TRANSPORT PROPERTIES OF CERAMIC MATRICES BASED ON Al2O3

Вісник Черкаського державного технологічного університету 2/2023 УДК 28.16.067.1.002.5 [0000-0002-9795-7110] І. В. Косогіна, канд. техн. наук, доцент e-mail: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» просп. Перемоги, 37, м. Київ, 03056, Україна ТРАНСПОРТНІ ВЛАСТИВОСТІ КЕРАМІЧНИХ МАТРИЦЬ НА ОСНОВІ Al2O3 Проведено аналіз сучасного стану проблеми застосування керамічних мембран в технології очищення води. Здійснено синтез керамічних матриць різного складу методом сухого пресування з подальшою термообробкою за температур 950 ºС та 1100 ºС. Досліджено вплив типу та вмісту пороутворювача на пористість синтезованих керамічних матриць. Виявлено, що пористість керамічних матриць суттєво залежить від вмісту гідрокарбонату амонію як пороутворювача в її складі – при вмісті 8 % пористість становила 63,4 %, тоді як при вмісті 16 % NH4HCO3 – 70,3 %. Зразок керамічної матриці із загальною пористістю 56,22 % з вмістом пороутворювача СаСО3 12,5 %, виготовлений за температури спікання 950 °С, продемонстрував достатньо високу ефективність (до 38 %) очищення води від завислих речовин, які надають воді каламутності. Модифікування поверхні такого зразка керамічної матриці за допомогою ТіО2, отриманого золь-гель методом, дозволило підвищити ефективність вилучення органічних барвників різного походження у середньому від 10 % до 60 % за умови додаткового опромінення керамічної матриці у процесі фільтрування води. Ключові слова: керамічні матриці, мембрани, транспортні характеристики, пористість, стічні води. Вступ. Останнім часом для різних галузей промисловості, таких як харчова, фармацевтична, текстильна, нафтохімічна та очищення стічних вод, все частіше почали використовувати мембранні технології із застосуванням полімерних та керамічних мембран. Перевагою використання полімерних мембран є їх відносно низька вартість та вузький діапазон розподілу пор, а їх недоліком – низька стійкість до дії високих температур, кислотного середовища і схильність до забруднення [1]. У цьому плані керамічні мембрани є перспективнішими, оскільки вони є термічно та хімічно стійкими, легкі в очищенні та мають тривалий строк служби. Додатковою перевагою керамічних мембран, на відміну від полімерних, є їх висока стійкість до біологічного обростання [2]. Однак використання вартісної сировини та висока температура їх виготовлення (>1200 °C) є обмежуючими факторами для індустріалізації керамічних мембран. Як наслідок розробка технології виготовлення керамічних мембран на основі дешевої сировини набуває популярності [3]. При підготовці води з природних джерел різні види керамічних мембран можуть використовуватись окремо на трьох етапах: - видалення завислих частинок і, як наслідок, усунення каламутності води; - зменшення кольоровості води, зумовленої наявністю високомолекулярних органічних речовин природного походження (гумусові речовини); - знезараження води (видалення вірусів та бактерій). Ефективність зниження каламутності води на керамічних та полімерних мембранах майже однакова, проте керамічні мембрани мають вищу продуктивність та повільніше забиваються. З літературних даних відомо, що 98 % завислих речовин може видалятися керамічно-мембранною фільтрацією за різних умов проведення досліджень [5]. Для видалення частинок, що викликають каламутність води, можуть бути використані керамічні мембрани (часто у поєднанні з коагуляцією), виготовлені з неорганічних матеріалів, наприклад оксиду цирконію, глинозему, оксиду титану, карбіду чи оксиду кремнію, які складаються з декількох шарів, що утворюють асиметричну структуру. В роботі [4] наведено результати дослідження ефективності усунення каламутності води пористими керамічними мембранами на основі SiC з додаванням до складу або невеликої © І. В. Косогіна, 2023 DOI: 10.24025/2306-4412.2.2023.278921 135 ISSN 2306-4412 (Print), ISSN 2306-4455 (CD-ROM), ISSN 2708-6070 (Online) кількості глини, або золи промислових відходів. У зразки також вводився один із таких пороутворювачів: поліметилметакрилат, полівінілхлорид або графіт. Всі зразки мембран, незалежно від їх пористості, показали результат ефективності видалення ~99 % [4]. Глиноземні мембрани можуть виготовлятися в різних формах з широким діапазоном розмірів пор завдяки застосуванню сумішей оксидів алюмінію (α-Al2O3, γ-Al2O3), силіцію, титану та цинку у різному співвідношенні, що дозволяє створювати контрольовану пористу структуру. Такі мембрани відрізняються простотою, високою міцністю та термостійкістю. TiO2 та ZrO2 є перспективними матеріалами для виробництва мембран завдяки фотокаталітичним властивостям і хімічній стійкості в різних агресивних середовищах, але вони не є такими популярними, як матеріали на основі оксиду алюмінію. Для створення керамічних мембран також використовують цеоліти, яким притаманна різна морфологія, склад та структура, що впливає на процес фільтрування [6]. Традиційна сировина для виготовлення керамічних мембран, така як оксид титану (TiO2), кремнезем (SiO2), оксид алюмінію (Al2O3), карбід кремнію (SiC) та оксид цирконію (ZrO2), досить вартісна і вимагає високих температур спікання – від 1300 °C до 1500 °C [7]. Середня вартість керамічних мембран на основі оксидів алюмінію та цирконію коливається в межах 500–3000 $/м2 [8]. Для порівняння – вартість полімерних мембран коливається від 20 $/м2 до 200 $/м2 [6, 9]. На сьогодні вже існують методи виготовлення керамічних мембран із використанням недорогої сировини та із застосуванням більш низьких температур спікання – нижчих 1200 °C [10, 11]. Однією з проблем виготовлення керамічних мембран промислових масштабів є їх висока крихкість та схильність до розтріскування. Для уникнення цієї проблеми наразі виготовляються композитні мембрани, а саме, кераміко-керамічні композити; нанокомпозити з вбудованими наночастинками металів, оксидів металів або нановуглецевих частинок; металокерамічні мембрани; нанокомпозити на основі кераміки та полімерів [6]. Кераміко-керамічні композити складаються з декількох керамічних фаз, наприклад змішаних оксидів ZrO2 і SiO2, що збільшує хімічну та механічну стійкість. Нанокомпозити утворюються внаслідок формування наночастинок на поверхні або стінках пор (актив- ного шару) керамічної мембрани, тобто роль підтримуючого шару відіграють саме керамічні матриці. Наявність наночастинок змінює мікроструктуру (розмір частинок, пористість, розмір пор) і властивості (гідрофільність, стабільність) керамічних мембран. Введення до складу керамічних мембран сполук срібла або TiO2 дозволяє надати мембранам антибактеріальних або фотокаталітичних властивостей відповідно. Кераміко-полімерні мембрани являють собою полімерний активний шар, сформований на керамічній матриці, за рахунок чого мембрана має високу пористість, хімічну і термічну стійкість та механічну міцність [6]. В роботах [12, 13] автори пропонують виготовляти керамічні мембрани з сировини на основі промислових відходів, наприклад золи або попелу рисового лушпиння. Керамічні мембрани, які виготовлені з альте (...truncated)