Способ получения формованной керамической мембраны

Изобретение относится к технологии получения формованной керамической мембраны, которая может быть использована в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Согласно способу рисовую шелуху обжигают при температуре 300-400°С на воздухе, измельчают, отбирают фракцию с размером частиц 0,1-0,2 мм. Полученный порошок подвергают формованию прессованием в вакуумной камере при давлении 20,7-24,5 МПа, осуществляя его консолидацию в условиях искрового плазменного спекания при температуре не ниже 1800°С. Изобретение обеспечивает получение мембраны, содержащей карбид кремния, придающий мембране повышенные показатели твердости, прочности, электропроводности, удельной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения формованной керамической мембраны на основе рисовой шелухи и может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

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 B01D71/02, 2002 г.).

Недостатками этого способа являются: сложность технологии, а именно, выдерживание температурного режима, сложность технологии нанесения двухслойной мембраны при насыпании и заливании, уникальность керамических компонентов, повышенная хрупкость мембран.

Наиболее близким решением к заявляемому (прототип) является способ изготовления формованной керамической мембраны, включающий измельчение исходных силикатсодержащих компонентов и последующий обжиг (см. патент РФ № 2592529, МПК B01D 71/02; B01D 69/02, 2016). В качестве исходных силикатсодержащих компонентов используют природный цеолит и оксид кремния SiO2.

Недостатками этого способа являются многообразие компонентов, в качестве исходных компонентов используются растворы веществ, требующие утилизации растворителей, сложность технологии приготовления смеси, легкость сплавления компонентов при более высокой температуре, низкая удельная поверхность и большой размер пор у получаемых мембран. Это приводит к грубому разделению при фильтрации ультрасуспензий.

Задачей предлагаемого технического решения является создание безопасного способа производства дешевой и одновременно высокоэффективной формованной керамической мембраны на основе рисовой шелухи.

Технический результат заключается в том, что разработан простой, безотходный способ получения формованной керамической мембраны, где исходное сырье (рисовая шелуха) является объектом утилизации в сельском хозяйстве; кроме того за счет применения технологии искрового плазменного спекания образуется карбид кремния, придающий мембране более высокие по сравнению с прототипом технические показатели: твердость, прочность, электропроводность, удельную поверхность, внутренний объем.

Для решения поставленной задачи в способе получения формованной керамической мембраны, включающем измельчение исходных силикатсодержащих компонентов и последующий обжиг, в качестве силикатсодержащих компонентов используют рисовую шелуху, которую обжигают при температуре 300-400°С на воздухе, измельчают и отбирают фракцию с размером частиц 0,1-0,2 мм, которую подвергают формованию прессованием в вакуумной камере, при давлении 20,7-24,5 МПа, осуществляют консолидацию порошка в условиях искрового плазменного спекания при температуре не ниже 1800°С. При этом скорость разогрева заготовки 100°С/мин, причем ее выдерживают при температуре 1800°С в течение 1-5 мин, после чего охлаждают до комнатной температуры.

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 следующие функциональные задачи.

Признак «…в качестве силикатсодержащих компонентов используют рисовую шелуху…» позволяет использовать дешевое сырье, которое является объектом утилизации в сельском хозяйстве.

Признак, указывающий, что рисовую шелуху «обжигают при температуре 300-400°С на воздухе» позволяет удалить воду, часть лигнина и полисахаридов из исходного сырья, т.к. большое количество атомов углерода и кислорода в этих соединениях ухудшает структуру конечного продукта, влияя на его состав и прочность.

Признак, указывающий, что для получения мембраны исходное сырье «измельчают и отбирают фракцию с размером частиц не более 0,2 мм» обусловлен тем, что более крупные частицы уменьшают рабочую поверхность мембраны; чем меньше частицы, тем больше внутренняя поверхность.

Признак «…подвергают формованию прессованием в вакуумной камере…» способствует удалению кислорода воздуха и приданию изделию формы удобной для использования.

Признак, указывающий, что спекание производят «при давлении 20,7-24,5 МПа», определяет оптимальное давление, которое будет сказываться на пористости и прочности конечного изделия. Если давление будет меньше, то уменьшится и прочность мембраны. Если давление будет больше, то уменьшится пористость мембраны.

Признак «…осуществляют консолидацию порошка в условиях искрового плазменного спекания …» обеспечивает образование двух фаз: кристаллической, имеющей состав SiC, и аморфной, имеющей переменный состав от SiC2 до SiC3. При этом происходит выделение углекислого газа, приводящее к образованию пор.

Признак, указывающий, что консолидацию порошка в условиях искрового плазменного спекания осуществляют «при температуре не ниже 1800°С» обеспечивает осуществление процесса спекания.

Признаки дополнительного пункта формулы изобретения формируют режим выдержки процесса спекания.

На фиг. 1 представлено изображение поверхности мембраны, полученной по примеру 1 (а – кристаллическая, б – аморфная фазы).

На фиг. 2 представлено изображение поверхности мембраны, полученной по примеру 2 (а – кристаллическая, б – аморфная фазы).

Способ осуществляют следующим образом.

Для изготовления мембраны вначале готовят исходную шихту – рисовую шелуху (фильтрующий материал). Предварительно рисовую шелуху (содержащую 12-18% оксида кремния) обжигают на воздухе при температуре 300-400°С. Далее этот углеродсодержащий материал размалывают в порошок до размера частиц не более 0,2 мм, затем просеивают и отбирают для изготовления керамической мембраны фракцию с размером частиц 0,1-0,2 мм. Образцы керамических мембран получают с применением технологии искрового плазменного спекания (ИПС), известной в мировой практике как Spark Plasma Sintering (SPS), на установке SPS-515S Dr.Sinter*LABTM (Япония) по следующей схеме: навеску порошка исходной шихты помещают в графитовую пресс-форму (рабочий диаметр 15,5 мм), подпрессовывавают с силой нагрузки 20,7-24,5 МПа, далее заготовку помещают в вакуумную камеру (давление 6 Па), затем спекают. Для предотвращения припекания консолидируемого порошка к пресс-форме и плунжерам, а также для легкого извлечения полученного образца, используют графитовую фольгу толщиной 200 мкм. Пресс-форму оборачивают в теплоизолирующую ткань для снижения теплопотерь при разогреве. Температуру ИПС процесса контролируют с помощью пирометра сфокусированного на отверстие, расположенного на середине плоскости внешней стенке пресс-формы глубиной 5,5 мм. Спекание образцов проводят при 1800°С со скоростью разогрева 100°С/мин. Образец выдерживают при максимальной температуре 1-5 мин и далее охлаждают до комнатной температуры. Периодичность генерируемого низковольтового импульса в режиме On/Off составила 12/2, длительностью импульсов 39,6 мс и паузами между импульсами 6,6 мс и частотой 50 Гц.

Полученные мембраны исследованы в отношении следующих технических характеристик: твердость, прочность, электропроводность, удельная поверхность (S, м2/г), внутренний объем (V, см3/г), средний диаметр пор (d, нм), предел разделения красителей по молекулярной массе.

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

Испытания на сжатие (прочность) производили на универсальной испытательной машине AG-Xplus Series фирмы Shimadzu, диапазон нагрузки которой варьируется от 10 Н до 100 кН.

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

Удельную поверхность (S, м2/г), внутренний объем (V, см3/г), средний диаметр пор (d, нм) определяли с помощью низкотемпературной адсорбции азота.

Электропроводность (у, См/м) измеряли методом импедансной спектроскопии на потенциостате/гальваностате Solatron 1287 (Великобритания).

Значение предельной молекулярной массы сепарации красителя определяли на 0,1% водном растворе бриллиантового зеленого с измерением оптической плотности на спектрофотометре Unico 1200.

Пример 1.

Для изготовления мембраны вначале готовили фильтрующий материал. Рисовую шелуху, содержащую 14% оксида кремния, обжигали на воздухе при температуре 400°С. Полученный материал, по результатам элементного анализа, содержал 40,7% углерода, 21,0% кремния и 38,3% кислорода. Далее этот углеродсодержащий материал размалывали в порошок до размера частиц не более 0,1 мм, затем просеивали и отбирали для изготовления мембран фракцию с размером частиц не более 0,1 мм.

Навеску порошка исходной шихты (10 г) помещали в графитовую пресс-форму (рабочий диаметр 15,5 мм), подпрессовывали с силой нагрузки 20,7 МПа, далее заготовку помещали в вакуумную камеру (давление 6 Па), затем спекали при 1800°С со скоростью разогрева 100°С/мин. Образец выдерживали при максимальной температуре 1 мин. и далее охлаждали до комнатной температуры. Высота полученного образца цилиндрического типа 4 мм (после удаления графитовой фольги шлифовки), диаметром 15,3 мм черного цвета, характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительный анализ характеристик мембраны по примеру 1 и прототипа.

Изображение поверхности полученных по примеру 1 мембран (а – кристаллическая, б – аморфная фазы) представлено на фиг. 1.

Пример 2.

Для изготовления мембраны вначале готовили фильтрующий материал. Предварительно шелуху риса, содержащую 18% оксида кремния, обжигали на воздухе при температуре 350°С. Полученный материал, по результатам элементного анализа, содержал 37,9% углерода, 28,4% кремния и 33,7% кислорода. Далее размалывали его в порошок до размера частиц 0,15 мм, затем просеивали и отбирали для изготовления мембран фракцию с размером частиц не более 0,15 мм.

Навеску порошка исходной шихты (10 г) помещали в графитовую пресс-форму (рабочий диаметр 15,5 мм), подпрессовывали с силой нагрузки 22,8 МПа, далее заготовку помещали в вакуумную камеру (давление 6 Па), затем спекали при 1800°С со скоростью разогрева 100°С/мин. Образец выдерживали при максимальной температуре 3 мин. и далее охлаждали до комнатной температуры. Высота полученного образца цилиндрического типа 4 мм (после удаления графитовой фольги шлифовки), диаметром 15,3 мм черного цвета и показателями, представленными в таблице 2.

Таблица 2

Сравнительный анализ характеристик мембраны по примеру 2 и прототипа.

Изображение поверхности мембраны, полученной по примеру 2 (а – кристаллическая, б – аморфная фазы) представлено на фиг. 2.

Пример 3.

Для изготовления мембраны вначале готовили фильтрующий материал. Предварительно шелуху риса, содержащую 16% оксида кремния, обжигали на воздухе при температуре 300°С. Полученный материал, по результатам элементного анализа, содержал 38,4% углерода, 29,5% кремния и 32,1% кислорода. Далее размалывали его в порошок до размера частиц 0,2 мм, затем просеивали и отбирали для изготовления мембран фракцию с размером частиц не более 0,2 мм.

Навеску порошка исходной шихты (10 г) помещали в графитовую пресс-форму (рабочий диаметр 15,5 мм), подпрессовывали с силой нагрузки 24,5 МПа, далее заготовку помещали в вакуумную камеру (давление 6 Па), затем спекали при 1800°С со скоростью разогрева 100°С/мин. Образец выдерживали при максимальной температуре 5 мин. и далее охлаждали до комнатной температуры. Высота полученного образца цилиндрического типа 4 мм (после удаления графитовой фольги шлифовки), диаметром 15,3 мм черного цвета и показателями, представленными в таблице 3.

Таблица 3

Сравнительный анализ характеристик мембраны по примеру 3 и прототипа.

Данные электронной микроскопии и определение предела отсечения красителя из водного раствора по молекулярной массе позволяют сделать вывод о том, что мембрана может быть отнесена к нанофильтрационным мембранам, т.к. предельная молекулярная масса сепарации для нее равна ≈ 400 г/моль, в то время как для прототипа этот предел составляет ≈ 700 г/моль. Главным преимуществом данных мембран является предельно простая безотходная технология, не загрязняющая окружающую среду (утилизация возобновляемых отходов), а также дешевизна исходного сырья и более высокие технические показатели по сравнению с прототипом.

1. Способ получения формованной керамической мембраны, включающий измельчение исходных силикатсодержащих компонентов и последующий обжиг, отличающийся тем, что в качестве силикатсодержащих компонентов используют рисовую шелуху, которую обжигают при температуре 300-400°С на воздухе, измельчают и отбирают фракцию с размером частиц 0,1-0,2 мм, которую подвергают формованию прессованием в вакуумной камере при давлении 20,7-24,5 МПа, осуществляют консолидацию порошка в условиях искрового плазменного спекания при температуре не ниже 1800°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость разогрева заготовки на стадии спекания составляет 100°С/мин, причем ее выдерживают при температуре 1800°С в течение 1-5 мин, после чего охлаждают до комнатной температуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к созданию эластичной алюмооксидной наномембраны на основе анодированного алюминия. Способ включает подготовку поверхности образцов путем термообработки в течение 30 мин при температуре 450°С и анодирование в многокомпонентном электролите 50 г/л щавелевой кислоты + 100 г/л лимонной кислоты + 50 г/л борной кислоты + 100 мл/л изопропилового спирта в гальваностатическом режиме при температуре 20°С и плотности тока 25 мА/см2.

Изобретение относится к мембранному разделению с использованием микропористого материала. Способ разделения текучих сред включает пропускание входящего потока текучей среды, содержащего первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды, через мембрану, содержащую частицы кристаллического цеолита ITQ-55, с образованием получаемого потока пермеата текучей среды и получаемого потока непринятой текучей среды.

Изобретение относится к области мембранного газоразделения и может быть использовано для удаления нежелательных компонентов природных и технологических газовых смесей.

Изобретение относится к технической области фильтрующих элементов. Способ изготовления мембраны для тангенциальной фильтрации текучей среды, при этом указанная мембрана содержит: подложку, имеющую трехмерную структуру и образованную монолитным керамическим пористым телом, в котором выполнены пути для циркуляции фильтруемой текучей среды и разделительный фильтрующий слой, нанесенный на стенку циркуляционных путей, в котором трехмерную структуру подложки получают посредством аддитивной технологии, согласно которой трехмерную структуру подложки рассекают на участки при помощи программы компьютерного проектирования, при этом указанные участки создают поочередно в форме элементарных пластов, расположенных друг над другом и последовательно связанных между собой, при помощи повторения следующих двух этапов, на которых: а) наносят однородный сплошной слой порошка постоянной толщины, предназначенного для формирования керамического пористого тела на площади, превышающей рисунок сечения указанного формируемого пористого тела на уровне пласта; b) в соответствии с рисунком, определенным для каждого пласта, локально уплотняют часть нанесенного материала для создания элементарного пласта, при этом указанные два этапа повторяют для того, чтобы при каждом повторении одновременно связывать сформированный таким образом элементарный пласт с предыдущим пластом, постепенно наращивая требуемую трехмерную форму.

Изобретение относится к технической области фильтрующих элементов. Способ изготовления мембраны для тангенциальной фильтрации текучей среды, при этом указанная мембрана содержит: подложку, имеющую трехмерную структуру и образованную монолитным керамическим пористым телом, в котором выполнены пути для циркуляции фильтруемой текучей среды и разделительный фильтрующий слой, нанесенный на стенку циркуляционных путей, в котором трехмерную структуру подложки получают посредством аддитивной технологии, согласно которой трехмерную структуру подложки рассекают на участки при помощи программы компьютерного проектирования, при этом указанные участки создают поочередно в форме элементарных пластов, расположенных друг над другом и последовательно связанных между собой, при помощи повторения следующих двух этапов, на которых: а) наносят однородный сплошной слой порошка постоянной толщины, предназначенного для формирования керамического пористого тела на площади, превышающей рисунок сечения указанного формируемого пористого тела на уровне пласта; b) в соответствии с рисунком, определенным для каждого пласта, локально уплотняют часть нанесенного материала для создания элементарного пласта, при этом указанные два этапа повторяют для того, чтобы при каждом повторении одновременно связывать сформированный таким образом элементарный пласт с предыдущим пластом, постепенно наращивая требуемую трехмерную форму.
Изобретение относится к технологии получения керамической мембраны на пористом носителе, в частности на подложках из оксида алюминия или оксида циркония. Способ изготовления керамической мембраны, включающий получение пористой керамической подложки, нанесение на ее поверхность слоев суспензии цеолита и последующую термообработку, отличающийся тем, что получение пористой керамической подложки включает формование послойно уложенных слоев смесей порошка оксида алюминия или оксида циркония и порообразователя, в качестве которого используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), канифоль или парафин, взятых соответственно в соотношении, % масс.: 85:15-25:75, с градиентной пористостью от 15% до 60% по толщине подложки, затем наносят на поверхность подложки со стороны максимальной пористости, по крайней мере, один слой суспензии цеолита и проводят термообработку в интервале температур от 1000 до 1500°C.
Изобретение относится к технологии получения керамической мембраны на пористом носителе, в частности на подложках из оксида алюминия или оксида циркония. Способ изготовления керамической мембраны, включающий получение пористой керамической подложки, нанесение на ее поверхность слоев суспензии цеолита и последующую термообработку, отличающийся тем, что получение пористой керамической подложки включает формование послойно уложенных слоев смесей порошка оксида алюминия или оксида циркония и порообразователя, в качестве которого используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), канифоль или парафин, взятых соответственно в соотношении, % масс.: 85:15-25:75, с градиентной пористостью от 15% до 60% по толщине подложки, затем наносят на поверхность подложки со стороны максимальной пористости, по крайней мере, один слой суспензии цеолита и проводят термообработку в интервале температур от 1000 до 1500°C.

Изобретение относится к мембране на подложке, к способу получению мембраны и способу выделению с помощью указанной мембраны твердых частиц и катионов металлов, более точно, к способу фильтрации твердых частиц и экстракции катионов металлов, в частности радиоактивных, содержащихся в жидкости.

Изобретение относится к мембране на подложке, к способу получению мембраны и способу выделению с помощью указанной мембраны твердых частиц и катионов металлов, более точно, к способу фильтрации твердых частиц и экстракции катионов металлов, в частности радиоактивных, содержащихся в жидкости.

Изобретение относится к технологии получения пористых мембран на основе диоксида циркония, которые могут быть использованы в качестве фильтров для очистки и разделения жидкостей и газов, носителей катализаторов в различных химических процессах.

Изобретение относится к созданию эластичной алюмооксидной наномембраны на основе анодированного алюминия. Способ включает подготовку поверхности образцов путем термообработки в течение 30 мин при температуре 450°С и анодирование в многокомпонентном электролите 50 г/л щавелевой кислоты + 100 г/л лимонной кислоты + 50 г/л борной кислоты + 100 мл/л изопропилового спирта в гальваностатическом режиме при температуре 20°С и плотности тока 25 мА/см2.

Настоящее изобретение относится к способам получения реакционноспособных мономерных веществ. Способ, описанный в данном документе, может применяться в ряде способов получения реакционноспособных мономеров для оптимизации применения ингибирующих полимеризацию соединений, что может обеспечивать дополнительные преимущества, такие как расширение производства или устранение блока(ов) разделения в технологической установке.

Изобретение относится к мембранам из полианилина, полученным по способу инверсии фаз, для применения в прямом осмосе. Мембрана для прямого осмоса, полученная инверсией фаз, где указанная мембрана состоит по существу из пористого материала носителя и слоя полимера; где указанный слой полимера содержит полианилин и толщина слоя полимера составляет от примерно 20 мкм до примерно 120 мкм.

Использование: изобретение относится к мембранной технике, в частности к способам получения ионообменных асимметричных мембран. Раствор перфторсульфополимера в литиевой форме в растворителе - диметилформамиде с массовой долей в растворе 7,2%, объемом 15-25 мл - заливают в стеклянную форму с плоским дном и выдерживают в течение 2-6 часов до равномерного распределения жидкости по поверхности формы с последующим удалением пузырьков воздуха.

Изобретение относится к блок-сополиимиду, к вариантам способа его получения, к асимметричной цельной мембране или асимметричной цельной плоской мембране, к модулям на основе такой мембраны, а также к способу разделения газов и устройству для разделения газов.

Изобретение относится к технической области фильтрующих элементов. Способ изготовления мембраны для тангенциальной фильтрации текучей среды, при этом указанная мембрана содержит: подложку, имеющую трехмерную структуру и образованную монолитным керамическим пористым телом, в котором выполнены пути для циркуляции фильтруемой текучей среды и разделительный фильтрующий слой, нанесенный на стенку циркуляционных путей, в котором трехмерную структуру подложки получают посредством аддитивной технологии, согласно которой трехмерную структуру подложки рассекают на участки при помощи программы компьютерного проектирования, при этом указанные участки создают поочередно в форме элементарных пластов, расположенных друг над другом и последовательно связанных между собой, при помощи повторения следующих двух этапов, на которых: а) наносят однородный сплошной слой порошка постоянной толщины, предназначенного для формирования керамического пористого тела на площади, превышающей рисунок сечения указанного формируемого пористого тела на уровне пласта; b) в соответствии с рисунком, определенным для каждого пласта, локально уплотняют часть нанесенного материала для создания элементарного пласта, при этом указанные два этапа повторяют для того, чтобы при каждом повторении одновременно связывать сформированный таким образом элементарный пласт с предыдущим пластом, постепенно наращивая требуемую трехмерную форму.

Изобретение относится к пористой мембране для фильтрации белковых растворов. Пористая мембрана содержит гидрофобный полимер и нерастворимый в воде гидрофильный полимер, причем данная пористая мембрана имеет: плотный слой с выходной стороны мембраны по направлению фильтрации; градиентную асимметричную структуру, в которой средний диаметр мелких пор увеличивается от выходной части в направлении фильтрации к входной части в направлении фильтрации и индекс градиента среднего диаметра пор от плотного слоя к крупнопористому слою составляет от 0,5 до 12,0.
Изобретение относится к области фильтрации. Способ получения трубчатого фильтрующего элемента с фторопластовой мембраной включает растворение фторопласта в легколетучем растворителе, смешение полученного раствора с порообразователем с получением рабочего раствора, нанесением его на внутреннюю поверхность открытопористой трубки, испарение растворителя, приводящее к отверждению фторопласта с образованием полупроницаемой мембраны.

Изобретение относится к мембране на подложке, к способу получению мембраны и способу выделению с помощью указанной мембраны твердых частиц и катионов металлов, более точно, к способу фильтрации твердых частиц и экстракции катионов металлов, в частности радиоактивных, содержащихся в жидкости.

Изобретение относится к полиолефиновому материалу, который образуют вытягиванием в твердом состоянии термопластичной композиции, содержащей непрерывную фазу, которая включает полиолефиновый матричный полимер и добавку нановключения и добавку микровключения, диспергированные в непрерывной фазе в форме дискретных доменов.

Изобретение относится к технологии получения формованной керамической мембраны, которая может быть использована в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Согласно способу рисовую шелуху обжигают при температуре 300-400°С на воздухе, измельчают, отбирают фракцию с размером частиц 0,1-0,2 мм. Полученный порошок подвергают формованию прессованием в вакуумной камере при давлении 20,7-24,5 МПа, осуществляя его консолидацию в условиях искрового плазменного спекания при температуре не ниже 1800°С. Изобретение обеспечивает получение мембраны, содержащей карбид кремния, придающий мембране повышенные показатели твердости, прочности, электропроводности, удельной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл., 3 пр.

Наверх