RU2351389C1 - Selective nanofilter and method for its manufacture - Google Patents
Selective nanofilter and method for its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351389C1 RU2351389C1 RU2007148600/15A RU2007148600A RU2351389C1 RU 2351389 C1 RU2351389 C1 RU 2351389C1 RU 2007148600/15 A RU2007148600/15 A RU 2007148600/15A RU 2007148600 A RU2007148600 A RU 2007148600A RU 2351389 C1 RU2351389 C1 RU 2351389C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- metal
- gas permeability
- active layer
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано при создании химических нанофильтров, представляющих собой мембраны, смонтированные на каркасе, обеспечивающем механическую прочность мембраны как нанопористого функционального элемента. В частности, изобретение рассматривает конструкцию селективного нанофильтра на основе металлической пленки и нанопористой мембраны, обладающего высокой селективной газовой проницаемостью металлов (например, палладия или никеля для водорода).The invention relates to the field of nanotechnology and can be used to create chemical nanofilters, which are membranes mounted on a frame, providing mechanical strength of the membrane as a nanoporous functional element. In particular, the invention contemplates the construction of a selective nanofilter based on a metal film and a nanoporous membrane having a high selective gas permeability of metals (e.g., palladium or nickel for hydrogen).
Известно устройство, представляющее механически прочную систему пористая мембрана - пористая подложка (US №7108813, В29С 65/00, B01D 39/00, В44С 1/22, опубл. 19.09.2006).A device is known that represents a mechanically strong system of a porous membrane - a porous substrate (US No. 7108813, B29C 65/00, B01D 39/00, B44C 1/22, publ. 09/19/2006).
Недостатком данной двухслойной мембраны является то, что при обеспечении прочности системы в целом она имеет пропускную способность, равную пропускной способности пор в подложке.The disadvantage of this two-layer membrane is that while ensuring the strength of the system as a whole, it has a throughput equal to the throughput of the pores in the substrate.
Известны устройства, представляющие собой двухслойные пористые системы с различной пористостью (US №4666668, А61М 1/14, опубл. 19.05.1987, или US №5114803, Н01М 8/10, опубл. 19.05.1992, или US №5308712, Н01М 8/10, опубл. 03.05.1994).Known devices that are two-layer porous systems with different porosities (US No. 46666668,
Однако получение такой системы представляет собой сложный и трудоемкий процесс, не обеспечивающий высокого процента качественного выхода готовых изделий со стабильными свойствами надежности и высокой пропускной функцией.However, obtaining such a system is a complex and time-consuming process that does not provide a high percentage of the quality yield of finished products with stable reliability properties and high throughput function.
Известно устройство, представляющее систему, включающую в себя тонкую металлическую пленку, нанесенную, в частности, методом ионно-атомного напыления металла на пористую подложку (US №2006/068253, Н01М 8/10, 2/14, опубл. 30.03.2006).A device is known that represents a system that includes a thin metal film deposited, in particular, by ion-atom sputtering of a metal on a porous substrate (US No. 2006/068253, H01M 8/10, 2/14, publ. 30.03.2006).
Недостатком данного решения является то, что соотношение толщина пленки - размер пор мембраны таково, что напыленная металлическая пленка-мембрана существенным образом уменьшает пропускаемость мембраны. Кроме того, применение метода ионно-атомного напыления металла не позволяет получить пористость, равную естественной газовой проницаемости металлических пленок применительно к атомам водорода или иных газов. Кроме того, такие мембраны отличаются достаточно большими габаритами и слабой эксплуатационной надежностьюThe disadvantage of this solution is that the ratio of the film thickness to the pore size of the membrane is such that the sprayed metal film-membrane significantly reduces the transmittance of the membrane. In addition, the use of the method of ion-atom deposition of metal does not allow one to obtain porosity equal to the natural gas permeability of metal films as applied to hydrogen atoms or other gases. In addition, such membranes are distinguished by sufficiently large dimensions and poor operational reliability.
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.This decision was made as a prototype for the claimed device.
Из этого же источника известен способ изготовления нанофильтра. Поэтому данное решение также принято в качестве прототипа для заявленного способа.A method for manufacturing a nanofilter is known from the same source. Therefore, this decision was also made as a prototype for the claimed method.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию простой и надежной системы подложка - мембрана, обеспечивающей гарантированную пропускную способность газового компонента из газообразной среды и максимальную прочность к перепаду давлений.The present invention is aimed at solving the technical problem of creating a simple and reliable substrate-membrane system that provides guaranteed throughput of the gas component from the gaseous medium and maximum pressure differential strength.
Получаемый при этом технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик, эффективности пропускной функции для таких газов, как водород, и надежности и долговечности работы.The technical result obtained in this case is to improve operational characteristics, the efficiency of the throughput function for gases such as hydrogen, and the reliability and durability of the work.
Указанный технический результат для устройства достигается тем, что в селективном нанофильтре, содержащем подложку, выполненную по всей поверхности с порами в виде сквозных отверстий, направленных вдоль толщины подложки, и активный слой, при этом толщина подложки больше толщины активного слоя, подложка выполнена с размером пор 50-100 нм, а активный слой представляет собой тонкую толщиной 100-150 нм беспористую пленку металла с высокой селективной газовой проницаемостью, прикрепленную к подложке с перекрытием пор последней.The specified technical result for the device is achieved in that in a selective nanofilter containing a substrate made over the entire surface with pores in the form of through holes directed along the thickness of the substrate, and the active layer, while the thickness of the substrate is greater than the thickness of the active layer, the substrate is made with pore size 50-100 nm, and the active layer is a thin 100-150 nm thick non-porous metal film with high selective gas permeability, attached to the substrate with overlapping pores of the latter.
Указанный технический результат для способа достигается тем, что способ изготовления селективного нанофильтра характеризуется следующим перечнем операций:The specified technical result for the method is achieved in that the method of manufacturing a selective nanofilter is characterized by the following list of operations:
- на фольгу из вспомогательного металла методом ионно-атомного осаждения наносят заданной толщиной пленку металла с высокой селективной газовой проницаемостью для получения не обладающей структурной пористостью пленки из сплошного металла,- a metal film with a high selective gas permeability is applied to a foil of an auxiliary metal by ion-atom deposition by a predetermined thickness to obtain a solid metal film with no structural porosity,
- на поверхность одной стороны подложки с порами методом ионно-атомного осаждения наносится адгезивный слой функционального металла,- on the surface of one side of the substrate with pores by the method of ion-atom deposition, an adhesive layer of a functional metal is applied,
- фольгу с пленкой металла с высокой селективной газовой проницаемостью помещают на подложку и прижимают сторону с пленкой металла с высокой селективной газовой проницаемостью к слою функционального металла на подложке,- a foil with a film of metal with high selective gas permeability is placed on the substrate and the side with the film of metal with high selective gas permeability is pressed to the layer of functional metal on the substrate,
- после чего сначала пленку металла с высокой селективной газовой проницаемостью приваривают диффузионной сваркой к подложке,- then, first, a metal film with high selective gas permeability is welded by diffusion welding to the substrate,
- а затем фольгу вспомогательного материала удаляют путем ее химического растворения.- and then the foil of the auxiliary material is removed by its chemical dissolution.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
На фиг.1 дано изображение в разрезе пористой подложки;Figure 1 shows a sectional view of a porous substrate;
фиг.2 - то же, что на фиг.1, с нанесенным адгезивным слоем функционального металла;figure 2 is the same as in figure 1, with the applied adhesive layer of functional metal;
фиг.3 - фольга из вспомогательного металла с пленкой металла с высокой селективной газовой проницаемостью;figure 3 - foil of auxiliary metal with a film of metal with high selective gas permeability;
фиг.4 - закрепление пленки металла на подложке;figure 4 - fixing the metal film on the substrate;
фиг.5 - демонстрация процесса удаления фольги электролитическим способом.5 is a demonstration of the process of removing the foil by the electrolytic method.
Согласно настоящему изобретению рассматривается новая конструкция селективного нанофильтра, используемого для сепарации, например, водорода из газовой смеси. Селективный нанофильтр выполнен двухслойным со слоями существенно различной пористости, первый из которых является функциональным (на нем происходит разделение газовых компонентов), а второй обеспечивает механическую прочность и является каркасом для функционального слоя (подложка).According to the present invention, a novel design of a selective nanofilter used to separate, for example, hydrogen from a gas mixture is contemplated. The selective nanofilter is made two-layer with layers of significantly different porosity, the first of which is functional (gas components are separated on it), and the second provides mechanical strength and is the framework for the functional layer (substrate).
Селективный нанофилътр содержит подложку 1 (фиг.1), выполненную по всей поверхности с порами 2 в виде сквозных отверстий, направленных вдоль толщины подложки. На поверхности одной стороны подложки закреплен активный слой, при этом толщина подложки больше толщины активного слоя. Подложка выполнена с размером пор 50-100 нм, а активный слой представляет собой тонкую толщиной 100-150 нм беспористую пленку 3 металла с высокой селективной газовой проницаемостью, прикрепленную к подложке с перекрытием пор последней. При этом применительно к процессу отделения атомов водорода пленка активного слоя выполняется из палладия или никеля для пропуска атомов водорода. Естественно, что для другого газа выбор металла определяется степенью его газовой проницаемости в состоянии тонкой пленки.The selective nanofilter contains a substrate 1 (Fig. 1), made over the entire surface with
Так как подложка может быть выполнена, например, из керамического материала, то отсутствуют условия формирования связей между подложкой и пленкой металла. В заявленном решении применен метод промежуточного слоя, который, с одной стороны, имеет очень высокую адгезию, например, с керамикой, а с другой стороны - с металлом активного слоя. Такой диффузионно напыленный слой является связью между слоем металла и керамикой. Вместо керамики могут использоваться и другие материалы, в том числе и металлы. В связи с этим соединение пластины (мембраны) с подложкой получается долговечным и может быть проконтролировано по результату исполнения.Since the substrate can be made, for example, of ceramic material, there are no conditions for the formation of bonds between the substrate and the metal film. The claimed solution uses the intermediate layer method, which, on the one hand, has very high adhesion, for example, with ceramics, and on the other hand, with the metal of the active layer. Such a diffusion sprayed layer is a bond between the metal layer and the ceramic. Instead of ceramics, other materials can be used, including metals. In this regard, the connection of the plate (membrane) with the substrate is durable and can be controlled by the result of execution.
Малая толщина пленки позволяет получить высокую проницаемость при невысоких температурах. Обычно толщина металла определяется из условий прочности (например, при напуске в вакуум перепад давления 1 атм), и поэтому для эффективной работы требуются температуры 100-400°С. Использовать свободную пленку малой толщины невозможно, поэтому предлагается использовать подложку как основу, а малый размер ее пор обеспечит достаточную прочность пленки и ее неразрушаемость при внешнем нагружении в процессе сепарации.The small film thickness allows to obtain high permeability at low temperatures. Typically, the thickness of the metal is determined from the strength conditions (for example, when a pressure drop of 1 atm is introduced into a vacuum), and therefore temperatures of 100-400 ° C are required for effective operation. It is impossible to use a free film of small thickness, therefore it is proposed to use a substrate as a base, and the small size of its pores will provide sufficient film strength and its indestructibility upon external loading during the separation process.
Данный селективный нанофильтр изготавливают следующим образом.This selective nanofilter is made as follows.
На фольгу 4 из вспомогательного металла (фиг.3) методом ионно-атомного осаждения наносится пленка 3 требуемого металла с заданной толщиной. Пи этом выбирается металл с высокой селективной газовой проницаемостью для данного типа газа. Такой способ осаждения позволяет получить пленку сплошного металла, т.е. не обладающую структурной пористостью. Технология получения таких пленок описана в нижеприведенных работах:On the
- Вальднер В.О., Заболотный В.Т. Электрохимические исследования дефектности покрытий, полученных ионно-атомным осаждением. // Физика и химия обраб. материалов, 2004, №1, стр.35-37.- Waldner V.O., Zabolotny V.T. Electrochemical studies of the defectiveness of coatings obtained by ion-atom deposition. // Physics and chemistry Materials, 2004, No. 1, pp. 35-37.
- Вальднер В.О., Заболотный В.Т., Иванов В.И., Старостин Е.Е. Диффузионная сварка с предварительным ионно-атомным осаждением // Перспективные материалы, 1997, №1, стр.86-88.- Waldner V.O., Zabolotny V.T., Ivanov V.I., Starostin E.E. Diffusion welding with preliminary ion-atom deposition // Promising materials, 1997, No. 1, pp. 86-88.
На поверхность одной стороны подложки 1 (фиг.2) с заданной пористостью (размером пор) методом ионно-атомного осаждения наносится адгезивный слой 5 функционального металла толщиной 10-50 нм (чтобы не изменить размер пор мембраны). С вопросом применения метода ионно-атомного напыления для получения высокой точности нанорельефа можно ознакомиться на сайте «Учебно-методический центр» в Интернет в режиме онлайн по адресу: http://www.eks.fel. mirea.ni/PhCMmdex/PhysCMScience/PhysCMEdSc/MishinaSit e/Foto-structs.html (04.05.2006), раздел «Нанотехнологии для сверхскоростной телекоммуникации. Фото-структуры» и раздел «материалы и методы нанотехнологии».On the surface of one side of the substrate 1 (figure 2) with a given porosity (pore size) by the method of ion-atom deposition, an
Затем фольгу 4 с пленкой 3 помещают на подложку 1 (фиг.4), прижимают ее сторону с пленкой металла с высокой селективной газовой проницаемостью к слою 5 функционального металла на подложке и приваривают диффузионной сваркой (т.е. выдержкой в прижатом состоянии при температуре 300-500°С). Затем фольгу вспомогательного материала удаляют путем ее химического растворения (растворяется химически, например, с использованием электролитического метода (фиг.5). Получаем подложку с приваренной пленкой функционального металла.Then, the
Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть изготовлено с использованием достаточно хорошо отработанных технологий. При этом возможно изготовление фильтров больших размеров, так как его прочность определяется механическими качествами подложки.The present invention is industrially applicable, can be manufactured using fairly well-established technologies. In this case, it is possible to manufacture filters of large sizes, since its strength is determined by the mechanical properties of the substrate.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148600/15A RU2351389C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Selective nanofilter and method for its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148600/15A RU2351389C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Selective nanofilter and method for its manufacture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2351389C1 true RU2351389C1 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=41014815
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007148600/15A RU2351389C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Selective nanofilter and method for its manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2351389C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2538577C2 (en) * | 2013-01-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГОУ ВПО "ВГУ") | Method of creation of composite membrane for hydrogen cleaning |
RU2540313C2 (en) * | 2012-11-02 | 2015-02-10 | Галадигма ЛЛС | Method of water decomposition with utilisation of carbon dioxide and release of hydrogen |
-
2007
- 2007-12-27 RU RU2007148600/15A patent/RU2351389C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540313C2 (en) * | 2012-11-02 | 2015-02-10 | Галадигма ЛЛС | Method of water decomposition with utilisation of carbon dioxide and release of hydrogen |
RU2538577C2 (en) * | 2013-01-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГОУ ВПО "ВГУ") | Method of creation of composite membrane for hydrogen cleaning |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7431838B2 (en) | Gas/ion species selective membrane support by multi-stage nano-hole array metal structure | |
TW201544453A (en) | Processes for forming composite structures with a two-dimensional material using a porous, non-sacrificial supporting layer | |
JP2007326095A (en) | Composite inorganic membrane for separation in fluid system | |
US7125440B2 (en) | Composite structure for high efficiency hydrogen separation and its associated methods of manufacture and use | |
KR20020013778A (en) | A supported metal membrane, a process for its preparation and use | |
US8366805B2 (en) | Composite structures with porous anodic oxide layers and methods of fabrication | |
JP2006520687A5 (en) | ||
JP2007007565A (en) | Reinforcing structure for hydrogen-permeable film, and its manufacturing method | |
JPH11276866A (en) | Hydrogen-permeable membrane and its manufacture | |
JP2006272420A (en) | Diffusion welding method for metallic foil | |
US20120012004A1 (en) | Multilayer sulfur-resistant composite metal membranes and methods of making and repairing the same | |
RU2351389C1 (en) | Selective nanofilter and method for its manufacture | |
JP3388840B2 (en) | Hydrogen separation membrane and method for producing the same | |
KR101763609B1 (en) | Palladium deposited separation membrane having PBI based membrane support and method for preparing the same | |
JP4411409B2 (en) | Method for manufacturing hydrogen permeation device | |
JP3645088B2 (en) | Hydrogen permeable membrane and method for producing the same | |
EP2794066B1 (en) | A method of making a hydrogen separation composite membrane | |
WO2005075060A1 (en) | Composite structure for high efficiency hydrogen separation and its associated methods of manufacture and use | |
RU2521382C1 (en) | Fabrication of membrane for removal of hydrogen from gas mixes | |
KR20070019723A (en) | Gas/ion Species Selective Membrane Supported by Multi-Stage Nano-Hole Array Metal Structure | |
JPH10296061A (en) | Hydrogen separation membrane and its manufacture | |
Lanning et al. | Un-supported palladium alloy membranes for the production of hydrogen | |
Basile et al. | Current trends and future developments on (Bio-) membranes: Recent advances in metallic membranes | |
CN108097065A (en) | A kind of preparation method of low cost sulfur resistive palladium alloy composite membrane | |
JP2008272605A (en) | Hydrogen permeable membrane and its manufacturing method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091228 |