XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение пористой керамики для водоочистных мембран
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вода – неотъемлемая часть нашей жизни. Воду используют не только для питания, но и для бытовых нужд, технических и медицинских назначений. И хочется, чтобы вода в доме была чистой, прозрачной и безопасной. На самом деле вода загрязнена многими токсичными элементами, соединениями, концентрация которых часто превышают нормы. И это может встречаться, как и водопроводной воде, так и подземных водах из скважин и колодцев. Существуют разные методы очистки воды из природных источников для дальнейшего потребления человеком. Вода-не возобновляемый природой источник, поэтому после использования человеком воду необходимо очистить и снова использовать. Загрязнение воды происходит за счёт водопотребления человеком в бытовых целях и стоков с промышленных предприятий. Очитка водоочистных стоков одно из важных условий сохранения экологии на нашей планете.
В современное время для водоочистки используют разные системы, одно из которых являются мембранные технологии, способствующие параллельной очистке воды от бактерий, вирусов, органических и неорганических компонентов. Керамические мембраны владеют высокой прочностью, термической и химической устойчивостью для того, чтобы использовать их на практике для очищения воды.
Мембраны не пропускают те примеси, у которых размер превышает размер пор мембран. Поэтому токсичные элементы не могу проникнуть через мембрану. В результате такой технологии качество воды не ухудшается, а остается неизменной. Составы этих мембран до сих пор дорабатываются.
На кафедре РХТУ им. Менделеева было вынесено предположение, что изменение состава мембран может привести к улучшению их свойств.
Цель работы: Разработка модифицированного состава мембран на основе оксида алюминия с повышенной открытой пористостью, но обладающей механической прочностью для проведения процессов ультрафильтрации.
Задачи:
- изучить мембранные методы очистки сточных вод;
-разработать качественно новый состав мембран для очистки сточных вод;
Исследование свойств керамических мембран нового состава
Гипотеза: новый состав мембран для очистки сточных вод обеспечит необходимые эксплуатационные характеристики мембран и поможет вернуть воду в повторное употребление.
Практическая часть проекта была выполнена на базе ХТКиО РХТУ им. Д.И. Менделеева в сентябре-декабре 2022 г. под руководством Сениной Марины Олеговны, доц. каф. ХТКиО РХТУ им. Д.И. Менделеева, к.т.н.
Глава 1.
Мембранные процессы можно классифицировать за счет размеров разделяемых частиц растворенного вещества из чего следует, по структуре используемых мембран. [8]
К основным мембранным методам разделения жидких систем относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос. В каждом из этих процессов разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной, но с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран, прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В большинстве случаев процесс проходит настолько полно, что продукт не содержит примесей задерживаемой мембраной практически вообще. Наоборот, применяя тот или иной мембранный метод разделения, можно получить в растворе перед мембраной компонент или компоненты практически без примесей вещества, проходящего через мембрану.
Микрофильтрация - мембранный процесс наиболее близкий к обычной фильтрации. Применяется для отделения от растворителя крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц размером 0,1 –10 мкм.
Мембраны для микрофильтрации могут быть изготовлены из разнообразных органических (полимеры) или неорганических (керамика, металлы, стекло) материалов.[3]
Размер пор микрофильтрационных мембран бывает от 0.05-10 мкм.
Основной проблемой при использовании микрофильтрации является уменьшение скорости потока, это связано с концентрационной поляризацией и отложением осадков на поверхности мембраны или осаждением внутри пор. Для того чтобы предотвратить забивание мембраны, необходимо осуществлять тщательный контроль способа проведения процесса.
Микрофильтрация имеет широкое применение в промышленности при разделении растворов, содержащих частицы или молекулы размером больше 0.1 мкм. Основной областью применения микрофильтрации является фармацевтическая и биомедицинская технология.[1]
Ультрафильтрация - это процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Он протекает под воздействием разности давления (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.
Ультрафильтрацию используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов разы больше молекулярной массы растворителя, т.е. ее можно использовать для очистки сточных вод от высокомолекулярных соединений. Размер пор ультрафильтрационных мембран находится в пределах от 1 до 100 нм.
Ультрафильтрация может быть использована в: пищевой, молочной, фармацевтической, текстильной и химической промышленностях, металлургии и других, а также для очистки сточных вод от высокомолекулярных органических веществ, красителей и др.[4]
Свойства керамических мембран и их получение.
С троение керамической мембраны приведено на рис.1.
Рис.1 – Керамическая мембрана с нанесенным на нее селективным слоем
Любая керамическая мембрана состоит из двух и более слоев, которые формируют последовательно. При общей толщине мембраны в несколько миллиметров разделительный слой имеет толщину в несколько микрометров. Самый толстый опорный слой, который называют по-разному - подложка, каркас, суппорт, основа, субстрат - определяет механическую прочность мембраны и ее конфигурацию. Он должен также иметь большую пористость (~50%) и минимальное гидравлическое сопротивление. Эту роль выполняет керамика [7].
Композиционные (композитные, составные) мембраны – это полупроницаемые мембраны, состоящие из двух или более слоев материалов с различающимися свойствами, изготавливаемых раздельно. Композиционная мембрана, как правило, представляет собой ультратонкий слой (УТС) одного вещества, расположенный на пористом слое другого вещества. Можно сказать, что сегодня будущее мембранной технологии связывают с развитием композитных мембран, количество которых уже сейчас очень велико.[3]
Необходимо учитывать такие особенности при получении керамических мембран: точное дозирование компонентов и соблюдение заданных технологических режимов на всех стадиях получения мембран.
Керамические мембраны для микрофильтрации получают из дисперсных порошков (как правило, оксидов) с добавками гидроксидов, карбонатов, силикатов и др. путем их спекания с формированием ячеистой структуры.
Методом получения керамических мембран является спекание порошков определенной дисперсности (кварц, стекло, оксиды металлов) со связующими веществами, которыми могут быть жидкое стекло, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит).
Необходимые прочностные свойства пористой керамической мембраны после формирования и сушки, а также ее физико-технические свойства после спекания во многом определяются природой и количеством использованных связующих. Следствием повышения содержания связующего являются значительный рост механической прочности керамики и некоторое увеличение ее усадки [6].
В настоящее время продолжается процесс по формированию из готового материала мембран и тестирование их функциональных свойств.
Применение керамических мембран из корунда для очистки сточных вод
Керамические мембраны обладают рядом преимуществ, позволяющих использовать их повсеместно для очистки различных вод.
Достоинства керамических мембран:
1.Возможность разделить смеси и растворы при высоких температурах.
2.Устойчивость в различных растворителях.
3.Керамические мембраны можно применять при любом значении кислотности среды.
4. Керамические мембраны сохраняют свои свойства при нагреве до 1000 С, работают под большим давлением (1-10 МПа), выдерживают стерилизацию паром при температуре 120 С.
Недостатками неорганических мембран является их высокая стоимость, а также хрупкость. Разрешение этой проблемы состоит в формировании композиционных мембран.[5]
Глава 2.
Практическая часть исследовательской работы.
Приготовление состава для керамической мембраны. Были взяты 2 основанных компонента в нужном процентном соотношении на основании работ, ранее проводимых на кафедре ХТКиО.
Табл.1 «Приготовление смеси»
-
Корунд F240
95%
Бентонитовая глина
5%
Был приготовлен состав керамической мембраны на основе крупно дисперсного электрокорунда F240 со спекающей добавкой, для обеспечения механической прочности и повышенной открытой пористости. С такими крупными порошками без специальных добавок мембранной подложки пока не производят. В основном при производстве мембран используют F600 и F1200 размер частиц порядка 5 мкм.
Новые образцы имеют более пористый материал и чем крупнее частица, тем больше будет зазоров и больше будет пористости.
К корунду и бентонитовой глине была введена временная технологическая связка: раствор-поливинилового спирта 5 %. Этот компонент нужен для процесса формирования.
На свойства изделия связка не влияет, так как после обжига всё испаряется.
В данной работе использован электроплавленный корунд марки F240(шлейфовой вариант) крупный порошок 44,5 мкм 95%. Для упрочнения и снижения температуры обжига была введена бентонитовая глина 5%. Упрочнение нужно для спекания керамики. Бентонитовая глина плавиться полностью при температуре 11000С.
Смешивание происходило с помощью прибора «валковая мельница смешения с корундовыми мелющими телами».
Смесь прошла перемешивание через сито, 2 раза для лучшей консистенции.
Смесь прошла прессование на приборе «Гидравлический пресс с усилением до 10 т»
Обжиг происходил на приборе «Электрическая печь с карбидокремниевым нагреванием». Обжиг происходил при различных температурах.
По 5 образцов обжигались при температурах: 1100, 1200 и 1300оС. Итого было получено 15 образцов
Исследование свойств.
У каждого образца была измерена его масса. После производилось кипячение образцов и измерена масса после процедуры. Каждый образец был погружен в жидкость (вода) и измерена масса.
В таблицах приведено среднее значение измерений для каждой группы из 5 образцов.
Табл. 2 «Измерение массы образцов до и после кипячения»
-
Образцы
Температура обжига (0С)
Масса сухого образца
Масса насыщенного жидкостью
Масса погруженного в жидкость (вода)
1-5
1100
3,012
3,692
2,236
6-10
1200
3,008
3,564
2,001
11-15
1300
2,922
3,52
1,995
По формуле рассчитано водопоглощение образцов:
[2],
где В- водопоглощение;
m1- масса образца насыщенного жидкостью;
m0- масса сухого образца.
Таблица 3. «Расчет водопоглощения»
|
Образцы |
В, % |
|
1-5 |
22,9 |
|
6-10 |
21,6 |
|
11-15 |
20,2 |
По формуле была рассчитана открытая пористость:
[2],
Где П0- открытая пористость
m0- масса сухого образца;
m1-масса образца насыщенного жидкостью;
m2- масса образца погруженного в жидкость.
Таблица 4. «Открытая пористость»
|
Образцы |
П0,% |
|
1-5 |
48,34 |
|
6-10 |
39,22 |
|
11-15 |
38,32 |
По формуле была рассчитана средняя плотность:
[2],
Где P- средняя плотность;
m1- масса насыщенного жидкостью;
m2- масса образца погруженного в жидкость.
pж- плотность жидкости.
Таблица 5. «Средняя плотность»
|
Образцы |
P, г/см3 |
|
1-5 |
1,58 |
|
6-10 |
1,61 |
|
11-15 |
1,63 |
По формуле была рассчитана прочность образцов:
[2],
Таблица 6. «Измерение образцов»
|
Образцы |
L (расстояние между опорами) (см) |
b (ширина) (см) |
h (высота) (см) |
|
1-5 |
6,4 |
0,529 |
0,649 |
|
6-10 |
6,4 |
0,538 |
0,651 |
|
11-15 |
6,4 |
0,529 |
0,651 |
Таблица 7. «Прочность»
|
Образцы |
МПа |
|
11000 |
1 |
|
12000C |
6 |
|
13000C |
8 |
Заключение.
Цель работы достигнута: разработаны мембраны модифицированного состава на основе оксида алюминия с повышенной открытой пористостью и обладающей механической прочностью для проведения процессов микрофильтрации.
В работе показано, что увеличение температуры обжига способствует снижению открытой пористости с 48,3 до 38,2 % и увеличению средней плотности с 1,58 до 1,63 г/см3. Наилучший результат, а значит самую высокую прочность (8 МПа), относительно низкое водопоглощение и открытой пористость имеют образцы, изготовленные при 1300 С.
Гипотеза частично подтверждена, так как новый состав мембран для очистки сточных вод имеет необходимые эксплуатационные характеристики мембран.
В дальнейшем планируется проведение экспериментов по получению более прочной керамики для мембран, а также проведение испытаний по фильтрации.
Список литературы.
«Практикум по технологии керамики» Н. Т. Андрианов, А. В. Беляков, А. С. Власов и др., 2004 г., Москва
«Химическая технология керамики» И. Я. Гузман, 2003 г., Москва
Свитцов, А.А. Введение в мембранные технологии / А.А. Свитцов. - М.: ДеЛи принт, 2007. – 208 с.
Будников П.П. Новая керамика – Москва: Стройиздат, 1969 – 312 с.
Лукин Е.С., Андрианов Н.Т., Мамаева Н.Б. О проблемах получения оксидной керамики с регулируемой структурой // Огнеупоры. 1993 № 5 стр. 11–15
Смирнов В.В., Синица И.В. Корундовая керамика с низкой температурой спекания. Огнеупоры. 1994 № 10. С. 7–9.
Матренин С.В., Слосман А.И. Техническая керамика: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004.–75 с.
Мулдер М. Введение в мембранную технологию – М.: Мир, 1999. – 513с.
Приложение.
Рис.3-4. Смешивание компонентов смеси
Рис 5-6. Просеивание смеси через сито
Рис.7. Процесс прессования
Рис.8-9. Готовое изделие, изготовленное на базе ХТКиО РХТУ им. Д.И. Менделеева (ноябрь 2022 г.)