CC BY
36
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
УДК 66.067.124, 62-278
М. О. Сенина*, Д. О. Лемешев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1
* e-mail: [email protected]
ПОДЛОЖКИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПОРОВОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ КОРУНДА ДЛЯ ДИСКОВЫХ МЕМБРАН
Получены образцы дисковой формы на основе корунда. Подобраны параметры технологии получения полупроницаемых подложек мембран: составы шихты, гранулометрический состав, параметры формования, режим обжига. Исследовано влияние добавки эвтектического состава на керамические свойства полученных изделий -открытую пористость, среднюю плотность и механическую прочность.
Ключевые слова: пористая керамика, корунд, мембраны, регулируемый размер пор, мембранные процессы, водоочистка
На пористую структуру керамики влияет целый комплекс факторов, связанных как с составом сырья, так и с технологическими параметрами процесса. Целесообразным в данном случае является введение в шихту добавок комбинированного действия, способствующих как снижению температуры спекания керамики, так и улучшению физико-химических и эксплуатационных свойств.
Выбор определенных методов формования, определение режима спекания, а также грамотный подбор дисперсного состава шихты и использование добавок позволит в разы улучшить свойства пористых керамических материалов.
Целью данной работы является получение дисковых керамических подложек мембран на основе корунда с регулируемой поровой структурой, температурой спекания до 1300 °С, открытой пористостью более 40 % и размером пор не более 1 мкм; исследование свойств полученных образцов.
Исходным материалом для подложек служил электроплавленный корунд марки F600 с размером частиц 2-5 мкм. В качестве связующего компонента использовалась глина Дружковского месторождения. По результатам проведенных ранее экспериментов оптимальное соотношение корунд:глина составило 95:5.
Для снижения температуры спекания вводилась добавка эвтектического состава MnO-TiO2, которая имеет температуру плавления 1290 °С [6]. В настоящей работе были изготовлены образцы с различным содержанием данной добавки: 1, 3 и 5 масс. %. Исследовано влияние количества вводимой в шихту добавки на физико-химические свойства полученных изделий.
Для формования заготовок применялось двухступенчатое прессование при давлении 10 МПа. Температура обжига варьировалась от 1100 до 1300°С.
На рисунках 1 и 2 представлено влияние количества добавки и температуры обжига на открытую пористость и среднюю плотность образцов.
Полученные зависимости можно объяснить следующим образом. Увеличение открытой пористости образцов всех составов до температуры 1200 °С происходит вследствие спекания материала по твердофазовому механизму. При температуре
Во всем мире все больше внимания уделяется комплексному решению проблемы очистки сточных вод, как основной мере обеспечения экологической безопасности поверхностных и подземных водных ресурсов [1]. В последние годы на первое место в технологиях грубой очистки природных и сточных вод выходят мембранные методы разделения -микрофильтрация, ультрафильтрация,
нанофильтрация и обратный осмос. В этих методах отделение воды от различных примесей осуществляется с помощью селективно-проницаемых перегородок - мембран [2].
В современных технологиях неуклонно возрастает роль пористых проницаемых керамических материалов для селективных мембран [3].
Материалом, широко используемым для изготовления фильтров, мембран и катализаторов, является керамика на основе сверхтонких порошков термообработанного корунда. Уникальные свойства пористых корундовых материалов позволяют использовать их в широком диапазоне рН и в любых растворителях, в том числе проводить регенерацию практически всеми видами кислотных и щелочных сред [4].
Любая керамическая мембрана состоит из двух и более слоев, которые формируют последовательно. При общей толщине мембраны в несколько миллиметров разделительный слой имеет толщину в несколько микрометров. Самый толстый опорный слой, который называют по-разному - подложка, каркас, основа, субстрат - определяет механическую прочность мембраны и ее конфигурацию. Он должен также иметь большую пористость (~ 50%) и минимальное гидравлическое сопротивление [5].
В настоящее время при производстве керамических подложек мембран существует проблема достижения высокого уровня открытой пористости без потери механической прочности, которая должна достигать достаточно большой величины, так как в процессах микро-, ультра- и нанофильтрации применяются высокие давления.
Снижение температуры обжига также является важной задачей современной керамической технологии, так как позволяет уменьшить энергозатраты на производство изделий.
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7
свыше 1200 °С наблюдается уменьшение пористости для образцов с 3 и 5 масс. % добавки, что связано с образованием жидкой фазы в процессе спекания, которая стягивает между собой зерна корунда и заполняет поры, чего не наблюдается в остальных образцах ввиду малого содержания эвтектической добавки.
Эти данные согласуются с графиком средней плотности. С увеличением температуры обжига и содержания эвтектики средняя плотность изделий увеличивается, так как происходит уплотнение материала.
Рис. 2 . Влияние количества добавки и температуры обжига на среднюю плотность образцов
Рис. 1. Влияние количества добавки и температуры обжига на открытую пористость образцов
Рисунок 3 иллюстрирует влияние количества добавки и температуры обжига на механическую прочность образцов. При повышении температуры обжига прочность также повышается, что объясняется образованием более плотного каркаса из зерен корунда, связанным с перераспределением частиц твердой фазы при образовании эвтектического расплава. Наибольшей механической прочностью при диаметральном изгибе обладают образцы содержанием добавки 5 масс. %, так как при большем количестве образующейся при спекании жидкой фазы можно достичь более однородного распределения зерен корунда в образце и лучшего уплотнения материала, и, как следствие, высокой механической прочности.
Рис. 3. Влияние количества добавки и температуры обжига на механическую прочность образцов
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что использование добавок комбинированного действия является перспективным методом получения материалов с высокими физико-химическими и эксплуатационными свойствами, а также позволяет создавать прочные и одновременно пористые изделия. Интерес представляют добавки в системах MnO-TiO2 и МпО-АЪОз-ТЮ2.
Сенина Марина Олеговна, студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ имени Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Лемешев Дмитрий Олегович, к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ имени Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Скворцов, Л.С. Современные технологии очистки сточных вод и эколого-экономическая оценка их использования / Л. С. Скворцов, А. А. Коныгин, А. А. Шматова // Экология и промышленность России. - 2012. - №5. - С.4-8.
2. Десятов, А.В. Мембранные методы очистки природных и сточных вод: методические материалы для курсового и дипломного проектирования (Техника защиты окружающей среды) / А.В. Десятов, Н.Е. Кручинина. - М.: ООО НИЦ «Инженер», 2012. - 160 с.
3. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию / М. Мулдер. - М.: Мир, 1999. - 513 с.
4. Распределение пор по размерам в фильтрующих системах на основе плавленого в солнечной печи оксида алюминия / Т.П. Салихов, В.В. Кан, Э.М. Уразаева, Т.В. Саватюгина, Г.М. Арушанов, С.Н. Кан // Огнеупоры и техническая керамика. - 2014. - №9. - С. 11-13.
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
5. Свитцов, А. А. Введение в мембранные технологии / А. А. Свитцов. - М.: ДеЛи принт, 2007. - 208 с.
6. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск первый. Двойные системы / Н.А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Ланин, Н.Н. Курцева. - Изд. «Наука». - Ленингр. отд. - Л. - 1969. -822 с.
SeninaMarina Olegovna*, Lemeshev Dmitriy Olegovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
*e-mail: [email protected]
SUPPORT WITH A CONTROLLED POROUS STRUCTURE BASED ON CORUNDUM FOR DISK MEMBRANES
Abstract
Samples of a disk form based on corundum are received. Parameters of technology of receiving semi-permeable supports of membranes are picked up: compositions of furnace charge, particle size distribution, formation parameters, roasting mode. Studied influence of an additive of the eutectic structure on ceramic properties of the received products - open porosity, average density and mechanical durability.
Key words: porous ceramics, corundum, membranes, controlled porous structure, membrane processes, water purification
