FI113246B - Menetelmä suodinmateriaalin valmistamiseksi ja suodinmateriaali - Google Patents

Description

113246

MENETELMÄ SUODINMATERIAALIN VALMISTAMISEKSI JA SUODIN-MATERIAALI

FÖRFARANDE FÖR FRAMSTÄLLNING AV FILTERMATERIAL OCH 5 FILTERMATERIAL

Keksintö koskee jäljempänä esitettyjen itsenäisten patenttivaatimusten johdanto-osan mukaista suodinmateriaalia ja menetelmää suodinmateriaalin valmistamiseksi.

10 Haja-asutusalueiden jätevesien käsittelyä pyritään lisäämään ja tehostamaan, jotta kyseisten jätevesien aiheuttamaa ympäristökuormitusta saadaan vähennettyä. Maasuodatus on yleisesti käytetty menetelmä haja-asutusalueiden jätevesien käsittelyyn. Maasuodatuksessa käytettävä maasuodatin on tilavuudeltaan rajattu, maahan kaivettu tai osittain pengerretty järjestelmä. Tyypillisesti maasuodattimen 15 kokonaiskorkeus on vähintään 2 metriä, ja sen tarvitsema pinta-ala vähintään 20 m2. Maasuodatin koostuu erilaisista kerroksista, joiden läpi kulkiessaan jätevesi puhdistuu. Käytetyn suodatinhiekkakerroksen pitää olla riittävän paksu, jotta tehokas vedenpuhdistus on mahdollista. Suodatinhiekan pitää myös olla oikeanlaista: liian hieno hiekka tukkii suodattimen, kun taas liian karkea hiekka ·' 20 huonontaa suodatustulosta. Perinteisesti on käytetty seulottua luonnonhiekkaa tai , *# sopivan raekoon omaavaa betonin valmistukseen tarkoitettua hiekkaa.

Ongelmana maasuodatuksessa on ollut maasuodattimien vaatima suuri pinta-ala, fosforiyhdisteiden, kuten fosfaattien ja bakteerien heikko sitoutuminen suodin- • · • ’ ‘ : 25 hiekkakerrokseen sekä suodinhiekkakerroksen puhdistustehon heikkeneminen aikaa l'.,, myöten. Varsinkin fosfaattien sitoutumisteho heikkenee maasuodattimissa ajan kuluessa. Fosfaattien sitoutumistehoa on yritetty parantaa maasuodattimissa ; lisäämällä suodatinhiekan joukkoon mm. kalkkia tai alumiini- tai rautayhdisteitä.

:**[: Tällöin on aikaansaatu parantunut fosfaattien adsorptoituminen suodatinmatriisiin.

30 Fosfaattien ja suodatinkerroksen välille syntynyt sidos on tällöin kuitenkin 2 113246 verrattain heikko, jolloin on vaarana, että fosfaatti vapautuu myöhemmin suodatin-kerroksesta, ja huonontaa suodatetun veden laatua.

Titaanidioksidin valmistuksessa sulfaattimenetelmällä syntyy sivutuotteena 5 huomattavia määriä rautapitoista kipsiä, joka luokitellaan jätteeksi. Tämän jätteen käyttö on ollut hankalaa. Rautapitoista kipsiä on käytetty maarakentamiseen sekä adsorptiomassana maasuodattimissa. Maasuodattimissa käytettynä tämä kipsi kuitenkin tekee suodatinkerroksesta liian tiiviin, ja näin heikentää maasuodattimen suodatustehoa.

10

Nyt esillä olevan keksinnön tavoitteena on aikaansaada sellainen järjestelmä ja menetelmä, jolla minimoidaan edellä mainitut tunnetussa tekniikan tasossa ilmenevät ongelmat ja epäkohdat.

15 Edellä olevat haitat saadaan poistettua, tai niitä vähennetään, ja edellä määritellyt tavoitteet saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä ja suodinmateriaalilla, joille on tunnusomaista se, mitä on määritelty jäljempänä esitettyjen itsenäisten : : patenttivaatimusten tunnusmerkkiosissa.

• * 20 Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada yksinkertainen ja halpa menetelmä . . suodinmateriaaliksi sopivien rakeiden valmistamiseksi.

Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada suodinrae, joka sitoo hyvin jätevedessä ; ·,: olevia metalleja, fosforia ja/tai fosfaattia.

25

Tarkoituksena on vielä aikaansaada suodin, joka hyvän suodatuskykynsä ansiosta mahdollistaa suodinalan pienentämisen ja joka soveltuu erinomaisesti haja-: : ’: asutusalueilla käytettäväksi.

113246 3

Keksinnön eräänä tarkoituksena on myös teollisuudessa, erityisesti pigmenttiteollisuudessa syntyvän jätteen hyötykäyttö.

Tyypillisessä keksinnön mukaisessa menetelmässä raemuotoisen materiaalin 5 valmistamiseksi - raaka-aineina käytettävä poltettu kalkki ja/tai dolomiitti ja kipsi sekoitetaan keskenään, jolloin veden läsnä ollessa seoksessa käynnistyy eksoterminen reaktio, - saadusta seoksesta muodostetaan rakeita rakeenmuodostusvälineessä, - rakeet poistetaan rakeenmuodostusvälineestä eksotermisen reaktion pysähdyttyä, tai 10 rakeet siirretään kuivatusjäijestelmään, josta ne poistetaan eksotermisen reaktion pääasiallisesti pysähdyttyä, ja - raaka-aineena käytetään kipsiä, joka on teollisuuden rautapitoista kipsijätettä.

Tyypillisen keksinnön mukaisen jäteveden puhdistukseen tarkoitetun suodinrakeen 15 valmistuksessa on käytetty raaka-aineena poltettua kalkkia ja/tai dolomiittia sekä rautapitoista kipsiä, joka on teollisuudesta saatavaa jätettä.

: Nyt on siis yllättäen huomattu, että erinomaisesti jäteveden puhdistukseen sopivia '· suodinrakeita voidaan valmistaa sekoittamalla keskenään poltettua kalkkia ja/tai ’ [ 20 dolomiittia ja rautapitoista kipsiä, jollaista syntyy teollisuuden, kuten titaanidioksidi- . . teollisuuden, jätteenä. Veden ollessa läsnä syntyy tällöin eksoterminen reaktio, joka . - ·. mahdollistaa seoksen kypsymisen esimerkiksi pyörivässä astiassa tai rummussa, ja näin saadaan aikaan rakeita, joilla on mm. hyvä fosforiyhdisteiden sitomiskyky. Näitä rakeita voidaan siis käyttää joko maasuodattimien jälkeisissä suodattimissa 25 tehostamaan fosforiyhdisteiden, kuten fosfaattien poistoa, tai niitä voidaan käyttää : .. korvaamaan maasuodattimet kokonaan. Koska keksinnön mukaiset rakeet sitovat tehokkaasti fosforiyhdisteitä, kuten fosfaatteja, suodattimien vaatimat pinta-alat ovat ‘: huomattavasti pienemmät kuin perinteisten maasuodattimien.

113246 4

Rautakipsillä tarkoitetaan tässä hakemuksessa materiaalia, joka sisältää kipsiä, rautahydroksidia ja reagoimatonta kalkkikiveä. Rautakipsi saattaa sisältää myös vaihtelevia määriä kosteutta, siis vettä. Rautakipsin tyypillinen esimerkinomainen kemiallinen koostumus pääainesosien osalta on seuraava: 5

Ca(S04)2 · 2 H20 65 - 70 paino-%

Fe(OH)3 15-20 paino-%

CaC03 7-13% 10 Tyypillisesti tällaista materiaalia syntyy mm. titaanidioksiditeollisuuden jätteenä huomattavia määriä. Tällöin rautakipsi saattaa sisältää myös 3-7 paino-% Ti02. Esillä olevassa keksinnössä edullisesti käytettävän rautakipsin partikkelikoko D50 on noin 10 μπι, D90 on noin 90 pm.

15 Tyypillisessä keksinnön mukaisessa menetelmässä rautakipsi sekoitetaan poltettuun kalkkiin CaO tai poltettuun dolomiittiin CaO · MgO. Keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa käytettävät raaka-aineet ovat kuivia sekoitushetkellä, koska : "· tällöin taataan mahdollisimman homogeeninen sekoitustulos. Raaka-aineet voidaan ' - " siis tarvittaessa kuivata ennen sekoitusta. Rautakipsi voidaan myös homogenisoida \ 20 ennen sen sekoittamista poltettuun kalkkiin ja/tai dolomiittiin. Sekoitus sinänsä . . voidaan suorittaa jollain tunnetulla, tarkoitukseen soveltuvalla sekoitus- .··*. menetelmällä. Raaka-aineiden sekoitukseen soveltuvat mm. erityyppiset lapa- sekoittimet, keskipakosekoittimet (’’impact mixers”), kuten Eirich- tai Lödige-:' .: sekoittimet, tai leikkaussekoittimet (’’shear mixers”), kuten ekstruuderit.

\ 25

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa sekoitettuihin raaka-aineisiin lisätään vettä, :: joka käynnistää eksotermisen reaktion. Mikäli raaka-aineet ovat riittävän kosteita i sekoitushetkellä, eli raaka-aineissa oleva luonnollinen kosteus on riittävän suuri :.,.: käynnistääkseen eksotermisen reaktion, ei erillistä veden lisäystä välttämättä tarvita.

30 Saatu raaka-aine/vesi-seos syötetään rakeenmuodostusvälineeseen, kuten pyörivään 113246 5 astiaan tai rumpuun, kuten esimerkiksi kiertouuniin tai kuivausrumpuun. Tällöin seos jäähtyy ja muovautuu rummun pyörimisliikkeen ansiosta rakeiksi. Hidas jäähdytys pyörivässä astiassa saa aikaan kestäviä rakeita, jotka soveltuvat hyvin suodinmateriaaliksi. Rakeet saavuttavat riittävän lujuuden jo Vi - 1 tunnin kuluessa 5 jäähdytyksen alkuhetkestä, ja noin yhdessä vuorokaudessa ne saavuttavat lopullisen lujuutensa. Rakeiden jäähdytysaika pyörivässä astiassa tai rummussa vaihtelee siis noin V-i tunnista yhteen vuorokauteen.

Raaka-aine/vesi-seos voidaan muovata rakeiksi myös kompaktorissa tai 10 ekstruuderissa. Tällöin saadut rakeet siirretään kuivatusjärjestelmään, josta ne poistetaan eksotermisen reaktion pääasiallisesti pysähdyttyä. Kuivatusjärjestelmänä voidaan käyttää esimerkiksi tasokuivainta. Raaka-aineiden kuivaamiseen soveltuu eräissä keksinnön suoritusmuodoissa myös leijukerroskuivain (’’fluid bed dryer”). Leijukerroskuivain soveltuu käytettäväksi esimerkiksi silloin kun raaka-aineineiden 15 sekoitukseen on käytetty ekstruuderia.

Keksinnön mukaisia rakeita voidaan valmistaa sekä jatkuvatoimisissa että seos-: ‘: reaktoreissa.

»* » ’ 20 Nyt esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa rakeita, . . jotka soveltuvat erinomaisesti käytettäväksi suodinyksikössä, joka voidaan asentaa ,···] tavanomaisen maasuodattimen jälkeen parantamaan maasuodattimen suodatus- tulosta. Saatuja rakeita voidaan käyttää myös suodinyksikössä, joka korvaa :' . · kokonaan maasuodattimen. Koska keksinnön mukaisten rakeiden fosforiyhdisteiden ' ( ): 25 poistokyky ja toiminta-aika ovat huomattavasti paremmat kuin maasuodattimessa tavanomaisesti käytettyjen suodinmateriaalien vastaavat ominaisuudet, voidaan : ': maasuodatin korvata huomattavasti pienemmällä suodinyksiköllä, jossa on käytetty : : ‘; keksinnön mukaisia rakeita. Tällainen suodinyksikkö voidaan useimmiten sijoittaa ; : myös kohteisiin, joissa maasuodattimen käyttö on mahdotonta sen vaatiman suuren 30 pinta-alan ja tilavuuden vuoksi.

113246 6

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan rakeiden raekoko on tyypillisesti 0,5-10 mm, edullisesti 1-8 mm, edullisimmin 2-5 mm. Kun rakeet ovat muovautuneet pyörivässä astiassa tai rummussa, ja eksotermisessa reaktiossa syntynyt lämpö on 5 jäähtynyt, rakeet poistetaan pyörivästä astiasta tai rummusta. Rakeiden katsotaan yleensä olevan riittävän jäähtyneitä ja saavuttaneen tarvittavan lujuuden silloin, kun ne eivät enää kehitä kalkin sammumisesta johtuvaa jälkilämpöä kasalla varastoitaessa. Rakeet voidaan haluttaessa seuloa, ja jakaa erillisiin jakeisiin. Näin voidaan varmistua siitä, että syntyneet rakeet ovat mahdollisimman tasakokoisia.

10 Samalla voidaan poistaa liian suuret ja liian pienet raefraktiot.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan muodostuneiden suodin-rakeiden käsittävät pääasiallisina ainesosina CaO ja Fe203. Kalsiumin määrä CaO:na laskettuna on normaalisti 32 - 47 paino-%, edullisemmin 34 - 40 paino-%.

15 Rautaoksidin ja/tai -hydroksidin määrä Fe203:na laskettuna on 8 - 13 paino-%, edullisemmin 8,5 - 10,5 paino-%. Yleensä suodinrakeissa on myös pienempiä määriä Si02, Ti02 ja rikkiä.

:. 'ί Keksinnön mukaisten rakeiden etuna on myös niiden tasalaatuisuus, mikä takaa * ‘ 20 suodatustuloksen. Samoin raekoko on helppo optimoida sekoitusolosuhteita, kuten . . esimerkiksi sekoitusnopeutta ja leikkausvoimia, muutamalla sellaiseksi, että sillä ,·*·* saavutetaan paras mahdollinen suodatustulos. Nykyisin käytettävien suodinhiekan ja muiden vastaavien materiaalien ongelma on ollut niiden epähomogeenisuus, : ’ . * erityisesti silloin kun suodinhiekan fosforinpoistokykyä on yritetty lisätä ‘t: 25 sekoittamalla siihen muita aineita.

t :, : Eräässä toisessa keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa menetelmässä käytettävät : raaka-aineet, erityisesti rautakipsi, on kosteaa tai märkää sekoitushetkellä.

S I I · : ,,: Käytettäessä kosteita raaka-aineita ei välttämättä tarvita erillistä vedenlisäystä ekso- 113246 7 termisen reaktion aikaansaamiseksi, vaan raaka-aineissa oleva vesi käynnistää kyseisen reaktion. Toisissa tapauksissa käytetyn veden määrää voidaan vähentää.

Tyypillisesti keksinnössä käytettävä raaka-aineseos sisältää poltettu kalkkia ja/tai 5 dolomiiittia 12 - 22 paino-%, rautakipsiä 48 - 63 paino-% sekä vettä 24 - 33 painoni. Yleensä rautapitoisen kipsijätteen ja poltetun kalkin ja/tai dolomiitin sekoitussuhde on 2,5:1 - 5:1, edullisemmin 2,5:1 - 3,3:1.

Keksinnön erään tyypillisen suoritusmuodon mukaan jäteveden puhdistus, erityisesti 10 metalli- ja/tai fosforiyhdisteiden poistaminen jätevedestä, tapahtuu siten, että suodin-elimeen jäljestetään suodattavaa materiaalia, jonka läpi puhdistettava vesi jäljestetään virtaamaan. Tällöin jätevedessä olevat epäpuhtaudet, erityisesti fosforiyhdisteet adsorboituvat ja/tai sitoutuvat saostumisen kautta suodattavaan materiaaliin eli matriisiin, ja puhdistettu vesi voidaan poistaa suodinelimestä. Suodinelimeen on 15 edullista jäljestää keksinnön mukaista raemaista suodinmateriaalia, jonka valmistuksessa on käytetty raaka-aineena poltettua kalkkia ja/tai dolomiittia sekä rautapitoista kipsiä. Suodinelin on tyypillisesti riittävän iso suodinsäiliö, tai muu :": vastaava tarkoitukseen soveltuva järjestelmä. Tämä menetelmä soveltuu erityisesti :: haja-asutusalueilta, kuten esimerkiksi maatiloilta tai kaatopaikoilta, tulevien jätevesien • [ 20 puhdistukseen.

Keksinnön toimivuutta havainnollistetaan seuraavien esimerkkien avulla, jotka eivät rajoita keksinnön suoja-piiriä. Esimerkeissä on esitetty tyypillisiä jäteveden . · käsittelyyn sopivien rakeiden koostumuksia, jotka mahdollistavat sekä adsorboivan 25 että kemiallisesti reagoivan rakeisen materiaalin aikaansaamisen. Esimerkkien koostumukset voidaan mitoittaa suuremmiksi laitekannan mukaan.

30 g 113246 ESIMERKKI 1 10 osaa kuivattu rautakipsiä ja 3 osaa poltettua kalkkia sekoitettiin Eirich-tyyppisessä sekoittimessa homogeeniseksi seokseksi. Tämän jälkeen lisättiin noin 5 4,5 osaa vettä koko ajan sekoittaen, jolloin alkoi muodostua rakeita. Riippuen kalkin aktiivisuudesta (CaO^t ) tarvittava vesimäärä on yleensä samaa kokoluokkaa kuin poltetun kalkin määrä. Vesimäärällä voidaan myös haluttaessa säätää raekokoa. Lisäämällä veden määrää seoksessa voidaan raekokoa kasvattaa.

10 ESIMERKKI 2 2,5 osaa kuivaa rautakipsiä lietettiin veteen siten että kuiva-aineen määräksi saatiin 64 paino-%. 1 osa poltettua kalkkia lisättiin rautakipsilietteeseen koko ajan sekoittaen. Sekoittimena käytetiin Hobart-planetaarisekoitinta.

15

Saadun lopputuotteen koostumus käy ilmi taulukosta 1.

= = ESIMERKKI 3.

20 Rakeet valmistettiin kuten esimerkissä 2, mutta lähtöaineena käytetiin . . kuivaamatonta rautakipsiä, jonka kosteus oli 25-30 %.

Kaikki em. esimerkkien mukaiset reaktiot ovat eksotermisia ja vapauttavat lämpöä. /.: Lämpö osaltaa riittää rakeiden kuivumiseen. Hallittu kuivatus tasokuivaimessa tai .: 25 rummussa parantaa saantoa. Rakeet saavuttavat lopullisen lujuuden noin ... vuorokauden kuluttua. Seulonta voidaan tehdä joko kuivauksen jälkeen tai rakeiden v saavuteetua lopullisen lujuutensa varastokasalla. Kaupallinen raekoko on : tyypillisesti 1-8 mm.

113246 9

Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksintö rajoitu pelkästään edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan keksintö voi vaihdella jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten rajoissa.

« , * 113246 10

Taulukko 1. Esimerkissä 2 tuotetun lopputuotteen koostumus analysoituna XRF:llä (%).

ainesosa %

CaO 4Ö51

Si02 Ϊ66

Ti02 2^93 A1203 Ö95

Fe203 8,82

MgO Ö6Ö K20 Ö18

Na20 ÖJ4

MnO ÖÖ91 ~P 0,014

~S ÖH

hehkutushäviö 23,8 5 * s »

Claims (14)

1. Jäteveden puhdistukseen tarkoitettu suodinrae, tunnettu siitä, että suodinrakeen valmistuksessa on käytetty raaka-aineena poltettua kalkkia ja/tai dolomiittia sekä 5 rautapitoista kipsiä, joka on teollisuudesta saatavaa jätettä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suodinrae, tunnettu siitä, että sen raekoko on tyypillisesti 0,5-10 mm, edullisesti 1-8 mm, edullisimmin 2-5 mm.

3. Menetelmä raemuotoisen suodinmateriaalin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että - raaka-aineina käytettävä poltettu kalkki ja/tai dolomiitti ja kipsi sekoitetaan keskenään, jolloin veden läsnä ollessa seoksessa käynnistyy eksoterminen reaktio, - saadusta seoksesta muodostetaan rakeita rakeenmuodostusvälineessä, 15. rakeet siirretään kuivatusjärjestelmään, josta ne poistetaan eksotermisen reaktion pääasiallisesti pysähdyttyä tai rakeet poistetaan rakeenmuodostus-välineestä eksotermisen reaktion pääasiallisesti pysähdyttyä, ja että .,,,: - raaka-aineena käytetään kipsiä, joka on teollisuuden rautapitoista kipsijätettä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään rautapitoista kipsijätettä, joka käsittää 65 - 70 % Ca(S04)2 · 2 H20, 15 -M 20 % Fe(OH)3 ja 7 - 13 % CaC03. i * I

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rakeenmuodostus-25 välineenä käytetään pyörivää astiaa tai rumpua, jolloin pyörivän astian tai rummun > pyörimisliike muovaa seoksesta rakeita.

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rakeenmuodostus-välineenä käytetään kompaktoria tai ekstruuderia. 30 113246

7. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eksotermisen reaktion käynnistävä vesi lisätään kalkin ja/tai dolomiitin ja rautapitoisen kipsijätteen seokseen.

8. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eksotermisen reaktion käynnistävä vesi sisältyy rautapitoiseen kipsijätteeseen luonnollisena kosteutena.

9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että raaka-aineena 10 käytettävä rautapitoinen kipsijäte kuivataan ennen sen sekoittamista kalkkiin ja/tai dolomiittiin.

10. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rautapitoisen kipsijätteen ja poltetun kalkin ja/tai dolomiitin sekoitussuhde on 2,5:1 - 5:1, 15 edullisimmin 2,5:1-3,3:1.

11. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä , .: sekoitetaan keskenään 48 - 63 paino-% rautapitoista kipsiä, 12-22 paino-% poltettua :' . · kalkkia tai dolomiittia, sekä 24 - 33 paino-% vettä. Γ 7 20

·' : 12. Suodin fosforiyhdisteiden poistamiseksi jätevedestä, tunnettu siitä, että suotimen • suodinosa käsittää suodinrakeita, joiden valmistuksessa on käytetty raaka-aineena ”·’ poltettua kalkkia ja/tai dolomiittia sekä rautapitoista kipsiä, joka on teollisuudesta . saatavaa jätettä. 25

13. Menetelmä jäteveden puhdistamiseksi, erityisesti fosforiyhdisteiden poistamiseksi jätevedestä, jossa menetelmässä - suodatinelimeen järjestetään suodattavaa materiaalia, 113246 - puhdistettava vesi järjestetään virtaamaan suodatinelimeen järjestetyn suodattavan materiaalin läpi, jolloin jätevedessä olevat epäpuhtaudet, erityisesti fosforiyhdisteet adsorboituvat ja/tai sitoutuvat suodattavaan materiaaliin, - suodatinelimen läpijohdettu puhdistettu vesi poistetaan suodinelimestä, 5 tunnettu siitä, että suodinelimeen jäljestetään raemaista suodinmateriaalia, jonka valmistuksessa on käytetty raaka-aineena poltettua kalkkia ja/tai dolomiittia sekä rautapitoista kipsiä.

14. Vaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhdistettava vesi on 10 haja-asutusalueelta, kuten maatiloilta tai kaatopaikoilta, tulevaa jätevettä. 1 t * » 113246