CC BY
30
УДК 628.162.1(043)
Ветрова М.А., Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Зверева О.В.
ПАТЕНТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ВОДООЧИСТКИ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН С СЕЛЕКТИВНЫМ СЛОЕМ
Ветрова Маргарита Александровна, техник 1 категории, АО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко».
Аверина Юлия Михайловна - к.т.н., доцент каф. ИМиЗК, председатель ОСМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева, e-mail: averinaj m@mail.ru
Курбатов Андрей Юрьевич - генеральный директор ООО «КОБГАРД»
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., 9
Зверева Ольга Владимировна - заведующий лаборатории, ООО «БИНАКОР-ХТ», Россия, Москва.
Изучены основные тенденции развития направлений исследований керамического фильтра для очистки жидкостей. Определены тенденции развития керамических мембран, ведущие страны разработчики. Найдены технические решения для композиционных керамических мембран с селективным слоем и гидродинамических устройств обработки для организации замкнутого водопользования на различных объектах. В результате исследования подтверждена актуальность и востребованность трубчатых керамических неорганических фильтрационных мембран с селективным слоем на основе оксидов переходных металлов для очистки воды.
Ключевые слова: очистка воды, керамические материалы, керамические мембраны, селективный слой.
PATENT RESEARCH OF WATER TREATMENT SYSTEMS BASED ON COMPOSITE CERAMIC MEMBRANES WITH A SELECTIVE LAYER
Vetrova M.A, Averina Yu.M., Kurbatov A.Yu., Zvereva O.V.* Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *LLC "BINAKOR-HT", Moscow, Russia.
The main trends in the development of research directions for a ceramic filter for cleaning liquids have been studied. Tendencies in the development of ceramic membranes, leading country developers. Technical solutions for composite ceramic membranes with a selective layer and hydrodynamic processing devices for organizing closed water use at various sites have been found. As a result of the study, the relevance and relevance of tubular ceramic inorganic filtration membranes with a selective layer based on transition metal oxides for water purification was confirmed.
Key words: water purification, ceramic materials, ceramic membranes, selective layer.
В последние годы все больший интерес приобретают композиционные керамические мембраны с селективным слоем, получаемые на основе неорганических соединений. Эти материалы характеризуются однородным распределением пор по размерам , высокими значениями пористости, удельной поверхности, большим объемом пор и, соответственно , повышенной адсорбционной емкостью [1, 2].
Недостатком керамических материалов является хрупкость. Поэтому для обеспечения надежной и долговременной работы при использовании высоких давлений и механических нагрузок, изделие должно обладать высоким пределом прочности при изгибе, сжатии и растяжении, и трещиностойкостью. Задача получения высокопрочного и одновременно высокопористого изделия весьма неоднозначна, так как поры являются и концентраторами напряжений в материале , снижающими его прочность, так и дефектами затупляющими трещины. Поэтому учет структуры обязателен при разработке материалов и изделий на их основе [3-5].
Таким образом, путем подбора состава и свойств компонентов, их соотношения, ориентации, метода производства можно получить композиционные керамические мембраны с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств [611].
В данной работе были изучены основные тенденции развития направлений исследований. В качестве объекта исследования выступает керамический фильтр для очистки жидкостей.
Задачами данного исследования является определение тенденций развития керамических мембран, определение ведущих стран разработчиков, а также нахождение технических решений для композиционных керамических мембран с селективным слоем и гидродинамических устройств обработки для организации замкнутого водопользования на различных объектах. В результате проведенного поиска было отобрано 36 патентов, 16 из которых найдены в патентной базе РФ и 20 - в базе Европейского патентного ведомства. Согласно регламенту поиск проведен по
4 рубрикам МПК, начиная с 1997 г., глубина поиска 20 лет.
Определение динамики патентования
В процессе исследований была проведена статистическая оценка патентной активности, которая является следствием вложения финансовых средств в разработку керамических мембран и свидетельствует либо об устранении конкретных технических проблем, либо о появлении новых принципиальных решений. Изучение данного вопроса в отношении композиционных керамических материалов с селективным слоем позволит определить наиболее прогрессивное направление развития технических решений.
С 1997 года по 2017 год количество патентов распределилось следующим образом (рис. 1).
Рис.1. Динамика патентования исследованных патентов
Анализируя характер графика, приведенного на рисунке 1, можно отметить следующее:
1. В конце 90-х начале 2000-х годов Россия являлась ведущим разработчиком в исследуемой области, а последние 3-5 лет наблюдается резкий спад в количестве патентов по отношению к зарубежным странам.
2. В последние годы наблюдается увеличение количества зарубежных патентов исследуемого объекта. Значит, технико-экономические показатели керамических мембран имеют тенденцию к постоянному улучшению, так как постоянно появляются новые изобретения.
По итогам проведенного исследования можно утверждать, что Россия не является значимым патентным центром в исследуемой области, отставание от ведущих стран сильно увеличилось в последние годы.
Установление ведущих стран
В процессе исследований была проведена классификация всех стран кроме России по количеству пантов. Это позволило выявить страны, являющие центром научно-технического развития исследуемого объекта на современном этапе (рис.2).
..III
Франция Корея
Страны
Рис.2. Количество исследованных патентов по странам
Анализируя рисунок 2 можно отметить следующее:
1. Доминирующие позиции в мире по патентной активности заняли Япония, США и Китай.
2. США демонстрируют стабильный уровень патентной активности в течение всего исследуемого периода.
3. В последнее десятилетие Япония и Китай догнали США по количеству патентов исследуемого объекта.
4. Европейские страны за исследуемый период не проявляли патентную активность в исследуемой области.
5. В последние годы значительно выросло количество патентов из Южной Кореи.
Таким образом, проведенная классификация позволила выявить страны, являющие центром технического развития в области композиционных керамических материалов на современном этапе. Попадание в этот список Южной Кореи и Китая свидетельствует о перемещении мирового центра научно-технической деятельности в азиатский регион.
Выбор составов селективных слоев
В процессе исследований было проведено сопоставление технических показателей
исследуемых композиционных керамических мембран с показателями исследуемых патентов. Из всей совокупности показателей выделены те, которые помогут оценить перспективность выявленных тенденция для собственного проекта, а также определить тенденции, которые исчерпали себя в техническом развитии и сменились новыми. Это позволит спрогнозировать показатели технического уровня планируемой к разработке продукции.
Детальный анализ всех 36 исследуемых патентов дал следующие результаты:
1. Области применения. 83% патентов применяют композиционные керамические фильтры для жидких сред. Среди них 57% - для очистки и фильтрации воды, 23% - для очистки сточных вод и разделения загрязненных жидкостей, 2% - для очистки агрессивных жидкостей, 1% - для очистки растворов, требующих обеззараживания.
2. Конфигурация фильтра. 42% патентов применяют трубчатые композиционные керамические фильтры, 22% - пластинчатые.
3. Материал мембраны и подложки. Почти все исследованные патенты имеют мембраны и подложки на основе оксида алюминия, а также других неорганических природных силикатов: оксид титана (ТЮ2), муллит (А1203 • SiO2), глина, кордиерит (Mg2Al4Si5O18), карбид кремния, оксинитрид кремния, диатомит, АШ, Si3N4, ZrC,
WC.
Таким образом, за последние 20 лет трубчатая керамическая неорганическая
фильтрационная мембрана с селективным слоем на основе оксидов переходных металлов является актуальной и востребованной.
Основные выводы
1. В процессе работы по теме «Композиционные керамические материалы с селективным слоем и гидродинамические устройства обработки для организации замкнутого водопользования на различных объектах, с целью повышения рентабельности и энергоресурссбережения» было просмотрено 36 патентов. 16 из которых найдены в патентной базе РФ и 20 - в базе Европейского патентного ведомства. Согласно регламенту поиск проведен по 4 рубрикам МПК, начиная с 1997 г., глубина поиска 20 лет.
3. На основании проведенного исследования можно сделать предположение, что в ближайшие несколько лет не предвидится спада в развитии систем водоподготовки. Постоянно вкладываются средства в проведение исследований и разработок керамических мембран.
4. По итогам проведенного исследования можно утверждать, что Россия по-прежнему остается значимым патентным центром, тем не менее, отставание от ведущих стран с каждым годом увеличивается.
5. Наблюдается структурный сдвиг, связанный с перемещением основного патентного и научно-исследовательского центра из США в Азию. Такая ситуация связана с бурным экспоненциальным ростом инновационной активности в Китае и Республике Корея, в то время как США демонстрируют стабильный уровень инновационной активности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта К032-2018.
Список литературы
1. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. М.: Высшая школа, 1987.
2. Аверина Ю.М. Интенсификация процесса аэрации при удалении ионов железа из воды. Дисс. ... канд.тех. наук. Москва - 2016. с. 130 -143.
3. Аверина Ю.М., Павлов Д.В., Вараксин С. О. Обезжелезивание воды с замкнутым циклом водопользования // Вода: химия и экология. — 2011. — № 2. — С. 18-22.
4. Аверина Ю.М., Сальникова О.Ю., Труберг
A.А., Терпугов Г.В., Кабанов О.В., Кацерева О.В, Комляшов Р.Б. Обезжелезивание природных вод с применением наномембран // Успехи в химии и хим. технологии - 2009. - Том. XXIII, №2 (95) - С. 14-17.
5. Курбатов А.Ю., Аснис Н.А., Баталов Р.С., Борткевич С.В., Аверина Ю.М., Ваграмян Т.А. Способ очистки воды. Пат. 2525177 РФ. 2014.
6. Аверина Ю.М., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А., Меньшиков В.В. Исследование скорости окисления ионов Fе2+ в воде при барботировании воздуха // Теоретические основы химической технологии, издательство Наука (М.), том 52, № 1, с. 79-82
7. Аверина Ю.М., Терпугов Г.В., Никитин
B.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.
8. Аверина Ю.М., Меньшиков В.В., Курбатов
A.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.
9. 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.
10. Аверина Ю.М., Терпугов Г.В., Павлов Д.В., Вараксин С.О. Комплексный подход к проблеме обезжелезивания воды. Водоподготовка. Москва, 2010. № 12 (декабрь). - С. 23-26.
11. Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Меньшиков
B.В., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А., Юрьева Г.А., Мамателашвили М.Т. Окисление двухвалентного железа в различных водных средах.// Xим. пром-сть сегодня. 2013. №10. С. 36.
