Способ получения формованной композитной мембраны



Способ получения формованной композитной мембраны
Способ получения формованной композитной мембраны
Способ получения формованной композитной мембраны
Способ получения формованной композитной мембраны
Способ получения формованной композитной мембраны

 


Владельцы патента RU 2592529:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)

Изобретение относится к технологии получения композитной формованной мембраны на основе неорганических природных силикатов и может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, где существует необходимость в очистке растворов, требующих обеззараживания. Способ включает измельчение смеси исходных компонентов, приготовление суспензии, ее высушивание и последующий обжиг. Высушенную суспензию размалывают, затем просеивают и отбирают фракцию с размером частиц не более 0.1 мм, которую подвергают формованию прессованием при давлении 1.0-3.0 т/см2, обжиг осуществляют при температуре 500-600°C, а в качестве исходных используют компоненты, мас. %: цеолит 20-25, 1,5%-ный раствор хитозана в 2%-ной уксусной кислоте 1-3, SiO2 20-25, 64%-ный водный раствор Na2SiO3 40-50, концентрированный водный раствор ZrOCl2·12Н2О 3-9, 1%-ный раствор AgNO3 0,5-1. Технический результат: создание энергосберегающего способа изготовления формованных керамических мембран с повышенной механической прочностью, обладающих обеззараживающим действием при очистке зараженных стоков. 1 ил., 4 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения композитной формованной мембраны на основе неорганических природных силикатов и может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, где существует необходимость в очистке растворов, требующих обеззараживания.

Известен способ получения керамического мембранного фильтра на основе неорганических микросфер силикатной природы, причем в виде двухслойной мембраны, второй слой из микросфер меньшего размера с последующим прокаливанием при температуре 770°С в фарфоровых формах. Затем быстро охлаждали до температуры 500°С и медленно охлаждали в течение четырех часов (см. патент РФ №2190461, МПК B01D 71/02, 2002 г.).

Недостатками этого способа являются: высокие энергетические затраты, сложность технологии, а именно выдерживание температурного режима, сложность технологии нанесения двухслойной мембраны при насыпании и заливании.

Наиболее близким решением к заявляемому (прототип) является способ изготовления формованных керамических мембран, включающий измельчение смеси исходных компонентов, приготовление суспензии, ее высушивание и последующий обжиг, где в качестве исходных кремнийсодержащих компонентов используют кембрийскую глину, гранитный отсев, стеклобой и бой керамических изделий, а также доломит, при этом, сушку суспензии осуществляют в кипящем слое, а обжиг при 650-700°С (см. патент РФ №2375101, МПК B01D 39/06, 2009 г.).

Недостатками данного способа является уникальность отдельных компонентов, относительно высокая температура обжига -700°С (т.е. высокие энергетические затраты); повышенная хрупкость мембран в связи с тем, что при таких температурах происходит расплав компонентов исходной смеси; кроме того, данные мембраны не обладают обеззараживающим действием.

Задача данного изобретения - создание энергосберегающего способа изготовления формованных керамических мембран с повышенной механической прочностью, обладающих обеззараживающим действием при очистке зараженных стоков.

Технический результат заключается в том, что разработан способ изготовления формованной керамической мембраны, при котором происходит только спекание исходных компонентов смеси, а не их расплавление, от чего мембраны получаются более прочными, более пористыми и с меньшим размером пор. Чем мембрана более пористая и меньше размер пор, тем большей удерживающей способностью по отношению к веществам, имеющим большую молекулярную массу, она обладает. Кроме того, наличие в составе мембраны оксида кремния и оксихлорида циркония придает мембране большую химическую и термическую устойчивость, а присутствие наночастиц серебра обуславливает обеззараживающие действие зараженных стоков. При этом способ становится менее энергоемким, поскольку обжиг осуществляют при температуре 500-600°C, более низкой, чем в прототипе.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления формованных керамических мембран, включающем измельчение смеси исходных компонентов, приготовление суспензии, ее высушивание и последующий обжиг, согласно изобретению высушенную суспензию размалывают, затем просеивают и отбирают фракцию с размером частиц не более 0,1 мм, которую подвергают формованию прессованием при давлении 1,0-3,0 т/см2, обжиг осуществляют при температуре 500-600°C, а в качестве исходных используют компоненты, при следующем соотношении, масс. %:

цеолит 20-25
1,5%-ный раствор хитозана в 1-3
2%-ной уксусной кислоте
SiO2 20-25
64%-ный водный раствор Na2SiO3 40-50
концентрированный водный раствор ZrOCl2·12H2O 3-9
1%-ный раствор AgNO3 0,5-1

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают свои функциональные задачи.

Для изготовления мембран размер частиц порошковой смеси не должен превышать 0.1 мм, т.к. более крупные частицы уменьшают рабочую поверхность мембраны; чем меньше частицы, тем больше внутренняя поверхность.

Цеолит - SiO2 - 72.3%, Al2O3 - 17.10%, СаО - 3.61%, Na2O - 1.14%, K2O - 3.79%, Fe2O3 - 1.60%, MgO - 0.20%; имеет температуру плавления 450°С, поэтому при обжиге он создает между частицами порошковой смеси легкоплавкие мостики, что приводит к спеканию частиц порошка, но не вызывает их плавления. При более высоких температурах (более 600°С), компоненты смеси могут расплавляться, что приведет к хрупкости мембраны (ломкость) и снижению фильтрующей способности.

Акрило-силиконовая эмульсия - покрывает частицы минералов и является связующим звеном между ними, потом при обжиге органическая часть выделяется в виде газа и, проходя между частицами, создает равномерные во всем объеме каналы.

Оксид кремния и силикат натрия - при взаимодействии с оксихлоридом циркония образуют силикат циркония, имеющий более высокую температуру плавления, чем принятая для данного способа, и устойчив к агрессивным средам, а также приводит к образованию нейтральной среды в мембране.

Оксихлорид циркония служит для образования силикатов, придающих твердость и прочность мембране.

Нитрат серебра обладает обеззараживающим действием за счет присутствия ионов серебра.

Способ осуществляют следующим образом.

Для изготовления мембраны вначале готовят фильтрующий материал, который затем формуют и обжигают.

Для приготовления фильтрующего материала смешивают природный цеолит в количестве 20-25 масс. % и оксид кремния SiO2 в количестве 20-25 масс. %, размалывают, просеивают на сите 0.1 мм (допускается остаток на сите не более 1%), затем к просеянной смеси добавляют 1,5%-ный раствор хитозана в 2%-ной уксусной кислоте в количестве 1-3 масс. %, 1%-ный раствор AgNO3 в воде или спирте (метанол, этанол) в количестве 0,5-1 масс. %, 64%-ный водный раствор Na2SiO3 в количестве 40-50 масс. % и концентрированный водный раствор ZrOCl2·12H2O в количестве 3-9 масс. %. Далее полученную суспензию диспергируют на кавитаторе при частоте 300 Гц (герц) до однородной массы.

Полученную массу сушат при комнатной температуре воздуха, затем размалывают в порошок до размера частиц не более 0.1 мм, затем просеивают и отбирают для изготовления мембран фракцию с размером частиц не более 0.1 мм. Полученный порошок формуют в пресс-формах при давлении 1.0-3.0 т/см2 и обжигают в печи при температуре 500-600°С.

Полученные мембраны исследованы в отношении следующих технических характеристик: твердость, внутренний объем (Vps, А3) мембраны, производительность по воде.

Твердость определяли по Бринеллю (ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. 1990).

Внутренний объем (Vps, А3) мембраны определяли с помощью позитронной аннигиляционной спектроскопии на приборе "ORTEC PAL System spectrometer" (Графутин В.И., Прокофьев Е.П. // Успехи физ. наук. - 2002. - Т. 172, №1. - С. 67-83).

Производительность по воде. (ГОСТ Р 50110-92. Мембраны полимерные. Метод определения производительности плоских ультрафильтрационных мембран).

Проверка обеззараживающего действия мембраны проводилась на растворах, содержащих штаммы Staphylococcus aureus АТСС 25923, Esherichia coli АТСС 25922 при концентрации микробных тел 107 м.т. в мл.

Пример 1

К смеси из 20 г природного цеолита и 20 г оксида кремния прибавляли концентрированный водный раствор ZrOCl2·12H2O, который готовили растворением 8 г ZrOCl2·12H2O в 50 мл дистиллированной воды, к полученной смеси добавляли 50 мл 1,5%-ного раствора хитозана в 2%-ной уксусной кислоте и 30 мл 1%-ного водного раствора AgNO3. Смесь перемешивали и добавляли 78 г 64%-ного водного раствора Na2SiO3. Полученную суспензию диспергировали кавитатором при частоте 300 Гц до однородной массы в течение 15 минут, затем высушивали на воздухе при комнатной температуре. Высушенную смесь размалывали на вибромельнице до порошкообразного состояния, отсеивали фракцию с размером частиц до 0.1 мм. Из полученного количества порошка изготовили мембраны при разном давлении: 1 т/см2, 2 т/см2, 3 т/см2. Для этого по 10 г порошка помещали в пресс-формы диаметром 42 мм и прессовали, затем помещали их в печь для обжига при 500°С.

На фиг. 1 представлено изображение и элементный состав поверхности одной из полученных по примеру мембран.

Полученные мембраны представляли собой диски диаметром 42 мм светло-серого цвета с небольшим количеством крупных пор и следующими показателями: твердость, внутренний объем (Vps, А3), производительность по воде.

Производительность по воде была определена для мембраны, изготовленной при давлении 2 т/см2 (мембрана 1).

Проверка обеззараживающего действия мембраны 1 проводилась на растворах, содержащих штаммы Staphylococcus aureus АТСС 25923, Esherichia coli АТСС 25922 при концентрации микробных тел 107 м.т. в мл. Результаты представлены в таблице №2.

Пример 2

К смеси из 25 г природного цеолита и 25 г оксида кремния прибавляли концентрированный водный раствор ZrOCl2·12H2O, который готовили растворением 4 г ZrOCl2·12H2O в 50 мл дистиллированной воды, к полученной смеси добавляли 50 мл 1,5%-ного раствора хитозана в 2%-ной уксусной кислоте и 15 мл 1%-ного водного раствора AgNO3. Смесь перемешивали и добавляли 69 г 64%-ного водного раствора Na2SiO3. Полученную суспензию диспергировали кавитатором при частоте 300 Гц до однородной массы в течение 15 минут, затем высушивали на воздухе при комнатной температуре. Высушенную смесь размалывали на вибромельнице до порошкообразного состояния, отсеивали фракцию с размером частиц до 0.1 мм. Из полученного порошка изготовили мембрану при давлении 2 т/см2. Для этого 10 г порошка помещали в пресс-форму диаметром 42 мм и прессовали, затем обжигали в печи при 500°С.

Полученная мембрана 2 представляла собой диск диаметром 42 мм и следующими показателями: твердость, внутренний объем (Vps, А3), производительность по воде.

Проверка обеззараживающего действия мембраны 2 проводилась на растворах, содержащих штаммы Staphylococcus aureus АТСС 25923, Esherichia coli АТСС 25922 при концентрации микробных тел 107 м.т. в мл. Результаты представлены в таблице 4.

Данные электронной микроскопии и производительности по воде позволяют сделать вывод о том, что мембрана обладает плотной структурой и может быть использована в качестве нанофильтрационной мембраны при очистке водных молекулярных растворов от достаточно больших молекулярных веществ. Главным преимуществом данных мембран является их высокая устойчивость к кислотам, температуре и они могут храниться сколь угодно долго. Также возможна регенерация мембран после обеззараживания, просушивания и прокаливания при температуре 400-500°C.

Уменьшение количества нитрата серебра в составе мембраны способствует ослаблению обеззараживающего эффекта. При увеличении количества оксихлорида циркония и уменьшении количества цеолита в составе мембраны возрастает твердость и уменьшается внутренний объем, что приводит к значительному снижению производительности и резкому уменьшению размеров пор мембраны.

Способ изготовления формованных керамических мембран, включающий измельчение смеси исходных компонентов, приготовление суспензии, ее высушивание и последующий обжиг, отличающийся тем, что высушенную суспензию размалывают, затем просеивают и отбирают фракцию с размером частиц не более 0.1 мм, которую подвергают формованию прессованием при давлении 1.0-3.0 т/см2, обжиг осуществляют при температуре 500-600°С, а в качестве исходных используют компоненты, при следующем соотношении, масс. %:

цеолит 20-25
1,5%-ный раствор хитозана в 1-3
2%-ной уксусной кислоте
SiO2 20-25
64%-ный водный раствор Na2SiO3 40-50
концентрированный водный раствор ZrOCl2·12H2O 3-9
1%-ный раствор AgNO3 0,5-1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области водородной энергетики, выделения водорода из газовых смесей, получения особо чистого водорода. Мембрана для отделения водорода состоит из подложки, выполненной из пористого никелида алюминия и трехслойного покрытия.

Изобретение относится к протонпроводящей мембране, содержащей катализатор дегидрирования и смешанный оксид металлов формулы (II) где молярное отношение а:b составляет от 4,8 до 6, предпочтительно от 5,3 до 6, с находится в интервале от 0 до 0,5b, и у является таким числом, что формула (II) является незаряженной, например 0≤y≤1,8.

Изобретение относится к устройству разделения текучей среды. Способ и устройство разделения текучей среды, осуществляющее селективное отделение определенного текучего компонента от смешанной текучей среды и содержащее: кожух, который включает в себя впуск для смешанной текучей среды, выпуск для отделенной текучей среды, через который отводят селективно отделенную текучую среду, и выпуск для оставшейся текучей среды, через который отводят текучую среду, оставшуюся после осуществления селективного отделения; и разделительный модуль, в котором расположен набор из множества установленных последовательно разделяющих элементов, каждый из разделяющих элементов снабжен каналом, через который смешанная текучая среда поступает в осевом направлении, и осуществляет селективное отделение определенного текучего компонента в виде поперечного потока, перпендикулярного направлению течения смешанной текучей среды, при этом разделительный модуль является вставляемым в кожух через конец кожуха, при этом разделительный модуль включает в себя: первое соединительное приспособление, расположенное между соседними разделяющими элементами так, чтобы изолировать пространство вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов от пространства между разделяющими элементами, причем первое соединительное приспособление имеет отверстие, через которое каналы соединены друг с другом, и имеет дискообразную форму, наружный диаметр которой больше наружного диаметра разделяющих элементов, второе соединительное приспособление, расположенное на двух концах набора из множества установленных последовательно разделяющих элементов так, что каждое второе соединительное приспособление изолирует пространство рядом с концевой поверхностью набора установленных последовательно разделяющих элементов от пространства вокруг наружных периферийных поверхностей разделяющих элементов, каждое второе соединительное приспособление имеет отверстие, через которое пространство рядом с концевой поверхностью соединяется с соответствующим одним из каналов, и соединительное средство, которое соединяет первое и вторые соединительные приспособления друг с другом.

Изобретение относится к области водородной энергетики, выделения водорода из газовых смесей, получения особо чистого водорода. Предложена композитная мембрана для выделения водорода из газовых смесей на основе сплавов металлов 5-й группы Периодической системы друг с другом с защитно-каталитическим покрытием на поверхности мембраны из палладия или сплавов палладия, при этом в качестве материала мембраны выбран материал с растворимостью водорода такой же, как у материала покрытия, либо отличающейся не более чем на 15%.

Настоящее изобретение относится к материалу для разделения, содержащему осажденный диоксид кремния, высушенный во вращающейся или распылительной сушилке. Диоксид кремния имеет площадь P поверхности пор, при которой log10 P>2,2, и отношение площади поверхности по BET к площади поверхности по СТАВ, измеренное до какого-либо модифицирования поверхности диоксида кремния, составляющее по меньшей мере 1,0.

Изобретение может быть использовано для разделения газовых смесей. Используемая для разделения газовых смесей керамическая мембрана имеет следующий состав, мас.%: оксид алюминия 30-54; силикат натрия 42-68; углеродные нанотрубки УНТ с внешним диаметром 1-5 нм с трехслойной структурой и удельной поверхностью 350-1000 м2/г 1-4.

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к способу получения гибкой нанопористой композиционной мембраны с ячеистой структурой из анодного оксида металла или сплава, и может быть использовано для формирования керамических мембран с высокой проницаемостью, устойчивых при больших перепадах давления.

Группа изобретений раскрывает микропористые UZM-5 цеолитные мембраны, способы их получения и способы разделения газов, паров и жидкостей с их использованием. Микропористые UZM-5 цеолитные мембраны с небольшими порами получают двумя способами.

Изобретение относится к технологии создания селективных газовых мембран, функционирующих за счет избирательной диффузии атомов газа (водорода) сквозь тонкую металлическую пленку (из палладия или сплавов на его основе), которые используются в устройствах глубокой очистки водорода от сопутствующих примесей, сепарации водорода из водородсодержащих смесей газов, в микрореакторах.
Изобретение относится к технологии изготовления композиционных ионообменных мембран, обладающих свойством селективности сорбции или переноса нитрат-аниона. Предложена композиционная ионообменная мембрана, характеризующаяся повышенной подвижностью нитрат-анионов и повышенной константой ионного обмена по отношению к нитрат-аниону.

Изобретение относится к области очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения. Установка для очистки воды каталитическим окислением содержит последовательно соединенные сырьевую емкость, заполняемую очищаемой от загрязняемых примесей водой, насос, подающий воду в эжектор для смешения с озоно-кислородной смесью, сатуратор и мембранный блок с каталитически активными мембранами, один выход которого соединен с входом сатуратора для подачи концентрата, при этом в сатуратор встроены теплообменник, краны-газоотводчики, соединенные с деструктором остаточного озона, сатуратор при помощи трубопровода с насосом-дозатором напрямую соединен с сырьевой емкостью для обрабатываемой жидкости, а всасывающий трубопровод насоса, обслуживающего эжектор, соединен с сатуратором, образуя замкнутый цикл.

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к способу получения гибкой нанопористой композиционной мембраны с ячеистой структурой из анодного оксида металла или сплава, и может быть использовано для формирования керамических мембран с высокой проницаемостью, устойчивых при больших перепадах давления.

Группа изобретений раскрывает микропористые UZM-5 цеолитные мембраны, способы их получения и способы разделения газов, паров и жидкостей с их использованием. Микропористые UZM-5 цеолитные мембраны с небольшими порами получают двумя способами.

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям. Газоплотную керамику со структурой майенита предложено использовать в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей.

Изобретение относится к области композиционных мембран, предназначенных для использования в контакторах газ-жидкость, в которых реализуются процессы абсорбции и/или десорбции газов, и касается композиционной мембраны на основе высокопроницаемых стеклообразных полимеров.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для проведения процессов разделения газовых смесей (в кнудсеновском потоке), в качестве основы для создания проточных мембранных катализаторов, а также для проведения процессов ультра- и микрофильтрации и может применяться в химической, электронной и пищевой промышленности, а также в медицине и биотехнологиях.

Изобретение относится к области мембранных технологий и касается устройств, осуществляющих выделение кислорода из смеси газов на керамических мембранах со смешанной ионно-электронной проводимостью. Газохимический мембранный реактор включает модуль из кислородпроницаемых мембран (2), собранный из трубок, выполненных из оксидов со смешанной кислород электронной проводимостью с общей формулой S r 1 − x A x B 1 − y − z B y / M z O 3 − δ , где А=Са, Ва, Ln; x=0-1; В=Со; В/=Fe; y=0-1; М - металлы d и p блоков Периодической таблицы элементов, предпочтительно: Nb, Та, Mo, W; z=0-0.3; a δ является числом, которое обеспечивает нейтральность заряда, края мембран подсодинены к источнику переменного тока, пропускаемого непосредственно через мембраны и нагревающего их. Технический результат - заключается в снижении энергозатратности, уменьшении времени запуска устройства и инерционности при регулировании температурного режима синтеза, увеличении производительности и устойчивости работы газохимического мембранного реактора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх