DE19520367A1 - Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter aus einer mit einem Polyurethan-Bindemittel gebundenen Feststoffschicht zur Fassung und Hebung von Grundwasser zur Aufbereitung von Brauch- und Trinkwasser bzw. zur Infiltration von Wasser in den Boden und zur Abriegelung von Wasseradern sowie seine Herstellung und Verwendung.

Derartige Filter mit einer Durchflußrate von 0 bis 3 m³/min·m² sind bekannt. So wird in der DE 43 10 725 ein Filter aus einer mit Polyurethan-Klebstoff gebundenen Feststoffschicht aus Quarzsand beschrieben. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan-Bin­ demittel neben dem Polyol und dem Polyisocyanat eine zinnorganische Verbindung mit einer Molmasse von mehr als 600 als Katalysator und eine Mischung von hochdisperser Kieselsäure und/oder Bentonite mit einer Andickung von Alumino-Silikaten als Modifizierungsmittel enthält.

In der älteren Anmeldung DE 44 45 382 wird ebenfalls aus einem Polyurethan-Bindemittel und Quarzsand ein Filter hergestellt. Durch Zusatz von Wasser in das Polyol wird die Wasserdurchlässigkeit des Filters stark herabgesetzt.

In beiden Fällen wird als Filtermaterial Quarzsand bzw. Kies ver­ wendet. Andere Filtermaterialien werden nicht genannt. Die daraus hergestellten Filtermaterialien haben ein hohes Gewicht, was sich insbesondere bei einem Transport und beim Zusammenbau der Brunnen aus den einzelnen Filterelementen negativ bemerkbar macht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik bestand die Aufgabe darin, Filter mit geringerem Gewicht und dennoch ausreichender Festigkeit bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist den Patentansprüchen zu entnehmen. Sie besteht insbesondere darin, daß als zu bindender Feststoff (Filtermaterial) Schaumglas verwendet wird.

Unter Schaumglas ist ein erstarrter Glasschaum mit luftdicht ge­ schlossenen Zellen zu verstehen, die mit Gas gefüllt sind. Das Schaumglas liegt in runden, vorzugsweise kugelförmigen Partikeln vor. Ihre Korngröße liegt im Bereich von 0,2 bis 16 mm, insbeson­ dere im Bereich von 0,5 bis 4 mm. Bei den großen Teilchen beträgt die Kornrohdichte ca. 0,25 kg/dm³ und bei den kleineren Teilchen beträgt sie ca. 0,75 kg/dm³. Vorzugsweise liegt sie im Bereich von 0,3 bis 0,5 kg/dm³. Die Kornfestigkeit der Glasschaumpartikel liegt im Bereich zwischen 2 und 20 KM nach Ghost, insbesondere zwischen 10 und 15. Das Schüttgewicht der Schaumglasteilchen liegt im Be­ reich zwischen 100 und 400 kg/m³, insbesondere im Bereich von 150 bis 300 kg/m³.

Bei dem Glas handelt es sich um anorganische Gläser, die vor allem auf den Oxiden folgender Metalle basieren: Si, Al, Ca, Mg, Na und K.

Der Glasschaum kann sowohl synthetisch hergestellt werden als auch natürlichen Ursprungs sein. Bei den natürlichen Glasschäumen sind insbesondere Tuffe zu nennen. Verwendbar ist auch Bimssand oder -kies und Blähton.

Das Mengenverhältnis von Schaumglas : Polyurethan-Bindemittel ist kleiner als 5 : 1, insbesondere kleiner als 3 : 1.

Unter "Polyurethan-Bindemittel" wird ein Klebstoff verstanden, der aus Polyisocyanaten, Polyolen, Katalysatoren, Modifizierungsmitteln und Füllstoffen sowie gegebenenfalls Wasser besteht. Bevorzugt wird ein Zweikomponenten-Polyurethan-Klebstoff eingesetzt, wobei ein niedermolekulares Polyisocyanat und ein gleichfalls verhältnismäßig niedrigmolekulares Polyol, das die weiteren Additive enthält, erst kurz vor ihrer Verwendung gemischt werden.

Zur Herstellung des Polyurethan-Klebstoffes kommen insbesondere die an sich bekannten Polyhydroxy-Polyether des Molekulargewichtsbe­ reiches von 60 bis 10 000, vorzugsweise 70 bis 6000 mit 2 bis 10 Hydroxylgruppen pro Molekül in Frage. Derartige Polyhydroxypolyether werden in an sich bekannter Weise durch Alkoxylierung von geeigneten Startermolekülen erhalten, z. B. von Wasser, Propylenglykol, Ethylenglykol, Glycerin, Trimethylolpropan. Geeignete Alkoxylierungsmittel sind insbesondere Propylenoxid und eventuell auch Ethylenoxid.

Der Wassergehalt liegt im Bereich von 0 bis 7,5 Gew.-%, bezogen auf die Polyol-Komponente. Wenn Filter mit einer hohen Wasserdurchläs­ sigkeit hergestellt werden sollen, so sollte der Wassergehalt unter 0,3 Gew.-% liegen und möglichst 0 Gew.-% betragen. Wenn dagegen die Wasserdurchflußrate niedrig oder gar praktisch 0 sein soll, dann ist ein Wassergehalt von mehr als 0,3 Gew.-% anzuwenden, insbeson­ dere 0,5 bis 2,5 Gew.-%.

So liegt die Wasserdurchflußrate bei 3 m³/min·m², wenn 2 Gew.-Teile Schaumglas mit 1 Gew.-Teil Bindemittel ohne Wasser ein­ gesetzt werden, und bei 0 m³/min·m², wenn das Bindemittel 1,1% Wasser enthält.

Als Polyisocyanate sind alle mehrwertigen aromatischen und aliphatischen Isocyanate geeignet. Vorzugsweise enthalten sie im Mittel 2 bis höchstens 4 NCO-Gruppen. Aromatische Isocyanate werden bevorzugt, insbesondere Diphenylmethandiisocyanat. Das Polyisocyanat wird mit einem bis zu 30%igem Überschuß an Isocyanat, bezogen auf das Polyol eingesetzt, vorzugsweise mit einem 10 bis 25%igem Überschuß.

Das Polyurethan-Bindemittel enthält neben einem Polyol/Wasser-Gemisch und einem Polyisocyanat eine zinnorganische Verbindung mit einer Molmasse von mehr als 600 als Katalysator und eine hochdisperse Kieselsäure und/oder Bentonite.

Als Katalysator wird eine zinnorganische Verbindung eingesetzt. Unter einer "zinnorganischen Verbindung" wird eine Verbindung mit einer oder mehreren Sn-C-Bindungen verstanden. Konkrete Verbin­ dungen sind: Dibutyl- und Dioctyl-zinndilaurat, Dioctyl-zinndi- 2-ethylhexoat, Dibutyl- und Dioctyl-zinndistearat, Dibutyl- und Dioctyl-zinndidodecylthiolat, Butyl- und Octyl-zinntris(thio­ glykolsäure-2-ethylhexoat), Dibutyl- und Dioctyl-zinnbis(thio­ glykolsäure-2-ethylhexoat), Tributyl- und Trioctyl-zinn(thio­ glykolsäure-2-ethylhexoat) sowie Tributyl- und Trioctyl-zinntris- (thioethylenglykol-2-ethylhexoat), Tributyl- und Trioctyl-zinn­ bis(thioethylenglykol-2-ethylhexoat), Tributyl- und Trioctyl­ zinn(thioethylenglykol-2-ethylhexoat) mit der allgemeinen Formel R_nSn(S-CH₂CH₂OCOC₈H₁₇)_4-n, wobei R eine Alkylgruppe mit 4 bis 8 C-Atomen ist, Bis(β-methoxycar­ bonyl-ethyl)zinn-bis(thioethylenglykol-2-ethylhexoat, -zinn­ bis(thioglykolsäure-2-ethylhexoat), -zinndilaurat, -zinndidodecylthiolat und Bis(β-acetyl-ethyl)zinn-bis(thio­ ethylenglykol-2-ethylhexoat), -zinn-bis(thioglykolsäure-2- ethylhexoat), -zinndilaurat und -zinndidodecylthiolat.

Die zinnorganischen Verbindungen können einzeln oder im Gemisch eingesetzt werden, und zwar in einer Menge von 0,001 bis 0,5, vor­ zugsweise 0,01 bis 0,25 Gew.-%, bezogen auf das Polyol.

Unter "hochdisperser Kieselsäure" wird eine Kieselsäure mit über 99,8 Gew.-% SiO₂-Gehalt verstanden, die durch Hydrolyse von Siliciumtetrachlorid in einer Knallgasflamme hergestellt wurde. Sie ist z. B. unter dem Warenzeichen "Aerosil" im Handel erhältlich.

Unter "Bentonite" sind verunreinigte Tone zu verstehen, die durch Verwitterung vulkanischer Tuffe entstanden sind. Insbesondere wer­ den Produkte mit dem Warenzeichen "Bentone" eingesetzt.

Zur Herstellung von Filtern mit hoher Wasserdurchflußrate wird eine "Andickung von Alumino-Silikaten" eingesetzt. Bevorzugt ist die Absorber-Paste, insbesondere auf der Basis von Ricinusöl. Damit soll Feuchtigkeit in den PUR-Komponenten unschädlich gemacht wer­ den. Die Alumo-Silikat-Konzentration richtet sich nach der zu er­ wartenden Feuchtigkeit und beträgt im allgemeinen 1 bis 12, ins­ besondere 2 bis 8 Gew.-%, bezogen auf das Polyol.

Das Polyol kann auch 0 bis 70, insbesondere 10 bis 60 Gew.-% min­ destens eines Füllstoffes enthalten. Er dient nicht nur dazu, das Gewicht und das Volumen zu erhöhen, sondern auch dazu, die tech­ nische Verwendbarkeit zu verbessern. Dazu eignen sich insbesondere Kaolin, Feldspat, Glimmer, Quarzmehl, Bariumsulfat, Aluminiumoxide, Aluminiumoxidhydrate und Aluminiumhydroxide sowie Calciumcarbonat sowohl als Kalkspat als auch als Kalkstein, der gecoatet sein kann. Die Korngröße des Füllstoffes beträgt bis zu 0,05 mm.

Je nach den konkreten Anwendungen kann es angebracht sein, das Polyurethan gegen Abbau zu stabilisieren. Als Antioxidantien eignen sich insbesondere bis zu 1,5 Gew.-% an Irganox 1010, 1076, 3114 und 1425 der Firma Ciba Geigy, Topanol 0 der Firma ICI, und Goodrite 3114 der Firma Goodrich.

Als UV-Absorber eignen sich insbesondere bis zu 1,5 Gew.-% an Tinuvin P, 328 und 144 (Ciba Geigy), Sanduvor VSU und 3035 (Sandoz), Chimassorb 81 der Firma Chimosa.

Als Stabilisatoren vom HALS-Typ kommen bis zu 1,5 Gew.-% an Tinuvin 865 und 770 der Firma Ciba Geigy, Sanduvor 3050, 3051 und 3052 der Firma Sandoz und Chimassorb 119 der Firma Chimosa sowie Mark LA 62, 63, 67 und 68 der Firma Argus Chemical Corporation in Frage.

Das Bindemittel muß in seiner Zusammensetzung und seiner Menge auf die Körnung des Schaumglases, insbesondere dessen Staubanteil und auf die konkreten Einsatzbedingungen, insbesondere die Festigkeiten und die Wasserdurchflußrate abgestimmt werden. So verlangt die Verkleinerung der Körnung zunehmend eine spezielle Modifizierung des Bindemittels.

Unter konkreten Einsatzbedingungen werden dabei vor allem die Sieblinien des geologischen Materials eines Grundwasserleiters verstanden. Durch entsprechende Abstufung der Kornklassierungen, wie oben beschrieben, wird damit im Regelfall unter Nutzung einer Kiesschüttung zwischen Grundwasserleiter und Filter eine laminare Grundwasserströmung in den Brunnen erreicht. Dabei wirkt die Wandung des beschriebenen Filters als 2. Kiesschüttung und ver­ stärkt den Effekt der laminaren Strömung.

Das Gewichtsverhältnis von Schaumglas : Polyurethan-Bindemittel beträgt vorzugsweise weniger als 5 : 1, insbesondere gleich oder weniger als 3 : 1.

Das Filtermaterial besteht im allgemeinen aus 60 bis 75 Gew.-% an Schaumglas und 25 bis 40 Gew.-% an Polyurethan-Klebstoff. Der Polyurethan-Klebstoff besteht im allgemeinen aus 50 bis 99 Gew.-% an Isocyanat/Polyol-Reaktionsharz, welches gegebenenfalls Wasser enthält, 0,001 bis 0,5 Gew.-% an zinnorganischen Verbindungen, 0,03 bis 2,5 Gew.-% an Kieselsäure und/oder Bentonite, 1 bis 12 Gew.-% an Alumino-Silikaten und 0 bis 70 Gew.-% an Füllstoffen, wobei das Polyol 0 bis 7,5 Gew.-% Wasser enthalten kann, bezogen auf das Polyol.

Vorzugsweise ist der Filter frei von zusätzlichen Elementen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit. Er besteht also aus dem Schaumglas mit seinem Glasstaubanteil und dem Polyurethan- Bindemittel-System.

Die geometrische Form der Filter ist im Prinzip beliebig und rich­ tet sich nach den konkreten Einsatzzwecken. Die Filter können ins­ besondere Platten oder Rohre darstellen. Vorzugsweise handelt es sich um kreisrunde zylinderförmige Rohre mit einer gut handhabbaren Länge. Durchmesser und Dicke richten sich nach der Größe und Länge des daraus hergestellten Brunnens.

Die Filter werden hergestellt, indem man dem Schaumglas mit einer gegebenen Glasstaubmenge das Polyurethan-Bindemittel-System zu­ setzt. Vorzugsweise werden die beiden Polyurethan-Komponenten, die Katalysatoren und Modifizierungsmittel enthalten, zunächst gemein­ sam gemischt und dann zum Schaumglas zugegeben. Nun wird das Ge­ menge innig gemischt und in eine Form gegeben. Danach wird auf eine Temperatur von über 120°C, insbesondere auf eine Temperatur zwi­ schen 125 bis 150°C für höchstens 10 min erwärmt. Ohne Abkühlen wird entformt. Die so erhaltenen Filter können nach Abkühlung auf Raumtemperatur ihrem Verwendungszweck sofort zugeführt werden, d. h. sie können ohne weitere Behandlung bei der Trinkwassergewinnung eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Aushärtungsverfahren ist also sehr wirt­ schaftlich, da übliche Polyurethan-Klebstoffe sehr lange Aushär­ tungszeiten bei Temperaturen von über 100°C verlangen, wenn das Filtrat Trinkwasser-Qualität haben soll.

Die erfindungsgemäßen Filter eignen sich zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser aus Grundwasser bzw. zur Infiltration von Wasser in den Boden. Aufgrund der frei einstellbaren Wasserdurchtrittsraten können Brunnen gebaut werden, die eine Verbindung verschiedener Grundwasserleiter ausschließen, indem Grundwasserleiter mit uner­ wünschtem Wasser durch wasserundurchlässige Rohre, den sogenannten Vollrohren mit einer Wasserdurchlässigkeit von 0 m³/min·m² aus­ gebaut werden. Erdschichten mit dem abzuleitenden Wasser werden dagegen mit wasserdurchlässigen Filtern ausgebaut.

Es ist aber auch möglich, mit den Filtern das Erdreich zu bewäs­ sern, z. B. indem man Infiltrationsbrunnen herstellt. Durch Einbau von Rohren mit Wasserdurchflußraten nahe 0 m³/min·m² ist hierbei die Infiltration nur in ausgewählten Bodenschichten möglich.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Filter unter Verwendung von Schaumglas mit Feinstkornanteil von weniger als 0,25 mm Durchmesser erlaubt - besonders vorteilhaft in Kombination mit Polyol/Wassergemischen - die Herstellung von Filtern mit unter­ schiedlichen Wasserdurchtrittsraten, und zwar zu relativ niedrigen Kosten aufgrund des geringen Verbrauches an Polyurethan-Bin­ demitteln.

Die Verwendung von Schaumglas anstelle von Sand bzw. Kies verrin­ gert das Gewicht der Filter um einen Faktor bis zu ca. 5. Die Fe­ stigkeit im nassen Zustand verringert sich aber nur um einen Faktor von ca. 2.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen im einzelnen erläu­ tert:

Beispiel 1 Herstellung eines Filterrohres mit geschäumten Glas­ partikeln

Die Harzkomponente besteht aus
53 Teilen eines difunktionellen Polypropylenglykols mit einer OH-Zahl von ca. 280,
8 Teilen eines trifunktionellen Polypropylenglykols mit einer OH-Zahl von ca. 380,
29,17 Teilen eines Kaolins,
8,00 Teilen an Natrium-Aluminium-Silikat in Rizinusöl (1 : 1-Mischung),
0,03 Teilen Dibutyl-zinndilaurat und
1,8 Teilen Bentone 34.

(Bei den Angaben handelt es sich um Gewichts-Teile.)
Die Härterkomponente besteht aus Diphenylmethan-4,4-diisocyanat. 100 Gew.-Teile des Harzes werden mit 55 Gew.-Teilen des Härters bei ca. 20°C mit einem dynamischen Mischer vermischt und anschließend in einem Schneckenmischer mit der zweifachen Menge geschäumter Glaspartikel mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 4 mm vermengt.

Hierbei handelt es sich um Glaspartikel mit dem Handelsnamen Poraver (Hersteller: Dennert Poraver GmbH 96130 Schlüsselfeld, Bunderepublik Deutschland). Es wird eine 1 : 1-Mischung dieser Partikel mit einer Korngrößenverteilung 1 bis 2 mm (Kornrohdichte 0,40 ± 0,07 kg/dm³) und 2 bis 4 mm (Kornrohdichte 0,34 ± 0,06 kg/dm³) eingesetzt.

Dieses Gemenge wird in eine Rohrform mit einer Länge von 1 m ein­ gebracht und 9 Minuten bei 135°C gehärtet. Nach dieser Zeit läßt sich das Filterrohr praktisch ohne Abkühlung problemlos entformen, ohne an der Formwand zu haften.

Nach Abkühlung des Filterrohres auf Raumtemperatur ist eine sofor­ tige Verwendung bei definierter Wasserdurchflußrate gemäß gewählter Kornklassierung möglich. Entsprechend dem beschriebenen Beispiel liegt die Wasserdurchflußrate bei ca. 3 m³/min·m².

Das Filterrohr wiegt 18 kg. Ein entsprechendes Filterrohr mit Sand als Filtermaterial wiegt 70 kg.

Claims (13)

1. Filter aus einer mit Polyurethan-Bindemittel gebundenen Fest­ stoffschicht zur Fassung und Hebung von Grundwasser zur Aufbe­ reitung von Brauch- und Trinkwasser bzw. zur Infiltration von Wasser in den Boden sowie zur Abriegelung von Wasseradern, da­ durch gekennzeichnet, daß der gebundene Feststoff (Filtermate­ rial) ein Schaumglas ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaumglas eine kugelförmige Form hat mit einer Korngröße von 0,25 bis 16 mm, insbesondere von 0,5 bis 4 mm.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Korn­ rohdichte der Schaumglaspartikel von 0,2 bis 0,7, insbesondere von 0,3 bis 0,5 kg/dm³.

4. Filter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaumglas ein anorganisches Glas ist, welches insbesondere folgende Metalloxide enthält: Si, Al, Ca, Mg, Na und K.

5. Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan-Bindemittel neben dem Polyol/Wasser-Gemisch und dem Polyisocyanat eine zinnorganische Verbindung mit einer Molmasse von mehr als 600 als Katalysator und eine Mischung von hochdisperser Kieselsäure und/oder Bentonite enthält.

6. Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch Aerosil als hochdisperse Kieselsäure und durch Bentone als Bentonite.

7. Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch das Mengenverhältnis von Schaumglas Polyurethan-Bindemittel von kleiner als 5 : 1, insbesondere gleich bzw. kleiner als 3 : 1.

8. Filter nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schaumglas mit einer Kornklassierung bis zu 6 mm, insbesondere bis zu 4 mm, einen staubförmigen Anteil unter 0,25, insbesondere zwischen 0,06 und 0,2 mm Durchmesser ent­ hält.

9. Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Filtern mit geringer Wasserdurchflußrate der Wassergehalt im Polyol 0,3 bis 7,5, insbesondere 0,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt.

10. Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Filtern mit hoher Was­ serdurchflußrate der Wassergehalt im Polyol unter 0,3 Gew.-% liegt, was vorzugsweise durch Zusatz einer Andickung von Alumino-Silikaten erreicht wird.

11. Zylinderförmiger Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen kreisförmigen Querschnitt und durch das Fehlen von zusätzlichen Elementen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit.

12. Herstellung der Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet

• a) durch Mischen der Komponenten Schaumglas mit definiertem Feinststaubanteil und Polyurethan-Bindesystem,
• b) durch nachfolgendes Füllen von Formen mit dieser Mischung sowie
• c) durch Aushärtung bei Temperaturen von mehr als 120°C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 125 bis 150°C und
• d) durch Entformen ohne Abkühlung.

13. Verwendung der Filter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Brunnen zur Entwässerung in Tagebauge­ bieten, zur Herstellung von Brunnen zur Trinkwassergewinnung, zur Entwässerung von Baugruben und zur Infiltration von Wasser zur Bewässerung sowie zur Abriegelung von Wasseradern.