LV15571B - Keramisks filtrs ar katalītisku pārklājumu - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz porainu keramikas materiāla sastāvu ar vaļēju porainību un caurlaidības spēju, ko nodrošina poru veidošanās ķīmiskas reakcijas ceļā izdaloties ūdeņradim. Uz keramiskā materiāla ir uzklāts pārklājums ar organiskus savienojumus sadalošām katalītiskām īpašībām. Par katalizatoru kalpo pārejas metāļu oksīdu CO3O4 vai Fe3O4 saturošs nanodisperss pārklājums, kuru uz keramikas virsmas uzklāj metālorganisku savienojumu veidā un nostiprina, termiski apstrādājot pirolīzes procesā. Keramisko filtru ar katalītisko pārklājumu var izmantot ar organiskiem savienojumiem piesārņota ūdens katalītiskai attīrīšanai gan granulēta slāņa, gan kompakta filtra veidā.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecas uz keramisku materiālu ar vaļēju porainību un caurlaidības spēju, kas izmantojams šķidrumu, piemēram, ūdens, attīrīšanai no organisko vielu piesārņojuma arī paaugstinātā temperatūrā.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Ir zināmas ūdens attīrīšanas sistēmas, kurās kā filtrējošais slānis ir izmantots graudains dabīgus minerālus saturošs slānis: dabīgo filosilikātu-mālu termiski apstrādāts granulāts ūdens filtrēšanas procesiem [1]. Minētā filtra materiāla trūkums ir tas, ka apdedzinātu māla granulu masai ir ierobežota mehāniskā stiprība un nodilumizturība, kas filtrācijas procesā var radīt ūdenī sekundāru piesārņojumu. Turklāt termiski apstrādātam mālam ir ierobežota absorbcijas kapacitāte [2].

[003] Ir zināms platīna grupas elementus saturošs pārklājums, kuru iespējams pārnest uz substrāta virsmas un kurš katalītiski veicina ūdenī esošu organisku vielu sadalīšanu [3]. Pārklājuma trūkums ir platīna grupas elementu augstās izmaksas.

[003] Ir zināms porainas keramikas sastāvs ar vaļēju porainību un ūdens caurlaidības spēju, kur poru struktūras radīšanai tiek izmantota ķīmiska reakcija, kura sākas izejvielu suspensijā un turpinās tās sacietēšanas laikā. Keramikas sastāvs satur TiO₂ modifikācijas anatazu un/vai rutilu, kuros gaismas starojuma ietekmē notiek elektronu pārejas procesi, kuru rezultātā sadalās atsevišķi organiski savienojumi un notiek ūdens attrīšana. Šī filtra materiāla trūkums ir tas, ka attīrīšanas procesa nodrošināšanai nepieciešama tieša redzamās vai ultravioletās gaismas saskare ar TiO₂, kas filtrēšanas procesā ir ierobežota un tas ir iegūts augstā temperatūrā līdz 1750 °C [4]. Šis filtrs ir izvēlēts par prototipu.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[004] Dotā izgudrojuma mērķis ir iegūt porainu keramisku matricu ar porainību 60-70 %, pietiekošu mehānisko un temperatūras izturību un kas var kalpot par matricu katalītiska nanodaļiņu pārklājuma uznešanai neorganisku sāļu ekstrakcijas-pirolīzes rezultātā, aizvietojot cēlmetālus ar pārejas metālu oksīdu nanodaļiņām.

[005] Mērķis tiek sasniegts veidojot porainu keramiku uz kordierīta-mullīta sastāva bāzes no izejvielu maisījuma suspendēta stāvokļa un veicot materiāla termisko apstrādi, lai nodrošinātu filtra ķermeņa caurejošu poru struktūru un pietiekošu mehānisko un temperatūras izturību. Lai panāktu filtra katalītiskas iedarbības spēju noārdot ūdenī esošu organisku savienojumu, termiski apstrādātu (apdedzinātu) porainu keramiku piesūcina ar metālorganisku pārejas elementu oksīdu šķīdumu un iegūto materiālu apstrādā pirolīzes procesā, lai uz porainā materiāla un poru virsmas veidotos nanodisperss katalītiski aktīvs pārklājums.

[006] Mērķa sasniegšanai izejvielu suspensijai izmanto izejvielas ar ierobežotu dzelzs oksīda saturu - kaolīnu, talku, alumīnija oksīdu, silīcija oksīdu un cirkonija oksīdu. Suspensiju gatavo no sausiem izejvielu pulveriem, disperģjot tos ūdenī, un pievieno poras veidojošu reaģentu metāliska alumīnija pastu. Pēc homogenizācijas suspensiju lej formā, kur notiek poras veidojoša ķīmiska reakcija un suspensijas gelēšana. Reakcijas rezultātā cietējošā materiālā pēc žāvēšanas un apdedzināšanas 1250-1350 °C temperatūrā veidojas savienotu poru sistēma ar šķidrumu caurlaidošām īpašībām.

[007] Lai filtra materiālam piešķirtu katalītiskas īpašības noārdīt ūdenī esošas organiskas vielas, keramikas matricu piesūcina ar pārejas metālu oksīdu CoO, FeO, NiO, MnO2 vai Cu2O saturošu organisku savienojumu un to nostiprina uz keramiskās pamatnes 300-350 °C temperatūrā. Keramiskā matrica satur pārejas elementu oksīdus, kuru daudzums ir 0,5 līdz 6,0 % no matricas masas.

[008] Izgudrojuma filtru ar katalītisku pārklājumu izgatavo saskaņā ar šādu vispārīgu paņēmienu:

i. izejvielas dozē un disperģē ūdenī ātras darbības maisītājā līdz homogēnas suspensijas stāvoklim;

ii. suspensijai pievieno poru veidotāju reaģentu, vēlreiz samaisa un ielej veidnē;

iii. pēc poru veidošanās procesa beigām seko termiskā apstrāde (apdedzināšana) 12501350 °C temperatūrā;

iv. No porainās apdedzinātās keramikas izzāģē apaļas formas filtru, uz kura izveido katalizatoru pārklājumu.

v. Katalizatoru iegūšanai izmanto attiecīgo pārejas elementu neorganiskos sāļus. No sāļu šķīdumiem ar kapronskābi ekstraģē kobalta, dzelzs, niķeļa, mangana vai vara jonus.

vi. Keramikas filtru piesūcina ar pārejas metālu kapronskābes sāļiem un pirolīzes procesā 300-350 °C temperatūrā uz keramikas iegūst Ni2O3, Мп20з, Cu2O vai labākajā variantā Co3O4vai Fe3O4, nanodaļiņu izmēru pārklājumu.

[009] Keramiku ar katalitisku pārklājumu var izmantot piesārņota ūdens apstrādei gan granulētā veidā, gan kompakta filtra veidā.

Izgudrojuma realizācijas piemēri

1. piemērs

[010] Suspensiju izejvielas dozē un disperģē ūdenī ātras darbības maisītājā līdz homogēnas suspensijas stāvoklim. Sausā izejvielu maisījuma sastāvs (masas %):

Kaolīns 28,5 %

Y-Al2Ū3 42,5 %

Talks 14,5 %

SiO2 9,5 %

ZrO2 5,0 %

[011] Sausām izejvielām pievieno 26±0,5 % ūdens no sausu izejvielu masas un maisa ātras darbības maisītājā līdz homogēnai suspensijai. Tad suspensijai pievieno 0,2 % alumīnija pastas no sausu izejvielu masas un maisa vēl 10 minūtes. Suspensiju ielej veidnē un 24 stundu laikā notiek suspensijas gelēšana un poru struktūras veidošanās ķīmiskas reakcijas ceļā starp alumīnija pastu un ūdeni. Izžāvēto keramikas materiālu apdedzina 1250 °C temperatūrā ar izturēšanu maksimālajā temperatūrā 2 stundas.

[012] Apdedzināto keramiku mehāniski apstrādā, veidojot apaļu disku. Gatavo filtru piesūcina ar kapronskābes dzelzs sāli un termiski apstrādā 350 °C temperatūrā 30 minūtes, lai uz parauga virsmas un porās veidotos nanometru izmēru Fe3O4 daļiņas. Filtru ar katalizatora pārklājumu izmanto ar organiskiem savienojumiem piesārņota ūdens attīrīšanas procesos.

2. piemērs

[013] Keramiskā filtra materiālu, iegūtu saskaņā ar 1. piemēru, bet apdedzinātu 1350 °C temperatūrā ar izturēšanu maksimālajā temperatūrā 2 stundas, piesūcina ar kapronskābes kobalta sāli un termiski apstrādā 300 °C temperatūrā 30 minūtes, lai uz parauga virsmas un porās veidotos nanometru izmēru Co3O4 daļiņas. Filtru ar katalizatora pārklājumu izmanto ar organiskiem savienojumiem piesārņota ūdens attīrīšanas procesos.

[014] Keramikas filtru ar katalītisku pārklājumu (iegūtu saskaņā ar 1. un 2. izgudrojuma realizācijas piemēriem) īpašības ir apkopoti 1. tabulā.

1. tabula

Keramikas filtru ar katalitisku pārklājumu īpašības

Īpašība	1. piemērs	2. piemērs
Porainība, %	72	65
Šķietamais blīvums, g/cm3	0,92	1,05
Spiedes stiprība, N/mm2	3,5	4,2
Katalizatora daudzums, % no matricas svara	4	2
Īpatnējā virsma ar katalizatoru pārklātam filtram, m2/g	10,12	5,78
Nesaistītu katalizatora daļiņu izmērs, nm	20	20
Fenola koncentrācijas samazināšanās, %	73	71
Filtra caurlaidības spēja, cm3/cm2.s	0,20	0,17

[015] Filtra ar katalizatora pārklājumu darbība organisko vielu piesārņojuma sadalīšanā noteikta pēc ķīmiskā skābekļa patēriņa ar dihromāta metodi.

[016] Katalizatora darbības efektivitāte noteikta pēc noteiktas koncentrācijas fenola šķīduma koncentrācijas samazināšanās, izmantojot fenola spektra 270 nm līnijas intensitātes samazināšanos.

[017] Filtra materiāls ar katalizatora pārklājumu izmantojams gan granulētā veidā, gan kompakta filtra veidā.

Izmantotie informācijas avoti

1. LIESMA KALVE, EGILS GRIĶIS. Universāls keramisks filtrējošs materiāls. Inese Bērziņa, Liesma Kalve, Egils Griķis (izgudrotāji). LV13470B. 2007-01-20.

2. RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE. Keramiskā sorbenta iegūšanas paņēmiens. Ruta Švinka, Visvaldis Švinka, Oskars Leščinskis, Līga Dabare (izgudrotāji). LV14870B. 201408-20

3. RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE, RTU NEORGANISKĀS ĶĪMIJAS INSTITŪTS. Process for the preparation of lactic acid from glycerol. Svetlana Čornaja et al. (izgudrotāji). European patent EP2606968B1. 2016-01-20.

4. RĪGAS TEHNISKA UNIVERSITĀTE. Keramisks filtrs. Visvaldis Švinka, Ruta Švinka, Andris Butlers, Ieva Zaķe (izgudrotāji). LV14078B. 2010-05-20.

Claims (3)

1. PRETENZIJAS

   1. Keramiskais filtrs ar katalītisku pārklājumu, kas satur filosilikātu izejvielas, alumīnija oksīdu un poru veidotāju, atšķiras ar to, ka lai keramiskajam filtram piešķirtu katalītiskas īpašības organisku savienojumu sadalīšanai, filtru pārklāj ar pārejas metālu oksīdu nanodispersu pārklājumu.
2. 2. Keramisks filtrs saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka katalītiskais Fe3O4 nanodaļiņu pārklājums ir iegūts no dzelzs nitrāta ar ekstrakcijas-pirolīzes metodi.
3. 3. Keramisks filtrs saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka katalītiskais Co3O4 nanodaļiņu pārklājums ir iegūts no kobalta nitrāta ar ekstrakcijas-pirolīzes metodi.