CC BY
8
УДК 66.081.63
Абаева Е.А., Аверина Ю.М., Ветрова М.А.
ПОДХОД К СОЗДАНИЮ КОМПОЗИЦИОННЫХ МЕМБРАН С СЕЛЕКТИВНЫМ СЛОЕМ НА ОСНОВЕ СЛОИСТЫХ ДВОЙНЫХ ГИДРОКСИДОВ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Абаева Екатерина Андреевна - магистрант 1-го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; abaeva.kate@yandex.ru
Аверина Юлия Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; averinaim@mail.ru
Ветрова Маргарита Александровна- аспирант 1-го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассматривается возможность разработки композиционных керамических мембран с селективным слоем на основе слоистых двойных гидроксидов (СДГ), которые могут найти свое применение для опреснения воды или очистки ее от различных солей. Ключевым назначением СДГ при нанесении на мембрану является повышение эффективности водопользования и рентабельности, а также энергоресурсосбережения на различных объектах.
Ключевые слова: слоистые двойные гидроксиды, очистка воды, фильтрация, обратный осмос, керамические мембраны
AN APPROACH TO THE CREATION OF COMPOSITE MEMBRANES WITH A SELECTIVE LAYER BASED ON LAYERED DOUBLE HYDROXIDES FOR THE ORGANIZATION OF A CLOSED WATER USE SYSTEM
Abaeva E. A., Averina J. M., Vetrova M.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the possibility of developing composite ceramic membranes with a selective layer based on layered double hydroxides (LDH), which can find their application for desalination of water or its purification from various salts. The key purpose ofLDH when applied to the membrane is to increase the efficiency of water use and profitability, as well as energy conservation at various facilities.
Key words: layered double hydroxides, water purification, filtration, reverse osmosis, ceramic membranes
Введение
За последние несколько лет все больше внимания уделяют композиционным керамическим мембранам с селективным слоем, которые получают на основе неорганических соединений [1,2]. Данные материалы имеют свою отличительную особенность, которая заключается в однородном распределении пор по размерам, высокими показателями канальной пористости, удельной поверхности, большим объемом пор и, способности работы при высоких температурах, а также повышенной адсорбционной емкостью в сочетании с другими материалами.
В ряде работ [3-6] используются различные неорганические, органические и гибридные материалы, такие как, однослойный графен, целлюлозные нановолокона, и другие, для увеличения эффективности работы аппаратов на базе керамических мембран. Предложенные в данных работах методы пусть и показывают в достаточной степени высокую эффективность на лабораторных установках, но в то же время имеют весомый недостаток в отношении экономической составляющей, а также трудности получения данных материалов, способности масштабирования до опытного или промышленного производства.
В качестве одних из высокоперспективных материалов, которые могут применяться для опреснения воды или очистки ее от различных видов солей, могут стать установки с применением композиционных керамических мембран со слоистыми двойными гидроксидами (СДГ), ключевым назначением которых является организация водопользования с целью повышения рентабельности и энергоресурсосбережения на различных объектах.
Экспериментальная часть
Слоистые двойные гидроксиды характеризуются широким спектром уникальных свойств, за счет чего находят широкое применение. Прежде всего стоит обратить внимание на возможность вариации катионного состава слоя слоистых двойных гидроксидов, все катионы металлов в комбинации с Mеl-x2+-Mеx3+ могут быть в составе «каркаса». Отличительной характеристикой межслоевого пространства является способность удерживать химические вещества между слоями и замещении анионов в межслоевом пространстве без повреждения слоистой структуры. [7, 9]
Высокая термостабильность - разложение слоистых двойных гидроксидов происходит с сохранением их слоистой структуры, что позволит проводить химические реакции при более высоких температурах [8], а также делает возможным их применение в композиционных керамических мембранах в роли селективного слоя.
В статье рассматривается подход в создании композиционных керамических мембран с разделением на три основные составляющие:
- пористая подложка (преимущественно из альфа формы оксида алюминия, которая в свою очередь является макропористым материалом с открытыми порами);
-промежуточный слой (также оксид алюминия, но уже с меньшим размером наносимых частиц и пор, который позволяет уменьшать проницаемость мембраны до микропористых);
-селективный слой (определяет основные фильтрационные свойства мембраны, поры наименьшего размера, в частности, благодаря наночастицам на поверхности можно получать
нанофильтрационные и обратноосматические мембраны).
Общая методика нанесения селективного слоя мембран включает следующие стадии:
1) Подготовленную трубчатую керамическую основу (корунд) покрывают суспензией частиц в поливиниловом спирте (ПВС) (10%-ный раствор в воде, длительность одного погружения 1 минута).
2) После нанесения суспензии на поверхность полученную трубку с покрытием высушивают в течение суток при комнатной температуре, затем при 100°С (6 ч).
3) Отжиг при температуре 600°С (скорость нагрева 5 °С/мин) для скрепления частиц, увеличения их размера до микронного, а также отжига ПВС.
Данную процедуру следует повторить три раза для получения слоя нужной толщины.
Полученное изделие представляет собой композиционную трехслойную мембрану с постепенным уменьшением частиц и размеров пор, как представлено на рисунке ниже (рис.1).
Рис. 1. Структура композиционной мембраны (снизу-вверх): слой коммерческой подложки макропористой мембраны, слой оксида алюминия, слой наночастиц (селективный слой)
Разработка новых композиционных материалов и целесообразность технологии их получения, а также приемов инжиниринга, для создания экологичного и одновременно эффективного метода очистки воды с дальнейшим созданием высокорентабельной замкнутой системы, позволят решить следующие задачи:
1. Создать технологию композитных материалов, а именно керамических элементов с варьируемыми селективными слоями.
2. Изучить методы нанесения и качества получаемого покрытия.
3. Разработать принципы активации различных физико- химических процессов за счет гидродинамической обработки.
4. Создать новые инжиниринговые решения и аппаратурное оформление, руководствуясь помимо технологических, экономическими и экологическими критериями оптимизации.
5. Разработать методику технико-экономического анализа параметров проекта на
основании актуального законодательства и приоритетов развития направления «Химическое производство будущего».
Заключение
Разработка композиционных керамических мембран с селективным слоем на основе слоистых двойных гидроксидов позволяет повысить рентабельность и энергоресурсосбережение на различных объектах. Данная разработка позволяет получать мембраны с более высокими характеристиками, которые обладают рядом уникальных свойств, за счет чего находят широкое применение и способны производить лучшее спекание с промежуточным слоем мембраны, со сроком службы не менее 5 лет. Поверхность, полученная таким образом, не содержит трещин и является равномерной, что, несомненно, является преимуществом при схожих характеристиках по процессу фильтрации.
Работа выполнена при поддержке РХТУ им. Д.И.
Менделеева ВИГ регистрационный номер Х-2020-011.
Список литературы
1. Чен Ли и др. Керамические нанокомпозитные мембраны и загрязнение мембран: обзор //Водные исследования. 2020., стр. 175.
2. 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.
3. Карим, З., Мэтью А., Грэн М., Музон Дж., Оксман К. Нанопористые мембраны с нанокристаллами целлюлозы как функциональная сущность в хитозане: удаление красителей из воды // Углеводы. 2014, стр. 112.
4. Сурвад, С. П., Смирнов С. Н., Власиук И., Уночич Р., Вейт Г., Дай С., Махурин С. Опреснение воды с использованием нанопористого однослойного графена //Натуральные Нанотехнологии. 2015, стр. 10.
5. Курбатов А.Ю., Аверина Ю.М., Меньшиков В.В., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А., Юрьева Г.А., Мамателашвили М.Т. Окисление двухвалентного железа в различных водных средах//Химическая промышленность сегодня. 2013. № 10. С. 36-41.
6. Чжан К., Дэн К., Соекво Ф., Лю, К., Чжу А. Целлюлозные нановолокна шириной менее 10 нм для ультратонких нанопористых мембран с высокой органической проницаемостью. 2016, стр. 26.
7. Авад Х., Гюнтер Б., Бендерли Д., Идждо Л., Сонгтипья П.,Чарльз А. Свойства материалов наноклей ПВХ композитов // Полимер. 2009, стр. 1857-1867.
8. Али З., Ахмад Р. Нанотехнологии для очистки воды // В Области Экологических Нанотехнологий. 2020, Том 3. стр. 143-163.
9. Аверина Ю.М., Кабанов О.В., Кацерева О.В., Комляшов Р.Б., Сальникова О.Ю., Терпугов Г.В., Труберг А.А. Обезжелезивание природных вод с применением наномембран//Успехи в химии и химической технологии. 2009. Т. 23. № 2 (95). С. 14-17.
