共燒結(jié)的復(fù)合材料、制備共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法和使用共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法
【專利說明】共燒結(jié)的復(fù)合材料、制備共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法和使用 共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法
[0001] 要求優(yōu)先權(quán)/通過引用結(jié)合 該P(yáng)CT國(guó)際申請(qǐng)要求2012年6月26日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/664, 395號(hào)的優(yōu)先權(quán)， 并且該美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)通過全文引用結(jié)合到本文中。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及共燒結(jié)（co-agglomerated)的復(fù)合材料、制備共燒結(jié)的復(fù)合材料的方 法和使用共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法。更具體地講，本發(fā)明涉及可用于過濾應(yīng)用中的共燒結(jié) 的復(fù)合材料及制備和使用這類共燒結(jié)的復(fù)合材料的方法。
[0003] 背景 在許多過濾應(yīng)用中，過濾裝置可包括例如隔板的過濾元件和助濾材料。該過濾元件可 以使得其可支撐助濾材料的任何形式。例如，該過濾元件可包括用充分細(xì)的編織式樣的塑 料或金屬織物覆蓋的圓柱形管或圓片樣（wafer-like)結(jié)構(gòu)。該過濾元件可為具有過濾元 件孔隙的多孔結(jié)構(gòu)，從而允許某一尺寸的材料穿過過濾裝置。該助濾材料可包含一種或多 種過濾組分，其例如可為無機(jī)粉末或有機(jī)纖維材料。這樣的助濾材料可與過濾元件組合使 用以增強(qiáng)過濾性能。
[0004] 例如，在被稱為"預(yù)涂"的方法中，可將該助濾材料最初施用到過濾元件的隔板上。 預(yù)涂通?？砂ɑ旌纤椭鸀V材料的漿料，并將該漿料引入流經(jīng)該隔板的物流中。在該過 程期間，助濾材料的薄層（例如，約1.5mm-約3. Omm)最后可沉積在該隔板上，因此形成過 濾裝置。
[0005] 在流體的過濾期間，在該流體中的各種不溶性顆?？杀恢鸀V材料捕集。助濾材料 和待除去的顆粒和/或成分的組合層聚積在該隔板的表面上。這些組合層被稱為"濾餅"。 隨著越來越多的顆粒和/或成分沉積在濾餅上，該濾餅可變得被碎肩飽和，達(dá)到流體不再 能夠穿過隔板的程度。
[0006] 為了對(duì)抗該情形，可使用被稱為"主體進(jìn)料（body feeding)"的方法。主體進(jìn)料是 在流體到達(dá)濾餅之前將另外的助濾材料引入待過濾的流體中的方法。該助濾材料將沿著未 過濾流體的路徑且最終到達(dá)濾餅。在到達(dá)濾餅后，加入的助濾材料將以類似于在預(yù)涂過程 期間助濾材料如何與隔板結(jié)合的方式與濾餅結(jié)合。該另外的助濾材料層可造成濾餅溶脹并 增厚，并且可增加濾餅截留另外碎肩的能力。該助濾劑典型地具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，這保持 了濾餅中的開放結(jié)構(gòu)，因此確保濾餅的持續(xù)滲透。
[0007] 在流體過濾領(lǐng)域中，可將硅藻土和天然玻璃用作助濾劑。硅藻土產(chǎn)物可從硅藻土 (也稱作"DE"或"硅藻土"）中得到，其通常被稱為以硅藻的硅質(zhì)骨架（藻殼）形式的生物 源二氧化硅（即，由活有機(jī)體生成或產(chǎn)生的二氧化硅）富集的沉積物。硅藻是具有包括兩 個(gè)殼瓣的變化且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的華麗硅質(zhì)骨架的通常屬于硅藻綱的微觀單細(xì)胞金褐藻的多 種陣列，這兩個(gè)殼瓣在活硅藻中裝配在一起，很像藥丸盒。
[0008] 硅藻土可由水生硅藻的殘骸形成，因此，硅藻土沉積物可在當(dāng)前或先前的水體附 近見到。那些沉積物通常基于來源：淡水和咸水而被分成兩類。淡水硅藻土通常從干湖床 開采并且可表征為具有低結(jié)晶二氧化硅含量和高鐵含量。相比之下，咸水硅藻土通常從海 洋地區(qū)獲取并且可表征為具有高結(jié)晶二氧化硅含量和低鐵含量。
[0009] 常稱為"火山玻璃"的天然玻璃通常通過快速冷卻硅質(zhì)巖漿或熔巖形成。幾種類 型的天然玻璃是已知的，例如包括珍珠巖、浮石、浮巖、黑曜巖、松脂巖和火山灰。在加工之 前，珍珠巖可為灰至綠色的，具有導(dǎo)致其破碎成小珍珠狀物質(zhì)的豐富的球形裂縫。珍珠巖在 加工時(shí)可能熱膨脹。浮石是輕質(zhì)玻璃質(zhì)泡狀巖石。黑曜巖可為黑色的，具有玻璃光澤和特 征性貝殼狀斷面。松脂巖具有蠟質(zhì)樹脂光澤且可為褐色、綠色或灰色的。例如珍珠巖和浮 石的火山玻璃在塊狀礦床（massive deposit)中出現(xiàn)并且發(fā)現(xiàn)了廣泛的商業(yè)用途。在以強(qiáng) 化形式時(shí)常稱為"凝灰（tuff) "的火山灰可包含可以玻璃質(zhì)形式的小顆?；蛩槠?br>[0010] 在過濾領(lǐng)域中，從流體中分離顆粒的方法可采用硅藻土產(chǎn)物或天然玻璃產(chǎn)物作為 助濾劑。硅藻土獨(dú)有的復(fù)雜且多孔的結(jié)構(gòu)在一些情況下可在過濾過程中有效地物理截留顆 粒。已知采用硅藻土產(chǎn)物來改進(jìn)表現(xiàn)出"混濁度（Turbidity)"或含有懸浮顆?；蛭⒘Ｎ镔|(zhì) 的流體的透明度。"混池度"是流體的混池度（cloudiness)或渾池度（haziness)，其中混 濁可由懸浮在流體中的單個(gè)顆粒所引起。可導(dǎo)致流體混濁的材料例如包括粘土、淤泥、有機(jī) 物質(zhì)、無機(jī)物質(zhì)和微觀生物體。
[0011] 硅藻土和天然玻璃可在過濾的各種方面中使用。例如，作為預(yù)涂的一部分，可將硅 藻土或天然玻璃產(chǎn)物施用到過濾隔板以幫助實(shí)現(xiàn)例如以下各項(xiàng)中的任一項(xiàng)或多項(xiàng)：保護(hù)隔 板、改進(jìn)透明度和加快濾餅去除。作為主體進(jìn)料的一部分，可將硅藻土或天然玻璃直接加到 待過濾的流體中以幫助實(shí)現(xiàn)例如以下任一項(xiàng)或兩項(xiàng)：增加流速和延長(zhǎng)過濾周期。根據(jù)具體 分離方法的需求，可將硅藻土或天然玻璃用于包括但不限于預(yù)涂階段和主體進(jìn)料階段的多 個(gè)階段中。
[0012] 已知的硅藻土或天然玻璃產(chǎn)物可能受困于許多特性，這些特性使得它們不適合過 濾用途，導(dǎo)致它們不是期望的，或者導(dǎo)致它們?cè)谔囟☉?yīng)用如過濾應(yīng)用中具有不良或可改進(jìn) 的性能。例如，已知的硅藻土或天然玻璃產(chǎn)物可具有高結(jié)晶二氧化硅含量、高雜質(zhì)含量和低 滲透率中的至少一項(xiàng)。因此，可能期望改進(jìn)硅藻土或天然玻璃產(chǎn)物，使得它們?cè)谥付ǖ膽?yīng)用 中具有改進(jìn)的性能，例如，在過濾應(yīng)用中，較低的雜質(zhì)含量和/或較高的滲透率。
[0013] 概述 根據(jù)第一方面，復(fù)合助濾劑包含硅藻土、天然玻璃和沉淀二氧化硅黏合料，其中所述 助濾劑具有2-20達(dá)西的滲透率。例如，所述助濾劑具有9-20達(dá)西或15-20達(dá)西的滲透 率。所述硅藻土可從淡水源或咸水源得到。根據(jù)另一方面，所述硅藻土包括煅燒的硅藻土 和助熔劑煅燒的硅藻土中的至少一種。所述天然玻璃可包括珍珠巖、火山灰、浮石、白州砂 (shirasu)、黑曜巖、松脂巖和稻殼灰中的至少一種。所述沉淀二氧化硅黏合料可包括硅酸 鈉和/或硅酸鉀。
[0014] 根據(jù)另一方面，所述復(fù)合助濾劑具有10-30微米的d1(l、30-70微米的d5(l和80-120 微米的d9(l。所述娃藻土具有5-15微米的d1(l、20-70微米的d5(l和50-130微米的d 9(l。所述 天然玻璃具有10-30微米的d1(l、15-80微米的d5(l和50-150微米的d 9。。
[0015] 根據(jù)再一方面，所述硅藻土與所述天然玻璃的重量比率為1:99至99:1。例如，所 述硅藻土與所述天然玻璃的重量比率為1:3至3:1。
[0016] 根據(jù)另一方面，所述復(fù)合助濾劑具有5m2/g-50m2/g的BET表面積。根據(jù)再一方面， 所述復(fù)合助濾劑具有5-35微米的中值孔徑和5-40m 2/g的表面積。根據(jù)另一方面，所述復(fù) 合助濾劑的孔隙度為3-7L/mg。
[0017] 根據(jù)又一方面，所述復(fù)合助濾劑具有如通過ASBC測(cè)量小于5ppm的啤酒可溶性鐵 含量。例如，所述助濾劑具有如通過ASBC測(cè)量小于Ippm的啤酒可溶性鐵含量。
[0018] 根據(jù)再一方面，所述助濾劑具有小于20重量％的方英石含量。例如，所述助濾劑 具有小于10重量％、小于6重量％或小于1重量％的方英石含量。
[0019] 根據(jù)另一方面，所述助濾劑具有10-161bs/ft3的濕密度。根據(jù)另一方面，所述助 濾劑具有9-151bs/ft 3的濕密度。
[0020] 根據(jù)再一方面，復(fù)合助濾劑包含硅藻土、珍珠巖和沉淀二氧化硅黏合料，其中所述 助濾劑具有小于151bs/ft 3的濕密度。
[0021] 根據(jù)又一方面，制備復(fù)合材料的方法包括共混硅藻土和珍珠巖，將堿金屬硅酸鹽 加到所述共混的硅藻土和珍珠巖中并使所述堿金屬硅酸鹽作為黏合料沉淀以制備所述復(fù) 合材料。所述方法還可包括將所述堿金屬硅酸鹽分散在水中。例如，所述方法還可包括在 將所述堿金屬硅酸鹽加到所述共混的硅藻土和珍珠巖中之前將所述堿金屬硅酸鹽分散在 水中。所述方法還可包括混合所述堿金屬硅酸鹽與所述共混的硅藻土和珍珠巖。所述方法 還可包括將所述混合的堿金屬硅酸鹽和共混的硅藻土和珍珠巖分級(jí)。所述方法還可包括干 燥所述混合的堿金屬硅酸鹽和共混的硅藻土和珍珠巖。例如，所述干燥可包括將所述混合 的堿金屬硅酸鹽和共混的硅藻土和珍珠巖加熱到100°c -200°c的溫度。所述方法還可包括 在干燥所述混合物之后將所述混合物分級(jí)。所述方法還可包括，在共混硅藻土和珍珠巖之 前，煅燒所述硅藻土。
[0022] 根據(jù)再一方面，過濾飲料的方法包括使用復(fù)合助濾劑和/或復(fù)合材料。例如，所述 復(fù)合助濾劑可包含硅藻土、天然玻璃和沉淀二氧化硅黏合料，其中所述助濾劑具有2-20達(dá) 西的滲透率。所述復(fù)合助濾劑可包含硅藻土、珍珠巖和沉淀二氧化硅黏合料，其中所述助濾 劑具有小于151bs/ft 3的濕密度。
[0023] 應(yīng)理解，以上概述與以下詳述兩者都只是例示性和說明性的，而并未限制如所要 求保護(hù)的本發(fā)明。
[0024] 附圖簡(jiǎn)述 圖1為根據(jù)復(fù)合材料的一個(gè)例示性實(shí)施方案硅藻土和珍珠巖的共燒結(jié)顆粒的實(shí)例的 掃描電子顯微照片； 圖2為描繪四種例示性助濾劑的壓力對(duì)過濾時(shí)間的曲線圖； 圖3為描繪在圖2中顯示的四種例示性助濾劑的混濁度對(duì)過濾時(shí)間的曲線圖。
[0025] 例示性實(shí)施方案的描述 根據(jù)一些實(shí)施方案，復(fù)合材料可包含硅藻土和天然玻璃的共燒結(jié)物。例如，可將硅藻土 和天然玻璃共混并使其與二氧化硅黏合料的溶液接觸，從而使共混的硅藻土和天然玻璃共 燒結(jié)。該復(fù)合材料可作為例如助濾劑使用。所得助濾劑可表現(xiàn)出增加的滲透率和/或降低 的混濁度。雖然不希望受理論限制，但認(rèn)為硅藻土和天然玻璃的共燒結(jié)產(chǎn)生彼此附著的硅 藻土和天然玻璃顆粒，以形成相對(duì)于沒有共燒結(jié)的硅藻土和天然玻璃顆粒的共混物而言較 大的顆粒。
[0026] 根據(jù)一些實(shí)施方案，復(fù)合助濾劑包含硅藻土、天然玻璃和沉淀二氧化硅黏合料，其 中該助濾劑具有2-20達(dá)西的滲透率。例如，該助濾劑具有9-20達(dá)西或15-20達(dá)西的滲透 率。該硅藻土可從淡水源或咸水源得到。根據(jù)一些實(shí)施方案，該硅藻土包括煅燒的硅藻土 和助熔劑煅燒的硅藻土中的至少一種。該天然玻璃可包括珍珠巖、火山灰、浮石、白州砂、黑 曜巖、松脂巖和稻殼灰中的至少一種。根據(jù)一些實(shí)施方案