PL236411B1 - Filtr ceramiczny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest filtr ceramiczny, będący wielowarstwową dwustronną membraną ceramiczną, którego warstwę drenażową stanowi materiał ceramiczny o otwartej strukturze piankowej, na który nanoszone są kolejne warstwy filtracyjne, a po naniesieniu kolejnej warstwy lub kilku warstw filtracyjnych całość jest wypalana, a do wytworzenia poszczególnych warstw membrany i porowatej warstwy drenażowej stosuje się proszki ceramiczne, takie jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu, tlenek tytanu, mulit, spinel, węgliki, azotki.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest filtr ceramiczny będący dwustronną membraną ceramiczną z wewnętrzną warstwą drenażową.

Tego typu filtry stosowane są m.in. do uzdatniania wody, filtrowania zawiesin koloidalnych, usuwania olejów ze ścieków, filtracji napojów, takich jak wino i piwo oraz soków owocowych oraz do oczyszczania ścieków za pomocą reaktorów biologicznych membranowych.

Znane są filtry będące wielowarstwowymi, dwustronnymi membranami ceramicznymi, wykonywane w postaci płaskich paneli lub dysków, wytwarzane z takich materiałów, jak: tlenek aluminium (AI2O3), węglik krzemu (SiC), tlenek tytanu (TiO2) czy tlenek cyrkonu (ZrO2).

Powierzchnię zewnętrzną tego typu filtrów stanowi cienka, mikro- lub ultraporowata, ceramiczna warstwa decydująca o zdolnościach separacyjnych membran, tj. wielkości rozdzielanych cząste k. Pod nią znajduje się jedna lub dwie warstwy drobnoporowatego materiału ceramicznego o rosnących rozmiarach porów, poprzez które przesącz przedostaje się do porowatej warstwy środkowej i jest odprowadzany przez znajdujące się w niej kanaliki. Liczba i przekrój tych kanalików uzależniona jest od możliwości technicznych ich wytwarzania w warunkach produkcji. Największy opór hydrauliczny na drodze odpływu filtratu stanowi drobnoporowaty materiał pomiędzy kanalikami. Wielkość porów kształtowana jest przez dobór uziarnienia materiału, z którego jest wykonany i nie przekracza zwykle 100 μm. Strumień odprowadzanego filtratu jest limitowany przepuszczalnością materiału oraz liczbą i przekrojem kanalików W filtrach w postaci dysków ilość kanalików jest ograniczona ze względów konstrukcyjnych, a odległości między nimi znaczne, dlatego też to przepuszczalność porowatej warstwy środkowej dysku decyduje o ich wydajności.

W przypadku stosowania tego typu filtrów do filtracji z wykorzystaniem przepływu „cross-flow”, czyli szybkiego, stycznego przepływu zawiesiny wzdłuż powierzchni filtracyjnej. uzyskuje się efekt jej samooczyszczania, co skutkuje znacznym wzrostem szybkości filtracji. Jednakże o możliwości odbierania większego strumienia filtratu z wnętrza filtra w dalszym ciągu decydują opory przepływu filtratu w warstwie środkowej.

Dodatkową niedogodnością filtrów będących wielowarstwowymi, dwustronnymi membranami ceramicznymi z kanałami uformowanymi w materiale warstwy odprowadzającej filtrat jest mniejsza skuteczność czyszczenia (regeneracji) membrany z osadu metodą wymywania zwrotnego lub pulsacyjnego. Sposób ten sprawdza się w miejscach, w których droga pomiędzy kanałem a powierzchnią membrany jest najkrótsza, ze względu na najmniejsze straty ciśnienia. Ciecz myjąca płynie drogą o najmniejszych oporach przepływu, co w efekcie prowadzi do niepełnego lub nierównego oczyszczenia powierzchni membrany: najlepszego w strefach blisko kanałów i pogarszającego się wraz z oddalaniem się od nich.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie wyżej opisanych niedogodności. Cel ten osiągnięto, tworząc filtr ceramiczny, posiadający dwustronną membranę ceramiczną oraz wewnętrzną warstwę drenażową, której porowate powierzchnie stanowią podstawę nośną dla co najmniej jednej porowatej warstwy membrany, a każda utworzona jest przez spieczenie warstwy zawiesiny co najmniej jednego proszku materiału ceramicznego nałożonej na powierzchnię warstwy porowatej, charakteryzujący się tym, że warstwę drenażową stanowi materiał ceramiczny o otwartej strukturze piankowej zawierający piankę poliuretanową, a jako materiał ceramiczny zawiera proszek ceramiczny spośród tlenku glinu, tlenku cyrkonu, tlenku tytanu, mulitu, spinela, węglików, korzystnie węgliku krzemu i azotków.

Wysoka przepuszczalność warstwy drenażowej w filtrze według wynalazku, umożliwia efektywne odbieranie filtratu z całej warstwy odprowadzającej filtrat, a w przypadku regeneracji zapewnia równomierny rozpływ cieczy myjącej po całej powierzchni membrany, co daje jej pełne oczyszczenie i w efekcie uzyskanie znacznie wyższej wydajności filtracji z jednostki powierzchni filtracyjnej.

Sposób wytwarzania porowatej ceramiki o otwartej strukturze piankowej jest znany i polega na impregnacji elastycznej, polimerowej pianki właściwie spreparowaną zawiesiną zawierającą odpowiednio dobrane surowce ceramiczne w taki sposób, aby pokryła jedynie elastyczne mostki otaczające pory w piance. Tak przygotowane pianki poddaje się obróbce termicznej, w czasie której następuje wypalenie organicznego szkieletu i spieczenie powlekającego ją materiału ceramicznego. Średnica porów w tego typu tworzywie zależy od porowatości pianki poliuretanowej i może wynosić od 5 do 60 ppi (pores per inch - ilość porów na cal). Tego typu tworzywa ceramiczne stosowane są w praktyce odlewniczej do filtracji ciekłych metali.

PL236 411 Β1

Sposób instalacji warstwy drenażowej wewnątrz filtra polega na tym, że na jej powierzchnię: górną i dolną, nanosi się warstwy zawiesin z odpowiednio dobranych proszków ceramicznych spośród: tlenku glinu, tlenku cyrkonu, tlenku tytanu, mulitu, spineli, węglików, azotków. Rodzaj proszków, ilość warstw i charakterystyka uziarnienia w poszczególnych warstwach uzależnione są od przewidzianego zastosowania filtra. Nanoszenie pierwszej warstwy musi być wykonane w taki sposób, aby nie nastąpiło wypełnienie porowatej struktury warstwy drenażowej.

Istnieją dwa sposoby przygotowania warstwy drenażowej do nanoszenia kolejnych warstw zawiesin. Pierwszy polega na wytworzeniu i wstępnym wypaleniu porowatego materiału o otwartej strukturze piankowej, natomiast drugi zakłada powlekanie kolejnymi warstwami zawiesin porowatego materiału niewypalonego. W obu przypadkach, po naniesieniu kolejnych warstw zawiesin, całość jest wypalana.

Przykład 1

Przeprowadzono badania porównawcze dysku filtracyjnego wykonanego z SiC z 16 kanalikami o średnicy 1,2 mm do odprowadzania filtratu oraz dysku z SiC według wynalazku, o takim samym uziarnieniu membrany, z warstwą drenażową o strukturze piankowej (według wynalazku) i przeciętnej wielkości porów 10 ppi (tj. o średnicy 2,5-5 mm).

Powierzchnie filtracyjne obu dysków zostały ograniczone do dwustronnej powierzchni czynnej o średnicy zewnętrznej 150 mm i średnicy wewnętrznej 90 mm. Każdy z dysków charakteryzował się taką samą powierzchnią filtracyjną wynoszącą 0,023 m². Oba dyski zostały osadzone na rurze, stanowiącej kanał odpływu filtratu z wnętrza dysku. Koniec rury został połączony z pompą próżniową poprzez pośredni zbiornik do gromadzenia filtratu.

Do porównania oporów filtracji użyto wody destylowanej. Kolejno zwiększano podciśnienie wewnątrz dysków i mierzono ilość przepływającej wody w celu określenia strumienia cieczy przepływającej przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu.

Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli i na rysunku:

Podciśnienie [MPa]	Natężenie przepływu wody {mThj
Dysk filtracyjny z kanalikami	Dysk filtracyjny z warstwą drenażową o strukturze piankowej (wg wynalazku)
0,02	284	328
0,04	392	628
0,06	438	904

Zmtau» przepływ u wody w utlcineńi ud pedmaieah

PL 236 411 B1

Porównanie obu zależności natężenia przepływu wody od podciśnienia jednoznacznie wskazuje na fakt znacznie mniejszych oporów odpływu cieczy z wnętrza dysku, gdy zastosowano warstwę drenażowa o strukturze piankowej w miejsce kanalików. W przypadku dysku według wynalazku, w badanym zakresie ciśnień, stwierdzono prawie liniową zależność natężenia przepływu cieczy od stosowanego podciśnienia.

P r z y k ł a d 2

Przeprowadzono porównawcze badania filtracji wodnej zawiesiny węgla aktywnego o stężeniu masowym 0,2% za pomocą dysków jak w przykładzie 1. Podczas próby z podciśnieniem 0,06 MPa stwierdzono, że już początkowe szybkości filtracji są różne wynoszą odpowiednio 211 dm³/h dla dysku z kanalikami oraz 326 dm³/h dla dysku według wynalazku W wyniku narastania placka filtracyjnego, szybkość filtracji stopniowo spadała osiągając wartość praktycznie zerową po: 32 minutach dla dysku z kanalikami i 28 minutach w przypadku dysku wg wynalazku. Średnia szybkość filtracji była wyższa w przypadku dysku według wynalazku o 37%.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Filtr ceramiczny, posiadający dwustronną membranę ceramiczną oraz wewnętrzną warstwę drenażową, której porowate powierzchnie stanowią podstawę nośną dla co najmniej jednej porowatej warstwy membrany, a każda utworzona jest przez spieczenie warstwy zawiesiny co najmniej jednego proszku materiału ceramicznego nałożonej na powierzchnię warstwy porowatej, znamienny tym, że warstwę drenażową stanowi materiał ceramiczny o otwartej strukturze piankowej zawierający piankę poliuretanową, a jako materiał ceramiczny zawiera proszek ceramiczny spośród tlenku glinu, tlenku cyrkonu, tlenku tytanu, mulitu, spinela, węglików, korzystnie węgliku krzemu i azotków.