ITRM20100407A1 - MEMBRANES AND PROCEDURE FOR THEIR REALIZATION. - Google Patents
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Description
Membrane e procedimento per la loro realizzazione Membranes and procedure for their realization
La presente invenzione riguarda delle membrane e un procedimento per la loro realizzazione. The present invention relates to membranes and a process for their realization.
Più in particolare, l'invenzione riguarda membrane ceramiche e non ceramiche, costituite da una pluralità di strati sovrapposti a porosità decrescente, detti strati essendo eventualmente realizzati con materiali diversi. More particularly, the invention relates to ceramic and non-ceramic membranes, consisting of a plurality of superimposed layers with decreasing porosity, said layers possibly being made of different materials.
Com'è ben noto, nei processi di separazione per filtrazione sono spesso utilizzate delle membrane ceramiche, che sono costituite da una parte attiva, che permette la permeabilità selettiva di materiali e, opzionalmente, da parti ausiliarie, ad esempio per il supporto meccanico o il drenaggio. Rispetto alla comune filtrazione, la filtrazione a membrana permette di trattenere particelle di dimensioni molto minori e le membrane ceramiche in particolare permettono di trattenere particelle di dimensioni micrometriche o nanometriche. Una membrana ceramica, quindi, può essere pensata come una barriera con permeabilità selettiva o come un setaccio in grado di separare, a seconda della sua distribuzione porosimetrica, macroparticelle, dispersioni, colloidi fino a molecole e ioni. As is well known, ceramic membranes are often used in filtration separation processes, which consist of an active part, which allows the selective permeability of materials and, optionally, of auxiliary parts, for example for the mechanical support or the drainage. Compared to common filtration, membrane filtration allows to retain much smaller particles and ceramic membranes in particular allow to retain particles of micrometric or nanometric dimensions. A ceramic membrane, therefore, can be thought of as a barrier with selective permeability or as a sieve capable of separating, depending on its porosimetric distribution, macroparticles, dispersions, colloids up to molecules and ions.
Attualmente, quindi, le membrane ceramiche sono impiegate in ambito industriale in processi di microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione, osmosi inversa, separazione di vapori e fasi gassose, pervaporazione, dialisi, reazioni biochimiche, catalisi e contattori. Therefore, ceramic membranes are currently used in the industrial field in microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, reverse osmosis, separation of vapors and gas phases, pervaporation, dialysis, biochemical reactions, catalysis and contactors.
I due parametri più importanti che descrivono le prestazioni di una membrana sono la sua permeabilità e il fattore di separazione. Per le membrane porose, tali parametri sono governati dallo spessore della membrana e dalla sua distribuzione porosimetrica, mentre per le membrane dense le variabili in gioco sono molto più difficili da determinare, in quanto subentrano fenomeni atomici non sempre quantificabili. The two most important parameters that describe the performance of a membrane are its permeability and the separation factor. For porous membranes, these parameters are governed by the thickness of the membrane and its porosimetric distribution, while for dense membranes the variables involved are much more difficult to determine, as atomic phenomena occur which are not always quantifiable.
Da un punto di vista strutturale, le membrane ceramiche sono composte da uno o più strati, che possono anche essere realizzati con materiali differenti. L'elemento strutturalmente portante è composto da un substrato o supporto macroporoso, su cui poggiano uno o più strati intermedi (o inter-layer) mesoporosi. Lo strato esterno (o top layer) è l'elemento filtrante vero e proprio e spesso è caratterizzato dal fatto di avere una porosità finemente dispersa di dimensioni micrometriche o nanometriche. From a structural point of view, ceramic membranes are composed of one or more layers, which can also be made with different materials. The structurally load-bearing element is composed of a macroporous substrate or support, on which one or more mesoporous intermediate layers (or inter-layers) rest. The outer layer (or top layer) is the actual filter element and is often characterized by the fact that it has a finely dispersed porosity of micrometric or nanometric dimensions.
II supporto macroporoso ha lo scopo di sostenere meccanicamente il top layer mentre gli inter-layer hanno la funzione di legare e dare continuità strutturale fra il substrato ed il top-layer. In genere, tutti gli elementi costitutivi della membrana sono ossidi metallici, come ad esempio AI2O3, TÌO2, Zr02, Si02. The macroporous support has the purpose of mechanically supporting the top layer while the inter-layers have the function of binding and giving structural continuity between the substrate and the top-layer. Generally, all the constituent elements of the membrane are metal oxides, such as AI2O3, TiO2, Zr02, Si02.
Le caratteristiche porosimetriche di una membrana sono funzione dello spessore dei differenti strati di cui è composta; le dimensioni dei pori, infatti, oscillano da pochi nanometri (top layer) ad alcuni micron (supporto) e ciò è possibile solo mediante l'inserimento di uno o più inter-layer con pori di dimensioni intermedie. The porosimetric characteristics of a membrane are a function of the thickness of the different layers of which it is composed; the dimensions of the pores, in fact, range from a few nanometers (top layer) to a few microns (support) and this is possible only by inserting one or more inter-layers with pores of intermediate dimensions.
Attualmente, la maggior parte delle membrane commercialmente disponibili si presenta come cartucce con forma di disco, piastra o tubo. Le varie cartucce vengono assemblate fra loro per formare un modulo; diversi moduli possono essere installati in piattaforme (skid) e l'unione di più skid porta alla costruzione di impianti modulari di qualsiasi dimensione. Currently, most commercially available membranes come as disc, plate or tube shaped cartridges. The various cartridges are assembled together to form a module; different modules can be installed in platforms (skids) and the union of several skids leads to the construction of modular systems of any size.
Al fine di incrementare il rapporto tra superficie di scambio e volume della membrana, sono stati messi a punto elementi monolitici tubolari di svariate dimensioni e forma; nel caso di sistemi tubolari tale rapporto è di circa 30-250 m<2>/m<3>, mentre per sistemi monolitici multicanali può arrivare sino a 400 m<2>/m<3>. In order to increase the ratio between the exchange surface and the volume of the membrane, tubular monolithic elements of various sizes and shapes have been developed; in the case of tubular systems this ratio is about 30-250 m <2> / m <3>, while for monolithic multichannel systems it can reach up to 400 m <2> / m <3>.
In maniera analoga, cartucce a forma di disco o piastra possono essere assemblate in configurazione a catasta (stack), raggiungendo elevate densità di impaccamento. Similarly, disc or plate-shaped cartridges can be assembled in a stack configuration, achieving high packing densities.
Potenzialmente, le membrane ceramiche presentano le medesime caratteristiche filtranti delle membrane polimeriche, tuttavia si differenziano per una serie di peculiarità che le rendono indispensabili nel caso di applicazioni speciali. Innanzitutto, hanno una maggior resistenza meccanica, con la conseguenza che possono operare con pressioni anche superiori ai 200 bar. Inoltre, l'elevata durezza superficiale ne limita i fenomeni di usura dovuti all'impiego di fluidi ricchi di dispersioni abrasive. Gli ossidi metallici come la zirconia, l'allumina e la silice possiedono poi elevate proprietà refrattarie (possibilità di lavorare ad elevatissime temperature) nonché una rimarchevole resistenza all'attacco di acidi e basi forti (ambienti operativi con pH compreso fra 0 e 14). Potentially, ceramic membranes have the same filtering characteristics as polymeric membranes, however they differ in a series of peculiarities that make them indispensable in the case of special applications. First of all, they have a greater mechanical resistance, with the consequence that they can operate with pressures even higher than 200 bar. Furthermore, the high surface hardness limits the wear phenomena due to the use of fluids rich in abrasive dispersions. Metal oxides such as zirconia, alumina and silica also possess high refractory properties (possibility of working at very high temperatures) as well as a remarkable resistance to attack by strong acids and bases (operating environments with pH between 0 and 14).
Secondo la tecnica nota, le membrane ceramiche vengono realizzate attraverso un procedimento che prevede una serie di fasi. Il supporto viene prodotto mediante le ben note tecnologie di sinterizzazione, partendo da un compatto di polveri (green) ottenuto mediante stampaggio o estrusione. Il green, che ha una consistenza estremamente plastica, viene sinterizzato secondo rampe di temperatura e tempo in grado di fornire un componente strutturalmente accettabile ma con una porosità aperta comunicante la più alta possibile. Il passo successivo è la deposizione degli inter-layer e del top-layer, che in genere vengono applicati con fasi successive mediante tecnologie di sol-gel o dip-casting. According to the known art, the ceramic membranes are made through a process which involves a series of steps. The support is produced using the well-known sintering technologies, starting from a compact of powders (green) obtained by molding or extrusion. The green, which has an extremely plastic consistency, is sintered according to temperature and time ramps capable of providing a structurally acceptable component but with an open porosity communicating as high as possible. The next step is the deposition of the inter-layer and the top-layer, which are generally applied with successive phases by means of sol-gel or dip-casting technologies.
Le membrane ceramiche di tipo noto presentano però anche diversi svantaggi che sono la diretta conseguenza della tecnologia di produzione. In primo luogo, la scarsa automazione del processo, dovuta alla presenza di numerose fasi piuttosto critiche e difficilmente automatizzabili. Inoltre, le membrane ceramiche prodotte secondo la tecnica nota hanno costi elevati, in primo luogo per il fatto che questo tipo di processi presenta tempi di produzione piuttosto lunghi ed investimenti legati ad economie di scala, per cui la redditività viene raggiunta solo in caso di elevate produzioni, in secondo luogo per il numero di scarti e non conformi dovuti alle criticità della catena pròcesso/prodotto . However, known ceramic membranes also have various disadvantages which are the direct consequence of the production technology. Firstly, the lack of automation of the process, due to the presence of numerous rather critical and difficult to automate phases. Furthermore, the ceramic membranes produced according to the known art have high costs, first of all due to the fact that this type of process has rather long production times and investments linked to economies of scale, so that profitability is achieved only in the case of high productions, secondly for the number of rejects and non-conforming due to the criticalities of the process / product chain.
Un ulteriore limite è costituito dall'elevata fragilità. Infatti, la singola cartuccia ceramica prodotta è un elemento con una durezza meccanica rimarchevole ma con una intrinseca fragilità e scarsissima resistenza a carichi dinamici, urti o vibrazioni. A further limitation is the high fragility. In fact, the single ceramic cartridge produced is an element with a remarkable mechanical hardness but with an intrinsic fragility and very low resistance to dynamic loads, shocks or vibrations.
Ancora, la tecnica nota è applicabile ad un numero ridotto di materiali, in genere ossidi ceramici tradizionali, per il fatto che il processo di sinterizzazione si basa sulla termodinamica degli equilibri stabili. Mediante sinterizzazione, ad esempio, sarebbe impossibile produrre un manufatto composito di allumina γ e titanato di bario, in quanto il tempo e la temperatura di sinterizzazione porterebbero alla formazione di sottofasi non desiderate, secondo quelle che sono le leggi descritte dal diagramma di stato quaternario 0, Ti, Ba, Al. Furthermore, the known technique is applicable to a small number of materials, generally traditional ceramic oxides, due to the fact that the sintering process is based on the thermodynamics of stable equilibria. By sintering, for example, it would be impossible to produce a composite product of γ alumina and barium titanate, as the sintering time and temperature would lead to the formation of unwanted sub-phases, according to the laws described by the quaternary state diagram 0 , Ti, Ba, Al.
Infine, un ulteriore limite delle soluzioni secondo la tecnica nota è costituito dalle criticità operative. Le cartucce ceramiche ottenute mediante sinterizzazione devono essere fatte lavorare in condizioni meccaniche critiche, ossia con le pareti poste in trazione, in ragione dall'esigenza di massimizzare la superficie di scambio. Per contro, la configurazione meccanica ottimale sarebbe con la cartuccia che opera in condizioni di compressione. Finally, a further limitation of the solutions according to the known art is constituted by the operational criticalities. The ceramic cartridges obtained by sintering must be made to work in critical mechanical conditions, that is with the walls placed in traction, due to the need to maximize the exchange surface. Conversely, the optimal mechanical configuration would be with the cartridge operating under compression conditions.
Alla luce di quanto sopra, appare evidente la necessità di poter disporre di membrane dotate di maggiore tenacità a frattura e che possono essere realizzate con materiali scelti in una gamma ampia, nonché di procedimenti per ottenerle che permettano un'elevata automazione e costi ridotti. In the light of the above, it is evident the need to have membranes with greater fracture toughness and which can be made with materials chosen from a wide range, as well as procedures for obtaining them that allow high automation and reduced costs.
In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che propone l'impiego di rivestimenti ceramici, metallici o compositi depositati su supporti porosi ceramici, metallici o compositi mediante tecnologie di deposizione termica e fase vapore. In this context, the solution according to the present invention is inserted, which proposes the use of ceramic, metal or composite coatings deposited on porous ceramic, metal or composite supports by means of thermal deposition and vapor phase technologies.
Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare membrane che permettano di superare i limiti delle membrane secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti, nonché un procedimento per ottenerle. The object of the present invention is therefore to produce membranes which allow to overcome the limits of the membranes according to the known technology and to obtain the previously described technical results, as well as a process for obtaining them.
Ulteriore scopo dell'invenzione è che dette membrane possano essere realizzate con tempi di produzione ridotti e con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione. A further object of the invention is that said membranes can be made with reduced production times and substantially low costs, both as regards production costs and as regards management costs.
Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di proporre un procedimento di realizzazione di membrane che sia ripetibile, sostanzialmente semplice, sicuro ed affidabile. Not the least object of the invention is to propose a process for manufacturing membranes which is repeatable, substantially simple, safe and reliable.
Forma pertanto un primo oggetto specifico della presente invenzione un procedimento di realizzazione di una membrana che comprende le seguenti fasi: A first specific object of the present invention therefore forms a process for manufacturing a membrane which comprises the following steps:
- preparazione di un substrato mediante sinterizzazione di polveri metalliche, ceramiche o loro compositi ; - preparation of a substrate by sintering metal or ceramic powders or their composites;
copertura di detto substrato mediante termodeposizione di uno strato di uno stesso o diverso materiale ceramico, metallico o leghe e compositi. covering of said substrate by thermodeposition of a layer of the same or different ceramic, metal or alloys and composites material.
Opzionalmente, il procedimento secondo l'invenzione può comprendere una ulteriore fase di copertura di detto strato di termodeposizione mediante deposizione fisica da fase vapore (PVD) o deposizione chimica da fase vapore (CVD) di uno strato di uno stesso o diverso materiale ceramico, metallico o leghe e compositi. Optionally, the process according to the invention can comprise a further step of covering said thermo-deposition layer by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) of a layer of the same or different ceramic or metallic material. or alloys and composites.
Forma inoltre un secondo oggetto specifico della presente invenzione una membrana costituita da un substrato di materiale sinterizzato ricoperto con uno strato di materiale ottenuto per termodeposizione, la cui microstruttura è di tipo lamellare, e opzionalmente da un ulteriore strato di materiale, che ricopre detto strato ottenuto per termodeposizione, ottenuto per deposizione fisica da fase vapore (PVD) o deposizione chimica da fase vapore (CVD), la microstruttura di detto ulteriore strato comprendendo monocristalli colonnari con forte impaccamento . A second specific object of the present invention also forms a membrane consisting of a substrate of sintered material covered with a layer of material obtained by thermo-deposition, the microstructure of which is of the lamellar type, and optionally by a further layer of material, which covers said layer obtained by thermal deposition, obtained by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), the microstructure of said further layer comprising strongly packed columnar single crystals.
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto strato ottenuto per termodeposizione ha uno spessore compreso tra 50 e 600 μπι, e più preferibilmente tra 100 e 400 μπι e ha dimensioni medie dei pori che oscillano dai 10 ai 1000 nm e più preferibilmente dai 50 ai 300 nm, mentre detto strato ottenuto per deposizione fisica da fase vapore (PVD) o deposizione chimica da fase vapore (CVD) ha uno spessore compreso tra 10 e 1000 nm. Preferably, according to the invention, said layer obtained by thermo-deposition has a thickness between 50 and 600 μπι, and more preferably between 100 and 400 μπι and has average pore sizes ranging from 10 to 1000 nm and more preferably from 50 to 300 nm, while said layer obtained by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) has a thickness between 10 and 1000 nm.
Forma inoltre un terzo oggetto specifico della presente invenzione una cartuccia di filtrazione con una membrana come precedentemente definita che ha geometria cilindrica o prismatica a sezione esagonale, con un diametro minimo di 6 mm e lunghezza compresa tra 300 e 1000 mm. In virtù del procedimento con cui viene realizzata, la membrana può adattarsi a qualsiasi forma del substrato. A third specific object of the present invention also forms a filtration cartridge with a membrane as previously defined which has a cylindrical or prismatic geometry with a hexagonal section, with a minimum diameter of 6 mm and a length between 300 and 1000 mm. By virtue of the process with which it is made, the membrane can adapt to any shape of the substrate.
I vantaggi delle membrane della presente invenzione e del procedimento per ottenerle, rispetto alle soluzioni della tecnica nota sono molteplici e vengono presentati nel seguito. The advantages of the membranes of the present invention and of the process for obtaining them, with respect to the solutions of the known art, are many and are presented below.
In primo luogo l'elevata automazione. È infatti risaputo come i cicli di produzione di componenti ceramici mediante sinterizzazione siano discontinui e piuttosto lunghi, con rampe termiche di decine di ore che prevedono l'impiego di macchine e forni di ragguardevole dimensione e potenza. L'impiego della deposizione termica e fase vapore invece riduce drasticamente l'impegno energetico, impiantistico e temporale. Una singola cartuccia, infatti, può essere rivestita in meno di 2 minuti ed il ciclo di lavorazione può essere totalmente automatizzato. First of all, the high level of automation. It is in fact known that the production cycles of ceramic components by sintering are discontinuous and rather long, with thermal ramps of tens of hours that require the use of machines and kilns of considerable size and power. The use of thermal and vapor phase deposition, on the other hand, drastically reduces the energy, plant and time commitment. In fact, a single cartridge can be coated in less than 2 minutes and the processing cycle can be fully automated.
Un altro vantaggio della soluzione secondo la presente invenzione è la riduzione dei costi. L'energia richiesta per la produzione di una singola cartuccia mediante termodeposizione è infatti sensibilmente inferiore a quello richiesto per la medesima cartuccia impiegando le tecnologie di sinterizzazione. Inoltre la drastica riduzione dei tempi di produzione, l'elevatissima automazione, la riduzione dei costi fissi dovuti ad impianti di dimensioni più piccole ed il minor numero di scarti e non conformi dovuti alle criticità della catena processo/prodotto riducono rimarchevolmente il costo del singolo componente aumentandone lo standard qualitativo ed il rateo produttivo. Another advantage of the solution according to the present invention is the cost reduction. The energy required for the production of a single cartridge by thermo-deposition is in fact significantly lower than that required for the same cartridge using sintering technologies. Furthermore, the drastic reduction of production times, the very high automation, the reduction of fixed costs due to smaller plants and the lower number of non-compliant rejects due to the criticalities of the process / product chain remarkably reduce the cost of the single component. increasing the quality standard and the production rate.
Le membrane dell'invenzione presentano inoltre una maggiore tenacità a frattura rispetto a quelle secondo la tecnica nota. Le cartucce ceramiche attualmente prodotte sono elementi con una durezza meccanica considerevole ma con una intrinseca fragilità e scarsissima resistenza a carichi dinamici, urti o vibrazioni. Secondo la presente invenzione è possibile produrre membrane, e in particolare membrane ceramiche, con una vita operativa sicuramente superiore a qualsiasi membrana polimerica e alle unità ceramiche attualmente commercializzate. Si consideri, infatti, che le membrane ceramiche attualmente in commercio sono componenti ceramici massivi con elevatissima probabilità di rottura in fase di produzione e servizio (se non altro per gli stress ciclici di back-flush a cui vengono sottoposte). Una minima scheggiatura del modulo porta inevitabilmente alla sua sostituzione. Le membrane concepite in forma di rivestimento invece hanno come unità minima di costruzione la cartuccia; più cartucce portano alla costruzione del modulo. La rottura di una cartuccia porta alla sostituzione della singola cartuccia e non dell'intero modulo (modularità del sistema a cartucce). Inoltre, mentre le membrane ceramiche classiche sono interamente costituite da elementi ceramici estremamente fragili, le cartucce prodotte mediate deposizione termica hanno una struttura interna metallica (estremamente tenace) su cui viene depositata la membrana. Il componente ha quindi un'affidabilità meccanica ed una tenacità a frattura notevolmente superiore. The membranes of the invention also have a higher fracture toughness than those according to the known art. The ceramic cartridges currently produced are elements with a considerable mechanical hardness but with an intrinsic fragility and very low resistance to dynamic loads, shocks or vibrations. According to the present invention it is possible to produce membranes, and in particular ceramic membranes, with an operational life that is certainly higher than any polymeric membrane and ceramic units currently on the market. In fact, consider that the ceramic membranes currently on the market are massive ceramic components with a very high probability of breakage during production and service (if only for the cyclical back-flush stresses to which they are subjected). A slight chipping of the module inevitably leads to its replacement. The membranes conceived in the form of coating, on the other hand, have the cartridge as the minimum unit of construction; more cartridges lead to the construction of the module. The breaking of a cartridge leads to the replacement of the single cartridge and not of the entire module (modularity of the cartridge system). Furthermore, while the classic ceramic membranes are entirely made up of extremely fragile ceramic elements, the cartridges produced by thermal deposition have an internal metal structure (extremely tough) on which the membrane is deposited. The component therefore has a mechanical reliability and a considerably higher fracture toughness.
Inoltre, il procedimento secondo la presente invenzione porta alla formazione di rivestimenti che generalmente presentano stress residui di compressione, cosa che incrementa ulteriormente la tenacità a frattura del componente. Furthermore, the process according to the present invention leads to the formation of coatings which generally exhibit residual compressive stresses, which further increases the fracture toughness of the component.
La soluzione secondo la presente invenzione permette di impiegare membrane con una gamma vastissima di materiali ceramici, metallici, leghe e loro compositi. I processi di formatura classica si basano sulla termodinamica degli equilibri stabili per cui i materiali che possono essere processati in genere sono ossidi ceramici tradizionali, mentre la termo deposizione (velocità di raffreddamento dell'ordine del milione di kelvin al secondo) permette di ottenere tutta una gamma di strutture cristalline, da nanocristalli, strutture amorfe nonché dispersioni e leghe incompatibili con le normali leggi della termodinamica. Il discorso può essere esteso alla contrapposizione tra procedimento di rivestimento sol-gel e deposizione fase vapore. The solution according to the present invention makes it possible to use membranes with a very wide range of ceramic, metal, alloy materials and their composites. Classical forming processes are based on the thermodynamics of stable equilibria for which the materials that can generally be processed are traditional ceramic oxides, while thermo deposition (cooling rate of the order of one million kelvins per second) allows to obtain a whole range of crystalline structures, from nanocrystals, amorphous structures as well as dispersions and alloys incompatible with the normal laws of thermodynamics. The discussion can be extended to the contrast between the sol-gel coating process and the vapor phase deposition.
Un ulteriore vantaggio riguarda le criticità operative. Tutte le cartucce ceramiche prodotte mediante sinterizzazione lavorano con le pareti esterne poste in trazione. Questa scelta operativa è dettata dall'esigenza di massimizzare la superficie di scambio. Le cartucce prodotte secondo la presente invenzione lavorano invece con la superficie esterna in condizioni di forte turbolenza e soprattutto in compressione, con conseguente aumento delle pressioni operative di esercizio e della vita operativa. A further advantage concerns operational criticalities. All the ceramic cartridges produced by sintering work with the external walls placed in traction. This operative choice is dictated by the need to maximize the exchange surface. The cartridges produced according to the present invention, on the other hand, work with the external surface in conditions of strong turbulence and above all in compression, with a consequent increase in the operating pressures and in the operating life.
Il procedimento di realizzazione di membrane della presente invenzione permette di realizzare membrane con una struttura composita ottenuta mediante la sovrapposizione di più strati. Si pensi per esempio alla deposizione di uno strato di 600 μπιdi zirconia su cui viene depositato mediante PVD uno strato di 200 nm di oro per la separazione di miscele gassose ad alta temperatura. The membrane manufacturing process of the present invention allows to realize membranes with a composite structure obtained by overlapping several layers. Consider, for example, the deposition of a layer of 600 μπι of zirconia on which a layer of 200 nm of gold is deposited by means of PVD for the separation of gaseous mixtures at high temperature.
Secondo la presente invenzione è poi possibile ottenere membrane con qualsiasi forma (la forma è data dal substrato). In una forma particolarmente preferita dell'invenzione, la singola cartuccia è realizzata con forma di prisma a base esagonale, in quanto la struttura esagonale con ordine a nido d'ape massimizza il rapporto superficie/volume massimizzando gli scambi ed i flussi di permeato. According to the present invention it is then possible to obtain membranes with any shape (the shape is given by the substrate). In a particularly preferred form of the invention, the single cartridge is made in the shape of a prism with a hexagonal base, since the hexagonal structure with honeycomb order maximizes the surface / volume ratio by maximizing the exchanges and flows of permeate.
Ancora, il fatto di poter impiegare una quantità illimitata di materiali (compresi semiconduttori e compositi variamente drogati) permette di creare membrane catalizzatrici o con superfici reattive. Come esempio, si immagini la costruzione di un modulo di micro/ultrafiltrazione di acque reflue ossidate in cui, durante la fase di filtrazione, possa essere anche esplicata la fase di disinfezione, rendendo così superfluo l'impiego di specifiche linee di disinfezione tramite NaOCl, UV od ozono. Furthermore, the fact of being able to use an unlimited quantity of materials (including semiconductors and variously doped composites) allows to create catalyst membranes or membranes with reactive surfaces. As an example, imagine the construction of a micro / ultrafiltration module for oxidized wastewater in which, during the filtration phase, the disinfection phase can also be carried out, thus making the use of specific disinfection lines using NaOCl superfluous. UV or ozone.
Infine, la possibilità di poter scegliere i materiali con cui vengono costruiti moduli, cartucce e membrane permette di operare a temperature elevatissime (anche 1000°C), con intervalli di pH compresi fra 0 e 14, pressioni superiori ai 200 bar, e con elevate velocità di flusso anche con liquidi in cui sono presenti particelle abrasive (elevata resistenza all'erosione) . Finally, the possibility of being able to choose the materials with which modules, cartridges and membranes are built allows to operate at very high temperatures (even 1000 ° C), with pH ranges between 0 and 14, pressures above 200 bar, and with high flow velocity even with liquids in which abrasive particles are present (high resistance to erosion).
L'invenzione verrà descritta nel seguito a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento ad alcuni esempi illustrativi e alle figure allegate, in cui: The invention will be described below for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to some illustrative examples and the attached figures, in which:
- la figura 1 mostra una vista in prospettiva del substrato di una cartuccia di filtrazione secondo la presente invenzione, Figure 1 shows a perspective view of the substrate of a filtration cartridge according to the present invention,
- la figura 2 mostra la cartuccia di filtrazione della figura 1, ricoperta da uno strato di materiale deposto mediante termodeposizione, - figure 2 shows the filtration cartridge of figure 1, covered with a layer of material deposited by thermo-deposition,
- la figura 3 mostra la cartuccia di filtrazione della figura 2, ricoperta da uno strato di materiale deposto mediante deposizione di fase vapore, - figure 3 shows the filtration cartridge of figure 2, covered by a layer of material deposited by vapor phase deposition,
- la figura 4 mostra una pluralità di cartucce di filtrazione a sezione esagonale impaccate secondo una configurazione a nido d'ape, Figure 4 shows a plurality of hexagonal section filtration cartridges packed in a honeycomb configuration,
- la figura 5 mostra una micrografia SEM di una membrana AI2O3+ T1O2al 30% in peso APS 650x BSE, - figure 5 shows a SEM micrograph of an AI2O3 + T1O2 membrane at 30% by weight APS 650x BSE,
- la figura 6 mostra una micrografia SEM di una membrana AI2O3 T1O2 al 30% in peso APS 5000x BSE, - la figura 7 mostra una micrografia SEM di una membrana Cr203+ Al al 20% in peso Lao, 5Sro, 5Mn0320% in peso 2000x BSE, - figure 6 shows a SEM micrograph of an AI2O3 T1O2 membrane at 30% by weight APS 5000x BSE, - figure 7 shows a SEM micrograph of a Cr203 + Al membrane at 20% by weight Lao, 5Sro, 5Mn0320% by weight 2000x BSE ,
- la figura 8 mostra una micrografia SEM di una membrana Cr203+ Al al 20% in peso Lao,sSro, 5Mn0320% in peso 6500x BSE, - figure 8 shows a SEM micrograph of a membrane Cr203 + Al at 20% by weight Lao, sSro, 5Mn0320% by weight 6500x BSE,
- la figura 9 mostra una micrografia SEM di una membrana TÌO2 depositata in atmosfera di Ar (1200 mbar) 250Ox BSE, - figure 9 shows a SEM micrograph of a TiO2 membrane deposited in an atmosphere of Ar (1200 mbar) 250Ox BSE,
- la figura 10 mostra una micrografia SEM di una membrana TÌO2 depositata in atmosfera di Ar (1200 mbar) 6500x BSE, - figure 10 shows a SEM micrograph of a TiO2 membrane deposited in an atmosphere of Ar (1200 mbar) 6500x BSE,
- la figura il mostra una micrografia SEM di una membrana WC-Co al 17% in peso APS 1850x BSE, - figure 11 shows a SEM micrograph of a 17% by weight APS 1850x BSE WC-Co membrane,
- la figura 12 mostra una micrografia SEM di una membrana WC-Co al 17% in peso APS 7500x BSE, - figure 12 shows a SEM micrograph of a 17% by weight APS 7500x BSE WC-Co membrane,
- la figura 13 mostra una micrografia SEM di SiAlON sinterizzato 20000X SE, - figure 13 shows a SEM micrograph of sintered SiAlON 20000X SE,
- la figura 14 mostra una micrografia SEM di Cr203+ BaTi03al 60% in peso 2500x BSE, - figure 14 shows a SEM micrograph of Cr203 + BaTi03 at 60% by weight 2500x BSE,
- la figura 15 mostra una micrografia di un film solgel di silice prodotto su un interlayer di allumina, e Figure 15 shows a micrograph of a silica solgel film produced on an alumina interlayer, e
- la figura 16 mostra un rivestimento di YSZ accresciuto su substrato di Ce02 mediante tecnica PVD. - figure 16 shows a coating of YSZ grown on a substrate of Ce02 by means of the PVD technique.
Secondo la presente invenzione viene proposta la realizzazione di membrane ceramiche e di cartucce di filtrazione e separazione a base di membrane ceramiche costruite con strutture composite mediante materiali compositi . According to the present invention, the production of ceramic membranes and filtration and separation cartridges based on ceramic membranes constructed with composite structures using composite materials is proposed.
Il substrato (supporto) meccanico è costituito da un sinterizzato a grana grossolana (particelle da 1 a 50 μπι) di polveri metalliche (quali ad esempio acciai, ottoni, leghe a base di nichel, cobalto, alluminio, o magnesio), ceramiche (vetri basso fondenti, alluminosilicat i, carburi, nitruri) o loro compositi. A livello tecnico/commerciale, il caso più semplice è l'impiego di pressati di polveri di AISI 420 oppure ottoni, in quanto sono facilmente reperibili sul mercato a costi ridotti. The mechanical substrate (support) consists of a coarse-grained sinter (particles from 1 to 50 μπι) of metal powders (such as steels, brass, alloys based on nickel, cobalt, aluminum, or magnesium), ceramics (glass low fluxes, aluminosilicates, carbides, nitrides) or their composites. At a technical / commercial level, the simplest case is the use of pressed AISI 420 powders or brass, as they are easily available on the market at reduced costs.
Il substrato può avere qualsiasi forma (dischi, piastre, tubi) anche se, per massimizzare la superficie di scambio, si prediligono geometrie cilindriche o tubi a sezione esagonale, come mostrato con riferimento alla figura 1. Inoltre, il substrato può avere qualsiasi dimensione compatibile con gli stress meccanici a cui deve essere sottoposto. In genere può avere un diametro minimo di 6 mm con lunghezze che vanno da 300 fino a 1000 mm . The substrate can have any shape (discs, plates, tubes) even if, to maximize the exchange surface, cylindrical geometries or tubes with hexagonal section are preferred, as shown with reference to Figure 1. Furthermore, the substrate can have any compatible size with the mechanical stresses to which it must be subjected. Generally it can have a minimum diameter of 6 mm with lengths ranging from 300 up to 1000 mm.
Successivamente alla sinterizzazione del substrato, è effettuata la deposizione di un riporto ceramico sul substrato. Tale riporto è eseguito con una delle numerose tecniche di deposizione termica o loro varianti, impiegando materiali ceramici, metallici o loro leghe e compositi. Tali tecnologie producono film spessi, ossia riporti con spessori che possono andare da 50 μπι fino a diversi centimetri. After sintering the substrate, a ceramic coating is deposited on the substrate. This coating is carried out with one of the numerous thermal deposition techniques or their variants, using ceramic or metal materials or their alloys and composites. These technologies produce thick films, i.e. coatings with thicknesses that can range from 50 μπι up to several centimeters.
Le tecnologie di rivestimento per termodeposizione consentono di ottenere specifiche proprietà superficiali (in particolare di resistenza all'usura, alla corrosione ed agli stress termici, conducibilità elettrica e magnetica, proprietà ottiche) senza alterare le caratteristiche del substrato (tenacità e caratteristiche strutturali). Il riporto deve presentare una buona compatibilità chimica con il supporto ed elevate caratteristiche di adesione. Coating technologies for thermo-deposition allow to obtain specific surface properties (in particular resistance to wear, corrosion and thermal stress, electrical and magnetic conductivity, optical properties) without altering the characteristics of the substrate (toughness and structural characteristics). The overlay must have good chemical compatibility with the substrate and high adhesion characteristics.
I processi di termodeposizione consistono nella realizzazione di un rivestimento a partire da polveri di tipo metallico, ceramico o cermet (dispersione di fasi ceramiche in matrici metalliche). Il materiale che deve essere depositato viene fuso all'interno di una sorgente energetica ed accelerato verso il substrato dove solidifica rapidamente, dando luogo a strutture lamellari sovrapposte. Quando la particella fusa giunge sulla superficie da rivestire possiede un'elevata energia cinetica e, all'atto dell'impatto, si appiattisce dando luogo ad una lamella detta splat. La struttura del riporto è quindi data dalla sovrapposizione delle lamelle solidificate ed ancorate fra loro; oltre alle lamelle sovrapposte sono presenti porosità, particelle non fuse e inclusioni di ossido, tipiche difettosità di tali rivestimenti. Le inclusioni di ossido derivano sia dall'interazione fra le particelle e l'ambiente in cui avviene la spruzzatura, sia dal riscaldamento della superficie del rivestimento in via di formazione. All'atto dell'impatto, il film d'ossido che ricopre la particella si rompe e rimane intrappolato tra le lamelle. The thermo-deposition processes consist in the realization of a coating starting from metallic, ceramic or cermet type powders (dispersion of ceramic phases in metal matrices). The material to be deposited is melted inside an energy source and accelerated towards the substrate where it quickly solidifies, giving rise to overlapping lamellar structures. When the molten particle reaches the surface to be coated it possesses a high kinetic energy and, upon impact, it flattens giving rise to a lamella called splat. The structure of the overlay is therefore given by the overlapping of the solidified and anchored lamellae; in addition to the overlapping lamellae, porosities, non-fused particles and oxide inclusions are present, typical defects of such coatings. The oxide inclusions derive both from the interaction between the particles and the environment in which the spraying takes place, and from the heating of the surface of the coating being formed. Upon impact, the oxide film covering the particle breaks and remains trapped between the lamellae.
II riporto prodotto sul substrato può avere uno spessore che oscilla da 50 μπι fino a diversi millimetri, e, per motivi di perdite di carico ed economici, preferibilmente tra 100 e 400 μπι. The coating produced on the substrate can have a thickness ranging from 50 μπι up to several millimeters, and, for reasons of head loss and economic, preferably between 100 and 400 μπι.
Il processo di rivestimento di un singolo supporto è totalmente automatizzato e dura non più di pochi minuti. Il riporto così ottenuto ha in genere una porosità dipendente dai materiali depositati, nonché dai parametri di processo impiegati; le dimensioni medie dei pori oscillano dai 50 ai 300 nm. The coating process of a single support is fully automated and takes no more than a few minutes. The coating thus obtained generally has a porosity depending on the deposited materials, as well as on the process parameters used; the average pore size ranges from 50 to 300 nm.
La cartuccia così prodotta (figura 2) può essere direttamente impiegata in tutti i processi industriali di micro/ultrafiltrazione. The cartridge thus produced (figure 2) can be directly used in all industrial micro / ultrafiltration processes.
Nel caso in cui sia necessario spingere i livelli di porosità a poche decine di nanometri e fino a pochi Angstrom (nanofiltrazione, osmosi inversa, separazione di fasi gassose), il rivestimento termodepositato è impiegato come inter-layer per un successivo rivestimento sottile (da pochi micron a decine di nanometri di spessore) prodotto mediante deposizione fisica (PVD) o chimica (CVD) da fase vapore (figura 3). In case it is necessary to push the porosity levels to a few tens of nanometers and up to a few Angstroms (nanofiltration, reverse osmosis, separation of gas phases), the thermo-deposited coating is used as an inter-layer for a subsequent thin coating (by a few microns to tens of nanometers thick) produced by physical (PVD) or chemical (CVD) vapor deposition (Figure 3).
I top layer realizzati mediante deposizione da fase vapore hanno adesione e resistenze meccaniche rimarchevoli. Inoltre, possono essere litografati per incrementarne le proprietà fisiche superficiali di superidrofobicità ed ebullioscopicità (notevole aumento dei siti di attivazione per la produzione di fasi vapore/gas da fasi liquide). The top layers made by vapor phase deposition have remarkable adhesion and mechanical resistance. Furthermore, they can be lithographed to increase the surface physical properties of superhydrophobicity and ebullioscopicity (significant increase in the activation sites for the production of vapor / gas phases from liquid phases).
Le cartucce così prodotte, per poter essere impiegate, devono essere alloggiate all'interno di un alloggiamento metallico o polimerico, formando un modulo di filtrazione. La configurazione che più massimizza il valore di superficie di scambio è un sistema a fasci di cartucce (molto simile ai fasci tubieri degli scambiatori) arrangiati a nido d'ape. Con una larghezza media di cartuccia dell'ordine dei 7 mm ed una distanza intercartuccia di 0,2 mm si può raggiungere un impaccamento superiore a 500 m<2>/m<3>. The cartridges thus produced, in order to be used, must be housed inside a metal or polymeric housing, forming a filtration module. The configuration that most maximizes the exchange surface value is a cartridge bundle system (very similar to the tube bundles of exchangers) arranged in a honeycomb pattern. With an average cartridge width of the order of 7 mm and an inter-cartridge distance of 0.2 mm, packing greater than 500 m <2> / m <3> can be achieved.
La figura 4 mostra come 191 cartucce a sezione esagonale possano essere impaccate in configurazione nido d'ape all'interno di un modulo cilindrico di 50 mm di raggio. I condotti posti sulla superficie cilindrica del modulo sono l'ingresso (ad alta pressione) del fluido da filtrare e l'uscita del concentrato. Il permeato passa, tramite le membrane, attraverso le cartucce e viene raccolto ed estratto Figure 4 shows how 191 cartridges with a hexagonal section can be packed in a honeycomb configuration inside a cylindrical module with a radius of 50 mm. The ducts placed on the cylindrical surface of the module are the inlet (at high pressure) of the fluid to be filtered and the outlet of the concentrate. The permeate passes through the membranes through the cartridges and is collected and extracted
dal fondo e dalla testa del modulo. from the bottom and top of the module.
Come precedentemente osservato, i riporti delle cartucce lavorano in compressione e non in trazione come gli elementi classici. As previously observed, the cartridge inserts work in compression and not in traction like the classic elements.
Di seguito vengono riportati cinque esempi che descrivono la costruzione di cartucce impiegando materiali e tecnologie secondo differenti forme di realizzazione della presente invenzione. Five examples are reported below which describe the construction of cartridges using materials and technologies according to different embodiments of the present invention.
Esempio 1. Produzione di_ una_ cartuccia di microfiltrazione mediante deposizione termica di AI2O3+ Ti02-xal 30% in peso con tecnologia plasma spray Il rivestimento composito a base di allumina è stato depositato mediante tecnologia plasma spray in configurazione APS (Air Plasma Spray). Il substrato di deposizione è un sinterizzato in AISI 316 con dimensione delle particelle di 10 μπι. Il substrato ha una sezione esagonale con dimensione del lato dell'esagono pari a 5 mm e lunghezza pari a 300 mm. Example 1. Production of a microfiltration cartridge by thermal deposition of AI2O3 + Ti02-x at 30% by weight with plasma spray technology The alumina-based composite coating was deposited by plasma spray technology in APS (Air Plasma Spray) configuration. The deposition substrate is a sintered in AISI 316 with a particle size of 10 μπι. The substrate has a hexagonal section with a hexagonal side dimension of 5 mm and a length of 300 mm.
I parametri di deposizione impiegati sono riassunti nella tabella 1. The deposition parameters used are summarized in Table 1.
Tabella 1 Table 1
(SLPM = standard litri per minuto) (SLPM = standard liters per minute)
La torcia impiegata è una Sulzer-Metco modello F4MB con diametro dell'anodo pari a 6 mm. The torch used is a Sulzer-Metco model F4MB with an anode diameter of 6 mm.
Le polveri impiegate (AI2O3e TÌO2-Xal 30% in peso) sono state miscelate mediante agitazione meccanica per 1 ora e tenute in stufa a 115 °C per 24 ore prima della deposizione. The powders used (AI2O3 and TiO2-X at 30% by weight) were mixed by mechanical stirring for 1 hour and kept in an oven at 115 ° C for 24 hours before deposition.
Il gas impiegato per il trasporto delle polveri dall'alimentatore alla testa della torcia è Ar con una portata di 3,5 SLPM. The gas used to transport the powders from the feeder to the torch head is Ar with a flow rate of 3.5 SLPM.
La torcia è gestita tramite un manipolatore antropomorfo a 5 assi, mentre il substrato è montato verticalmente su una tavola rotante con velocità tangenziale di deposizione pari a 500 mm/sec. The torch is managed by a 5-axis anthropomorphic manipulator, while the substrate is mounted vertically on a rotating table with a tangential deposition speed of 500 mm / sec.
Le micrografie riportate nelle figure 5 e 6 mostrano, con diversi livelli di ingrandimento, una sezione della membrana dove le differenti fasi sono chiaramente evidenziate in forma di lamelle di differenti colori. La porosità aperta, in grado di conferire le caratteristiche di ultrafiltrazione, è dovuta alla moltitudine di microcrack che si generano fra le lamelle a causa del velocissimo raffreddamento e della conseguente solidificazione. The micrographs shown in figures 5 and 6 show, with different levels of magnification, a section of the membrane where the different phases are clearly highlighted in the form of lamellae of different colors. The open porosity, able to confer the ultrafiltration characteristics, is due to the multitude of microcracks that are generated between the lamellae due to the very fast cooling and consequent solidification.
Esempio 2. Produzione di una cartuccia di ultrafiltrazione con proprietà catalitiche mediante deposizione termica di Cr203+ Al al 20% in peso Lag,sSrp, 5MnQ3al 20% in peso con tecnologia plasma spray Il rivestimento composito a base di cromia è stato depositato mediante tecnologia plasma spray in configurazione APS (Air Plasma Spray). Il substrato di deposizione è un sinterizzato in AISI 316 con dimensione delle particelle di 10 μπι. Il substrato ha una sezione esagonale con dimensione lato esagono pari a 5 mm e lunghezza pari a 300 mm. Example 2. Production of an ultrafiltration cartridge with catalytic properties by thermal deposition of Cr203 + Al at 20% by weight Lag, sSrp, 5MnQ3 at 20% by weight with plasma spray technology The chromium-based composite coating was deposited by plasma spray technology in APS (Air Plasma Spray) configuration. The deposition substrate is a sintered in AISI 316 with a particle size of 10 μπι. The substrate has a hexagonal section with a hexagonal side dimension of 5 mm and a length of 300 mm.
I parametri di deposizione impiegati sono riassunti nella tabella 2. The deposition parameters used are summarized in Table 2.
Tabella 2 Table 2
(SLPM = standard litri per minuto) (SLPM = standard liters per minute)
La torcia impiegata è una Sulzer-Metco modello F4MB con diametro dell'anodo pari a 6 mm. The torch used is a Sulzer-Metco model F4MB with an anode diameter of 6 mm.
Le polveri impiegate (Cr203+ Al al 20% in peso Lao, sSro,5Mn03al 20% in peso) sono state miscelate mediante agitazione meccanica per 1 ora e tenute in stufa a 115 °C per 24 ore prima della deposizione. The powders used (Cr203 + Al at 20% by weight Lao, sSro, 5Mn03 at 20% by weight) were mixed by mechanical stirring for 1 hour and kept in an oven at 115 ° C for 24 hours before deposition.
Il gas impiegato per il trasporto delle polveri dall'alimentatore alla testa della torcia è Ar con una portata di 3,5 SLPM. The gas used to transport the powders from the feeder to the torch head is Ar with a flow rate of 3.5 SLPM.
La torcia è gestita tramite un manipolatore antropomorfo a 5 assi, mentre il substrato è montato verticalmente su una tavola rotante con velocità tangenziale di deposizione pari a 500 mm/sec. The torch is managed by a 5-axis anthropomorphic manipulator, while the substrate is mounted vertically on a rotating table with a tangential deposition speed of 500 mm / sec.
Le micrografie riportate nelle figure 7 e 8 mostrano, con diversi livelli di ingrandimento, una sezione della membrana in cui le differenti fasi sono chiaramente evidenziate in forma di lamelle di differenti colori. La porosità aperta, in grado di conferire le caratteristiche di ultrafiltrazione è dovuta alla moltitudine di microcrack che si generano fra le lamelle a causa del velocissimo raffreddamento e della conseguente solidificazione. The micrographs shown in figures 7 and 8 show, with different levels of magnification, a section of the membrane in which the different phases are clearly highlighted in the form of lamellae of different colors. The open porosity, able to confer the ultrafiltration characteristics, is due to the multitude of microcracks that are generated between the lamellae due to the very fast cooling and consequent solidification.
La matrice di cromia sottostechiometrica e la dispersione semiconduttrice di LSM conferiscono alla cartuccia caratteristiche catalitiche. The sub-stoichiometric color matrix and the semiconductor dispersion of LSM give the cartridge catalytic characteristics.
Esempio 3. Produzione di una cartuccia di ultrafiltrazione auto-disinfettante per sistemi MBR di trattamento acque mediante deposizione termica di Ti02con tecnologia plasma spray in atmosfera controllata di Ar a 1200 mbar di pressione in camera di deposizione Il rivestimento di titania TÌO2-Xè stato depositato mediante tecnologia plasma spray in configurazione APS (Air Plasma Spray). Il substrato di deposizione è un sinterizzato in AISI 316 con dimensione delle particelle di 10 μπι. Il substrato ha una sezione esagonale con dimensione del lato dell'esagono pari a 5 mm e lunghezza pari a 300 mm. Example 3. Production of a self-disinfecting ultrafiltration cartridge for MBR water treatment systems by thermal deposition of Ti02 with plasma spray technology in a controlled atmosphere of Ar at 1200 mbar of pressure in the deposition chamber The titania coating TiO2-X was deposited by plasma spray technology in APS (Air Plasma Spray) configuration. The deposition substrate is a sintered in AISI 316 with a particle size of 10 μπι. The substrate has a hexagonal section with a hexagonal side dimension of 5 mm and a length of 300 mm.
I parametri di deposizione impiegati sono riassunti nella tabella 3. The deposition parameters used are summarized in Table 3.
(segue tabella) (table follows)
Tabella 3 Table 3
(SLPM = standard litri per minuto) (SLPM = standard liters per minute)
La torcia impiegata è una Sulzer-Metco modello F4MB con diametro dell'anodo pari a 6 mm. The torch used is a Sulzer-Metco model F4MB with an anode diameter of 6 mm.
Le polveri impiegate sono state tenute in stufa a 115 °C per 24 ore prima della deposizione. The powders used were kept in an oven at 115 ° C for 24 hours before deposition.
Il gas impiegato per il trasporto delle polveri dall'alimentatore alla testa della torcia è Ar con una portata di 3,5 SLPM. The gas used to transport the powders from the feeder to the torch head is Ar with a flow rate of 3.5 SLPM.
La torcia è gestita tramite un manipolatore antropomorfo a 5 assi mentre il substrato è montato verticalmente su tavola rotante con velocità tangenziale di deposizione pari a 500 mm/sec. The torch is managed by a 5-axis anthropomorphic manipulator while the substrate is mounted vertically on a rotating table with a tangential deposition speed of 500 mm / sec.
Le micrografie riportate nelle figure 9 e 10 mostrano, con diversi livelli di ingrandimento, una sezione della membrana in cui è facilmente identificabile l'intricato e ben distribuito network di microporosità comunicanti in grado di conferire le caratteristiche di ultrafiltrazione al materiale. Il network è generato dalla moltitudine di microcrack che si generano fra le lamelle per il velocissimo raffreddamento e la conseguente solidificazione. The micrographs shown in figures 9 and 10 show, with different levels of magnification, a section of the membrane in which the intricate and well-distributed network of communicating micropores capable of conferring ultrafiltration characteristics to the material is easily identifiable. The network is generated by the multitude of microcracks that are generated between the slats for the very fast cooling and consequent solidification.
Il potere ossidante del materiale composito di cui è costituita la membrana le conferisce caratteristiche di auto disinfezione. Infatti, la titania sottostechiometrica TÌO2-Xè un semiconduttore ad alta resistività in grado di cedere elettroni. Ovviamente, per poter funzionare, il tutto deve essere chiuso su un circuito alimentato in tensione continua. The oxidizing power of the composite material of which the membrane is made gives it self-disinfecting characteristics. In fact, the substoichiometric titania TIO2-X is a high resistivity semiconductor capable of yielding electrons. Obviously, in order to function, everything must be closed on a circuit powered by direct voltage.
Esempio 4. Produzione di una cartuccia di microfiltrazione mediante deposizione termica di WC-Co al 17% in peso con tecnologia high velocity oxy-fuel (HVOF) Example 4. Production of a microfiltration cartridge by thermal deposition of WC-Co at 17% by weight with high velocity oxy-fuel (HVOF) technology
Il rivestimento composito a matrice di cobalto è stato depositato mediante tecnologia HVOF. Il substrato di deposizione è un sinterizzato in AISI 316 con dimensione delle particelle di 10 μπι. Il substrato ha una sezione esagonale con dimensione lato esagono pari a 5 mm e lunghezza pari a 300 mm. The cobalt matrix composite coating was deposited using HVOF technology. The deposition substrate is a sintered in AISI 316 with a particle size of 10 μπι. The substrate has a hexagonal section with a hexagonal side dimension of 5 mm and a length of 300 mm.
I parametri di deposizione impiegati sono riportati nella tabella 4. The deposition parameters used are shown in table 4.
Tabella 4 Table 4
(SCFH = standard piedi cubi per ora; GPH = galloni per ora) (SCFH = standard cubic feet per hour; GPH = gallons per hour)
La torcia impiegata è una Tafa modello JP-5000 con barrei da 8 pollici. The torch used is a Tafa model JP-5000 with 8-inch bars.
Le polveri impiegate (WC-Co al 17% in peso) sono state tenute in stufa a 115 °C per 24 ore prima della deposizione . The powders used (WC-Co at 17% by weight) were kept in an oven at 115 ° C for 24 hours before deposition.
Il gas impiegato per il trasporto delle polveri dall'alimentatore alla testa della torcia è Ar con velocità di rotazione della coclea dosatrice pari a 330 rpm . The gas used to transport the powders from the feeder to the torch head is Ar with a rotation speed of the dosing screw equal to 330 rpm.
La torcia è gestita tramite un manipolatore antropomorfo a 5 assi, mentre il substrato è montato verticalmente su una tavola rotante con velocità tangenziale di deposizione pari a 400 mm/sec. The torch is managed by a 5-axis anthropomorphic manipulator, while the substrate is mounted vertically on a rotating table with a tangential deposition speed of 400 mm / sec.
Le micrografie riportate nella figure 11 e 12 mostrano, con diversi livelli di ingrandimento, una sezione della membrana in cermet, dove le differenti fasi sono chiaramente evidenziate. Le lamelle, in questo particolare caso, sono formate da una matrice di cobalto arricchita in diversi punti di tungsteno e carbonio (differenti toni di grigio) mentre il carburo di tungsteno è facilmente identificabile nel rinforzo chiaro omogeneamente disperso. La porosità aperta, in grado di conferire le caratteristiche di ultrafiltrazione, è dovuta alla moltitudine di microcrack che si generano fra le lamelle a causa del velocissimo raffreddamento e della conseguente solidificazione . The micrographs shown in figures 11 and 12 show, with different levels of magnification, a section of the cermet membrane, where the different phases are clearly highlighted. The lamellae, in this particular case, are formed by a cobalt matrix enriched in different points of tungsten and carbon (different shades of gray) while the tungsten carbide is easily identifiable in the homogeneously dispersed clear reinforcement. The open porosity, capable of conferring the ultrafiltration characteristics, is due to the multitude of microcracks that are generated between the lamellae due to the very fast cooling and consequent solidification.
I dati fin qui riportati consentono di evidenziare una serie di differenze strutturali e microstrutturali fra le membrane secondo la presente invenzione e quelle secondo la tecnica nota; differenze che sono sostanziali, identificabili facilmente mediante indagini di laboratorio e direttamente legate alla tecnologia di processo. The data reported up to now allow to highlight a series of structural and microstructural differences between the membranes according to the present invention and those according to the known art; differences that are substantial, easily identifiable through laboratory investigations and directly related to the process technology.
In particolare, secondo la presente invenzione, per le operazioni di microfiltrazione, ultrafiltrazione e nanofiltrazione, sono proposte membrane che, rispetto a quelle sinterizzate comunemente adibite a tali fini, sono ricoperte con uno strato di materiale ottenuto per termodeposizione . In particular, according to the present invention, for the microfiltration, ultrafiltration and nanofiltration operations, membranes are proposed which, compared to the sintered ones commonly used for such purposes, are covered with a layer of material obtained by thermo-deposition.
La differente microstruttura è evidenziabile mediante una semplice indagine di microscopia ottica od elettronica. Con riferimento alle figure 13 e 14, nel caso di un ceramico sinterizzato (figura 13) è possibile identificare facilmente le particelle di partenza e come, dopo una residenza più o meno prolungata ad alta temperatura, a seguito di fenomeni diffusivi le particelle si siano fuse tra loro a formare una struttura porosa. La dimensione della porosità aperta è direttamente dipendente dalla dimensione delle particelle di partenza, nonché dal binomio tempo/temperatura di processo. Il procedimento segue quelle che sono le leggi della termodinamica degli equilibri e le fasi ottenibili sono limitate e facilmente identificabili consultando il diagramma di fase di riferimento. The different microstructure can be highlighted by means of a simple optical or electron microscopy investigation. With reference to figures 13 and 14, in the case of a sintered ceramic (figure 13) it is possible to easily identify the starting particles and how, after a more or less prolonged residence at high temperature, following diffusion phenomena the particles have fused between them to form a porous structure. The size of the open porosity is directly dependent on the size of the starting particles, as well as on the combination of time / process temperature. The procedure follows the laws of the thermodynamics of equilibria and the phases that can be obtained are limited and easily identifiable by consulting the reference phase diagram.
Con riferimento alla figura 14, la tecnologia di deposizione termica prevede invece il riscaldamento rapido con deposizione e successivo raffreddamento istantaneo (milioni di Kelvin al secondo) delle particelle che vanno a formare il rivestimento. Tutto il processo è governato dalla cinetica, per cui è possibile ottenere una serie infinita di fasi e compositi non compatibili con le normali leggi della termodinamica. La microstruttura di un qualsiasi rivestimento termodepositato (figura 14) è di tipo lamellare e dipende direttamente dai parametri di processo impiegati. Il fatto che tali riporti presentino una porosità aperta comunicante non è un fatto così scontato e, per quel che se ne sa, è legata agli interstizi interlamellari e a difetti come inclusioni e porosità prodotti durante le fasi di deposizione. Nel caso particolare illustrato di un riporto di Cr203+ BaTi03al 60% in peso, il fatto stesso che esiste è prova che sia stato depositato mediante deposizione termica; infatti nessun altro processo è in grado di creare microstrutture di siffatto genere con due fasi come la cromia ed il titanato di bario impaccate in lamelle isolate. Nel caso di un processo di sinterizzazione, infatti, il risultato sarebbe stato una miscela di composti descrivibili con il diagramma quaternario Cr, Ba, Ti e 0. With reference to figure 14, the thermal deposition technology instead provides for the rapid heating with deposition and subsequent instantaneous cooling (millions of Kelvin per second) of the particles that form the coating. The whole process is governed by kinetics, so it is possible to obtain an infinite series of phases and composites that are not compatible with the normal laws of thermodynamics. The microstructure of any heat-deposited coating (Figure 14) is of the lamellar type and directly depends on the process parameters used. The fact that these coatings have an open communicating porosity is not a foregone conclusion and, as far as we know, is linked to interlamellar interstices and defects such as inclusions and porosities produced during the deposition phases. In the particular case illustrated of a carryover of Cr203 + BaTiO3 at 60% by weight, the very fact that it exists is proof that it has been deposited by thermal deposition; in fact, no other process is able to create microstructures of this kind with two phases such as chromia and barium titanate packed in isolated lamellae. In the case of a sintering process, in fact, the result would have been a mixture of compounds that can be described with the quaternary diagram Cr, Ba, Ti and 0.
Le due tecnologie portano quindi alla formazione di due prodotti totalmente differenti ed in nessun modo interscambiabili . The two technologies therefore lead to the formation of two totally different and in no way interchangeable products.
Discorso analogo può essere fatto per il top layer prodotto mediante deposizione fase vapore, in accordo con la presente invenzione, oppure mediante deposizione solgel, secondo la tecnica nota. Anche in questo caso, i due differenti top layer possono essere facilmente distinti mediante una semplice indagine microscopica. The same can be said for the top layer produced by vapor phase deposition, in accordance with the present invention, or by solgel deposition, according to the known technique. Also in this case, the two different top layers can be easily distinguished by a simple microscopic investigation.
Infatti, anche in questo caso, la deposizione fase vapore permette di ottenere leghe e compositi multiplayer altrimenti non producibili con le tecnologie della tecnica nota, che prevedono processi ad alta temperatura e quindi dipendenti da condizioni di equilibrio termodinamico. Ne consegue che anche la microstruttura è considerevolmente diversa. I processi sol-gel e dip-coating portano, dopo trattamento termico, alla formazione di uno strato compatto, denso e con porosità paragonabile alla grandezza degli interstizi lasciati dalle nano particelle che formano lo strato (figura 15, tratta da Ceramic Membrane for Separation and Reaction - Kang Li, John Wiley & Sons Ltd (2007) ISBN 978-0-470-01440-0 Great Britain) . Per densif icazioni prossime a quella teorica, la porosità coincide con le distanze reticolari stesse. In fact, also in this case, the vapor phase deposition allows to obtain multiplayer alloys and composites otherwise not producible with the technologies of the known art, which foresee high temperature processes and therefore dependent on thermodynamic equilibrium conditions. As a result, the microstructure is also considerably different. The sol-gel and dip-coating processes lead, after heat treatment, to the formation of a compact, dense layer with porosity comparable to the size of the interstices left by the nano particles that form the layer (figure 15, taken from Ceramic Membrane for Separation and Reaction - Kang Li, John Wiley & Sons Ltd (2007) ISBN 978-0-470-01440-0 Great Britain). For densif ications close to the theoretical one, the porosity coincides with the lattice distances themselves.
L'accrescimento via fase vapore, invece, porta alla formazione di monocristalli colonnari con forte impaccamento (figura 16, tratta da Handbook of Superconduct ing Materials: Superconduct ivity , Materials and Processes, David S. Ginley, ISBN 0750308982, 9780750308984) . In questo caso, la porosità ha una distribuzione bimodale, dovuta essenzialmente alle distanze reticolari interne alle singole colonne ed ai difetti intergranular i che legano le varie colonne fra loro . The accretion via vapor phase, on the other hand, leads to the formation of columnar single crystals with strong packing (figure 16, taken from Handbook of Superconducting Materials: Superconduct ivity, Materials and Processes, David S. Ginley, ISBN 0750308982, 9780750308984). In this case, the porosity has a bimodal distribution, essentially due to the reticular distances inside the individual columns and to the intergranular defects which bind the various columns together.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described for illustrative, but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, as defined from the attached claims.
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