CC BY
109
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК533.9: 66.081.6
И. Ш. Абдуллин, Е. С. Нефедьев, Р. Г. Ибрагимов,
В. В. Парошин
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБЧАТЫХ УЛЬТРАФИЛЬТРОВ БТУ-0,5/2
Ключевые слова: высокочастотная емкостная плазма, трубчатый ультрафильтр, селективность, производительность,
смачиваемость, капиллярность
Предлагаемая модернизация технологии изготовления трубчатых ультрафильтров за счет применения высокочастотной емкостной плазмы пониженного давления как на стадии изготовления дренажных каркасов, так и при обработке готового изделия приведет к созданию конкурентоспособной продукции с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Keywords: high-frequency capacitive plasma, tubular ultrafilter, selectivity, productivity, wettability, capillarity.
The proposed modernization of the manufacturing technology of tubular ultrafiltersthrough the use of high-frequency capacitive plasma of reduced pressure as a stageproduction of drainage frames, and the processing of the finished product will lead to the creation of competitive products with high physical-mechanical and performance properties.
Введение
Трубчатый ультрафильтр используется для опреснения соленых и очистки сточных вод; для разделения смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей, для выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха. Они имеют следующие преимущества: малую материалоёмкость; низкое гидравлическое сопротивление потоку пермиата; возможна механическая очистка мембранных элементов, удобство установки трубчатых мембранных элементов в аппараты [1].
Широкое применение трубчатых ультрафильтров в самых различных сферах производства совершенно не означает, что все проблемы в технологии изготовления трубчатых ультрафильтров уже решены.
Приоритетным направлением развития технологии является разработка новых трубчатых ультрафильтров химически стойких к органическим растворителям, парафиновым и ароматическим углеводородам, обладающих термостойкостью и высокой степенью разделения [2].
Существуют определенные недостатки современных трубчатых ультрафильтров. Адгезионная прочность каркаса и полимерной мембраны, расположенной внутри недостаточна для проведения эффективного мембранного разделения. Во время эксплуатации при определенных технологических условиях мембрана отслаивается от каркаса и происходит разрушение ультрафильтра. Повышенная усадка дренажного каркаса и низкая механическая прочность усложняют технологию изготовления качественного трубчатого ультрафильтра.
Целью работы является модернизация технологии изготовления трубчатых ультрафильтров БТУ-0,5/2 за счет применения высокочастотной емкостной плазмы пониженного давления, как на стадии изготовления дренажного каркаса, так и при обработке готового изделия - трубчатого ультрафильтра.
По сравнению с другими методами обработки поверхности плазменная технология имеет следующие преимущества [3]:
- экологичность, т. к. вредные вещества не используются для обработки и не образуются в виде побочных продуктов;
-обеспечение воспроизводимых результатов благодаря использованию программируемого регулятора процесса;
- автоматизация и интегрируемость в технологические линии;
- щадящее воздействие на композиционные мембраны из-за отсутствия значительной температурной нагрузки;
- отсутствие воздействия агрессивных химикатов на обрабатываемые материалы.
Обсуждение результатов
Обработке ВЧЕ-плазмой пониженного давления подвергались материалы из которых изготавливался дренажный каркас трубчатого ультрафильтра БТУ-0,5/2 (рис. 1):
- стекловолокно (ГОСТ 6943-94),
- электроизоляционная лента (ГОСТ 5937-81),
- лавсановая бумага (ТУ-13-04-640-82).
Для обработки каркаса ультрафильтра была создана экспериментальная установка для обработки трубчатых мембран ВЧЕ-плазмой пониженного
давления, которая была запатентована (Патент № 112577 от 23.06.2011).
Рис. 1 - Структура трубчатого ультрафильтра БТУ-0,5/2
На рис. 2 представлена обработка трубчатого ультрафильтра установленного в цилиндрическом плазмотроне, где получен устойчивый, однородный ВЧЕ-разряд, заполняющий весь объем.
Для доказательства образования ВЧЕ-разряда, однородного по всему объему диэлектрической газоразрядной камеры, был проведен следующий эксперимент. Образец лавсановой бумаги размером 10х2000 мм помещали в плазмотрон и обрабатывали в ВЧЕ-разряде при следующих режимных условиях: напряжение-2кУ, ток-2А, плазмообразующий газ -аргон, давление - 30Па, время обработки -2 мин. Затем измеряли показатель смачиваемости по всей длине образца лавсановой бумаги через каждые 30 мм. В результате эксперимента было установлено, что показатель смачиваемости обработанного ВЧЕ-разрядом образца увеличился на 70% по сравнению с необработанным, при этом величина показателя смачиваемости не изменялась по всей длине обработанного образца лавсановой бумаги.
На установке ВЧЕ-разряда пониженного давления обрабатывались материалы, входящие в состав дренажного каркаса трубчатого ультрафильтра БТУ0,5/2 [4]. Специально подготовленные образцы стекловолокна, тканной ленты и лавсановой бумаги помещались в разрядной камере и обрабатывались ВЧЕ-плазмой пониженного давления при следующих режимах: частота генератора /=13,56 МГц, мощность ВЧЕ-разряда Wp=0,70-2,0 кВт, давление в разрядной камере 26,6 Па и расход плазмообразующего газа (аргон и аргон с воздухом) С= 0,04 г/с и времени обработки 1= 1-10 мин. При этом ВЧ-плазма пониженного давления характеризуется следующими параметрами: степень ионизации 10"4-10"7, концентрация электронов пе=1015-1019 м-3, электронная температура Те=1-4 Эв, температура атомов и ионов в разряде Та=(3-4)*Ш3К, в плазменной струе Та=300-900К, плотность ионного тока на поверхность образца 0,3-0,9 А/м2, энергия ионов до 100эВ. Относительная разрывная нагрузка волокна увеличилась на 22% при времени обработки 1=7 мин., 1=0,5 А, и =4 кВ.
При обработки лавсановой бумаги ВЧЕ-плазмы пониженного давления происходит увеличение на 30% относительного удлинения при растяжении, а при увеличении времени обработки более 4 мин. происходит снижение этого показателя.
Рис. 2 - Обработка ВЧЕ-плазмой трубчатого ультрафильтра
С целью установления механизма воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления проведено исследование физико-
механических свойств и структуры составляющих материалов дренажного каркаса и полимерных мембран.
На рис. 3 представлены результаты исследования влияния различных режимов обработки на разрывную нагрузку стекловолокна. Максимальное её значение достигается при времени обработки 1=7 мин. и напряжении и =4 кВ.
Рн/Рн ^
0 2 4 6 8 10 12
Рис. 3- Влияние времени обработки плазмы на относительную разрывную нагрузку волокна ( Аргон; 0=0,04г/сек; Р=26,6 Па; 1=0,5А)
Экспериментально установлено, что при обработке лавсановой бумаги в плазме ВЧЕ-разряда в атмосфере аргона в режиме Р=26,6 Па, С=0,04 г/сек, 1=0,05 А при 1=4 мин. относительный предел прочности увеличился на 30%.
При обработки лавсановой бумаги в ВЧЕ-плазме пониженного давления в плазмообразующем газе аргон+воздух в режиме 1=0,35А; и=6 кУ, 1=9 мин происходит увеличение на 70% изменения показателя смачиваемости лавсановой бумаги.
На рис. 4 представлено изменение показателя капиллярности стеклоткани обработанной в плазмообразующем газе аргон+воздух в разных режимах. Максимальная капиллярность стеклоткани достигается в режиме 1=0,35А; и=5 кУ, 1=7 мин и составляет 96% по сравнению с необработанными образцами.
При обработке ВЧЕ-плазмой пониженного давления полимерных мембран (ацетатцеллюлоз-ных, фторопластовых, полисульфоновых, поли-эфирсульфоновых) в качестве плазмообразующего газа применялся чистый аргон, аргон с добавками воздуха, азота, пропана и бутана. Модифицирован-
ные мембраны помещались в камере на специальных подставках. Время обработки мембран плазмой изменялось в диапазоне от 1 до 15 мин. Расход плазмообразующего газа через разрядную камеру был равен G=0.04 г/с, давление Р =26,6 Па, напряжение изменялось от 1,5 до 7,5 кВ.
Изменения в структуре полимерных мембран в результате обработки ВЧЕ-плазмой пониженного давления оценивали с помощью электронной сканирующей микроскопии MultiMode V производства фирмы Veeco (США).
Изменение капиллярности стеклоткани (Аргон+воздух)
і 120
Время оброботки. С
Рис. 4- Изменение показателя капиллярности стеклоткани, обработанной в плазмообразующем газе аргон+воздух в разных режимах
Угол смачивания образцов определялся на приборе на приборе для измерения краевого угла DSA30 методом растекающейся капли [5].
Экспериментально было установлено, что высокая эффективность разделения эмульсий и растворов достигается при обработке ВЧЕ-плазмой трубчатых ультрафильтров с размерами пор 1 - 100 нм, в среде смеси газов аргона-азота и аргона-воздуха, при напряжении 3,5 кВ и 5,5 кВ соответственно.
Воздействие ВЧЕ плазмы пониженного давления на полимерные материалы является комплексным: происходит одновременно обработка внешней поверхности мембраны и внутренней поверхности пор и капилляров [6].
Высокочастотная емкостная плазма при воздействии на трубчатые ультрафильтры приводит к следующим процессам: травление - удалением полимерного слоя заданной толщины; осаждение на поверхности слоя с заданными свойствами (плазменная полимеризация); изменение состава функциональных групп и структуры поверхности для придания им желаемых свойств. Химические изменения в поверхностном слое приводит к изменению смачиваемости, капиллярности, увеличение гидрофобности и маслоустойчивости, адгезионных свойств и др. Все это доказывает об универсальности метода ВЧЕ плазменной обработки трубчатых ультрафильтров, которая позволяет повысить их эксплуатационные и технологические характеристики.
Экспериментальная часть
Для установления закономерностей изменения физико-механических характеристик испытуемых образцов применялась разрывная машина РМ-50 с компьютерным управлением (ГОСТ 14236-81 и
ГОСТ 28840-90).
Определяли изменения следующих характеристик механических свойств испытуемых материалов:
- относительный предел прочности при растяжении
- относительная разрывная нагрузка.
- относительное удлинение при растяжении.
Отбор проб лавсановой бумаги и стекловолокна, а также подготовку образцов к испытаниям осуществляли согласно ГОСТ 8047-2001 и ГОСТ 6943.10. Для проведения испытания вырезали из ткани элементарные пробы в виде полосок в количестве 5 штук - по основе и 5 штук - по утку. Размер каждой полоски составил 60х350 мм.
Предел прочности при растяжении и показатель разрывной нагрузки фиксировали по шкале нагрузок разрывной машины.
Удлинение образцов измеряли одновременно с пределом прочности при растяжении на тех же образцах. Общее удлинение устанавливали при нагрузке в момент времени разрыва на единицу поперечного сечения.
Определение относительного удлинения при некотором заданном напряжении (10 МПа) осуществлялось следующим образом: во время проведения испытания по шкале нагрузок наблюдали за моментом достижения вычисленной нагрузки и в этот момент фиксировали удлинение по шкале удлинений в миллиметрах.
Капиллярность образцов определяли по ГОСТ 29104.11-91. Отбор проб согласно ГОСТ 29104.0-91. Капиллярность определяют в климатических условиях по ГОСТ 10681. Из каждой пробы вырезают три элементарные пробы длиной 300 мм и шириной 50 мм. Планку с иглами закрепляли лапками между штативами по краям и посередине планки на иглы подвешивали линейки. Элементарную пробу накалывали одним узким концом на иглы планки, а нижний конец элементарной пробы заправляли между стеклянными палочками, края которых закрепляли резиновыми колечками. Кристаллизационную чашку или другую емкость устанавливали под элементарную пробу, в которую наливали раствор двухромовокислого калия в таком количестве, чтобы он покрыл стеклянные палочки или до отметки, а нулевое деление линейки совпало с уровнем раствора, после чего включают секундомер. Через 60 мин отмечали по линейке с погрешностью не более 1 мм высоту подъема раствора [7,8].
Смачиваемость образцов определяли экспресс-методом. Для этого в шприц набиралась вода с красителем. Образцы устанавливались на ровной поверхности, и потом на образец наносилась капля и измерялась скорость впитывания капли. Образцы прокапывались по всей длине на одинаковом расстоянии капли друг от друга для определения эффекта смачивания по длине.
Определение краевого угла смачивания проводился на приборе для измерения краевого угла Б8Л30 методом растекающейся капли. Он определялся как угол между касательной , проведенной к
поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела.
Измерительную ячейку с образцом устанавливали на столик-держатель прибора, таким образом, чтобы образец находился на уровне видеокамеры.
С помощью закрепленного шприца наносят каплю жидкости (1 мм3) на поверхность образца у самого ее края, обращенного в сторону объектива. Видеокамера снимает изображение капли и передает ее на компьютер, далее программа производит расчет и анализ.
Выводы
Таким образом, в работе установлено, что применение в технологии изготовления трубчатого ультрафильтра БТУ-0,5/2 обработки ВЧЕ-плазмой пониженного давления дренажного каркаса и самого трубчатого ультрафильтра БТУ-0,5/2 приведет к созданию конкурентоспособного изделия с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
Литература
1. Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны.- М.: Химия, 1981.- 232 с.
2. Классификация ультрафильтрационных мембран по эффективной толщине селективного слоя/ А.Н. Черкасов,
В.П. Жемков, А.Е. Половицкий и др.// Коллойд. журн.-1984.- 46№5.- с 980 -985
3. Абдуллин И.Ш. Неравновесная низкотемпературная плазма пониженного давления в процессах обработки натуральных полимеров / И.Ш. Абдуллин [и др.]// Вестник Казан. технол. ун-та. -- 2003. - №2. - С.348 - 353.
4. Абдуллин И.Ш. Высокочастотный разряд пониженного давления в процессах обработки пористых тел / И.Ш. Абдуллин [и др.]// Вестник Казан. технол. ун-та. -- 2002.
- №1-2.-С.75-78.
5. Абдуллин И.Ш. Исследование разделения водомасляных эмульсий, стабилизированных ПАВ марки «Не-онол», с помощью плазменно-модифицированных мембран/ И.Ш. Абдуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. -- 2011. - Т. 14, №6.-С.31-35.
6. Гильман А. Б., Потапов В. К. Плазмохимическая модификация поверхности полимерных материалов/ А.Б. Гильман// Прикладная физика.- 1995. - №3-4.- С. 14-22.
7. Абдуллин И.Ш. Экспериментальная установка для исследования трубчатых мембранных фильтров/ И. Ш. Абдуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№11. - С.618-620.
8. Абдуллин И.Ш. Модификация ВЧЕ-плазмой пониженного давления составных компонентов каркаса трубчатого фильтра / И.Ш. Абдуллин [и др.]// Вестник Казан. технол. ун-та. -- 2010. - №11.-С. 621-624.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., проректор КНИТУ; Е. С. Нефедьев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. физики КНИТУ, nefediev@kstu.ru; Р. Г. Ибрагимов - канд. техн. наук доц. каф. ТОМЛП КНИТУ, modif@inbox.ru, В. В. Парошин -асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, dulchi_vlad@mail.ru.
