ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к мембранной технологии, в частности к фильтрующим материалам и способам их изготовления, и касается композиционных ультра- и нанофильтрационных мембран, которые могут быть использованы для ультра- и нанофильтрации биологически активных сред, высокотемпературных и химически активных сред, для мембранной стерилизации жидких и газообразных сред, обессоливания минерализованных вод. Использование в качестве компонентов фильтрующего материала титана и диоксида титана обеспечивает высокую химическую стойкость мембраны и позволяет использовать данный фильтрующий материал для очистки высокотемпературных и агрессивных сред.

Известен способ получения фильтрующего материала (RU 2381824, B01D 71/02, B01D 39/20, Способ получения неорганического мембранного материала с плакирующим слоем, опубл. 20.02.2010), заключающийся в нанесении неорганического геля на крупнопористую подложку, сушке геля и термообработке и последующем нанесении на полученную структуру плакирующего оксидного слоя путем обработки концентрированным раствором солей, выбранных из ряда: нитрат алюминия, гидроксонитрат циркония, нитрат никеля или их смесь, и последующей термообработки при 350-600°С.

Известен способ модификации пористой структуры неорганической анизотропной мембраны плакирующим слоем, включающий осаждение углерода, полученного при пиролизе углеводородов, на ее селективный слой, при этом модификации подвергают анизотропную мембрану, селективный слой которой нанесен на металлическую подложку, модификацию проводят при заневоливании мембраны механической нагрузкой 400-900 г в ячейке из углерода, конструкция которой позволяет производить осаждение пироуглерода только на селективный слой мембраны, не затрагивая ее подложки, при контролируемой скорости подъема температуры не более 6,2°С/мин (RU 2179064, B01D 71/02, Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом, опубл. 10.02.2002).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фильтрующий материал (RU 2040371, B22F 7/04, Способ изготовления фильтрующего материала, опуб. 25.07.1995), состоящий из пористой металлической подложки толщиной 120-200 мкм со средним размером пор не более 10 мкм и селективного слоя из керамики толщиной не более 10 мкм со средним размером пор не более 0,2 мкм.

Недостатком данного фильтрующего материала является резкое падение производительности при уменьшении размера пор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления фильтрующего материала (RU 2040371, B22F 7/04, Способ изготовления фильтрующего материала, опубл. 25.07.1995), заключающийся в том, что на пористую металлическую подложку толщиной 120-200 мкм с размерами не более 10 мкм наносится суспензия порошка материала селективного слоя (выбранного из группы, содержащей оксиды, нитриды, карбиды, бориды или их смеси), после чего проводят сушку и прикатку нанесенного слоя при давлении 50-100 МПа и спекание при температуре 0,3-0,4 от температуры плавления керамического порошка.

Недостатком данного способа является трудность получения селективного слоя с размером пор менее 100 нм, а также значительное падение производительности при увеличении тонкости фильтрации и толщины селективного слоя.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение производительности в сравнении с двухслойными фильтрующими материалами при одинаковой тонкости фильтрации.

Этот технический результат достигается фильтрующим материалом, состоящим из пористой металлической подложки с размером пор 1,2-5,5 мкм, изготовленной из нержавеющей стали, керамического слоя TiO₂ с размером пор 0,2-0,25 мкм и толщиной 10-15 мкм и слоя металлического титана толщиной 0,1-0,6 мкм с размером пор 3-150 нм, напыленного на поверхность керамического слоя.

Также этот технический результат достигается способом изготовления фильтрующего материала, включающим формирование на пористой подложке из нержавеющей стали слоя TiO₂ толщиной 10-15 мкм с размером пор 0,2-0,25 мкм путем нанесения на подложку суспензии из порошка TiO₂, сушки, прикатки и спекания слоя, после чего пористые металлические подложки с нанесенным слоем TiO₂ помещают в вакуумную камеру, нагревают излучением до температуры 350-400°C при давлении 5-6 мПа, производят очистку поверхности ионами аргона в тлеющем разряде при напряжении смещения 1500-1700 В в течение 10-15 мин, затем увеличивают давление в камере до 0,4-0,5 Па и методом магнетронного ионно-плазменного напыления наносят слой металлического титана при токе разряда 4-4,2 А, напряжении разряда 450-500 В в течение 30-180 с.

В соответствии с изобретением на пористой металлической подложке формируют керамический слой, а затем на нем формируют селективный металлический слой. В качестве материала подложки и металлического селективного слоя выбрана нержавеющая сталь, в качестве материала керамического слоя выбран оксид титана. Использование данных материалов делает возможным применение композиционных мембран на их основе для фильтрации коррозионно-активных сред, таких как среды биотехнологических, химических, фармацевтических и других производств.

Пример 1

Фильтрующий материал выполнен из пористой подложки, изготовленной методом прокатки и спекания из нержавеющей стали 316 LF, толщиной 350 мкм со сквозными порами диаметром 1,2-5,5 мкм, на которую путем нанесения суспензии порошка TiO₂, сушки, прикатки и спекания нанесен промежуточный слой диоксида титана толщиной 10 мкм и диаметром пор 200-250 нм.

Металлическую подложку с нанесенным керамическим слоем (заготовку) помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование камеры до давления 5 мПа. Затем заготовку нагревают излучением до температуры 350°C. Финальная очистка заготовки осуществляется ионами аргона в тлеющем разряде при напряжении смещения 1700 В в течение 15 мин. Затем устанавливается давление 0,4 Па и методом магнетронного ионно-плазменного напыления производится нанесение металлического селективного слоя. Ток разряда - 4 А, напряжение разряда - 450 В. Заготовка располагается перпендикулярно потоку ионов.

Дистанция от источника ионов до заготовки - 100 мм. Время напыления составляет 180 секунд.

Толщина металлического селективного слоя при этом составляет 0,6 мкм. Размер пор металлического селективного слоя при этом составляет 3-10 нм. Производительность по дистиллированной воде фильтрующего материала, полученного описанным способом, составляет 0,669 м³/(м²⋅ч⋅атм). Производительность двухслойного металлокерамического фильтрующего материала с аналогичным размером пор (3-8,5 нм), полученного без использования дополнительного металлического слоя, составляет 0,111 м³/(м²⋅ч⋅атм).

Пример 2

Фильтрующий материал выполнен из пористой подложки, изготовленной методом прокатки и спекания из нержавеющей стали 316 LF, толщиной 350 мкм со сквозными порами диаметром 1,2-5,5 мкм, на которую нанесен промежуточный слой диоксида титана толщиной 10 мкм и диаметром пор 200-250 нм.

Нанесение селективного металлического слоя осуществляется магнетронным ионно-плазменным напылением. Металлическую подложку с нанесенным керамическим слоем (заготовку) помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование камеры до давления 6 мПа. Затем заготовку нагревают излучением до температуры 400°С. Финальная очистка заготовки осуществляется ионами аргона в тлеющем разряде при напряжении смещения 1500 В в течение 10 мин. Затем устанавливается давление 0,4 Па и производится напыление металлического селективного слоя. Ток разряда - 4 А, напряжение разряда - 500 В. Заготовка располагается перпендикулярно потоку ионов. Дистанция от источника ионов до заготовки - 100 мм. Время напыления составляет 90 секунд.

Толщина металлического селективного слоя при этом составляет 0,25-0,27 мкм. Размер пор металлического селективного слоя при этом составляет 41-120 нм. Производительность по дистиллированной воде фильтрующего материала, полученного описанным способом, составляет 0,719 м³/(м²⋅ч⋅атм). Производительность двухслойного металлокерамического фильтрующего материала с аналогичным размером пор (80-120 нм), полученного без использования дополнительного металлического слоя, составляет 0,348 м³/(м²⋅ч⋅атм).

Пример 3

Фильтрующий материал выполнен из пористой подложки, изготовленной методом прокатки и спекания из нержавеющей стали 316 LF, толщиной 400 мкм со сквозными порами диаметром 1,2-5,5 мкм, на которую нанесен промежуточный слой диоксида титана толщиной 15 мкм и диаметром пор 200-250 нм.

Нанесение селективного металлического слоя осуществляется магнетронным ионно-плазменным напылением. Металлическую подложку с нанесенным керамическим слоем (заготовку) помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование камеры до давления 5 мПа. Затем заготовку нагревают излучением до температуры 350-400°С. Финальная очистка заготовки осуществляется ионами аргона в тлеющем разряде при напряжении смещения 1700 В в течение 15 мин. Затем устанавливается давление 0,4 Па и производится напыление металлического селективного слоя. Ток разряда - 4 А, напряжение разряда - 475 В. Заготовка располагается перпендикулярно потоку ионов. Дистанция от источника ионов до заготовки - 100 мм. Время напыления составляет 60 секунд.

Толщина металлического селективного слоя при этом составляет 0,15-0,20 мкм. Размер пор металлического селективного слоя при этом составляет 60-150 нм. Производительность по дистиллированной воде фильтрующего материала, полученного описанным способом, составляет 0,755 м³/(м²⋅ч⋅атм). Производительность двухслойного металлокерамического фильтрующего материала с аналогичным размером пор (80-120 нм), полученного без использования дополнительного металлического слоя, составляет 0,348 м³/(м²⋅ч⋅атм).

Пример 4

Фильтрующий материал выполнен из пористой подложки, изготовленной методом прокатки и спекания из нержавеющей стали 316 LF, толщиной 375 мкм со сквозными порами диаметром 1,2-5,5 мкм, на которую нанесен промежуточный слой диоксида титана толщиной 12 мкм и диаметром пор 200-250 нм.

Нанесение селективного металлического слоя осуществляется магнетронным ионно-плазменным напылением. Металлическую подложку с нанесенным керамическим слоем (заготовку) помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование камеры до давления 5 мПа. Затем заготовку нагревают излучением до температуры 350-400°С. Финальная очистка заготовки осуществляется ионами аргона в тлеющем разряде при напряжении смещения 1600 В в течение 15 мин. Затем устанавливается давление 0,4 Па и производится напыление металлического селективного слоя. Ток разряда - 4 А, напряжение разряда - 475 В. Заготовка располагается перпендикулярно потоку ионов. Дистанция от источника ионов до заготовки - 100 мм. Время напыления составляет 30 секунд.

Толщина металлического селективного слоя при этом составляет 0,1-0,11 мкм. Размер пор металлического селективного слоя при этом составляет 100-150 нм. Производительность по дистиллированной воде фильтрующего материала, полученного описанным способом, составляет 0,791 м³/(м²⋅ч⋅атм). Производительность двухслойного металлокерамического фильтрующего материала с аналогичным размером пор (100-150 нм), полученного без использования дополнительного металлического слоя, составляет 0,537 м³/(м²⋅ч⋅атм).

Фильтрующий материал, изготовленный при помощи описанного способа, обладает улучшенной производительностью по дистиллированной воде в сравнении с двухслойными металлокерамическими мембранами. Производительность по дистиллированной воде для мембраны с толщиной металлического селективного слоя 0,6 мкм и средним размером каналов 3-10 нм составляет 0,669 м³/(м²⋅ч⋅атм), что соизмеримо с производительностью двухслойной мембраны со средним размером пор 200-250 нм - 0,888 (м²⋅ч⋅атм).