2. Экспериментальная часть

1. Выбор мембранных материалов и исследование их физико-химических свойств

В Научном центре порошковой металлургии (НЦ ПМ) при ПГТУ была разработана технология получения высокопористых материалов, которые можно использовать в качестве мембран для очистки сточных вод.

Формование мембран производили методом сухого прессования ультрадисперсных порошков в металлических прессформах при давлении 0,2-250 МПа, а спекание – на воздухе при температуре 1400-1600 С. Пористость образцов составила 55-60 %, а средний размер пор порядка 100 нм. Использование монодисперсных керамических порошков микросферической формы позволило получить достаточно однородную открытую пористость.

Свойства мембран оценивали по газопроницаемости ГОСТ 25283-82, максимальный и средний размер определяли по давлению вытеснения жидкости из пор газом.

Для определения размера пор использовали выражение:

, (2.1)

где _Т – поверхностное натяжение жидкости;

Р – перепад давления (Па).

Карбидкремниевые мембраны получали термообработкой прессовок из смесей Si-30%графита и SiO2-37%графита по реакциям синтеза из элементов:

Si + C = SiC

Или карботермического восстановления

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO

Полученные материалы обладают повышенной проницаемостью, что связано со значительными по величине отрицательными объемными эффектами, табл.2.1.

Таблица 2.1.

Содержание углерода и расчетные величины массовых и объемных эффектов в реакционных системах

Реакция	Доля добавки, масс. %	m, %	V, %
Карбонитридация Каолина	20-21,3	-33  -40	-37  -45
2. Si + C = SiC	30	0	-29,8
3. SiO2 + 3C = SiC + 2CO	37,5	-58,3	-71,2

Изменение технологических параметров оказывает достаточно сильное влияние на пористую структуру синтезируемых сиалонов.

Мембраны из карбида кремния привлекают внимание исследовате­лей тем, что наличие в структуре SiC аморфного углерода способствует сорбции органических примесей при фильтрации воды [2, 4].

Исследование реакционнного спекания смесей Si-C и SiO₂-C по реакциям 1,2 (табл.2.1.) при отрицательных объемных эффектах показало возможность получения достаточно прочных материалов с размером пор 0,3-3 мкм.

При спекании в азоте могут образовываться примеси оксинитрида и нитрида кремния, однако основу материала составляет карбид крем­ния.

Карбидокремниевые материалы, полученные из смеси оксида кремния с графитом, имеют высокую пористость 83-85%.

В работе исследованы пористые керамические мембраны на основе сиалона и карбида кремния, отличающие условиями синтеза и параметрами пористой структуры. Основные физико-химические характеристики выбранных для исследования мембран представлены в таблице 2.2.

Кристаллическая структура синтезированных образцов идентифицирована методом фазового рентгеноструктурного анализа [].

Таблица 2.2.

Физико-химические характеристики пористых керамических мембран.

N	Исходный материал	П, %	К, мкм2	Dmax, мкм	Dmid, Мкм
1	Каолин, сажа	55	0,035	1,2	1,1
2	Si-30%,графит	58	0,005	0,47	0,36
3	SiO2, графит, CaO	75	0,070	1,6	1,29
4	SiO2- 37%, графит, CaO	76	0,070	1,5	1,35
5	Si,30%,графит	55	0,012	0,72	0,69
6	Si-35%,С	47	0,0015	0,4	0,3
7	Si-30%, графит	61	0,080	0,5	0,37
151	Каолин, сажа	52	0,011	0,8	0,75
152	Каолин, сажа	53	0,008	0,7	0,65
153	Каолин, графит	55	0,035	1,2	1,1
154	Каолин, графит	54	0,033	1,3	1,1
157	Каолин, сажа	54	0,020	1,1	1,0
171	Каолин, сажа	55	0,040	1,5	1,3
174	SiO2, графит, CaO	46	0,070	2,1	2,0
198	Si-30%,графит	58	0,006	0,56	0,39
199	Si-30%,графит	56	0,02	1,0	0,6
196	SiС-10%, SiO2-10%, CaO	43	0,08	3,9	2,7
194	SiС-10%, SiO2-10%, CaO	43	0,09	3,9	2,9