Исследование температурного влияния цеолитной мембраны со стеклянными микросферами
Тодор Михалев,
Благовеста Мидюрова,
аспиранты Университета «Профессор, доктор Асен Златаров», г. Бургас, Болгария.
Введение
В последние десятилетия все больше внимание ученых привлекает использование цеолитных мембран, так же называемых молекулярными ситами для очистки воды [1-4]. Использование цеолитных мембран обуславливает их ионообменные свойства, то есть переход некоторых ионов через мембрану и блокирование других зарядов [4].
Подход с добавлением функциональных материалов, например, таких, как стеклянные микросферы, к цеолиту ведет к получению многофункциональных мембран, имеющих большой потенциал для использования в фильтрации и очистке воды. Riba et al используют цеолит с небольшими сферами, при плавлении которых образуются стабильные композиты и полученные экспериментальные результаты были испытаны для удаления Cu (II) из водных растворов [5].
Carman, P.C., 1937 [6] и Saxena, S.C., Vogel, G.J., 1977 [7] используют модели для прогнозирования минимальной скорости плавления сфер определенного размера.
Использование цеолитных мембран со сферами может быть оптимизировано в будущем по отношению размера и пористости добавки, чтобы приложить их в различных системах для очистки промышленных сточных вод
В этой публикации представлено сравнительное исследование возможности получения цеолитной мембраны с подходящим составом и установление оптимального технологического режима их обжига.
Основная часть
1. Материалы и методы.
Для изготовления цеолитных мембран использован природный болгарский цеолит (клиноптилолит), добываемый из залежи г. Бели Пласт в СИ Родопи. Химический состав в % (мас) составляет: SiO2-66,6%, Al2O3-11,41%, Fe2O3-0,8%, TiO2-0,15%, MgO-0,06%, CaO-2,8%, Na2O-0,22%, K2O-2,9%. Содержание клиноптилолита – до 90%. Для целей эксперимента был использован цеолит с фракцией до 63 µm. Был использован и стеклянный порошок, полученный следующим образом: вторичные отходы стекла из общественных контейнеров для сбора отходов – берем 1 kg стеклянные отходы, не смотря ни на цвет, ни на форму продукта. Нагреваeм отходы до 900°С и в металлический контейнер с холодной водой добавляем горячее стекло. Наблюдаем растрескивание стекла, после этого следует удалить стеклобой, высушить его и в продолжении двух часов измельчить в шаровой мельнице. Затем просеиваем, разделяя на фракции до 300 µm. Эту фракцию используем для изготовления мембраныл в составе мембраны входят стеклянные бусины от 425-600 µm (30- 40 U.S. sieve).
Рис. 1. При 45-кратном. Рис. 2. При 45-кратном. Рис. 3. При45-кратном увеличении.
2. Экспериментальная часть.
Подбранный состав приведен в таблице 1 .
В начале эксперимента приготовляется смесь для прессования. Отмеренное по объему количество порошка взвешивается на технических весах „Sartorius”.
Смешивание последовательное: цеолит, стеклянный порошок (все перемешиваем до однородной консистенции), добавляем стеклянную бусину, с последующим добавлением воды. Следует энергичное перемешивание до получения однородной смеси.
Смесь получилась достаточной влажной, это позволяет проводить прессование и удаление мембраны из матрицы без разрушения или наклеики.
Прессование готовых смесей для цеолитных мембран осуществляется ручным прессовательным станком. Для выпечки соответствующая температура приведена в таблице 2 с изотермической выдержкой 30 минут. Фотографии синтезированных образцов приведены на рис. 1, 2 и 3 при 45-кратном увеличении, рис. 4 в 100-кратном увеличении, рис. 5 с 250–кратным увеличением, рис. 6 и 7 с 300-кратным увеличением
Рис. 4. 100-кратное. Рис. 5. 250-кратное.
Рис. 6. 300-кратное. Рис. 7. 300-кратное.
Таблица 1.
|
Цеолит |
стеклянный порошок (из отходов) |
стеклянные бусины |
Вода |
|
5 g |
5 g |
5g |
1 cm3 |
Таблица 2.
|
I |
II |
III |
|
700 оС |
800 оС |
900 оС |
3. Результаты и дискуссия
Цеолит имеет специфичную цеолитную структуру, которая обладает качествами, позволяющими использовать его в практике для различных целей.
Его использования в мембранах является инновационной технологией. Эксперимент представляет собой сочетание цеолита со стеклянным порошком из отходов стекла и из стеклянных бусин с опреденном размером частиц. Роль стеклянного порошка – вместе с цеолитом влиться через согревание стекла до однородной массы, которая является достаточно сильной, чтобы использовать ее в промышленности.
Из рис. 1, 2, 3 ясно видно, что существует однородная масса между стеклянной фракцией из отходов стекла и цеолитом, но при температуре нагрева 700°C, 800°C, 900°С не наблюдается плавления стеклянных сфер. Из рис. 4 и 5 ясно видно, что их очертания в системе мембраны, микроскопическое изображение показывает, что нет плавления и не вливаются в однородную массу с остальными компонентами мембраны. На рис. 6 и 7 микроскопическое изображение показывает, что на самом деле цеолит и стеклобой вливаются в однородную массу, а разница в различных температурах
Заключение
Проведено экспериментальное исследование по установлению состава цеолитной мембраны с добавкой стеклянных бусин, цеолита и стеклянного порошка из отходов стекла.
Сделаны микроскопические изображения и установлена степень однородности и плавления стеклянных добавок
В эксперименте установлено, что при выпечке стеклянных бусин при температуре 700°С, 800°С, 900°С нет плавления и что они не играют существенной роли в однородном составе цеолитной мембраны.
Литература
1. B. Zhu, Z. Hong, N. Milne, C.M. Doherty, L. Zou, Y.S. Lin, A.J. Hil, X.H. Gu, M. Duke, Desalination of seawater ion complexes by MFI-type zeolite membranes: temperature and long term stability, J. Membr. Sci. 453 (2014) 126–135.
2. J. Lin, S. Murad, A computer simulation study of the separation of aqueous solutions using thin zeolite membranes, Mol. Phys. 99 (14) (2001) 1175–1181.
3. L. Li, J. Dong, T.M. Nenoff, R. Lee, Desalination by reverse osmosis using MFI zeolite membranes, J. Membr. Sci. 243 (2004) 401–404.
4. C.H. Cho, K.Y. Oh, S.K. Kim, J.G. Yeo, P. Sharma, Pervaporative seawater desalination using NaA zeolite membrane: mechanisms of high water flux and high salt rejection, J. Membr. Sci. 371 (2011) 226–238.
5. Riba J.P., Routie, R., Couderc, J.P., 1978, Conditions minimales de mise en fluidisation par un liquid. Can.J. Chem. Eng. 56, 26-30.
6. Carman, P.C., 1937. Fluid flow through granular beds. Trans. IChemE 15, 150–166.
7. Saxena, S.C., Vogel, G.J., 1977. The measurement of incipient fluidisation velocities in a bed of coarse dolomite at temperature and pressure. Trans. IChemE 55, 184–189.