Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0014

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0014
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
Исследование и разработка технологии производства многофункциональных нанофильтрационных металлокомпозитных мембран, выдерживающих экстремальные условия эксплуатации.
Докладчик
Королева Марина Юрьевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Создание нанофильтрационных металлокомпозитных мембран, выдерживающих экстремальные условия эксплуатации.
2. Разработка технологий формирования нанофильтрационных металлокомпозитных мембран; разработка рекомендаций для выполнения продолжающих опытно-конструкторских работ.
Актуальность и новизна исследования
Среди наиболее развитых направлений разработки нано- и ультрафильтрационными мембран следует отметить разработки полимерных и керамических мембран. В Российской Федерации работы по разработке и внедрению полимерных и керамических нанофильтрационных мембран осуществляются большим количеством различных научных и промышленных учреждений. За рубежом разработка новых нано- и ультрафильтрационных мембран также ведётся очень интенсивно. Аналогично ситуации в Российской Федерации, за рубежом основное внимание исследователей и производителей направлено на разработку и создание полимерных и керамических мембран.
Применяемые полимерные мембраны зачастую не обладают необходимой механической стабильностью, температурный диапазон их применимости обычно не превышает 100 °C (в наилучших случаях до 200°C), кроме того полимерные мембраны подвержены микробной деградации, что снижает их срок службы и области применимости. Керамические мембраны, как правило, способны работать при повышенных температурах, однако для них характерна высокая хрупкость, что препятствует их использованию при наличии высоких перепадов давления, вибрации и ударных нагрузок. Это определяет отсутствие гарантий стабильности работы ФЭ на их основе, и, как следствие, проблему обеспечения безопасности для персонала, непосредственно работающего с ними, и для окружающей среды.
Указанные недостатки ограничивают их применимость в особо требовательных процессах. К тому же, предлагаемые мембраны потенциально способны удерживать в металлической подложке практически всю массу опасных аэрозолей очищаемого газа, что может существенно упростить их захоронение.
Описание исследования

Для повышения устойчивости фильтрующего материала (мембраны) к экстремальным условиям эксплуатации предложено использование металла (коррозионностойкой стали и титана) в качестве материала подложки.

Среди коммерчески-доступных металлических порошковых материалов путём анализа физико-химических характеристик и исследования структуры методами электронной микроскопии выбраны наиболее подходящие для создания пористых подложек материалы. Исследованы процессы формирования листовых пористых металлических подложек из коррозионностойкой стали (316L) путём прокатки порошкового материала и процессы формирования трубчатых пористых подложек из коррозионностойкой стали и титана путём изостатического прессования исходных порошков. Изучены зависимости пористости и структуры поровых каналов пористых подложек от гранулометрического состава используемых порошков и условий прессования и последующего спекания.

Для создания селективных слоёв на крупнопористой металлической подложке предложено и изучено использование методов нафильтровывания и припекания ультрадисперсных керамических порошков (диоксидов титана и циркония) и напыление тонкого металлического слоя. Изучена возможность повышения абразивной стойкости керамического селективного слоя, путём использования окислительных добавок при спекании такого слоя. Для напыления металлического слоя предложено использование электроискрового легирования и магнетронного ионно-плазменного напыления металла соответствующего материалу подложки, либо отличного от него. Также, впервые предложено создание трёхслойных мембран, содержащих пористую металлическую подложку, имеющую размер пор 2-5 мкм, промежуточный керамический слой, имеющий размер пор 200-250 нм, и тонкий металлический селективный слой, напыляемый на поверхность керамического слоя, обладающий размером пор от 10 до 150 нм.

Для оценки применимости разработанных фильтрующих материалов (мембран) в предполагаемых областях, проведены испытания на стойкость к перепаду давления, испытания производительности и задерживающей способности мембран, стойкости к действию вибрационных и ударных нагрузок, коррозионно-активных сред. Проведена гигиеническая оценка и токсикологические испытания для оценки применимости в области медицинской и фармацевтической промышленности. Проведены модельные испытания применимости создаваемых мембран при очистке теплоносителя первого контура водно-водяного энергетического реактора от дисперсных примесей.

Результаты исследования

Теоретически и экспериментально показана возможность создания надёжных ультрафильтрационных мембран из металла и керамики, выдерживающих экстремальные условия эксплуатации. В ходе патентных исследований выявлены области наиболее вероятного получения патентоспособных результатов. Описаны основные подходы к созданию НММ, разработаны технические требования на исходные материалы для изготовления НММ. Исследованы доступные порошковые материалы и выявлены пригодные для создания НММ, Определено оптимальное давление прессования для формирования пористых подложек трубчатых НММ.
Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на экспериментальные образцы НММ, фильтрующие элементы (ФЭ) на основе НММ трубчатого, дискового и рамного типов, разработана ЭКД на вспомогательное оборудование - инструмент и оснастку для изготовления НММ, корпус трубчатого фильтра для токсикологических испытаний.
Определён допустимый перепад давления для металлических пористых подложек НММ трубчатого и листового типов (1,9 МПа для листовых подложек и 1,1 и 1,4 МПа для трубчатых подложек из нержавеющей стали и титана, соответственно).
Проведены токсикологические испытания, которые подтвердили возможность применения разрабатываемых НММ в медицинской и фармацевтической промышленности. Исследовано влияние окислительных добавок на абразивную стойкость и адгезию керамического селективного слоя к подложке, исследована возможность получения трехслойных мембран на основе двуслойных металлокерамических мембран.
Исследована структура селективных слоёв трубчатых и листовых НММ с металлическими и керамическими селективными слоями. Установлена возможность формирования трубчатых фильтров из листовых, вследствие их улучшенной гибкости.
Разработаны лабораторные технологические регламенты изготовления НММ трубчатого и листового типов, а также ФЭ различных типов на основе НММ. Разработана Программа и методики исследовательских испытаний подложек НММ, НММ и ФЭ на основе НММ. Проведены испытания трубчатых пористых подложек НММ на стойкость к действию коррозионно-активных сред, вибрационных и ударных нагрузок, а также модельные испытания применимости разрабатываемых ФЭ для очистки теплоносителя первого контура водно-водяного энергетического реактора от дисперсных примесей, показавшие эффективность такого применения.
Разработаны проекты технических условий на трубчатые и листовые НММ.
1) В общем виде разработаны технологии формирования НММ и ФЭ на их основе. Подтверждено соответствие характеристик изготовленных образцов НММ требованиям технического задания (ТЗ).
2) Новизна технологических решений заключается в создании НММ из стали и (или) титана, в применении метода магнетронного ионно-плазменного напыления селективных слоёв, а также в разработка многослойных металлокерамических мембран.
3) Методы создания НММ, разрабатываемые в рамках проекта, соответствуют мировому уровню. Лидерами в области разработки и создания фильтрующих материалов, аналогичных разрабатываемым, являются компании Entegris Inc. (США) и Streri Flow Systems PTY (Австралия). Сравнение разрабатываемой технологии и параметров фильтров с известными достижениями данных компаний показывает адекватность выбранного направления исследований, а также соответствие разрабатываемой технологии мировому уровню.

Практическая значимость исследования
1. Фильтрующие элементы на основе разрабатываемых технологий могут быть использованы для микро- и нанофильтрации горячих коррозионноактивных сред.
2. Результаты исследования могут быть применены для создания фильтрующих элементов на основе разрабатываемых нанофильтрационных металлокомпозитных мембран.
Основное назначение нанофильтрационных металлокомпозитных мембран – прецизионная фильтрация 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 применение разрабатываемых мембран в таких процессах, как:
- очистка теплоносителей 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.
- пожаробезопасная очистка фильтрами НЕРА (High Efficiency Particulate Arrestance) горячего воздуха и газов от токсичных аэрозолей (Be, Pb и пр.) во вредных производствах перед выбросом в окружающую среду.
- очистка рабочего тела на ТЭС и АЭС от абразивных примесей для увеличения ресурса турбин и предотвращения потерь, связанных с вынужденной остановкой станции.
- очистка и диспергирование сред в перспективных ядерных ракетных двигателях и энергетических установках на космических объектах, подвергающихся значительным вибрационным и ударным нагрузкам при выведении на орбиту и при маневрировании.
Возможно применение разрабатываемых мембран в областях очистки химически агрессивных газов под высоким давлением, водяного пара для стерилизации ампул, автоклавов, реакторов и линий розлива медпрепаратов и напитков, тепловой обработки пищевых продуктов, отделения токсичных дисперсных частиц от жидких производственных отходов для их утилизации.
3. Использование данной 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.
Постер

14.577.21.0014.ppt