СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННОГО МОДУЛЯ
METHOD TO MANUFACTURE MEMBRANE MODULE

Изобретение относится к способам производства фильтров, в частности к мембранным модулям из пористых волокон, предназначенным для очистки различных жидкостей.
-8
3
2
Известны способы получения керамических волокон с пористыми проницаемыми стенками, включающие приготовление смеси порошка с полимерным связующим, формование полых волокон экструзией, удаление связующего и спекание керамического порошка [патент №5707584 US, B01D 71/02, 1995; WO 2008/016292]. При внешнем диаметре полученных волокон, равном 0,8-3,0 мм, достигаются высокие соотношения площади к объему, что позволяет достигать больших расходов через мембрану Q=4-15×10 м/м·с·Па [Preparation and characterization of microporous ceramic hollow fibre membranes Smid, C.G.Avci, V.Günay, R.A.Terpstra and J.P.G.M. Van Eijk // Journal of Membrane Science, Volume 112, Issue 1, 3 April 1996, Pages 85-90]. Для достижения более высоких селективных свойств на волокна наносят дополнительные слои с более тонкими порами.
Недостаток таких волокон заключается в том, что с ними трудно оперировать и монтировать из них модули.
Известны также способы изготовления мембранного модуля из керамического полого волокна [патент №7611627 США, B01D 63/00, 2009; WO/2003/051495, B01D 53/22, 2003], включающие нарезку волокна на отрезки равной длины и сборку их в пучок с размещением волокон отдельно друг от друга с помощью специального приспособления, например диска с отверстиями. Отверстия на концах волокон закупоривают и делают уплотнительный фланец, заполняя пространство между концами волокон высокотемпературным компаундом, то есть веществом первоначально достаточно жидким, чтобы затекать в промежутки между концами волокон, способного твердеть и превращаться в высокотемпературный материал. Таким веществом может быть высокотемпературный бетон, первоначально представляющий собой смесь мелко помолотого порошка и воды. Далее срезают торец полученного фланца так, чтобы обрезать закупоренные концы волокон, чтобы сделать полости волокон открытыми с внешней стороны фланца. Далее повторяют перечисленные операции, чтобы изготовить фланец с другого конца модуля. Пучок волокон с фланцами монтируют внутри корпуса на начальной (WO/2003/051495) или конечной (патент №7611627 US) стадии изготовления.
Указанные способы сложны и трудоемки.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления мембранного модуля, предусматривающий подготовку порошка, включающую вакуумный отжиг, смешивание с поливиниловым спиртом, сушку и сортировку, последующее формование заготовки прокаткой и спекание ее в вакуумной печи [см., например, Трусов Л.И. Новые мембраны trumem и rusmem, основанные на гибкой керамике // Критические технологии. Мембраны. 2001. №9, с.20-27; патент США №5364586, B22F 7/00, 1994]. Этим способом получают не только плоские, но и трубчатые мембраны.
Недостатком способа является невозможность получения мембран малого диаметра (полых волокон).
Задачей настоящего изобретения является получение мембранного модуля, содержащего полые волокна с относительно тонкими пористыми стенками, имеющими высокую плотность и упорядоченную структуру расположения, которые обеспечивают высокие соотношения площади фильтрации к объему S/V.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления мембранного модуля, включающем подготовку порошка, формирование и спекание заготовки, согласно изобретению формование и спекание из порошка осуществляют методом лазерного прототипирования, при этом заготовку формируют в виде, по меньшей мере, двух блоков упорядоченной структуры из параллельных волокон, прикрепленных к основанию, которые собирают посредством размещения в шахматном порядке волокон одного блока между волокнами другого блока, при этом основания блоков совмещают для фиксации взаимного расположения волокон.
При формовании и спекании заготовки из порошка металла волокна выполняют полыми, имеющими выход через отверстия в основании. В случае формования и спекания из порошка полимера волокна выполняют монолитными, а полученную заготовку используют в качестве подложки для формирования модуля с полыми волокнами из керамического материала. Кроме того, в основании одного из блоков выполняют отверстия конусного сечения, через которые пропускают волокна второго блока, в основании которого, в свою очередь, выполнены отверстия, совмещаемые при сборке с внутренней полостью волокон первого блока, тем самым обеспечивается открытость волокон через оба основания, которые в сборке образуют фланец.
В некоторых вариантах исполнения волокна в блоках размещают рядами, причем в основании первого блока между рядами волокон выполняют пазы, основание второго блока изготавливают в форме гребенки из стержней с расположенными на них рядами волокон, а сборку осуществляют по типу ласточкина хвоста.
Сущность процесса лазерного прототипирования составляет послойный синтез - «выращивание» физической копии объекта на основе трехмерной компьютерной (3D) модели с использованием управляемого лазерного луча (см., например, Кулагин В.В. Компактное интеллектуальное производство // Сборник докладов VI Межрегиональной конференции «Предпринимательство в промышленности: пути развития» 2007 г., с.94-97). Метод лазерного прототипирования позволяет достаточно точно воспроизвести сложную конфигурацию заготовки.
Применение этого метода для изготовления отдельных блоков упрощает дальнейшую сборку мембранного модуля и исключает необходимость трудоемкой операции ручной сборки большого количества малоразмерных волокон.
Сущность способа поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 приведена схема сборки модуля из двух блоков пропусканием волокон первого блока через отверстия в основании второго, разрез по А-А фиг.2; на фиг.2 - то же, разрез по Б-Б фиг.1.
На фиг.3 представлены этапы изготовления блока керамических волокон, разрез по осям волокон: а - подложка из полимера, полученная методом лазерного прототипирования; б - подложка с нанесенным слоем керамического шликера, в - керамический блок после деструкции подложки и спекания; на фиг.4 - подложка из полимера, собранная из двух блоков пропусканием волокон первого блока через отверстия в основании второго.
На фиг.5 и 6 представлена схема сборки блоков по типу ласточкина хвоста; на фиг.5 - разрез по В-В фиг.6; на фиг.6 - вид сверху. На фиг.7 показана схема мембранного модуля из полых волокон в сборе с корпусом, полученного предлагаемым способом из металла или керамики.
Способ осуществляется следующим образом. Блоки модуля из металлических волокон изготавливаются из порошков заданного состава. Требуемые свойства (химсостав и дисперсность) порошки имеют в состоянии поставки. Порошки загружают в машину лазерного прототипирования, EOSINT М 270, которая по заданным объемным моделям (выполненным в программах SolidWorks или Unigraphics) точно воспроизводит требуемую конфигурацию блоков и с полыми металлическими волокнами.
Свойства порошков и режимы формирования подбирают такими, чтобы обеспечить необходимые механические свойства и пористость стенок металлических волокон.
Блоки 1 и 2 формируют отдельно друг от друга с возможностью последующей сборки, фиг.1. Блок 1 имеет основание 3, а блок 2 - основание 4 с прикрепленными к ним волокнами 5 и 6, соответственно, размещенными параллельно друг другу на равных расстояниях. В предпочтительном варианте исполнения положение волокон 5 и 6 в плане сверху образует сетку с квадратной ячейкой, фиг.2. Между волокнами 6 в основании 4 блока 2 в середине квадратной ячейки выполняют отверстия 8 конусного сечения, которые служат для пропускания волокон 5 блока 1. В основании 3 блока 1 также имеются отверстия 7, ответные расположению полостей волокон в блоке 2.
После очистки блоков от порошка осуществляют их сборку. Через отверстия 8 основания 4 блока 2 пропускают волокна 5 блока 1 (фиг.1) и совмещают внешнюю сторону основания 3 блока 1 с внутренней стороной основания 4. При этом внутренняя полость волокон 6 блока 2 совмещается с отверстиями 7 в основании 3 блока 1. Конусная форма отверстий 8 облегчает сбор блоков. Форма оснований собираемых блоков обеспечивает взаимную фиксацию, при которой волокна одного блока попадают в середину ячейки другого блока и образуют общую сетку с квадратной ячейкой меньшего размера. Для сохранения параллельности расположения волокон двух блоков относительно друг друга могут служить дополнительные детали оснований блоков, например выступы 9 в углах основания 4 блока 2 (фиг.1, 2). В результате достигается плотное расположение волокон с малым зазором между ними, что обеспечивает высокие значения S/V.
С использованием описанного способа могут быть изготовлены фильтры и мембраны из керамики на основе оксидов и других тугоплавких соединений, например из кордиерита или карбида кремния SiC. Для некоторых керамических материалов возможно прямое изготовление, полностью повторяющее описанное выше.
В другом варианте исполнения методом прототипирования предварительно изготавливают полимерные заготовки в виде блоков, имеющих основание 10 с прикрепленными к нему монолитными волокнами 11 (фиг.3, а). Полимерные заготовки изготавливают на установке EOSINT R380, например, из порошка полиамида РА 2220. Порошок имеет требуемые свойства в состоянии поставки, при необходимости его дополнительно просеивают через сито. После очистки от порошка производят сборку полимерных заготовок (фиг.4). На заготовки наносят шликер или прекурсор 12 (фиг.3, б) и проводят термообработку, при которой вследствие деструкции полимерная заготовка удаляется, происходит упрочнение керамического слоя и, в конечном итоге, формирование прочного керамического слоя с требуемой пористостью, представляющего собой модуль из полых керамических волокон 5, соединенных керамическим основанием 3 (фиг.3, в).
Для придания большей прочности основанию 3 на верхнюю поверхность полимерной заготовки наносится более толстый слой шликера 12, для этого на периферии верхней поверхности основания 10 полимерной заготовки делают буртик 13, высота которого определяет толщину основания 3 конечного керамического блока.
При некоторых вариантах исполнения в основании 3 блока 1 выполняют пазы 14, открытые сбоку и сверху, а между пазами крепят рядами волокна 5 (фиг.5, 6). Основание 4 блока 2 изготавливают в форме гребенки 15 из стержней, ответных по форме пазам в основании 3 блока 1, с расположенными на стержнях рядами волокон 6. Расстояние между рядами в два раза превышает расстояние между волокнами в рядах. Сборку таких блоков ведут соединением по типу ласточкина хвоста, вдвигая выступы 15 в пазы 14 (фиг.5, 6).
Собранные блоки можно устанавливать в корпусе 16 (фиг.7) с входным 17 и выходными 18, 19 патрубками. При таком расположении фильтроэлементов может быть реализован традиционный вариант тангенциальной фильтрации. Для удобства демонстрации работы устройства на фиг.7 не показано крепление и герметизация стыка между основанием модуля и корпусом и другие элементы конструкции, обеспечивающие возможность применения высоких давлений.
При работе мембранного модуля разделяемая смесь (фильтрат), например вода с частицами примесей, под давлением подается через патрубок 17 в корпус 16 и, проходя через промежутки между полыми волокнами 5, омывает их пористые стенки, при этом часть смеси (пенетрат) проходит через поры стенки волокон и при этом очищается от примесей. Далее пенетрат двигается вдоль внутренней полости волокон 5 и через отверстия 7 в основании 3 выходит в камеру 20 корпуса 16 и затем отводится через выходной патрубок 18. По ходу движения между волокнами 5 к противоположной стенке корпуса 16 остальная часть исходной смеси обогащается примесью и выводится через патрубок 19.
Применение модуля из полых волокон возможно и при реализации других типов фильтрации, например прямой фильтрации.
Модуль можно собирать из трех блоков с гексагональной симметрией каждый, при этом волокна второго и третьего блоков размещают соответственно на 1/3 и 2/3 диагонали минимальной ячейки расположения волокон первого блока, а основания блоков совмещают для фиксации взаимного расположения волокон трех блоков.
Предлагаемый способ позволяет изготовить мембранный модуль с высоким соотношением площади фильтрования к объему, занимаемому модулем.