Способ получения фильтрующего материала
Владельцы патента RU 2342972:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к получению фильтрующего материала, модифицированного нановолокнами гидрата окиси алюминия. Через отверстия перфорированной мембраны, используемой в качестве основы фильтрующего материала, прокачивают водный или газовый золь, содержащий нанопорошок на основе алюминия, при этом в отверстиях перфорации основы фильтрующего материала образуются нановолокона гидрата окиси алюминия AlOOH в заданном количестве. Нанопорошок на основе алюминия получают электрическим взрывом алюминиевых проволочек при плотности введенной в проволочки энергии 10-20 кДж/г в среде инертного газа с содержанием воздуха 2-5% от их общего объема. Изобретение обеспечивает условия формирования на поверхности частиц на основе алюминия аморфной или островковой оксидной и оксинитридной пленки определенной структуры, которая способствует при гидролизе алюминиевых частиц формированию максимального количества нановолокон гидрата окиси алюминия AlOOH. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к созданию и производству высокоэффективных фильтрующих материалов с использованием достижений нанотехнологии и может быть использовано для тонкой доочистки и обеззараживания питьевой воды, очистки промышленных сточных вод, содержащих фенолы и тяжелые металлы, а также для извлечения из растворов различных компонентов.
Известен способ получения фильтрующего материала на основе адсорбента (патент РФ №2168357, МПК 7 B01J 20/08, опубл. 2001.06.10), в котором, как и в предложенном изобретении, используется ультрадисперсный порошок алюминия, полученный электрическим взрывом проволочек. Известный способ заключается в том, что адсорбент на основе оксида алюминия получают обработкой водой при 50-60°С ультрадисперсного порошка алюминия с удельной поверхностью 5-20 м2/г, образованного электрическим взрывом алюминиевых проволочек в аргоне, с последующим прокаливанием при 300-500°С в течение 1-2 ч и в том, что полученный адсорбент обрабатывают кипячением в насыщенном растворе бикарбоната натрия в течение 0,5-1,5 ч и повторно прокаливают при 200-300°С в течение 1,5-3 ч.
Основными недостатками этого способа являются необходимость кипячения в растворе бикарбоната натрия и многократного прокаливания при температурах в несколько сотен градусов, что усложняет способ и в итоге приводит к его удорожанию. Наиболее близким к предложенному способу является способ получения фильтрующего материала (заявка на изобретение РФ №2005125140, МПК В01D 39/00, опубл. 20.02.2007 г.), в котором осуществляют модифицирование полимерного волокнистого материала частицами гидрата окиси алюминия, для чего на полимерный волокнистый материал наносят исходный материал на основе алюминия, затем осуществляют гидролиз последнего, в ходе которого на полимерном волокнистом материале образуются и закрепляются частицы гидрата окиси алюминия. В качестве полимерного волокнистого материала используют нетканый листовой материал с диаметром волокон 1,0-3,0 мкм, а в качестве исходного материала на основе алюминия используют порошок алюминия, полученный электрическим взрывом проволочек с удельной поверхностью 7-28 м2/г. Исходный материал на основе алюминия наносят на полимерный волокнистый материал в виде водной или вводно-спиртовой суспензии. Гидролиз исходного материала, нанесенного на полимерный волокнистый материал, осуществляют при температуре 10-100°С в течение 10 мин - 48 ч. Количество частиц гидрата окиси алюминия на единицу поверхности фильтрующего материала составляет 80-180 мг/см2. Частицы гидрата окиси алюминия, закрепившиеся на поверхности волокон основы, имеют размер 0,2-5,0 мкм, удельную поверхность 100-250 м2/г и пористость 50-95%.
С такой высокой пористостью и связан основной недостаток способа-прототипа. При эксплуатации созданного по этому способу фильтрующего материала из-за большой пористости гидрата окиси алюминия его многочисленные поры заполняются загрязнениями, которые невозможно удалить из пор каким-либо сравнительно простым методом, а значит и нельзя многократно использовать фильтрующий материал. Кроме того, в этом способе не предусмотрены условия получения гидрата оксида алюминия в виде нановолокон AlOOH (бемита), которые и являются основным фактором эффективного фильтрования загрязненных жидкостей.
Основным техническим результатом предложенного способа является возможность многократного использования фильтрующего материала и повышение качества фильтрования за счет обеспечения условий образования максимального количества нановолокон гидрата окиси алюминия AlOOH.
Эти волокна не имеют пористости и при этом характеризуются высокой удельной поверхностью 250-600 м2/г. Поэтому для повторного применения фильтрующего материала достаточно его промыть обратным потоком воды. Заявляемые в предложенном изобретении параметры обеспечивают условия получения частиц алюминия определенной структуры, из которых эффективно растут волокна гидрата окиси алюминия AlOOH. Как показали проведенные нами исследования, при наличии в инертном газе небольшого количества кислорода, азота или воздуха на поверхности алюминиевых частиц в условиях электрического взрыва формируются аморфная или островковая оксидная и оксинитридная пленка, которая и обеспечивает при гидролизе алюминиевых частиц формирование максимального количества нановолокон гидрата окиси алюминия AlOOH.
Основной технический результат достигается тем, что в способе получения фильтрующего материала, в котором основу фильтрующего материала снабжают частицами гидрата окиси алюминия, созданными гидролизом нанопорошка на основе алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевых проволочек, согласно предложенному решению в качестве основы фильтрующего материала применяют перфорированную мембрану, через отверстия которой прокачивают водный или газовый золь, содержащий нанопорошок на основе алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевых проволочек при плотности введенной в проволочки энергии 10-20 кДж/г в среде инертного газа с содержанием воздуха 2-5% от их общего объема с образованием нановолокон гидрата окиси алюминия AlOOH в заданном количестве в отверстиях перфорации основы фильтрующего материала.
Пример конкретного выполнения. Порошок на основе алюминия получали методом электрического взрыва алюминиевых проволочек. Диаметр проволочек был равен 0,3 мм, длина - 110 мм, емкость накопителя энергии - 2,75 мкФ, энергия веденная в проволочку - 14,7 кДж/г. Процесс проводили в атмосфере аргона с добавкой 3 объемных % воздуха от их общего объема. Навеску нанопорошка массой 2 мг помещали в дистиллированную воду объемом 50 мл и с помощью магнитной мешалки перемешивали для получения водного золя с равномерным распределением частиц нанопорошка на основе алюминия по всему объему раствора. Отстаивали в течение 30 мин для осаждения случайных крупных частиц, затем декантировали и объем золя доводили до 100 мл для получения концентрации наночастиц на основе алюминия в водном золе около 0,02 мг/мл.
Для модификации взяли перфорированную мембрану из нитроцеллюлозы диаметром 25 мм фирмы «Millipore» со сквозными отверстиями диаметром 12 мкм. Приготовленный водный золь под избыточным давлением 0,2 атм прокачали через перфорированную мембрану. Объем водного золя, пропущенного через мембрану, составлял 1 мл. Проходя через отверстия мембраны наночастицы на основе алюминия благодаря возникающим гидродинамическим эффектам оседали на поверхности отверстий мембраны.
Обработанную таким образом мембрану помещали в воду при 80°С и выдерживали при этой температуре в термостате в течение 6 часов для получения нановолокон AlOOH в отверстиях мембраны.
По истечении 6 часов модифицированную мембрану сушили при комнатной температуре и исследовали на сканирующем электронном микроскопе JEM-100 CXII. На приведенной фотографии (фиг.1) видно, что в отверстии мембраны расположены образовавшиеся нановолокна гидрата окиси алюминия AlOOH. На фиг.2 приведены отверстия не модифицированной (исходной) мембраны.
В таблицах 1 и 2 приведены примеры заявляемого изобретения в диапазоне режимов, указанных в формуле изобретения, и с выходом за эти диапазоны.
| Таблица 1 | |||||
| Фазовый состав продуктов гидролиза в зависимости от плотности энергии, введенной в алюминиевые проволочки при получении нанопорошка | |||||
| Введенная энергия, кДж/г | Состав продуктов гидролиза, % | Примечание | |||
| AlOOH | Al(OH)3 | Al | Al2O3 | ||
| 9 | 25 | 70 | 5 | 1 | Заявляемый объект |
| 10 | 82 | 18 | 1 | 1 | |
| 15 | 85 | 13 | менее 1 | 2 | |
| 20 | 80 | 18 | следы | 2 | |
| 22 | 20 | 78 | следы | 2 |
Из таблицы 1 видно, что наибольшее количество нановолокон гидрата окиси алюминия АЮОН образуется из нанопорошка на основе алюминия, полученного при плотности энергии, введенной в алюминиевые проволочки от 10 до 20 кДж/г.
| Таблица 2 | |||||
| Фазовый состав продуктов гидролиза в зависимости от содержания воздуха в аргоне | |||||
| Содержание воздуха, об.% | Состав продуктов гидролиза, % | Примечание | |||
| AlOOH | Al(OH)3 | Al | Al2O3 | ||
| 1 | 30 | 70 | следы | менее 1 | Заявляемый объект |
| 2 | 80 | 18 | 1 | 1 | |
| 3,5 | 85 | 13 | 1 | 2 | |
| 5 | 85 | 10 | 2 | 3 | |
| 6 | 65 | 10 | 10 | 15 |
Из таблицы 2 следует, что наибольшее количество нановолокон AlOOH образуется при содержании 2-5 об.% воздуха от общего объема с инертным газом.
Полученный фильтрующий материал применяли для очистки питьевой воды от органический примесей: С14Н11С12NO2 - диклофенака с размером частиц меньше 200 нм и HOC10H6N=NC10H4(NO2)(OH)SO3N2 - эриохрома черного «Т» с размером частиц около 400 нм. Концентрация загрязнителей составляла 0,025 мг/л. При снижении фильтрующей способности предложенного нами материала на 15-20% фильтрацию прекращали и промывали загрязненный фильтрующий материал обратным потоком чистой воды в течение нескольких минут. При повторном использовании фильтрующая способность материала оставалась на первоначальном уровне. Первоначальная эффективность фильтрования сохранялась при восьмикратном использовании фильтрующего материала, что доказывает высокое качество фильтрования в течение длительного использования фильтрующего материала.
Аналогичные результаты получены при прокачивании через отверстия перфорированной мембраны газового золя, например воздуха, содержащего нанопорошок на основе алюминия.
Способ получения фильтрующего материала, в котором основу фильтрующего материала снабжают частицами гидрата окиси алюминия, созданными гидролизом нанопорошка на основе алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевых проволочек, отличающийся тем, что в качестве основы фильтрующего материала применяют перфорированную мембрану, через отверстия которой прокачивают водный или газовый золь, содержащий нанопорошок на основе алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевых проволочек при плотности введенной в проволочки энергии 10-20 кДж/г в среде инертного газа с содержанием воздуха 2-5% от их общего объема с образованием нановолокон гидрата окиси алюминия AlOOH в отверстиях перфорации основы фильтрующего материала в заданном количестве.
