Материаловеды Передовой инженерной школы СПбГУ впервые создали сорбционное блочное изделие с использованием аддитивных технологий, что позволяет задавать его структуру и эксплуатационные свойства. Оно более устойчиво к механическим воздействиям, быстрее насыщается и показывает меньшее гидравлическое сопротивление, что важно для использования в химической, нефтеперерабатывающей, электронной и других видах промышленности. Результаты исследования опубликованы в научном журнале «Радионавигация и время: труды СЗРЦ концерна ВКО ″Алмаз‑Антей″».
Сорбционно‑активные материалы способны поглощать и концентрировать разнообразные вещества. Поэтому их применяют для очистки жидкости, в том числе воды, газовых сред, сырья и готовых продуктов в различных отраслях: химической, нефтеперерабатывающей и электронной промышленности, фармацевтической, медицинской и пищевой отраслях, строительстве, водоподготовке и водоочистке, быту. Широко используются адсорбенты — материалы, поглощающие вещества всей своей поверхностью, которая может достигать 2000 м2/г. Эффективность адсорбента зависит от его характеристик: размера и объема пор, распределения их объема по размеру, химического состава и свойств поверхности.
На производствах такие материалы обеспечивают работоспособность оборудования, заданный состав газовых и жидких сред, в том числе необходимые условия влажности. В промышленных установках преимущественно используют адсорбенты гранулированной или дробленой формы, как правило — в виде так называемой насыпной шихты. Вещество пропускают через слой сорбента в адсорбере — аппарате для разделения смесей путем избирательного очищения.
Насыпная шихта подвержена влиянию внешних воздействий, таких как истирание, вибрация, перепады давления и температуры и других нагрузок, в результате которых гранулы постепенно разрушаются. Из‑за этого снижается качество очистки, а также может выйти из строя оборудование.
По словам ученых, решить эту проблему могут блочные углеродные адсорбенты. Их создают с использованием аддитивных технологий, что позволяет послойно формировать конструкцию материала, управлять его структурой и эксплуатационными свойствами. Такие адсорбенты более устойчивы к механическим воздействиям. Особенно перспективными считаются блоки с сотовой структурой, потому что они, в отличие от насыпных аналогов, характеризуются меньшими диффузионными ограничениями и более низким гидравлическим сопротивлением, что повышает эффективность их работы в динамических условиях.
Ученые Передовой инженерной школы «Междисциплинарные исследования, технологии и бизнес‑процессы для минерально‑сырьевого комплекса России» впервые создали сорбционное изделие с помощью 3D‑печати. Для этого они исследовали три метода: DIW‑печать пастами, стереолитографию (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS). По словам исследователей, первые две технологии — экструзионная печать и фотополимеризация — применимы для получения пористых углеродных изделий, но возможности методов ограничены стоимостью сырья.
«Сейчас мы сфокусированы на процессе синтеза на подложке, а именно на технологии селективного лазерного спекания, использующей в качестве печатающего материала порошки различной природы. Эта технология примечательна тем, что позволяет использовать традиционные источники сырья, применяемые для получения пористых углеродных материалов, что значительно снижает стоимость конечного продукта. Однако не исключено, что в будущем также будем осваивать и технологию экструзионной печати», — сообщил профессор кафедры технологии высокоэффективных материалов и изделий Передовой инженерной школы СПбГУ Вячеслав Самонин.
Для метода селективного лазерного спекания ученые исследовали наиболее эффективную порошковую смесь. По их словам, при подборе компонентов печатающего состава важно обеспечить высокую плотность, наибольший выход углерода на стадии его высокотемпературной обработки, а также низкую усадку во время 3D‑печати и других технологических стадий.
Таким образом исследователи пришли к тому, что порошковая смесь должна содержать высокоуглеродистый неплавкий наполнитель и термореактивное связующее. В качестве первого компонента выбрали антрацит — каменный уголь высшей степени метаморфизма, которая определяет способность угля к минеральному и структурному изменению под действием температуры, давления и химических веществ. Термореактивным связующим послужили новолачные фенолформальдегидные смолы, которые переходят в твердое состояние при нагревании и действии азотсодержащих веществ. Эти две составляющих в соотношении 60% и 40% соответственно показали оптимальные прочность получаемых изделий и качество 3D‑печати.
Блоки изготовили с помощью SLS‑принтера ПИШ СПбГУ, который позволяет печатать изделия сложной геометрической формы.
Материаловеды рассказали, что в будущем планируют провести оптимизацию гранулометрического состава исследованной смеси. Кроме того, они будут добавлять модификаторы эксплуатации и использовать другие термореактивные связующие. Также, по их словам, важно изучить сорбенты не только сотовой формы, но и других геометрий блоков: например, решетчатые структуры, гироиды и другие. Ученые собираются определить влияние геометрии изделия на сорбционные и эксплуатационные характеристики.
По словам исследователей, 3D‑печать — это новый этап в разработке сорбционных систем. Эта технология может помочь в создании более компактных, долговечных и эффективных установок. Они станут перспективной альтернативой существующим сейчас методам очистки газовых и жидких сред в промышленности.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
