CC BY
6
УДК 621.039.332: 66.081.6: 666.3.046.4 Попека В В., Аверина Ю.М.
АНАЛИЗ КОМБИНАЦИИ ОБРАБОТКИ МИКРОВОЛНОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И E-JET РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ГИДРОФОБНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА КЕРАМИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ
Попека Владимир Владимирович, студент 2-го курса магистратуры факультета инженерной химии e-mail: popeka.vladimir@gmail.com
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская пл., 9
Аверина Юлия Михайловна, к.т.н., доцент кафедры ИМиЗК, председатель ОСУМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева
Гидрофобизация керамической поверхности по модели Касси-Бакстера имеет ряд требований к последующей обработке. Одним из методов такой обработки является сушка/обжиг микроволновым излучением. Это может позволить придать новые свойства старому материалу и увеличить эффективность обжига керамических мембран.
Ключевые слова: керамические мембраны, мембранная дистилляция, гидрофобная поверхность, микроволновое излучение
ANALYSIS OF COMBINATION OF MICROWAVE RADIATION AND E-JET SPRAYING FOR ANCHORING A MODIFIED HYDROPHODE SURFACE ON CERAMIC MEMBRANE
Popeka V.V, Averina Yu.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Hydrophobization of the ceramic surface according to the model of Cassiе-Baxter has a number of requirements for subsequent processing. One method of this treatment is microwave drying / firing. This may make it possible to impart new properties to the old material and increase the firing efficiency of the ceramic membranes.
Keywords: ceramic membranes, membrane distillation, hydrophobic surface, microwave radiation
Новые технологии создают новые материалы, новые методы производства, новые продукты для потребления [1]. Однако не нужно забывать сейчас и об открытиях, концепциях XX века [2-4]. Так, ещё в 50-ых годах прошлого века выдвигали идею обработки керамических материалов
микроволновым излучением. Благодаря
длительному времени исследований собрано значительное количество данных по воздействию этого вида электромагнитного излучения на различные виды керамики, проведено множество тестов. Но в рамках данного материала я хочу рассмотреть не только эти работы, но синергию между методами обработки керамики микроволновым излучением и методами нанесения такого покрытия на керамическую подложку.
Микроволновое излучение - это электромагнитное излучение с частотой от 300 МГц до 300 ГГц при длине волны от 1 мм до 1 метра. Наиболее часто для обработки материалов используют частоты 915 МГц и 2.45 ГГц. Более высокие частоты имеют свои преимущества, но аппаратура для них так же отличается высокой стоимостью. Однако главное ограничение в использовании микроволновой обработки материалов происходит из специфики распространения данного электромагнитного
излучения в самом материале, а точнее - от его диэлектрических и электромагнитных свойств. Электромагнитные свойства среды характеризуются комплексной диэлектрической проницаемостью, а также комплексной проницаемостью. В магнитных материалах диполи могут соединяться с магнитной составляющей электромагнитного поля и обеспечивать дополнительный механизм нагрева. Подобно диэлектрическим свойствам материалов, их магнитная проницаемость и магнитные потери должны учитываться в микроволновой обработке. В соответствии с этим необходимо разделять материалы для микроволновой обработки на отражающие микроволновые волны, поглощающие их и на «прозрачные» для них. Керамика с коэффициентом диэлектрических потерь (е'') между пределами 10-2 < е ' <5 являются хорошими кандидатами для микроволнового нагрева. Керамику с е '' <10л-2 трудно нагревать, а те, где е'' > 5, поглощают большую часть нагрева на поверхности, а не в объёме [5]. Диэлектрические свойства керамических материалов сильно зависят от температуры, и их коэффициент потерь обычно увеличивается с температурой, улучшая способность «прозрачных» материалов поглощать
микроволновое излучение. Особенно ярко это выражается на 0.5 от температуры плавления
материала. Такое поведение характерно для циркония ^Ю2). Однако состав керамики может применяемых в производстве керамических мембран быть модифицирован рядом добавок для увеличения материалов - оксида алюминия (Al2O3) и диоксида показателя поглощения керамического излучения.
Таб. 1. Зависимость глубины проникновения микроволнового излучения от частоты и температуры материала [6
Материал Частота ^Ш) Температура (град. Цельсия) Глубина проникновения (см)
Оксид алюминия 2.45 25 1.2
Карбид кремния 2.45 200 0.28
Нитрид алюминия 2.45 100 1.18
Нитрид кремния 8.52 25 0.44
2.45 25 8.13
Дистиллированная вода 2.45 25 0.39
Литиево-дисиликатное стекло 2.45 25 1.30
Тефлон 2.45 25 2.73
Натуральная резина 2.45 25 2.65
Полиэтилен 2.45 20 2.57
Стоит отметить, что глубина проникновения и эффективность процесса возрастают с увеличением температуры, даже если она не достигает высоких значений. После достижения критической температуры поглощение микроволнового излучения может поддерживать температуру и эффективность процесса самостоятельно. Процесс микроволнового спекания позволяет добиться нескольких целей при обработке «стандартных» керамических мембран:
1.
2.
3.
4.
5.
Снижение энергетических затрат - вплоть до 90% [7]
Микроволновое излучение может значительно улучшить механические свойства керамики и уменьшить «сцепление» отдельных зёрен. Относительно быстрый нагрев. Уменьшение времени всего цикла производства.
Возможна обработка наноматериалов с помощью ускоренного спекания. [8]
Как указано в таблице 1 - Поглощение микроволнового излучения керамикой зависит от начальной температуры образца часто применяют гибридную систему нагрева. Эту проблему можно сгладить использованием гибридных установок
нагрева - температура изделий предварительно повышается иными методами, не микроволновым излучением. Это позволяет облегчить нагрев материала в начале обработки и добиться равномерного прогрева при спекании [9]. Согласно совместному отчёту института Параибы и лаборатории по синтезу и обработке керамических материалов Сан-Карлоса - в их эксперименте компакты из оксида алюминия были окружены материалом-токоприёмником, который помогал нагревать образцы и спекался в микроволновой печи с частотой 2,45 ГГц и мощностью 1,8 кВт. Спечённые образцы достигали плотности 99% при общем цикле спекания от 30 до 40 минут [10].
Приведённые выше данные и эксперименты позволяют выявить эффективность микроволнового спекания и микроволновой сушки даже в качестве замены стандартным методам обжига и сушки. Но сочетание данной технологии с методами нанесения керамики на поверхность может позволить качественно закреплять гидрофобной слой на поверхности керамической подложки.
Электрогидродинамическое распыление суспензии на керамическую поверхность ограничивает методы закрепления распылённого слоя из-за механической природы гидрофобизации и строгих требований к структуре нанесённого паттерна.
а 6
Рис. 1. Модели смачивания текстурированных поверхностей: а - модель Касси-Бакстера; б - модель Вентцеля [11]
Иными словами - модификация по модели Касси-Бакстера (Рис. 1) нуждается в предварительной сушке сразу после нанесения из-за возможных «сдвигов» отдельных ее элементов из-за внешнего воздействия. Такие требования диктуют необходимость разработки гибридной системы позиционирования сопла распыления и магнетрона.
Дальнейшие разработки и создание оборудования-прототипа может помочь как с увеличением энергоэффективности и качества стандартного производства керамических мембран, так и с созданием новых модификаций систем обессоливания и мембранной дистилляции на основе гидрофобных керамических мембран.
Вывод:
1. Для обработки керамики наиболее предпочтительно микроволновое излучение с частотой 2.45 ГГц и мощностью 1.6-1.8 кВт.
2. Для увеличения проницаемости керамики микроволновым излучением необходимо повышать температуру образца или вводить в его состав карбид кремния, углерод и т.д.
3. Микроволновое излучение обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами сушки/обжига.
4. Микроволновое излечение может быть необходимо для гидрофобизации поверхности керамической мембраны по модели Касси-Бакстера
5. Микроволновая обработки может препятствовать агрегации отдельных элементов керамической мембраны и, тем самым, улучшить как механические, так и целевые свойства продукта.
Список литературы
1. Композиционные материалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения / Ю. М. Аверина, Е. Н. Субчева, Е. В. Юртов, О. В. Зверева. — РХТУ им. Д. И. Менделеева Москва, 2017. — 128 с.
2. Аверина Ю.М., Терпугов Г.В., Никитин В.А., Канделаки Г.И. Керамические трубчатые мембраны в
качестве диспергирующего материала // Успехи в химии и химической технологии - 2010. - Том. XXIV, №2 (107) - С. 47-51.
3. Аверина Ю.М., Меньшиков В.В., Курбатов А.Ю. Изучение технологии окисления растворенного в природных водах железа, методом принудительной аэрации с применением керамических мембран // Сборник научных работ «Современные концепции научных исследований» Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) ежемесячный научный журнал часть 6 (15), 2015. - С. 6-10.
4. Аверина Ю.М., Меньшиков В.В. Практическое изучение основ технологии обезжелезивания природных вод до питьевого качества различными режимами фильтрации с применением керамических мелкопористых трубчатых мембран // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том. XXIX, №1 (160) - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. - С. 82-85.
5. Microwave Fast Sintering of Ceramic Materials. Romualdo R. Menezes, Pollyane M. Souto and Ruth H.G.A. Kiminami
6. What is Microwave Processing? D.E. Clark and D C. Folz 1997
7. Recent Development of Microwave Kilns for Industries in Japan. Sato, M. / Mutoh, T. / Shimotuma, T. / Ida, K. / Motojima, O. / Fujiwara, M. / Takayama, S. / Mizuno, M. / Obata, S. / Ito, K. 2003
8. Fabrication of Translucent MgO Ceramics Using Nanopowders Yi Fanga, Dinesh Agrawala, Ganesh Skandanb, Mohit Jainb
9. Microwave sintering of alumina at 2.45 GHz. Journal of the American Ceramic Society. Brosnan KH, Messing GL and Agrawal DK. 2003.
10. Microwave Fast Sintering of Submicrometer Alumina. Romualdo Rodrigues Menezesa, Pollyane Marcia Soutob, Ruth Herta Goldschmidt Aliaga Kiminamib 2010.
11. А. В. Придатко, А. В. Миронюк, В. А. Свидерский. Анализ подходов к математическому описанию характеристик материалов с повышенной гидрофобностью. 2015 год
