Керамические подложки для фильтрационных мембран на основе дисперсных микросфер летучих зол

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложена методика получения керамических подложек для фильтрационных мембран на основе узкой фракции дисперсных микросфер летучих зол с помощью холодного одноосного прессования с последующим высокотемпературным обжигом. Показано, что повышение температуры спекания с 1000 до 1150°С приводит к снижению открытой пористости с 40 до 24%, уменьшению среднего размера пор с 1.60 до 0.34 мкм, а также увеличению предела прочности на сжатие с 9.5 до 159 МПа. Полученные подложки характеризуются значениями проницаемости по воде 1210, 310, 240, 170 л м–2 ч–1 бар–1при температурах спекания 1000, 1050, 1100 и 1150°С соответственно. Эксперименты по фильтрации водных суспензий дисперсных микросфер (dср = 2.5 мкм) и микрокремнезема (dср = 1.9 мкм) через подложку с температурой спекания 1150°С показали задержание близкое к 100%. Предложенная методика использования зольных отходов в производстве мембранных материалов вносит вклад в разработку технологий комплексной переработки отходов тепловой энергетики.

Об авторах

Е. В. Фоменко

Институт химии и химической технологии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 24, Красноярск, 660036

Г. В. Акимочкина

Институт химии и химической технологии СО РАН

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 24, Красноярск, 660036

А. Г. Аншиц

Институт химии и химической технологии СО РАН

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 24, Красноярск, 660036

Н. П. Фадеева

Институт химии и химической технологии СО РАН; Институт вычислительного моделирования СО РАН

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 24, Красноярск, 660036; Академгородок 50, стр. 44, Красноярск, 660036

И. А. Харченко

Институт вычислительного моделирования СО РАН

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 44, Красноярск, 660036

Е. В. Елсуфьев

Институт вычислительного моделирования СО РАН; Сибирский федеральный университет

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 44, Красноярск, 660036; пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041

К. А. Шабанова

Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 38, Красноярск, 660036

А. А. Максимова

Институт вычислительного моделирования СО РАН; Сибирский федеральный университет

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 44, Красноярск, 660036; пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041

И. И. Рыжков

Институт вычислительного моделирования СО РАН; Сибирский федеральный университет

Email: rii@icm.krasn.ru
Россия, Академгородок 50, стр. 44, Красноярск, 660036; пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041

Список литературы

  1. Strathmann H. Introduction to membrane science and technology. Wiley–VCH, Weinheim. Germany. 2011.
  2. Baker R.W. Membrane technology and applications. England: John Wiley & Sons, Chichester. 2004. 538 р.
  3. Warsinger D.M., Chakraborty S., et al. A review of polymeric membranes and processes for potable water reuse. Progress in Polymer Science, 2018. V. 81, P. 209–237.
  4. Li K. Ceramic membranes for separation and reaction. John Wiley & Sons, Chichester, England, 2007.
  5. Arumugham T., Kaleekkal N.J., Gopal S., Nambikkattu J., K.R., Aboulella A.M., Wickramasinghe S.R., Banat F. Recent developments in porous ceramic membranes for wastewater treatment and desalination: a review. J. Environmental Management, 2021. V. 293, 112925.
  6. Gitis V., Rothenberg G. Ceramic membranes: new opportunities and practical applications. Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2016.
  7. Abdullayev A., Bekheet M.F., Hanaor D.A.H., Gurlo A. Materials and applications for low-cost ceramic membranes. Membranes 2019, 9, 105.
  8. Almandoz M.C., Pagliero C.L., Ochoa N.A., Marchese J. Composite ceramic membranes from natural alumino silicates for microfiltration applications. Ceramics International, 2015. V. 41. P. 5621–5633.
  9. Гармаш И.П., Крючков Ю.Н., Павликов В.Н. Керамические мембраны для ультра- и нанофильтрации // Стекло и керамика, 1995. Т. 6. С. 19–22.
  10. Benfer S., Arki P., Tomandl G. Ceramic membranes for filtration applications – preparation and characterization. Adv. Eng. Materials, 2004. V. 6 (7), P. 495–500.
  11. Каграманов Г.Г., Назаров В.В., Лукин Е.С., Першикова Е.М. Микрофильтрационные мембраны с селективным слоем на основе диоксида циркония. Стекло и керамика. 2001. Т. 74, № 7. С.
  12. Иванец А.И., Агабеков В.Е. Микрофильтрационные керамические мембраны на основе природного диоксида кремния. Мембраны и мембранные технологии, 2017. Т. 7, № 1. С. 3–13.
  13. Иванец А.И. Получение микрофильтрационных керамических мембран. Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм. навук. 2021. Т. 57, № 1. С. 25–32.
  14. Ратько А.И., Иванец А.И., Сахар И.О., Д.Ю., Торопова В.В., Радкевич А.В. Задерживающая способность керамических нанофильтрационных мембран по отношению к ионам трехвалентного железа // Физикохимия поверхности и защита материалов, 2012. Т. 48, № 5. C. 470–473.
  15. Ivanets А.I., Azarova Т.А., AgabekovV.E.et al. Preparation and properties of microfiltration membranes based on natural crystalline SiO2. Ceramics International, 2014. V. 40. P. 12343–12351.
  16. Majouli A., Younssi S.A., Tahiri S., Albizane A., Loukili H., Belhaj M. Characterization of flat membrane support elaborated from local Moroccan Perlite. Desalination, 2011. V. 277, P. 61–66.
  17. Majouli A., Tahiri S., Younssi S.A., Loukili H., Albizane A. Elaboration of new tubular ceramic membrane from local Moroccan Perlite for microfiltration process. Application to treatment of industrial wastewaters. Ceramics International, 2012. V. 38, P. 4295–4303.
  18. Saja S., Bouazizi A., Achiou B., Ouammou M., Albizane A., Bennazha J., Younssi A. Elaboration and characterization of low-cost ceramic membrane made from natural Moroccan perlite for treatment of industrial wastewater. Journal of environmental chemical engineering. 2018. V. 6. №1. Р. 451–458.
  19. Фадеева Н.П., Павлов М.В., Харченко И.А., Симунин М.М., Шабанова К.А., Павлов В.Ф., Рыжков И.И. Высокопрочные керамические подложки на основе перлита и пеносиликатов для фильтрационных мембран. Мембраны и мембранные технологии, 2022. Т. 12, № 3, с. 192–199.
  20. Chihi R., Blidi I., Trabelsi-Ayadi M., F. Elaboration and characterization of a low-cost porous ceramic support from natural Tunisian bentonite clay. C. R. Chimie, 2019. V. 22, P. 188–197.
  21. Meghnani R., Kumar M., Pugazhenthi G., Dhakshinamoorthy V. Synthesis of ceramic membrane using inexpensive precursors and evaluation of its biocompatibility for hemofiltration application. Separation and Purification Technology, 2021. V. 256, 117814.
  22. Yao Z.T., Ji X.S., Sarker P.K., Tang J.H., Ge L.Q., Xia M.S., Xi Y.Q. A comprehensive review on the applications of coal fly ash. Earth-Science Reviews, 2015, V. 141, P. 105–121.
  23. Ahmaruzzaman M. A review on the utilization of fly ash. Progress in Energy and Combustion Science, 2010. V. 36 (3), 327–363.
  24. Blissett R.S., Rowson N.A. A review of the multi-component utilization of coal fly ash. Fuel, 2012. V. 97, P. 1–23.
  25. Moreno N., Querol X., Andrés J.M., Stanton K., Towler M., Nugteren H., Janssen-Jurkovicová M., Jones R. Physico-chemical characteristics of European pulverized coal combustion fly ashes. Fuel, 2005, Vol. 84 (11), P. 1351–1363.
  26. Thangavel P., Park D., Lee Y.C. Recent insights into particulate matter (PM2.5) – mediated toxicity in humans: An overview. Int. J. Environ. Res. Public Health 2022, V. 19, 7511.
  27. Wang S., Zhang C., Chen J. Utilization of coal fly ash for the production of glass-ceramics with unique performances: A brief review. Journal of Materials Science and Technology, 2014. V. 30 (12), P. 1208–1212.
  28. Choo T.F., Mohd Salleh M.A., Kok K.Y., Matori K.A., Abdul Rashid S. A Study on the utilization of coal fly ash derived grog in clay ceramics. Materials, 2020. V. 13, 5218.
  29. Wei Z., Hou J., Zhu Z. High-aluminum fly ash recycling for fabrication of cost-effective ceramic membrane supports. Journal of Alloys and Compounds 2016. V. 683, P. 474-480.
  30. Huang J., Chen H., Yang J., Zhou T., Zhang H. Effects of particle size on microstructure and mechanical strength of a fly ash based ceramic membrane. Ceramics International, 2023. V. 49. P. 15655–15664.
  31. Fang J., Qin G., Wei W., Zhao X. Preparation and characterization of tubular supported ceramic microfiltration membranes from fly ash. Separation and Purification Technology, 2011. V. 80, P. 585–591.
  32. Fang J., Qin G., Wei W., Zhao X., Jiang L. Elaboration of new ceramic membrane from spherical fly ash for microfiltration of rigid particle suspension and oil-in-water emulsion. Desalination, 2013. V. 311, P. 113–126.
  33. Zou D., Chen X., Drioli E., Qiu M., Fan Y. Facile mixing process to fabricate fly-ash-enhanced alumina-based membrane supports for industrial microfiltration applications. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, V. 58. 8712−8723.
  34. Kushnerova O.A., Akimochkina G.V., Fomenko E.V., Rabchevskii E.V., Anshits A.G. Single-stage aerodynamic separation of fly ash produced after pulverized combustion of coal from the Ekibastuz basin. Solid Fuel Chemistry, 2018. V. 52, P. 188–200.
  35. Fomenko E.V., Anshits N.N., Kushnerova O.A., Akimochkina G.V., Kukhtetskiy S.V., Anshits A.G. Separation of nonmagnetic fine narrow fractions of PM10 from coal fly ash and their characteristics and mineral precursors. Energy Fuels, 2019. V. 33 (4), P. 3584–3593.
  36. ГОСТ 5382-2019 Цементы и материалы цементного производства. М., 2019.
  37. Fomenko E., Anshits N., Solovyov L., Mikhaylova O.A., Anshits A.G. Composition and morphology of fly ash cenospheres produced from the combustion of kuznetsk coal. EnergyFuels 2013, V. 27, P. 5440–5448.
  38. DIN 51007-2019. Thermal analysis – Differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC) – General Principles.
  39. ГОСТ Р 55661-2013. Топливо твердое минеральное. Определение зольности. М., 2014.
  40. Fomenko E.V., Anshits N.N., Solovyov L.A., Knyazev Y.V., Semenov S.V., Bayukov O.A., Anshits A.G. Magnetic fractions of PM2.5, PM2.5–10, and PM10 from coal fly ash as environmental pollutants. ACS Omega, 2021. V. 6 (30), P. 20076–20085.
  41. Glass S.J., Ewsuk K.G. Ceramic Powder Compaction. MRS Bulletin, 1997. V. 22 (12), P. 24–28.
  42. ГОСТ 7025-91. Кирпич и камни керамические и силикатные. М., 2006.
  43. ГОСТ 2409-2014. Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения. М., 2014.
  44. ГОСТ Р 57606-2017 Композиты керамические. Метод испытания на сжатие при нормальной температуре.
  45. Zhou W., Zhang L., Wu P., Cai Y., Zhao X., Yao C. Study on permeability stability of sand-based microporous ceramic filter membrane. Materials 2019, V. 12, 2161.
  46. Esham M.I.M., Ahmad A.L., Othman M.H.D. Fabrication, optimization, and performance of a TiO2 coated bentonite membrane for produced water treatment: effect of grafting time. Membranes, 2021. V. 11, 739.
  47. Zhou W., Zhang L., Wu P., Liu Y., Cai Y., Zhaoa X. An effective method for improving the permeation flux of a ceramic membrane: Single-matrix spherical ceramic membrane. J. Hazardous Materials, 2020. V. 400, 123183.
  48. Malik N., Bulasara V.K., Basu S. Preparation of novel porous ceramic microfiltration membranes from fly ash, kaolin and dolomite mixtures. Ceramics International, 2020. V. 46, P. 6889-6898.
  49. Zou D., Qiu M., Chen X., Drioli E., Fan Y. One step co-sintering process for low-cost fly ash based ceramic microfiltration membrane in oil-in-water emulsion treatment. Separation and Purification Technology, 2019. V. 210, P. 511–520.
  50. Zou D., Fan W., Xu J., Drioli E., Chen X., Qiu M., Fan Y. One-step engineering of low-cost kaolin/fly ash ceramic membranes for efficient separation of oil-water emulsions. J. Membrane Science, 2021. V. 621, 118954.
  51. Agarwal A., Samanta A., Nandi B.K., Mandal A. Synthesis, characterization and performance studies of kaolin-fly ash-based membranes for microfiltration of oily waste water. J. Petroleum Science and Engineering, 2020. V. 194, 107475.
  52. Fan W., Zou D., Xu J., Chen X., Qiu M., Fan Y. Enhanced performance of fly ash-based supports for low-cost ceramic membranes with the addition of bauxite. Membranes, 2021, V. 11, 711.
  53. Fakhfakh S., Baklouti S., Baklouti S., Bouaziz J. Elaboration and characterisation of low cost ceramic support membrane. Advances in Applied Ceramics 2010, V. 109 (1), P. 31–38.
  54. Bouazizi A., Breida M., Karim A., Achiou B., Ouammou M., Calvao J.I., Aaddane A., Khiat K., Alami Younssi S. Development of a new TiO2 ultrafiltration membrane on flat ceramic support made from natural bentonite and micronized phosphate and applied for dye removal. Ceram. Int., 2017. V. 43 (1), P. 1479–1487.
  55. Bouzerara F., Harabi A., Ghouli B., Medjemem N., Boudaira B., Condom S. Elaboration and properties of zirconia microfiltration membranes. Procedia Eng., 2012. V. 33, P. 278–284.
  56. Лебедев Д.В., Шиверский А.В., Симунин М.М., Солодовниченко В.С., Парфенов В.А., Быканова В.В., Хартов С.В., Рыжков И.И Синтез мембран на основе нановолокон оксида алюминия и исследование их ионной селективности // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 2. С. 86–98.
  57. Лебедев Д.В., Солодовниченко В.С., Симунин М.М., Рыжков И.И. Влияние электрического поля на транспорт ионов в нанопористых мембранах с проводящей поверхностью // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 3. С. 157–165.
  58. Ryzhkov I.I., Shchurkina M.A., Mikhlina E.V., Simunin M.M., Nemtsev I.V. Switchable ionic selectivity of membranes with electrically conductive surface: Theory and experiment // Electrochimica Acta, 2021. V. 375, 137970.

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах