BE1006491A3

BE1006491A3 - Werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische anorganische poreuze struktuur.

Info

Publication number: BE1006491A3
Application number: BE9201167A
Authority: BE
Original assignee: Vito
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1992-12-30
Publication date: 1994-09-13
Also published as: DE605023T1; EP0605023A1

Abstract

Werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische poreuze struktuur, volgens dewelke men op een poreuze anorganische drager anorganische poederdeeltjes, met een gemiddelde diameter kleiner dan de helft van de gemiddelde diameter van de open poriën in het inwendige van de drager, aanbrengt, daardoor gekenmerkt dat men de anorganische poederdeeltjes in droge toestand op de drager aanbrengt en ze door een mechanische behandeling tot in de doorlopende lege ruimte aan het oppervlak van de drager duwt, waarna men deze anorganische poederdeeltjes aan elkaar sintert.

Description

Werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische anorganische poreuze struktuur.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische anorganische poreuze struktuur, volgens dewelke men op een poreuze anorganische drager anorganische poederdeeltjes, met een gemiddelde diameter kleiner dan de helft van de gemiddelde diameter van de open poriën in het inwendige van de drager, aanbrengt en aan elkaar sintert.

Asymmetrische anorganische membranen met een mikroporeuze laag van anorganische poederdeeltjes worden veel gebruikt als filtratie media, in het bijzonder voor deeltjes-, mikro-en ultrafiltratie. Deze membranen zijn vormvast en vertonen onder normale drukken, zoals bij deeltjes-, mikroen ultrafiltratie, geen merkbare vervormingen. Door de asymmetrie bezitten ze voor een gegeven dikte een grote permeabiliteit. Ook weerstaan ze onder lucht meestal aan hogere temperaturen dan organische membranen. Ze worden slechts langzaam geërodeerd door de vaste deeltjes in de te filtreren vloeistof en kunnen zeer hard gemaakt worden. In een groot aantal gevallen zijn ze zeer resistent tegen korrosieve chemische produkten.

De vervaardiging van een dergelijk anorganisch membraan is onder meer beschreven in FR-A-2 642 984. Keramische poederdeeltjes worden in suspensie op een metalen drager aangebracht en vervolgens aan een thermische behandeling onderworpen. Ook volgens EP-A-0 344 961 worden keramische poederdeeltjes als een sol of een suspensie op een metalen drager gebracht zonder in de poriën binnen te dringen, waarna deze poederdeeltjes door een thermische behandeling gedroogd en aan elkaar gesinterd worden.

Volgens EP-A-0 320 033 worden metaaloxide poederdeeltjes in suspensie op een keramische drager aangebracht, waarbij voorzorgen genomen worden opdat de poederdeeltjes niet in de poriën van de drager zouden binnendringen. Deze poederdeeltjes worden gedroogd en door een thermische behandeling bij 1200'C aan elkaar gesinterd.

Het aanbrengen van keramische poederdeeltjes via een oplossing, suspensie of gel op een keramische poreuze drager en het daarna drogen en aan elkaar sinteren van deze poederdeeltjes is eveneens beschreven in EP-A-O 242 208 en FR-A-2 604 920.

Met deze bekende werkwijzen verkrijgt men op de poreuze drager een poreuze massa van geringe dikte met een scherpe grens tussen beide.

Deze bekende werkwijzen zijn door het gebruik van vloeistof als transportmiddel voor de anorganische poederdeeltjes relatief omslachtig.

De uitvinding heeft tot doel dit nadeel te verhelpen en een werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische anorganische poreuze struktuur te verschaffen die relatief eenvoudig is en toch toelaat een poreuze struktuur van uitstekende kwaliteit, die bijzonder geschikt is als filtratiemembraan bijvoorbeeld voor deeltjes-filtratie, te verkrijgen.

Tot dit doel brengt men de keramische poederdeeltjes, in droge toestand, op de drager aan en duwt men ze door een mechanische behandeling tot in de doorlopende lege ruimte aan het oppervlak van de drager, waarna men deze keramische poederdeeltjes aan elkaar sintert.

In het oppervlak van de drager vormt zieh op deze wijze een netwerkvormige poreuze massa met open poriën waarvan, gezien de aangebrachte anorganische poederdeeltjes een gemiddelde diameter bezitten die kleiner is dan de helft van de gemiddelde diameter van de open poriën in het inwendige van de drager, de gemiddelde grootte een faktor tien kleiner is dan de gemiddelde grootte van de open poriën in het inwendige van de drager. Het verkregen kontinu netwerk van de poreuze massa is verankerd in het oppervlak van de drager.

Er is geen scherpe grens tussen de struktuur van de drager en de aan elkaar gesinterde keramische poederdeeltjes.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt men als anorganische poederdeeltjes keramische , poederdeeltjes.

In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt men als poreuze anorganische drager een keramische struktuur.

In deze uitvoeringsvorm is de volledige struktuur van keramisch materiaal en bijgevolg bestand tegen hoge temperaturen en korrosieve chemische stoffen en hard.

In een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding, vervaardigt men de drager door een mengsel van anorganische poederdeeltjes, die groter zijn dan de voornoemde anorganische poederdeeltjes die men op de drager aanbrengt, en een organisch bindmiddel in de gewenste vorm te brengen door persen, extrusie, spuitgieten of slibgieten, het bindmiddel te calcineren en vervolgens te sinteren.

In een doelmatige uitvoeringsvorm van de uitvinding voert men de mechanische behandeling uit door kogels over het oppervlak van de drager, waarin men de anorganische poederdeeltjes wenst aan te brengen, te laten rollen in aanwezigheid van de anorganische poederdeeltjes in droge vorm.

Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische poreuze struktuur, volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde figuren, waarvan : figuur 1 een beeld weergeeft, genomen met een elektronenmikroskoop, van het filteroppervlak van een poreuze struktuur volgens de uitvinding ; figuur 2 een beeld weergeeft analoog aan dit van figuur 1, maar van het breukvlak van de poreuze struktuur uit deze figuur 1.

Voor het vervaardigen van een asymmetrisch anorganisch membraan volgens de uitvinding vervaardigt men eerst op een gekende manier een poreuze anorganische drager waarop men vervolgens anorganische poederdeeltjes, met een gemiddelde diameter kleiner dan de helft van de gemiddelde diameter van de poriën in het inwendige van de drager, in droge vorm aanbrengt. Door een mechanische behandeling duwt men deze poederdeeltjes ten minste gedeeltelijk in de doorlopende lege ruimte in de grenslaag aan het oppervlak van de drager, waarna men deze poederdeeltjes aan elkaar sintert.

De hiervoor genoemde lege ruimte in de uiterste grenslaag behoort niet tot de verzameling van open poriën van de drager vermits een dergelijke open porie tot het inwendige van de drager behoort en rondom begrensd wordt door vast materiaal en ook individueel bestaat.

Aangezien de lege ruimte slechts aan een zijde begrensd is door materiaal en bovendien niet diskontinu is zoals een individuele porie, heeft ze geen porie-karakter. Ze behoort tot het opppervlak van de poreuze struktuur en vormt samen met het vast materiaal aan het oppervlak de oppervlakteruwheid. Het aanbrengen van de anorganische poederdeeltjes in deze doorlopende lege ruimte vermindert dus in feite de oppervlakteruwheid, maar modifieert niet de individuele poriën van de drager.

Als anorganische materialen voor de poederdeeltjes zijn vooral keramische materialen en meer in het bijzonder oxiden, carbiden en nitriden geschikt. Vooral aluminiumoxide en zirkoniumoxide zijn zeer geschikt. Bij voorkeur is de gemiddelde diameter van de anorganische poederdeeltjes gelegen tussen 1/2 en 1/40 van de gemiddelde diameter van de open poriën in het inwendige van de drager gelegen.

De poreuze drager kan eender welke vorm aannemen zoals de vorm van een vlakke plaat of een buis of ander holle vorm.

Hij kan van metaal vervaardigd zijn, maar doelmatig vervaardigt men deze drager ook van anorganisch materiaal, in het bijzonder van keramisch materiaal, bijvoorbeeld hetzelfde keramisch materiaal als dit van de erop aan te brengen keramische poederdeeltjes. Daarbij kan men de gebruikelijke technieken aanwenden. Bijvoorbeeld kan men een mengsel van anorganische poederdeeltjes en een organisch bindmiddel in de gewens-ce vorm brengen, daarna het bindmiddel calcineren en vervolgens het geheel

sinteren. Het in de gewenste vorm brengen kan droog gebeuren door persen of spuitgieten, maar ook nat door slibgieten of extrusie.

De anorganische poederdeeltjes van de drager moeten uiteraard groter zijn dan de voornoemde anorganische poederdeeltjes die men op de drager aanbrengt. De gemiddelde deeltjesdiameter van de drager is bij voorkeur gelegen tussen 1 en 1000 mikrometer. De gemiddelde diameter van de open poriën van de drager is bij voorkeur tussen 0, 1 en 200 mikrometer gelegen.

De mechanische behandeling kan bestaan in het laten rollen van kogeltjes met een diameter merkelijk groter dan de deeltjes van het anorganisch poeder over het oppervlak van de drager waar dit poeder in de lege ruimte moet gebracht worden in aanwezigheid van dit poeder. Deze manier is vooral geschikt wanneer de drager buisvormig is. Bij een vlakke drager kan de mechanische behandeling bestaan in het inwrijven van anorganische poederdeeltjes, bijvoorbeeld met een rol.

De temperatuur waarbij de anorganische poederdeeltjes aan elkaar gesinterd worden hangt uiteraard af van het anorganisch materiaal. Men verwarmt hiertoe de drager met de anorganische poederdeeltjes tot een temperatuur hoger dan 0, 4 keer de smelttemperatuur van de anorganische poederdeeltjes. Indien men evenwel vloeibaar fazesinteren toepast kan de sintertertemperatuur lager liggen.

Op de hiervoor beschreven manier verkrijgt men een asymmetrisch membraan dat zeer geschikt is voor filtratie, in het bijzonder deeltjes-filtratie. De keramische poederdeeltjes vormen in het oppervlak van de drager een doorlopend netwerk dat een matrix vormt waarin de buitenste

poederdeeltjes van de drager verankerd liggen. Een aantal van deze poederdeeltjes van de drager zijn nog juist aan het oppervlak van het membraan zichtbaar via Scanning Elektronenmikroskopie. Doordat men de keramische poederdeeltjes volledig droog aangebracht heeft zonder enige vloeistof als transporthulpmiddel is deze werkwijze zeer eenvoudig. Toch is de kwaliteit van het membraan uitstekend.

De uitvinding zal nader geïllustreerd worden aan de hand van het volgende voorbeeld : Een poreuze aluminiumoxide dragerbuis met een lengte van 47 cm, een binnendiameter van 6 mm en een buitendiameter van 10 mm werd vervaardigd door aluminiumoxide poeder met deeltjesgrootteverdeling tussen 5 en 20 mikrometer isostatisch tot de gewenste vorm te persen en vervolgens in een oven te sinteren bij 1550'C.

De gemiddelde poriediameter van de open poriën in de gesinterde poreuze aluminiumoxide buis bedroeg 3, 6 mikrometer.

In deze buis werd droog aluminiumoxyde poeder met een deeltjesdiameter van gemiddeld 1 mikrometer gebracht samen met aluminiumoxide kogeltjes met een diameter van 1, 5 mm.

Door het wentelen van de buis rond haar as werd het poeder mechanisch in de doorlopend lege ruimte van het binnenoppervlak van de buis geduwd.

Het geheel werd in een oven gebracht bij 1550 C waardoor de. fijne aluminiumoxide deeltjes aan elkaar gesinterd werden.

De verkregen asymmetrische keramische struktuur is in de figuren 1 en 2 gezien door een Scanning Elektronenmikroskoop weergegeven, waarbij figuur 1 de struktuur aan de binnenzijde met kleine poriën, dit is dus het gevormde netwerk, toont en de figuur 2 een breukvlak door de wand van de buis, waaruit de asymmetrische struktuur duidelijk blijkt.

De aldus vervaardigde buis werd in de module van een cross-flow mikrofiltratie-eenheid geplaatst. De ondoorzichtige vervuilde slijpvloeistof afkomstig van een slijpmachine en bestaande uit een waterige dispersie van siliciumcarbid en aluminiumoxide poederdeeltjes werd met een snelheid van 4 m/s doorheen de buis gepompt bij een
EMI8.1
druk van 2 bar. Een zeer helder permeaat met een flux van 2 1000 l/h. werd verkregen. De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht.

In het bijzonder moet het keramisch fijne poeder niet noodzakelijk aluminiumoxide zijn.

Ook de drager moet niet noodzakelijk van aluminiumoxide zijn. Hij kan trouwens van ander anorganisch materiaal dan keramisch materiaal vervaardigd zijn.

Claims

Konklusies. 1. - Werkwijze ter vervaardiging van een asymmetrische poreuze struktuur, volgens dewelke men op een poreuze anorganische drager anorganische poederdeeltjes, met een gemiddelde diameter kleiner dan de helft van de gemiddelde diameter van de open poriën in het inwendige van de drager, aanbrengt, daardoor gekenmerkt dat men de anorganische poederdeeltjes in droge toestand op de drager aanbrengt en ze door een mechanische behandeling tot in de doorlopende lege ruimte aan het oppervlak van de drager duwt, waarna men deze anorganische poederdeeltjes aan elkaar sintert.
2.-Werkwijze volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat men als anorganische poederdeeltjes keramische poederdeeltjes gebruikt.
3.-Werkwijze volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat men als keramische poederdeeltjes deeltjes gebruikt uit de groep van : oxides, carbides of nitrides of mengsels daarvan.
4.-Werkwijze volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat men als keramische poederdeeltjes deeltjes gebruikt uit de groep gevormd door aluminiumoxide en zirconiumoxide.
5.-Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men als poreuze anorganische drager een keramische struktuur gebruikt.
6.-Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men de drager vervaardigt door een mengsel van anorganische poederdeeltjes, die groter zijn dan de voornoemde anorganische poederdeeltjes die men op de drager <Desc/Clms Page number 10> aanbrengt, en een organisch bindmiddel in de gewenste vorm te brengen door persen, extrusie, spuitgieten of slibgieten, het bindmiddel te calcineren en vervolgens te sinteren.
7.-Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men een drager gebruikt vervaardigd van anorganische poederdeeltjes met een gemiddelde deeltjesdiameter gelegen tussen 1 en 1000 mikrometer.
8.-Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men een drager gebruikt met een gemiddelde diameter van de open poriën tussen 0, 1 en 200 mikrometer. EMI10.1
9.-Werkwijze volgens een vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men de mechanische behandeling uitvoert door kogels over het oppervlak van de drager, waarin men de anorganische poederdeeltjes wenst aan te brengen, te laten rollen in aanwezigheid van de anorganische poederdeeltjes in droge vorm.
10.-Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat de anorganische poederdeeltjes die men op de drager aanbrengt een gemiddelde diameter bezitten die 1/2 tot 1/40 is van de gemiddelde diameter van de open poriën van het inwendige van de drager.