Возможность применения нанотехнологий для улучшения качества фильтровальных тканей
Сёмченко
С.А., Карпенко Е.И.
Донецкий национальный технический университет
Источник: VII Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» – Донецк, ДонНТУ – 2010
Данная
статья дает краткую характеристику
существующих фильтровальных тканей и объекта фильтрации –
сточных вод. Для
улучшения фильтрующих, прочностных, антибактериальных и других
специальных
свойств фильтровальной ткании предложена нанотехнологическая обработка
их
наночастицами, основные методы получения которых также приведены.
В регионе Донбасса с населением около 10 млн. человек наблюдается дефицит чистой пресной воды и в то же время количество образующихся сточных вод составляет 2 млрд. м3 в год. Поэтому необходимо совершенствовать существующие методы очистки сточных вод и разрабатывать новые.
Сточные воды - это воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.
Сточные воды подразделяются на три основные категории в зависимости от происхождения, вида и состава : бытовые, производственные, атмосферные.
Особое внимание следует уделить самому безобидному на первый взгляд виду сточных вод: бытовым. Бытовые сточные воды (от туалетных комнат, душевых, кухонь, бань, прачечных, столовых, больниц; поступающие от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений) образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей.
Содержащиеся примеси подразделяются на минеральные и органические. Минеральные загрязнения в бытовых сточных водах: в виде нерастворенного вещества - 5 %, суспензии - 5 %, коллоиды - 2 % и растворимые вещества - 30 %. Органические вещества: нерастворимые - 15 %, суспензии - 15 %, коллоиды - 8% и растворимые - 20 %. Органические вещества бытовых сточных вод можно разделить на две группы: безазотистые и азотосодержащие вещества. Основная часть безазотистых органических веществ - углеводы и жиры. Азотосодержащие органические соединения состоят из белков и продуктов их гидролиза. Бытовые сточные воды имеют обычно слабощелочную реакцию среды (рН=7,2 - 7,8). Особую форму примеси бытовых сточных вод представляют микроорганизмы. Иногда могут присутствовать и болезнетворные формы микроорганизмов (бактерии и вирусы).
Очистка сточных вод производится ступенчато. Предшествует механическая очистка, затем следует биологическая или физико-химическая очистка. Фильтрация при помощи фильтров типа ФПАКМ – тонкая механическая очистка, которая не является первоочередной, но в то же время позволяет уловить частицы до 1 мкм. Фильтрующим элементом в данном случае является фильтровальная ткань, которая в настоящее время может изготавливаться из таких волокон, как: хлопковое, шерстяные, асбестовое стеклянное, полиэфирное (лавсановое), хлориновое, полиамидное (капроновое).
Примером ткани для фильтра ФПАКМ может являться ткань из полиамидных волокон. Она характеризуется высокой устойчивостью к истиранию и воздействию знакопеременных нагрузок растяжение – сжатие, обладают хорошей устойчивостью к щелочным средам. Фильтровальные ткани из капрона длительно выдерживают температуру 90 °С. Основные свойства полиамидных нитей приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Свойства поликапроамидной технической нити
Плотн., г/см3 |
Линейная плотность, текс. |
Число элемен-тарных нитей |
Относит. прочность,сН/текс |
Относит. удлинение при разрыве, % |
Модуль деформации растяжения, ГПа |
Число двойных изгибов до разрушения (нагрузка 50 МПа), тыс. |
1,13-1,15 |
29-187 |
40-280 |
60-80 |
15-20 |
3-5 |
25-30 |
Для повышения износостойкости ткани предложено напыление ее наночастицами металлов. Одно из свойств нанокристаллических материалов – высокая твердость, которая характеризует сопротивление материала упругой и пластической деформации. Размер зерен оказывает заметное влияние на него, это подтверждает закон Холла-Петча:
где
—
внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокаций;
—постоянная.
При
температуре
Т/Тm< 0,4
-0,5 (Тm - температура
плавления) микротвердость по Виккерсу связана с пределом
текучести 
эмпирическим
соотношением:
;
Отсюда следует, что:
,
где Н0 – постоянная.
Следовательно,
уменьшение размера зерен должно приводить к
заметному изменению механических свойств, и в частности к упрочнению
материала
при уменьшении d.
Однако, влияние размера зерен на прочностные свойства
нанокристаллического
материала неоднозначно и зависит от соотношения между изменениями
предела
текучести и скорости деформации. Также нужно учитывать возможное
увеличение
коэффициента зернограничной диффузии при уменьшении размера зерен.
Согласно
обобщенных результатов измерений твердости нанокристаллических
металлов,
твердость образцов увеличивается при уменьшении d до 4-6 нм. В этом
диапазоне
зависимость 
от
d-1/2 подчиняется закону
Холла-Петча. В области малых значений d твердость нанокристаллических
материалов понижается в результате того, что объемная доля тройных
стыков
становится больше объемной доли границ зерен [2].
Вследствие этого предложена обработка ткани нанопорошком Ni d до 4-6 нм.
Получение данного порошка возможно нижеперечисленными методами.
Восстановление и термическое разложение. Нанопорошки Ni и ряда других металлов получают восстановлением их оксидов, полученных при пиролизе, водородом и углекислым газом:
.
В данном случае основной реакцией является пиролиз формиатов:
;
примечательно то, что при пиролизе Ni, преобладает выход свободного металла. Средний размер получаемых частиц металла 100-300 нм.
Также используются твердые восстановители: углерод, металлы или гидриды металлов. Как правило, размер частиц находится в пределах 10…30 нм.
Температура
разложения формиатов возратает в порядке 
,
этот фактор повлиял на выбор в качестве наночастиц металла
наночастицы Ni.
Также нанопорошок Ni можно получить за счет реакции диссоциации карбонилов металлов при температуре 773 К:
;
Результат – полиметаллические пленки с размерами кристаллитов приблизительно равны 20 нм [1].
Способ испарения. При применении данного способа Ni испаряется путем интенисивного нагрева (плазма, лазер, электрическая дуга, печь сопротивления, индукционным способом, пропусканием электрического тока через проволоку), с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается. Испарение и конденсацию проводят в вакууме, в инертном газе, в потоке газа или плазмы. В атмосфере гелия частицы будут иметь меньший размер, чем в атмосфере аргона, так как это более плотный газ. Размер частиц – до 100 нм.
Ударно-волновой синтез. Крупностью до 100 нм можно получить частицы уже утвердившимся способом электрического взрыва проволок. Проволоку Ni помещают между электродами в реакторе в атмосфере гелия или аргона и подают импульс тока большой силы (104-106 А/мм2). При мгновенном разогреве и испарении проволок пары металла разлетаются, охлаждаются и конденсируются, наночастицы оседают в реакторе. Примечательно то, что при увеличении плотности потока и сокращении длительности импульса наблюдается уменьшение среднего размера частиц, следовательно, возможно достичь размеров наночастиц Ni, максимально приближенных к необходимым.
Во избежание взаимодействия наночастиц с окружающей средой возможно понизить поверхностную энергию частиц с помощью нанесения поверхностно-активных веществ [3].
Для получения не только прочностных, но и обеззараживающих свойств, на ткань нужно нанести наночастицы серебра (рис. 1). Метод напыления металлов был предложен лабораторией ионно-плазменных процессов Ивановского химико-технологического университета (Б. Горберг).
Сущность метода состоит в следующем: фильтровальную ткань пропускают через плазму, состоящую из частиц газа аргона, который разгоняют в вакууме электромагнитным полем. Выбиваемые из металлической пластины атомы создают на ткани напыление в несколько нанометров (рис. 2)
Рисунок 1 – Наночастицы серебра
Рисунок 2 – Процесс напыления наночастиц металлов на ткань
Для обеспечения комплексного бактерицидного действия возможно нанесение на штуцеры и трубы для подачи суспензии бактерицидной пленки, созданной швейцарским исследователем профессором Венделином Штарком. Производство бактерицидной пленки состоит в следующем: частицы серебра диаметром 1-2 нм покрываются частицами фосфата калия диаметром 20-50 нм, весьма привлекательным для бактерий, и наносятся на самоклеющуюся полимерную пленку. Преимуществами данного покрытия являются значительный бактерицидный эффект (пленка превосходит в 1000 раз известные до этого препараты серебра), низкая концентрация наночастиц серебра, что позволяет сделать пленку доступной по цене.
Использование нанотехнологий для придания новых свойств с целью улавливания и обезвреживания веществ в жидкостях на уже существующем оборудовании и при создании принципиально нового является очень перспективным. Объектами для использования данной технологии могут быть рукавные фильтры, барабанные вакуум-фильтры, фильтр-прессы, дисковые вакуум-фильтры.
Необходимо отметить, что в данной работе не рассмотрены некоторые проблемы, которые неизменно возникнут при использовании наноматериалов: вследствие большой объемной доли границ зерен наноматериалы склонны к коррозии; структрура наноматериалов нестабильна, и при работе фильтровальной ткани могут наблюдаться явления распада, кристаллизации, заплывания нанопор, слипания частиц. Возможность их преодоления станет возможной уже в недалеком будущем благодаря быстрым темпам развития науки о нанотехнологиях.
Литература
-
Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. пособие для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 325 с.
-
Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с.
-
Новые материалы. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. – М.: «МИСИС», 2002. – 736 с.
-
«РОСНАНО» [электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.rusnano.com/Home.aspx