RU2682634C1 - Способ получения формованной керамической мембраны - Google Patents

Способ получения формованной керамической мембраны Download PDF

Info

Publication number
RU2682634C1
RU2682634C1 RU2018129661A RU2018129661A RU2682634C1 RU 2682634 C1 RU2682634 C1 RU 2682634C1 RU 2018129661 A RU2018129661 A RU 2018129661A RU 2018129661 A RU2018129661 A RU 2018129661A RU 2682634 C1 RU2682634 C1 RU 2682634C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
membrane
ceramic membrane
molded ceramic
powder
Prior art date
Application number
RU2018129661A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Павлович Шапкин
Евгений Константинович Папынов
Ирина Григорьевна Хальченко
Антон Леонидович Шкуратов
Олег Олегович Шичалин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)
Priority to RU2018129661A priority Critical patent/RU2682634C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2682634C1 publication Critical patent/RU2682634C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

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.

Description

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.
Figure 00000001
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.
Figure 00000002
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.
Figure 00000003
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.

Claims (2)

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.
RU2018129661A 2018-08-15 2018-08-15 Способ получения формованной керамической мембраны RU2682634C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129661A RU2682634C1 (ru) 2018-08-15 2018-08-15 Способ получения формованной керамической мембраны

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129661A RU2682634C1 (ru) 2018-08-15 2018-08-15 Способ получения формованной керамической мембраны

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682634C1 true RU2682634C1 (ru) 2019-03-19

Family

ID=65806074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018129661A RU2682634C1 (ru) 2018-08-15 2018-08-15 Способ получения формованной керамической мембраны

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2682634C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031891C1 (ru) * 1993-03-12 1995-03-27 Государственное малое научно-производственное предприятие "ВИАМ-41" Способ изготовления керамического фильтроэлемента
RU2381824C2 (ru) * 2007-12-11 2010-02-20 Вадим Леонидович Тарасов Способ получения неорганического мембранного материала с плакирующим слоем
RU2555905C1 (ru) * 2013-12-12 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Керамическая мембрана и способ ее приготовления
RU2592529C2 (ru) * 2014-12-19 2016-07-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Способ получения формованной композитной мембраны

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031891C1 (ru) * 1993-03-12 1995-03-27 Государственное малое научно-производственное предприятие "ВИАМ-41" Способ изготовления керамического фильтроэлемента
RU2381824C2 (ru) * 2007-12-11 2010-02-20 Вадим Леонидович Тарасов Способ получения неорганического мембранного материала с плакирующим слоем
RU2555905C1 (ru) * 2013-12-12 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Керамическая мембрана и способ ее приготовления
RU2592529C2 (ru) * 2014-12-19 2016-07-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Способ получения формованной композитной мембраны

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Шкуратов А.Л. и др., Технология получения микропористых керамических мембран на основе природных алюмосиликатов, Химическая технология, 2016, т.17 (4), с.165-170. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Preparation and characterization of a self-supporting inorganic membrane based on metakaolin-based geopolymers
JP5094712B2 (ja) 木材を原料とするマクロポーラス炭素材料とメソポーラス炭素材料およびその製造方法、ならびにポーラス金属炭素材料とその製造方法
JP2008150247A (ja) 圧電セラミックスの製造方法と圧電セラミックス、並びに圧電素子
CN102309928A (zh) 防止热裂解的沸石分离膜及其制作方法
CN103232228A (zh) 一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法
RU2682634C1 (ru) Способ получения формованной керамической мембраны
RU2691207C1 (ru) Способ получения пористой керамики с бимодальным распределением пористости
JP2015074565A (ja) 球状炭化ケイ素粉及びその製造方法
TSUBAKI et al. Optimization of granules and slurries for press forming
CN108101537A (zh) 一种纳米压电陶瓷能量收集材料及其制备方法
Rashid et al. Control of the porosity and morphology of ordered mesoporous silica by varying calcination conditions
Aissat et al. Characterization and application of ceramic membranes prepared from Algerian kaolin
CN108069712A (zh) 一种具有宽温度稳定性电致伸缩应变陶瓷材料及其制备方法
CN104649663B (zh) 一种钛酸铋钠基高储能密度复相陶瓷及其制备方法
CN114133270B (zh) 中空平板陶瓷过滤膜及其制备方法
CN105565805A (zh) 一种复合陶瓷材料的制备方法
JP6442436B2 (ja) 炭酸カルシウム焼結体の製造方法及び炭酸カルシウム焼結体製造用炭酸カルシウム
CN113548887A (zh) 一种钛酸盐系微波介质陶瓷及其制备方法
Tsubaki et al. Characterized microstructure of porous Si3N4 compacts prepared using the pyrolysis of polysilazane
Yang et al. New gelling systems to fabricate complex-shaped transparent ceramics
Li et al. Effects of particle size on the piezoelectric properties of 0–3 PZT/cement composites
WO2015038031A1 (ru) Способ получения кристаллических алмазных частиц
Li et al. Effects of sintering temperature on properties of green porous mullite ceramics fabricated by insulators waste
TW201247567A (en) Process for producing SiO2 mouldings
RU2765971C1 (ru) Способ получения материала с разноуровневой пористостью на основе порошков гематита