso del material cerámico de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, para la adsorción de bacterias.