Способ получения микропористого стеклокристаллического материала для жестких мембран

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОПОРИСТОГО СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЖЕСТКИХ МЕМБРАН(71) Заявитель Белорусский государственный технологический университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный технологический университет(57) Способ получения микропористого стеклокристаллического материала для жестких мембран, включающий варку ситаллообразующего стекла бесщелочной системы 2 - 2 - 23 --- 23, его термообработку, помол, диспергирование на фракции и спекание в керамических формах без применения связок, отличающийся тем, что спекание проводят по скоростному режиму с подъемом температуры в течение 75 мин до 1020-1060 С и выдержкой при этой температуре в течение 15 мин.(56) Бобкова и др. Стекло и керамика, 1996. -7. - С. 3-5. Бобкова Н.М. и др. Стекло и керамика, 1997. -6. - С. 10-12. Будов В.В. и др. Изв. АН СССР Неорганические материалы. - 1990. - Т. 26. -4. - С. 861-864. Изобретение относится к технологии получения микропористых неорганических жестких мембран и может быть использовано при изготовлении стеклокриталлических фильтрующих элементов, предназначенных для микрофильтрации жидких и газообразных сред в процессах очистки и разделения. Известен способ изготовления жесткой керамической мембраны, при котором на поверхность пористой керамической подложки последовательно наносят слои водной суспензии, состоящей из порошка оксида алюминия и алюмосиликатного стекла при следующем соотношении в суспензии, мас.оксид алюминия 60-95 стекло 5-40. Затем производят сушку и обжиг при 1250 С полученных заготовок. При этом дополнительно используется временная органическая связка, которая добавляется при прессовании керамической пористой подложки 1. Указанным способом получают мембраны со средним размером пор подложки (8,7-22) мкм, мембранного слоя - (2-8) мкм пористостью подложки (41-40) , мембранного слоя - (27-60) проницаемостью мембранного элемента (0,48-2,85) мкм. Недостатками данного способа являются высокая температура спекания, сравнительно небольшая проницаемость, использование органических связок и сложность получения мембранных элементов, так как если в суспензии концентрация твердой фазы менее 5 , не обеспечивается прочность мембраны, а если более 40 , происходит превращение мембранного слоя в беспористый монолит за счет объемного спекания и заполнения промежутков между частицами стеклом. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения микропористого стеклокристаллического материала из порошка кордиеритового ситалла с 3938 1 удельной поверхностью 0,75 м 2/г, состоящего преимущественно из кордиерита (2.223.52) с небольшим количеством (до 5 ) кристобалита (2) и клиноэнстатита (2.22) 2. Смеси для формования готовят перемешиванием в барабанном смесителе исходного кордиеритового порошка (75 ) и связующего - полиметилфенилсилоксана (25 ). Затем прессуют образцы в металлических формах при температуре 230 С и удельном давлении 30 МПа. После этого образцы проходят термообработку при 900 С в течение 1-2 ч. Общая пористость полученного материала составляет 29-30 , средний диаметр пор (по расчету) - (0,75-1) мкм, капиллярная пористость - 19,8 . Недостатками данного способа являются применение в качестве связующего кремнеорганической смолы - полиметилфенилксилоксана, выделяющего при термообработке вредные летучие вещества, сложность технологического процесса получения заготовок образцов, высокая температура термообработки исходного кордиеритового стекла (1250-1350 С), а также низкая суммарная пористость. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологического процесса получения жестких неорганических мембран и улучшение экологии окружающей среды, обеспечивающих при этом высокие фильтрационные и механические свойства мембран. Для решения поставленной задачи предлагается способ получения стеклокристаллического пористого материала для жестких мембран, включающий варку ситаллообразующего стекла, его термообработку, помол и диспергирование на фракции, спекание. Используют порошок закристаллизованного стекла бесщелочной системы 2 - 2 - 23 --- 23, спекание производят в керамических формах без применения связок. Фазовый состав исходного закристаллизованного стекла представлен анортитом (СаО.23.22), -цельзианом(ВаО.23.22) и рутилом (2) 3, а остаточное стекла ситалла (30-40 ), обогащенное 2 и 23,прочно цементирует частицы ситаллового порошка при спекании, улучшая при этом термические и химические свойства конечного продукта. Полученный стеклокристаллический материал измельчается в шаровой мельнице и фракционируется. Образцы мембран изготавливают из порошков трех фракций 50 мкм (фракция 1), 63-50 мкм (фракция 2) и 80-63 мкм (фракция 3), которые засыпают в керамические формы, слегка уплотняют и спекают в электрической печи при температурах, указанных в таблице. Общая продолжительность режима спекания составляет 1,5 ч, включая подъем температуры в печи до 1020, 1040 и 1060 С в зависимости от фракционного состава порошка, приведенного в таблице, в течение 75 мин со скоростью соответственно 820, 840 и 860 С/ч и выдержку при этих температурах в течение 15 мин. Из литературных источников не известны такие высокие скорости подъема температур для получения жестких неорганических мембран (керамических и др.). Технологические параметры и некоторые свойства образцов жестких мембран из пористого стеклокристаллического материала Прочность, МПа Размер частиц исТ-ра спекания и время 3938 1 Основным преимуществом данного способа является существенное улучшение фильтрационных свойств и механических характеристик мембран при простоте технологического процесса, отсутствие необходимости применения каких-либо органических связующих веществ, поскольку роль цементирующей связки в получаемой пористой структуре выполняет остаточная стеклофаза ситалла. Особенностью получаемых пористых стеклокристаллических мембран является тип структуры, который может быть отнесен к хаотической ветвящейся капиллярной модели с взаимносоединяющимися порами, поверхность которых покрыта тончайшим слоем остаточного стекла, что обеспечивает высокую проницаемость и хорошую перколяцию жидкостей и газов. Изобретение поясняется конкретными примерами, приведенными в таблице. Фракционированные порошки ситалла состава (мол. ) 2 - 60,0 ТО 2 - 12,5 А 23 - 12,5 СаО - 10,0 ВаО - 5,0 В 23 - 3,0 (сверх 100 ) спекают в керамических формах, предварительно слегка уплотнив, при температурах 1020 С для фракции 1, 1040 С для фракции 2 и 1060 С для фракции 3. Во всех случаях охлаждение инерционное. Образцы мембран были испытаны в качестве фильтров-сажеуловителей, эффективность очистки составляет 97-984, а также для очистки воды от микроорганизмов, эффективность очистки 95-97,55. Мембраны из стеклокристаллического материала обладают многофункциональностью и могут найти широкое применение в различных областях науки, техники, промышленности, биологии и медицины. Они способны регенерироваться паром и температурной стерилизацией, имеют комплекс достаточно высоких физико-химических и термических свойств и могут многократно использоваться в процессах мембранного разделения. Источники информации 1. Патент 970 С 1, 1995. 2. Будов В.В., Ходаковская Р.Я. Микропористый стеклокристаллический материал // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. - М. - Т. 26. -4. - С. 861-864. 3. А.с. СССР 1264531, 1985. 4. Бобкова Н.М., Баранцева С.Е., Залыгина О.С., Вансяцкий К.Э. Применение пористых стеклокристаллических материалов для изготовления фильтров-сажеуловителей // Стекло и керамика. - М. Стройиздат. - 1997.7. - С. 3-5. 5. Бобкова Н.М., Баранцева С.Е., Залыгина О.С. Жесткие мембраны из стеклокристаллического материала бесщелочной системы // Стекло и керамика. - М. Стройиздат. - 1997. -6. - С. 10-12. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.