СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК B22F7/02 B01D71/02 

Изобретение относится к технологии изготовления пористых металлических мембран, которые могут быть использованы при изготовлении фильтрующих материалов для фильтрации жидкостей, очистки газовых потоков и проведения других процессов разделения материалов.

Известен способ получения фильтрующего материала, заключающийся в насыщении пористой металлической подложки из нержавеющей стали с размерами пор от 0,5 до 10 мкм частицами из диоксида титана с размерами от 0,2 до 1,0 мкм и последующем спекании этих частиц в объеме металлической подложки [патент США №4935139, МПК B01D 13/00, 1990].

Недостатком известного способа по этому патенту является сложность получения фильтрующего материала с контролируемыми размерами пор и однородными характеристиками селективного слоя, получаемого из частиц ультрадисперсного порошка в объеме пористой металлической подложки.

Известен способ изготовления фильтрующего материала, в соответствии с которым на пористую металлическую подложку с размерами пор не более 30 мкм и толщиной не более 250 мкм наносят слой суспензии из порошка с частицами сферической формы и средним размером не более 0,5 мкм (оксидов, нитридов, карбидов и др.), высушивают, прикатывают при давлении 50-100 МПа и отжигают полученный материал при температуре в пределах 0,3-0,5 температуры плавления порошка с формированием селективного керамического слоя толщиной не более 10 мкм со средним размером пор не более 0,2 мкм [патент. РФ №2040371, МПК B22F 7/04]. В случае использования для селективного слоя порошка материала из группы оксидов, или нитридов, или карбидов, или боридов, или их смесей в суспензию вводят дополнительно не более 1 мас.% порошка металла, из которого изготовлена подложка, при среднем размере частиц металлического порошка не более 0,5 мкм. Способ позволяет получить фильтрующие материалы в широком диапазоне эксплуатационных свойств из различных материалов и со стабильными гидравлическими и механическими характеристиками. Полученные этим способом фильтрующие материалы могут быть использованы при давлениях до 0,6 МПа, они пластичны, их можно сгибать, сваривать и резать при изготовлении фильтров с различной геометрической формой. Однако полученные этим способом фильтрующие материалы имеют недостаточную стойкость к истиранию в случае разделения сред, содержащих абразивные материалы, например: карбонат кальция, карбиды и нитриды тугоплавких металлов, алмазоподобные примеси и т.п.

Технической задачей изобретения является повышение стойкости селективного слоя материала к абразивному износу при фильтрации агрессивных сред.

Поставленная задача решается с помощью повышения сцепления частиц селективного слоя между собой и материалом подложки с помощью применения специальных веществ и технологических операций, приведенных ниже при описании сущности изобретения.

Для решения поставленной технической задачи предложен способ изготовления фильтрующего материала, в соответствии с которым на пористую металлическую подложку наносят слой суспензии из порошка с частицами оксидов, нитридов, карбидов сферической формы и средним размером не более 0,5 мкм, полученный слой высушивают, прикатывают при давлении 50-100 МПа, полученную заготовку пропитывают водным раствором, содержащим 7,5 мас.% K₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄, сушат при температуре 150-200°С, а затем отжигают при температуре 0,3-0,5 температуры плавления порошка с формированием селективного керамического слоя толщиной не более 10 мкм со средним размером пор не более 0,2 мкм.

В частном варианте выполнения изобретения прикатку селективного слоя проводят через полиэтиленовую пленку толщиной от 100 до 200 мкм.

В другом частном варианте выполнения изобретения сушку заготовки после пропитки водным раствором проводят в течение 3-6 часов.

Как и в известном, принятом за прототип способе, в заявляемом изобретении керамический слой формируют на пористой металлической подложке, которая изготовлена предпочтительно из таких металлов, как титан, железо, никель, серебро или их сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью.

Металлическая подложка выполнена в виде пористой фольги толщиной не более 250 мкм, средним размером пор не выше 30 мкм и общей пористостью от 30 до 45%. Такая подложка может быть изготовлена путем прокатки и спекания металлического порошка в виде ленты, листов и рулонов. Это позволяет обеспечить эффективное производство мембран и фильтрующих элементов в разнообразных приложениях и фильтрах различной формы и назначения.

Керамическая композиция для селективного слоя может быть составлена из оксидов, нитридов, карбидов, боридов, а также их смесей с добавлением ультрадисперсных частиц таких металлов, как медь, никель, серебро и их сплавов. Обработка селективного слоя и подложки водным раствором 7,5 мас.% K₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄ позволяет повысить его абразивную стойкость и адгезию к металлической подложке. Это достигается тем, что пропитка селективного слоя раствором указанного состава позволяет сформировать на технологической операции спекания благоприятные условия для сохранения окислительной среды в керамическом селективном слое, которые формируются в результате термического разложения входящих в раствор веществ и выделения свободного кислорода при спекании в вакууме. Такие условия спекания позволяют значительно повысить прочность самого селективного слоя, а также увеличить адгезию селективных слоев к металлической подложке за счет образования тонкого окислительного слоя на поверхности металлической подложки при спекании подложки, пропитанной раствором 7,5 мас.% K₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄.

Селективный слой наносится на подложку известными методами, такими как погружение, полив, распыление или осаждение в электростатическом поле. В предпочтительном варианте реализации изобретения частицы диспергируют в спирте и набрызгивают суспензию на металлическую подложку. После чего снизу подложки создают вакуум и диспергирующая жидкость - спирт протягивается сквозь металлическую подложку, оставляя слой частиц на верхней поверхности. Образованный таким образом слой частиц подвергается сушке для удаления остатков жидкости, которая использовалась для приготовления суспензии. Прикатка слоя частиц на подложке в прокатном стане производится под давлением через тонкую (100-200 мкм) полиэтиленовую пленку для достижения условий квазиизостатического режима обжатия селективного слоя. За счет использования пленки достигается равномерное уплотнение селективного слоя на всю его глубину. Давление прокатки, которое обеспечивает необходимую пластическую деформацию частиц порошка керамических компаундов, находится в пределах 50-100 МПа. Существенно меньшие значения давления не обеспечивают необходимой сплошности фильтрующего слоя, а давление выше 100 МПа может нарушить пористую структуру металлической подложки.

После прикатки подложка вместе с нанесенными на нее и прикатанными к ней частицами подвергается операции пропитки водным раствором следующего состава - 7.5% K₂Cr₂O₇+2.5% Na₂MoO₄ в течение нескольких минут. Затем пропитанные мембраны сушатся при температуре 200°С в течение нескольких часов. Такая операция в несколько раз улучшает абразивную стойкость мембран к истиранию и увеличивает ресурс ее эксплуатации.

Операцию спекания подложки проводят при температуре 0,3-0,4 температуры плавления порошка в достаточно глубоком (не менее 10-5 мм рт.ст.) вакууме для предотвращения образования нежелательных окислов.

Примеры практической реализации изобретения приведены ниже.

Пример 1

Получают фильтрующий материал, выполненный из пористой титановой фольги (марка ППТМ-ПМ ТУ 14-1-1895-76) толщиной 200 мкм, со средним размером пор около 10 мкм, покрытой селективным слоем оксида титана толщиной 5-7 мкм со средним размером пор 0,1 мкм.

Спиртовая суспензия ультрадисперсного порошка оксида титана со средним размером частиц около 0,1 мкм приготавливается в весовом соотношении твердое-жидкое 1:3. Суспензия наносится распылением на титановую подложку из пористой титановой фольги ППТМ-ПМ ТУ 14-1-1895-76 толщиной 200 мкм, со средним размером пор около 10 мкм. Средний расход порошка составляет 8-19 мг/см². Слой сушится на воздухе в течение 30 мин.

Далее производят прикатку слоя на титановую основу на двухвалковом прикатном стане при давлении на валках 500 кг/см². После прикатки подложку вместе с прикатанным к ней селективным слоем пропитывают водным раствором, содержащим 7.5 мас.% K₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄, в течение пяти минут. Затем пропитанные мембраны сушатся при температуре 200°С в течение двух часов, а затем проводят спекание в вакуумной печи типа СШВ 16/И1 при температуре 830-850°С в течение 30-120 мин. Проводят испытание полученного фильтрующего материала на абразивную стойкость к истиранию в водной суспензии карбоната кальция. Результаты испытаний показывают, что при использовании заявленного изобретения существенно возрастают значения характеристики абразивной стойкости фильтрующего материала и стойкости фильтрующего материала по сравнению с материалом, полученным при таких же технологических параметрах процесса, но без проведения пропитки селективного слоя водным раствором приведенного выше состава.

Пример 2

Получают фильтрующий материал, выполненный из пористой титановой фольги (марка ППТМ-ПМ ТУ 14-1-1895-76) толщиной 200 мкм, со средним размером пор около 10 мкм, покрытой селективным слоем оксида титана толщиной 5-7 мкм со средним размером пор 0,1 мкм.

Спиртовая суспензия ультрадисперсного порошка оксида титана со средним размером частиц около 0,1 мкм приготавливается в весовом соотношении твердое-жидкое 1:3. Суспензия наносится распылением с расходом порошка 8-19 мг/см² на титановую подложку из пористой титановой фольги ППТМ-ПМ ТУ 14-1-1895-76 толщиной 200 мкм, со средним размером пор около 10 мкм, а затем проводится сушка на воздухе в течение 30 мин.

Далее производят прикатку слоя на титановую основу на двухвалковом прикатном стане при давлении на валках 500 кг/см через полиэтиленовую пленку толщиной 100-200 мкм. После прикатки подложку вместе с прикатанным к ней селективным слоем пропитывают водным раствором, содержащим 7.5 мас.% K₂Cr₂O₇ и 2.5 мас.% Na₂MoO₄ в течение пяти минут. Затем пропитанные мембраны сушатся при температуре 200°С в течение двух часов и проводят спекание в вакуумной печи типа СШВ 16/И1 при температуре 830-850°С в течение 30-120 мин.

Испытание полученного фильтрующего материала на абразивную стойкость к истиранию в водной суспензии карбоната кальция. Результаты испытаний показывают, что значение полученной характеристики абразивной стойкости фильтрующего материал превышает стойкость фильтрующего материала, полученного при технологических параметрах процесса по примеру 1, но без использования полиэтиленовой пленки при прикатке селективного слоя.

Фильтрующие материалы, полученные в соответствии с предлагаемым изобретением, обеспечивают высокие гидростатические и газодинамические характеристики при повышенной абразивной стойкости. Это позволяет использовать эти материалы длительное время при разделении высокоабразивных сред, например, при фильтрации разделения сред, содержащих карбонат кальция, карбиды и нитриды тугоплавких металлов, алмазоподобные примеси и т.п.

Регенерация фильтрующих материалов может производиться при помощи обратного потока, травления или термической обработки при температурах до 400°С. Прочность этих материалов позволяет эксплуатировать их при давлениях до 0,6 МПа. Перечисленные характеристики позволяют широко использовать эти материалы для фильтров различного назначения, например, для фильтрации сточных вод, концентрирования суспензий микроорганизмов, разделения органических растворов, осветления вин и соков, фильтрации инертных газов и газоносителей.

Изобретение относится к технологии изготовления пористых фильтрующих материалов для фильтрации жидкостей, очистки газовых потоков и проведения других процессов разделения материалов. Технический результат - повышение стойкости селективного слоя материала к абразивному износу при фильтрации агрессивных сред. Способ включает формирование на пористой металлической подложке селективного слоя из керамики толщиной не более 10 мкм со средним размером пор не более 0,2 мкм. Для формирования селективного слоя на подложку наносят суспензию порошка материала селективного слоя со средним размером частиц не более 0,5 мкм и производят сушку. Затем селективный слой прикатывают к подложке и пропитывают подложку с селективным слоем водным раствором 7,5 мас.% К₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄. После чего проводят сушку при температуре 200°С и спекание при температуре 0,3-0,4 от температуры плавления порошка. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления фильтрующего материала, включающий формирование на пористой металлической подложке селективного слоя из керамики толщиной не более 10 мкм со средним размером пор не более 0,2 мкм путем нанесения на подложку суспензии порошка материала селективного слоя со средним размером частиц не более 0,5 мкм, сушки, прикатки селективного слоя и спекания при температуре 0,3-0,4 от температуры плавления порошка, отличающийся тем, что после прикатки подложку с селективным слоем пропитывают водным раствором 7,5 мас.% К₂Cr₂O₇ и 2,5 мас.% Na₂MoO₄, а затем сушат при температуре 200°С и спекают.

2. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сушку заготовки после пропитки водным раствором проводят в течение 3-6 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прикатку селективного слоя проводят через полиэтиленовую пленку толщиной 100-200 мкм.