INFLUENCE OF CARBONATE TYPE ON TRANSPORT CHARACTERISTICS OF SiC-BASED CERAMIC MEMBRANES

68 DOI: 10.20535/kpisn.2023.1-4.291501 УДК 666.3 Ю.М. Молчан*, А.А. Зеленська, О.І. Янушевська, Т.А. Донцова КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ, Україна * corresponding author: ВПЛИВ ТИПУ КАРБОНАТУ НА ТРАНСПОРТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЕРАМІЧНИХ МЕМБРАН НА ОСНОВІ SIC Проблематика. Керамічні мембрани останнім часом набувають особливої уваги через їх термічну, хімічну стійкість, можливість використання в агресивних умовах, а також через їх тривалий термін служби. Серед керамічних мембран особливої уваги заслуговують мембрани, що виготовляються з силіцій карбіду через їх високу міцність. Однак невирішеною проблемою є висока вартість таких мембран та контрольованість пористих характеристик, які суттєво впливають на транспортні характеристики. Тому вкрай важливими є дослідження способів, що можуть дозволити зменшити температуру відпалу SiC-мембран та контролювати їх пористість. Мета дослідження. Встановлення впливу типу карбонату на фізико-хімічні властивості та транспортні характеристики керамічних мембран на основі силіцій карбіду. Методика реалізації. Метод пресування та спікання з різним складом карбонатів. Аналіз отриманих керамічних мембран дифракційним методом та скануючою електронною мікроскопією. Результати дослідження. Показано, що за додавання натрій карбонату утворюється нова фаза – натрій алюмосилікат, а у разі застосування амоній гідрокарбонату утворення нових фаз не виявлено. Морфологія синтезованих керамічних мембран має зернисту структуру, що характеризується порами розміром від 13 до 21 мкм та питомою площею поверхні – від 1,5 до 1,9 м3/г. Досліджені транспортні характеристики керамічних мембран свідчать про те, що застосування амоній гідрокарбонату дозволяє отримати керамічну мембрану з достатньо високою пропускною здатністю, яку можна рекомендувати для застосування в області мікрофільтрування. Висновки. Амоній гідрокарбонат є більш перспективною пороутворюючою домішкою до керамічних мембран на основі силіцій карбіду. Подальші дослідження будуть зосереджені на вивченні вмісту пороутворювача на транспортні та механічні властивості керамічних мембран. Ключові слова: керамічні мембрани, силіцій карбід, натрій карбонат, амоній гідрокарбонат, пористість, транспортні характеристики, водоочищення. Вступ Останнім часом застосування керамічних мембран у технологіях очищення води суттєво збільшується завдяки наявності цілої низки їх переваг порівняно з полімерними мембранами. Основними характеристиками керамічних матеріалів, з яких виготовляють керамічні мембранні модулі, є: хімічна та термічна стабільність, зокрема й в агресивних середовищах; низька схильність до забруднення і наявність ефективних способів очищення та регенерації мембран; тривалий термін служби; високі транспорт- ні властивості; стійкість до корозії тощо [1, 2]. Кількість опублікованих наукових досліджень за останні два десятиліття щодо технологій, пов’язаних з виготовленням та застосуванням керамічних мембран, переконливо свідчить про збільшення зацікавленості науковців і технологів у необхідності та своєчасності збільшення частки застосування саме керамічних мембран у мембранних технологіях [3]. Завдяки своїм унікальним властивостям керамічні мембрани широко застосовуються, зокрема, в процесі очищення промислових стічних вод [4]. Переваги керамічних мембран не обмежуються вищепереліченими Пропозиція для цитування цієї статті: Ю. М. Молчан, А. А. Зеленська, О. І. Янушевська, Т. А. Донцова, “ Вплив типу карбонату на транспортні характеристики керамічних мембран на основі sic”, Наукові вісті КПІ, № 1–4, с. XX–XX, 2023. doi: 10.20535/kpisn.2023.1-4.291501 Offer a citation for this article: Y.M. Molchan, A.А. Zelenska, O.I. Yanushevska, T.A. Dontsova, “Influence of carbonate type on transport characteristics of SiC-based ceramic membranes”, KPI Science News, no. 1–4, pp. XX–XX, 2023. doi: 10.20535/kpisn.2023.1-4.291501 © Автор(и). Стаття поширюється на умовах ліцензії CC BY 4.0 ЕНЕРГЕТИКА ТА НОВІ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧІ ТЕХНОЛОГІЇ характеристиками, також вони позбавлені такої властивості, як набухання розчинником під час фільтрування, що покращує їх гідравлічні показники [5]. Однією з перешкод на шляху збільшення темпів застосування керамічних мембран у процесах очищення води та стічних вод, на жаль, залишається їх висока вартість. До того ж процес спікання керамічних мембран вимагає високої температури (понад 1000 °С), що також впливає на їх вартість і транспортні характеристики. Постановка задачі Одними з найбільш широковживаних матеріалів для виготовлення керамічних мембран є алюміній оксид, цирконій оксид, титан оксид, кремній карбід та цеоліти. Керамічні мембрани з алюміній оксиду порівняно з керамічними мембранами, що виготовлені з іншої вказаної сировини, є найдешевшими завдяки відносно низької вартості глинозему [6, 3]. Цікавим є те, що з використанням як матеріалів для виготовлення керамічних мембран: Al2O3, TiO2, ZrO2, SiC, вартість керамічних мембран зростає від Al2O3 до SiC, але показники керамічних мембран, такі як гідрофільність, проникність, хімічна та механічна стійкість, покращуються у зворотному напрямку в рази. Крім цього, така важлива характеристика, як потенціал щодо забруднення – має мінімальне значення, серед наведених матеріалів, саме для SiC. Комерційно доступні керамічні мембрани можуть працювати в широкому діапазоні pH, температури та тиску. Мембрани, які виготовлені із силіцій карбіду мають найкращі характеристики робочого тиску, робочого діапазону застосування рН та температури серед наведених матеріалів. Наприклад, керамічна мембрана фірми LiqTech, Denmark, яка виготовляється з SiC здатна витримувати тиск до 10 бар, температуру – до 800 °С і працювати в максимальному діапазоні рН, тобто від 0 до 14 (для порівняння, керамічна мембрана з Al2O2 фірми ItN-Nanovation, Germany, має такі робочі характеристики: робочий тиск – до 0,5 бар, рН – від 2 до 12, температура – до 130 °С) [3]. Мембрани з SiC завдяки своїй надзвичайній міцності, хімічній стабільності, здатності стійкості до обростання та водопроникності широко використовуються у багатьох процесах: розділення нафти та газу, очищення стічних вод, оброблення харчових продуктів і напоїв, інтенсифікації процесів ферментації тощо [7]. Крім 69 того, оптимізація процесу спікання мембран за рахунок використання різних домішок і варіювання складу керамічної матриці дозволяє усунути особливі недоліки мембран із SiC – витрати на виробництво, які у випадку SiC-мембран є найбільш високими, навіть більшими ніж під час виробництва керамічних мембран на основі Al2O3, TiO2 або ZrO2, і також низький контроль у цих мембранах розміру пор в UF і NF діапазоні, а отже й транспортних характеристик [8]. Розробка мембрани із SiC з використанням алюміній нітрату, як спікаючої домішки, показала [7], що додавання останнього знижує температуру спікання підготовленої мембрани порівняно зі звичайним синтезом мембрани із SiC, а отже дозволяє зменшити витрати на їх виробництво. До того ж мембрана продемонструвала чудову стійкість до корозії в кислому та лужному (...truncated)