Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка технологии производства многофункциональных нанофильтрационных металлокомпозитных мембран, выдерживающих экстремальные условия эксплуатации.

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
фильтрующий модуль, фильтрующий элемент, нанофильтрация, микрофильтрация, металлокомпозит, проницаемая мембрана.

Цель проекта:
1. Создание нанофильтрационных металлокомпозитных мембран, выдерживающих экстремальные условия эксплуатации. 2. Разработка технологий формирования нанофильтрационных металлокомпозитных мембран; разработка рекомендаций для выполнения продолжающих опытно-конструкторских работ.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
- результаты исследования влияния технологических параметров и характеристик сырья на структуру пористых подложек НММ;
- результаты исследования механических характеристик образцов трубчатых и листовых пористых подложек;
- результаты исследования технологии нанесения керамических и металлических селективных слоёв НММ;
- результаты модельного исследования применимости фильтрующих элементов на основе НММ для тонкой очистки теплоносителя от дисперсных примесей, характерных для первого контура атомных электростанций с водно-водяным энергетическим реактором;
- результаты токсикологических исследований НММ;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы фильтрующих элементов различного типа на основе НММ;
- технологические регламенты изготовления пористых подложек различного типа и нанесения металлических и керамических селективных слоёв.

2. Планируемые результаты проекта должны обеспечивать возможность создания микро- и нанофильтрационных металлокомпозитных мембран различного типа и фильтрующих элементов на их основе. Указанные металлокомпозитные мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям: температура эксплуатации от -20 до 300 °C, открытая пористость 30-60 %, тонкость фильтрации в жидкости до 30 нм, в газе до 10 нм, устойчивость к воздействия сред с pH от 4 до 12 (от 2 для мембран на основе титановых подложек), устойчивость к перепаду давления до 0,5-2 МПа.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, являются микро- и нанофильтрационные металлокомпозитные мембраны и фильтрующие элементы на их основе. В ходе проекта разрабатываются мембраны двух основных типов - с металлическими и керамическими селективными слоями.

2. На сегодняшний день не существует технологий производства нанофильтрационных мембран с металлическими и керамическими селективными слоями, обладающими порами менее 100 нм. Предлагаемая технология производства позволит создавать ультрафильтрационные элементы, имеющие пористую металлическую или керамическую подложку разнообразной формы, на которую могут наносится один или несколько металлических слоев, формирующих проницаемую мембрану с порами заданного размера в нанометровом диапазоне.

3. В мировой практике на данный момент существует несколько направлений разработок нанофильтрационных мембран. Среди наиболее исследуемых и развитых направлений выделяют полимерные и керамические мембраны. [1 – Eric M. V. Encyclopedia of Membrane Science and Technology, 3 Volume Set/ Eric M. V. Hoek, Volodymyr V. Tarabara. - Wiley, 2013. -2390] Основными мировыми научными организациями в этой области являются Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research, Потсдам-Гольм, Германия, Virginia Polytechnic Institute&State University, Блэксбург, США, New Jersey Institute of Technology, University Heights, Ньюмарк,
США, Aachen University, Аахен, Германия, National University of Singapore, город Сингапур, Сингапур, НПО «Керамик-фильтр» и другие. Параметры создаваемых за рубежом и в России мембран и фильтрующего оборудования на их основе обладают конструкционными ограничениями - невозможности фильтрации высокотемпературных, химически агрессивных (сильнокислотные, либо сильнощелочные растворы), радиационно-, или биологически- опасных сред, в условиях повышенных ударных нагрузок, вибрации и высокого перепада давления. С указанными проблемами наиболее часто сталкиваются в атомной, медицинской, аэрокосмической, и химической отраслях промышленности.

4. Технологический процесс, выбранный для создания нанофильтрационных мембран заключается в применении методов гидростатического и квазигидростатического прессования для получения подложек различной формы на основе наноструктурироанных сталей и (или) соединений титана, в применении метода магнетронного ионно-плазменного напыления для создания металлического селективного слоя с заданным размером пор и с улучшенными эксплуатационными характеристиками на поверхности подложки. Основные ограничения и риски внедрения разработанной технологии производства ультрафильтрационных мембран могут быть вызваны низким качеством сырья или работы персонала, что главным образом скажется на дефектность изделий, а следовательно и основные эксплуатационные характеристики получаемого продукта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Фильтрующие элементы на основе разрабатываемых технологий могут быть использованы для микро- и нанофильтрации горячих коррозионно-активных сред. Например, в качестве высокоэффективных фильтров в химических и микробиологических производствах, в качестве фильтров тонкой очистки в технологических процессах пищевых производств, процессах мембранной стерилизации и других областях.

2.Ожидаемые результаты предлагаемого прикладного научного исследования могут быть применены для создания новых фильтрующих элементов на основе разрабатываемых нанофильтрационных металлокомпозитных мембран.
Основное назначение нанофильтрационных металлокомпозитных мембран (НММ) – прецизионная нанофильтрация горячих, агрессивных и радиоактивных жидкостей и газов под высоким давлением, а также мембранное разделение и концентрирование растворов и нанодисперсных систем, газораспыление и дросселлирование в заданных режимах. Возможно широкое применение нанофильтрационных металлокомпозитных мембран в следующих во многих технологических процессах ядерной отрасли, таких как:
- Очистка теплоносителей непосредственно в первом и втором контурах ядерных реакторов в процессе
рабочего режима.
- Очистка водяного пара и технологического газа под давлением от радиоактивных аэрозолей (изотопов кобальта, цезия, йода), в рабочей зоне ядерного реактора, в системах вакуумной осушки и в «горячих» камерах дистанционной работы. НММ способны удерживать и накапливать в пористой подложке практически всю массу радиоактивных аэро-золей очищаемого газа, что существенно упрощает их захоронение.
- Пожаробезопасная очистка фильтрами НЕРА (High Efficiency Particulate Arrestance) с металлическими нанофильтрационными металлокомпозитными мембранами горячего вентиляционного воздуха и газов от токсичных аэрозолей (Be, Pb и пр.) в химически вредных производствах перед выбросом в окружающую среду.
- Очистка рабочего тела (продуктов сгорания, природного газа, парогазовой смеси, «острого» пара и т.п.) на ТЭС и АЭС от абразивных примесей для увеличения на порядок ресурса турбин до ремонта и предотвращения энергопотерь, связанных с вынужденной остановкой электростанции.
- Очистка и диспергирование жидких и газовых сред в перспективных ядерных ракетных двигателях и ядерных энергетических установках на космических объектах, подвергающихся значительным вибрационным и ударным нагрузкам на участке выведения на орбиту и при ускорениях.
Помимо этого возможно применение разрабатываемых нанофильтрационных металлокомпозитных мембран в областях высокой очистки химически агрессивных газов под высоким давлением, нагретого водяного пара (газа) для стерилизации ампул, автоклавов, реакторов и линий розлива медпрепаратов и напитков, для контактного плавления сыров, тепловой обработок молочных и других пищевых продуктов, тонкого мембранного разделения токсичных и вредных нано- и микрочастиц от жидких производственных отходов для их утилизации.

3. Использование фильтрующих элементов, создаваемых на основе разрабатываемой технологии, повысит срок эксплуатации фильтрующих элементов, снизит энергоёмкость технологических процессов, в которых они будут использоваться, а кроме того, повысит надёжность таких систем. Повышение надёжности очистных систем приведёт к снижению экологических рисков использующих их производств.

4. Тематика проекта относится к приоритетным направлениям развития исследований в рамках международного сотрудничества, охватывает перспективные задачи технологических и социально - экономических направлений ведущих мировых стран. Проводимые научные межотраслевые исследования, включающие создание нанофильтрационных мембран, направлены на создание продукции и технологий, востребованной отраслями мировой экономики.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году получены следующие результаты:
- подобраны исходные порошковые материалы для изготовления пористых подложек и селективных слоёв листовых НММ; исследованы параметры качества подобранных порошков. Показано, что выбранные исходные порошки удовлетворяют требованиям к исходным материалам НММ по форме, размеру, химическому и фазовому составу материалов;
- исследован гранулометрический состав исходных порошков, предназначенных для изготовления трубчатых пористых подложек НММ, и поровая структура таких подложек. Показано, что все выбранные исходные порошки пригодны для формирования пористых подложек трубчатых НММ. Пористость плоского сечения образцов подложек изготовленных из различных исходных порошков составляет от 38 до 44 %, что удовлетворяет требованиям ТЗ. Увеличение среднего размера частиц исходного порошка ведёт к ухудшению однородности поровой структуры подложки. Определено оптимальное давление прессования для формирования пористых подложек трубчатых НММ, которое составило 100±10 МПа;
- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец корпуса трубчатого фильтра для токсикологических испытаний и изготовлен данный корпус фильтра;
- изготовлены экспериментальные образцы пористых подложек НММ трубчатого и листового типов;
- проведены испытания по определению допустимых перепадов давления для металлических пористых подложек НММ трубчатого и листового типов, показано, что экспериментальные образцы подложек выдерживают перепад давления до 1,8 МПа (для листовых подложек) и до 1,1 и 1,4 МПа для трубчатых подложек из нержавеющей стали и титана, соответственно;
- исследованы параметры поровой структуры листовых пористых подложек, установлено, что подложки из титана имеют пористость 43,3 % при среднем размере пор 7,8 мкм, в то время как подложки из нержавеющей стали обладают пористостью 32,4 % при среднем размере пор 6,0 мкм;
- показана неприменимость технологии электроискрового легирования для создания селективных слоёв НММ, даже при использовании мягких режимов происходит оплавление поверхности пористой подложки;
- токсикологические исследования показали возможность применения разрабатываемых НММ в медицинской промышленности.