UVOD
I. KOROZIJA
I.1. Definicija korozije prema HRN EN ISO 8044
I.2. Korozija metala Me u kiselom rastvoru
I.3. Korozija metala Me u kiselom rastvoru koji sadrži kiseonik
I.4. Korozija metala Me u neutralnom i alkalnom rastvoru
I.5. Korozijski troškovi
I.6. Troškovi korozije u odnosu na ostale troškove
II TITAN I NJEGOVE LEGURE
II.1. .Šta je ustvari titan?
II.2. Fizičke i mehaničke osobine titana
II.3. Korozija titana
III. PRIMENA TITANA U BIOMEDICINI
III.1. Kardiovaskularna primena titana i primena u osteosintezi
III.2 Oksidni filmovi na čistom titanu
III.3. Korozivne i mehaničko-biološke osobine
IV. MEHANIČKI I HEMIJSKI TRETMAN TITANA
IV.1. Tretman titana kiselinama i vodonik-peroksidom
IV.2. Tretman titana bazama
IV.3. Anodna oksidacija titana
IV.4. Biohemijska modifikacija titana i njegovih legura
V. FIZIČKE METODE TRETMANA TITANA
V.1. Tehnika termalnog raspršivanja
V.2.Tehnika plazma-spreja, fizičko deponovanje pare i jonska implantacija
VI. REZIME
VII. LITERATURA
UVOD
Proučavanje korozije je postala oblast od izuzetnog značaja za gotovo sve oblasti ljudske aktivnosti tako da nije potrebno posebno obrazlagati razloge za njeno proučavanje i primenu naučnih dostignuća. Ipak treba napomenuti da se zbog korozije svake godine gubi između 5-30 % proizvodnje crne metalurgije, gubi se veliki deo prirodnih bogatstava i vrši neprihvatljiva degradacija životne sredine. Zbog toga poznavanje korozionih procesa i upotreba najkvalitetnijih materijala predstavljaju pravi odgovor kako smanjiti štetne korozione procese.
I. KOROZIJA
I.1. Definicija korozije prema HRN EN ISO 8044
Korozija je fizičko-hemijsko delovanje metala i njegovog okruženja koje uzrokuje promenu upotrebnih osobina metala, te može dovesti do oštećenja funkcije metala, okoline ili tehničkog sastava koji oni čine.
Napomena: Ovo je međudelovanje najčešće elektrohemijsko. Dve osnovne vrste korozije su hemijska i elektrohemijska korozija.
Hemijska korozija odvija se prema zakonima hemijske kinetike heterogenih reakcija (u gasovima, u potpunoj odsutnosti kondenzacije vodene pare na površini metala, obično pri visokim temperaturama).
Elektrohemijska korozija odvija se u elektrolitskim rastvorima prema zakonima elektroktrohemijske kinetike putem bar jedne anodne i jedne katodne reakcije.
I.2. Korozija metala Me u kiselom rastvoru (Slika 1)
I.3. Korozija metala Me u kiselom rastvoru koji sadrži kiseonik (Slika 2)
I.4. Korozija metala Me u neutralnom i alkalnom rastvoru (Slika 3)
I.5. Korozijski troškovi:
•1950 H.H. Uhlig –SAD: 2.1% BDP
•1970 T.P. Hoar –Velika Britanija: 3.5% BDP
•1974 Japan: 1.2% BDP
•1975 Battelle/NBS –SAD: 4.5% BDP
•1976 SAD: 70 milijardi $.
•1982 SAD: 126 milijardi $.
I.6. Troškovi korozije u odnosu na ostale troškove (Slika 4)
II. TITAN I NJEGOVE LEGURETitan je metal, mnogo lakši od čelika. Osnovne osobine titana su:
-velika otpornost na koroziju,
-otpornost na povišene temperature,
-mala elastičnost na sobnim temperaturama.
Njegove mehaničke osobine zavise od količine i vrste primesa jer utiču na povećanje čvrstoće, a smanjuju plastičnost i žilavost. Ima veću čvrstoću od aluminijuma. Otkriven je krajem 18. veka. Prvi ga je otkrio Gregor 1790. godine u Engleskoj, a pet godina kasnije Klaproth ga je pronašao u Mađarskoj. Proizvodnja titana je počela mnogo kasnije, tek 1950. godine jer je postojala teškoća u odvajanju ovog metala od kiseonika. Jedan od procesa odvajanja je Krollov ekstrakcioni proces. Ovaj postupak je veoma skup. Ekstrakcija titana je relativna, energetski intenzivnija i zahteva šesnaest puta veću energiju po jednoj toni nego čelik, a samo dva puta veću energiju od aluminijuma.
II.1. Šta je ustvari titan?
Čisti titan je beli svetli metal male gustine (4500 kg/m3), izuzetno velike otpornosti na koroziju i lagan je za kovanje. Topi se pri temperaturi od oko 1668 °C. Veoma je reaktivan metal, reaguje sa kiseonikom i azotom iz atmosfere, kao i vodonikom ako je prisutna vlaga. Zbog reaktivnosti mesta gde se titan proizvodi su prvo pročišćena sa inertnim gasovima (najčešće sa argonom).
Inače, titan je deveti po redu najmanje prisutni metal u zemljinoj kori (0.7%). Čvrst je kao čelik, ali je 35% lakši. On je 60% teži od aluminija, ali je zato dvostruko čvršći. Titan nalazimo u stenama. Naravno da se prilikom primene sva dobra svojstva titana i dodatno poboljšavaju sa dodavanjem različitih primesa (aluminijum, molbiden, gvožđe, mangan, paladijum). Dodavanjem paladijuma povećavamo otpor koroziji a dodatkom ostalih elemenata povećavamo mu čvrstoću.
Titan je oduvek izučavan kao redak metal, ali u poslednje vreme svoje mesto nalazi u industriji kao vodeći element. Hemijski gledano, titan je jedan od prelaznih elemenata IV grupe 4.periode u Mendeljeovom periodnom sistemu elemenata. Njegov atomski broj je 22 dok je atomska težina 47,9. Kao prelazni metal, titan ima nepotpuno ispunjenu d ljusku u svojoj elektronskoj strukturi.U elementarnom stanju ima visoku tačku topljenja (1668°C) i heksagonalnu kristalnu strukturu. Legure titana klasifikuju se kao α, α+β, metastabilne β, ili stabilne β legure u zavisnosti od sobne temperature. Legirajući elementi titana dele se u tri kategorije:
1) α stabilizatori kao što su Al, O, N, C;
2) β stabilizatori, kao što su Mo, V, Nb, Ta (izomorfni), Fe, W, Cr, Si, Co, Mn, H;
3) neutralni, kao što je Zr. α i bliske-α titan legure pokazuju dobar korozioni otpor, ali imaju ograničeni otpor prema niskim temparaturama. Suprotno tome, α+β legure imaju pospešene spomenute osobine u odnosu na α i β legirane faze. Generalno, osobine ovih materijala zavise od sastava, proporcionalnog odnosa β i α faze, termalnog tretmana, i termo-mehaničkih uslova obrade.
Titan – nikal (TiNi) legura ima široku primenu u medicini (inzvanredne memorijske osobine). Svoju primenu u medicini ova legura nalazi u postupcima fiksacije koštanih fragmenata iu zubnoj protetici. Sve više se upotrebljavaju u oblasti hirurgije i u lečenju malignih obolenja. Nekadašnja primena titana u medicini, hirurgiji i zubnoj protetici bazirala se na industrijskom napredtu i strogim zahtevima u vezi njegove primene koje je postavljala vojna industrija i aktivnosti vezane za kosmička istraživanja.Primena i korist od titana i njegovih legura kao biomaterijala superiorne biokompatibilnosti i dobrih korozivnih osobina veća je u odnosu na konvencionalne kobaltove legure. (Browne, 2000.)
II.2. Fizičke i mehaničke osobine titana
Titan nije plemeniti metal. Važne fizičko-mehaničke osobine titana su: mala težina, dobra čvrstoća, lakoća obrade i velika otpornost na koroziju. Ove osobine zavise od čvrstoće metala. Uopšte , što je metal čistiji, lakši je za preradu, ali je njegova čvrstina manja. Titan je odlična baza za dodatne legure. Gotovo svi metali su rastvorljivi u titanu. S obzirom da mehaničke osobine zavise od čistoće metala neke vrste titana se proizvode u mlevenom obliku.
II.3. Korozija titana
U hemijskom smislu titan je otporan na „vlažni hlorni gas“, hlorne rastvore i oksidne kiseline kao što su azotne. Otporan je na razblažene koncentrate sulfata i većinu organskih kiselina na sobnim temperaturama. Pri zagrevanju se rastvara u razblaženoj sonoj, sumpornoj i azotnoj kiselini. Hidrofluorne i fosforne kiseline kao i neki koncentrati alkalnih kiselina nagrizaju titan. Titan oksidiše ali se i kiseonik s titanom pretvara u čvrst rastvor, što sve zavisi od temperature. Može doći do istovremene oksidacije i difuzije pri povišenoj temperaturi. Zato je upotreba titana pri povišenim temperaturama ograničena reakcijom sa kiseonikom.
Naprimer: 1,01596 mm (0,04 inča) komad titana postaje nesavitljiv ako se u vazduhu izloži nekoliko sati dejstvu temperature od 816 0 C. Isti komad se bez ikakvih promena u sastavu i osobinama može izlagati i 500 sati na temperaturi od 566 0 C.
Drugi primer je izlaganje komada titana od 0,380985 mm (0,015 inča) koji bez promena odoleva 15 minuta temperaturi od 1093 0 C.
Na slici 5 prikazana je tabela korozije nelegiranog titana u vodenom rastvoru.
Slika 5III. PRIMENA TITANA U BIOMEDICINI
Oštećenja “teških tkiva” u ljudskom organizmu posledica su mnogobrojnih nezgoda, starenja i dr. Praksa hirurgije je upravo zamena oštećenih tkiva. U zavisnosti od zone gde implantanti trebaju biti usađeni i funkcije koju obavljaju zahtevaju se drugačiji materijali.Titan i njegove legure nalaze široku primenu kao koštani implantanti (slika 6).kao i u zameni zglobnih sastava (slika 7)
Slika 6: “Teška tkiva” u ljudskom telu (Browne, 2000.)
Slika 7: Šematski prikaz implantacije veštačkog kuka (Browne, 2000.)
|
Slika 8: Izrađeni zavrtanj za veštačku ugradnju zuba (Browne, 2000.)
Pored cementacionog mehanizma postoji još jedan nov način fiksacije implantanata, a to je učvršćivanje proteza direktno, za “živu” kost. Da bi se izbegla negativna reakcija tela na implantante, materijal implantanta mora biti bioinertan i stabilan u ljudskom telu, kao i da nema reakcije sa drugim tkivima i telesnim tečnostima. Neki bioaktivni materijali kao što je hidroksiapatit i bioaktivna stakla se sve više upotrebljavaju kao zamena teškim tkivima pri čemu poboljšavaju vezu između usadne kosti i tkiva. Međutim, titan je takođe dobar bioinert i idealan materijal za implantaciju. Pored toga, materijali na bazi titana imaju duži vek, dobru biokompatibilnost i veliki otpor na habanje. (Ratner, 2001.)III.1 Kardiovaskularna primena titana i primena u osteosintezi
Titan i njegove legure nalaze primenu i kao kardiovaskularni implantanti zbog svojih jedinstvenih osobina. Rana primena bila je vezana za protezne srčane ventile, zaštitne elemente pejsmejkera, veštačka srca i cirkulativne uređaje. (Ratner, 2001.)
Od nedavno, koristi se Ni-Ti legura za izradu intravaskularnog uređaja, i to kao snažan, inertan i nemagnetičan materijal. Takođe, ova legura se koristi u instrumentalnoj tehnici MRI (magnetna rezonanca) kao vrlo snažan dijagnostički alat. Veštačko srce izrađeno od ovog materijala ilustrovano je na slici 9 a veštački vaskularni sudovi na slici 10. Veštačko srce izrađeno je od titana, dok je disk u njegovom sastavu izrađen od pirolitik-karbona. Takođe, ventili veštačkog srca obloženi su tankim ugljeničnim filmom koji povećava kompatibilnost sa krvotokom. Moguće negativne reakcije organizma mogu se javiti ukoliko telo “odbije da prihvati” implantant. (Browne, 2000.)
Slika 9: Izgled veštačkog srca od titanijumskog materijala
Slika 10.: Veštački titanski vaskularni sudovi
Slika 11. Titanijumski zavrtnji i “tanjiri” koji se koriste u saniranju fraktura kostiju (Ratner, 2001.)
III.2 Oksidni filmovi na čistom titanuTitan i većina njegovih legura hemijski su inertni, pokazuju dobre antikorozivne karakteristike i biokompatibilni su što za posledicu ima i hemijsku stabilnost titan-oksidnih filmova debljine svega nekoliko nanometara. Izgled oksidnih filmova obrazovanih na sobnoj temperaturi i na čistom titanu ilustrovan je na slici 12.(Bania, 1993.)
Slika 12: Šematski prikaz oksidnog filma na čistom titanijumu (Bania, 1993.)
Amorfni ili nanokristalni oksidni filmovi obično imaju debljinu od 3-7 nm, a čine ih stabilni oksidi TiO2. Hidroksid i hemisorbovana voda vezuje se za Ti katjone. Hidroksidni joni vezani za metalne katjone poseduju kiselo-bazne osobine zavisno od tipa metalnih katjona i tipa veze sa tim katjonima. Hidrokompleksi multivalentnih katjona titana su amfoterni (amfoteran-koji pokazuje osobine i kiseline i baze). Jednačina hidrolize titana u vodenom rastvoru može se prikazati (Bania, 1993.):
Prva reakcija odgovorna je za formiranje površinskog negativnog naboja dok je za drugu reakciju karakterističan pozitivan naboj. Mnogobrojna istraživanja ispraćena i papirnom verifikacijom rezultata ukazuju na činjenicu da titanska oksidna površina ima dve hidroksidne grupe, kiselog i baznog tipa vezane za jedan Ti katjon.
Na taj način se obrazuje most (most-koordinacija). Slika 13 šematski strukturno prikazuje TiO2 površinu sa dva tipa hidroksidnih grupa. Za određivanje površinskog naelektrisanja često se koristi izoelektrična tačka (IEP). Za titan-oksid ova tačka varira i obično ima vrednost od 5-6,7. U vodenoj sredini negativno naelektrisanje titanske površine se povećava sa povećanjem pH vrednosti.(Bania, 1993.)
Slika 13:Strukturni šematski prikaz TiO2 površine sa dva tipa hidroksidnih grupa (Bania, 1993.)Implantirani materijali u živom organizmu dolaze u kontakt sa telesnim tečnostima (krv). Hloridni jon u krvnoj plazmi ima koncentraciju od 113 mEq/l koja je prilično visoka i može uzrokovati koroziju metalnih materijala. Telesne tečnosti takođe sadrže aminokiseline i proteine koji ubrzavaju koroziju. U normalnim uslovima pH vrednost krvi iznosi 7,35-7,45. Međutim, pH vrednosti u teškim tkivima opada na 5,2 nakon implantacije i dostiže vrednost od 7,4 za dve sedmice. Korozija implementiranih materijala u telesnim tečnostima može prouzrokovati alergiju i toksično dejstvo istih. Zato je rezistentnost na koroziju metalnih biomaterijala jako važna. Za razliku od drugih materijala, titan i njegove legure korodiraju ili jako brzo ili ekstremno sporo u zavisnosti od okolnih uslova. Kada su u kontaktu sa telesnim tečnostima čija je pH vrednost bliska neutralnoj izloženost materijala koroziji je niska i teško se eksperimentalno može odrediti. S obzirom da se titan dosta koristi u ortopediji, otpornost ovog materijala na habanje i abraziju mora biti visoka. (Dowson, 1981.)
Mehaničke osobine se pospešuju različitim postupcima kao što su PVD premazivanje (TiN, TiC), jonska implantacija, termalni tretmani (difuzija, nitriranje i kaljenje) i lasersko legiranje sa TiC. U pogledu biokompatibilnosti, titan i njegove legure su jako cenjeni materijali. Relativno su inertni i imaju dobra antikorozivna svojstva zahvaljujući oksidnoj površini. Titan lako absorbuje proteine (belančevine, kolagene, fibronektin, laminin) iz bioloških tečnosti. Takođe, titanska površina dobar je oslonac za rast ćelija i njihove diferencijacije. Mnogo radova posvećeno je istraživanjima interakcije između titanske površine i ćelija. Nakon implantacije materijala u ljudski organizam, neutrofili su oni koji imaju važan uticaj na implantante praćenjem stvaranja džinovskih ćelija iz aktiviranih makrofaga. Nakon implantacije materijala u telo, prva faza reakcije (nakon interakcije sa vodom i jonima) je nespecifična adsorpcija proteina. Zatim, neutrofili i makrofagi na neki način vrše ispitivanje implantanata. Međusobni uticaj makrofaga i citokina dovodi verovatno do privlačenja fibroblasta i enkapsulacije stranog tela u organizam. Volumna svojstva biomaterijala, kao što je netoksičnost, nekorozivnost i kontrolisana degradibilnost, kao i modul elastičnosti važni su s aspekta pravilnog odabira pravog materijala za specifičnu biomedicinsku primenu. Ishod implantacije obuhvata interakciju izmedu biološke okoline i površine veštačkog materijala i biološku reakciju kao odgovor tela. Metalna površina ima značajnu ulogu kada se radi o biološkoj reakciji. Implantanti sačinjeni od čistog titana često imaju sklonost ka oksidaciji zbog čega može doći i do plastične deformacije istih. Takve čiste površine često nisu odgovarajuće sa biomedicinsku primenu, pa zahtevaju određenu vrstu površinskog tretmana. Drugo, npr. krvno-kontaktni implantanti moraju imati dobru kompatibilnost sa krvnim sistemom.
IV. MEHANIČKI I HEMIJSKI TRETMAN TITANA
Metode koje se koriste za modifikaciju mehaničkih karakteristika metalne površine poput mašinske obrade, glačanja, bušenja podrazumevaju fizički tretman i adekvatno oblikovanje. Cilj tih metoda je dobijanje površina koje nisu hrapave i stvaranje uslova koji nisu kontaminirajući za ljudski organizam. Hemijske metode podrazumevaju hemijsku obradu površina, elektrohemijski tretman (anodna oksidacija), so-gel, hemijsku depoziciju pare (CVD) i biohemijsku modifikaciju. (Dowson, 1981)
Hemijska depozicija pare proces je koji obuhvata hemijsku reakciju između hemijskih supstanci u gasovitoj fazi i površine uzorka. Uglavnom, hemijski tretman titana i njegovih legura baziran je na hemijskoj reakciji na međupovršini titan-rastvor. Takvi tretmani su kiseli, bazni, H2O2, toplotni i pasivacioni tretmani. (Bania, 1993.)
IV.1. Tretman titana kiselinama i vodonik-peroksidom
Tretman kiselinama uglavnom se koristi kako bi se uklonili oksid i kontaminacija, a u cilju dobijanja uniformne površine. Kombinovanje kiselina koristi se kao predtretman na titanu. Standardni rastvor kiseline za predtretman dobija se mešanjem 10 – 30 vol % HNO3 i 1 – 3 vol % HF u destilovanoj vodi. HF reaguje sa TiO2 pri čemu se stvara rastvorljivi titan-fluorid i vodonik. Inkorporiranje vodonika u titanu može prouzrokovati krtost površinskog sloja, međutim izbalansiranim odnosom fluorovodonične i nitratne kiseline (10 : 1) može se minimizirati stvaranje slobodnog vodonika. Mnogobrojna istraživanja su čak pokazala da HCl predstavlja dobar dekontaminacioni agens jer lako rastvara soli titana a ne slabi površinu. Kiselinsko graviranje se koristi za tanke oksidne površine (10 nm i manje). Takvi oksidni slojevi rastu lagano u vazduhu, 3-6 nm u toku perioda od 400 dana. Ukoliko ima rezidualnih ostataka fluorida oni se mogu održati čak i posle post-termalnog tretmana graviranja. Sem toga, tretmani kiselinama često su korišćeni u kombinaciji sa drugim metodama u cilju unapređenja osobina titanovih legura. Wen i njegovi saradnici došli su do saznanja da se bioaktivitet tih legura može poboljšati hemijskim tretmanom uz upotrebu HCl i H2SO4 i alkalnih rastvora. Reakcijom titanske površine i vodonik-peroksida stvara se amorfni Ti-peroksi gel. Debljina ovog gela pre svega zavisi od trajanja hemijskog tretmana. Transformacija iz amorfnog u kristalno stanje omogućena je na višim temperaturama (300 °C i više). Termalni tretmani u kojima je temperatura niža od 600 °C snažno menjaju morfologiju gela. Najbolju bioaktivnost titanski gel dostiže tretmanom na temperaturama između 400 – 500 °C (slika 14). Tretman titanske površine u H2O2/TaCl5 rastvoru takođe dovodi do stvaranja amorfnog gela. Termalnim postupkom na 300 – 600 °C amorfni titan se transformiše u anatas (jedan od tri prirodna kristalna oblika titandioksida). (Bania, 1993.)
Slika 14: Ti-površina tretirana rastvorom H2O2 / HCl na 801°C 30 min a potom termalno tretirana na 400 C° 60 min (Dowson, 1981.)
IV.2. Tretman titana bazamaTretman bazama u cilju pospešivanja bioaktivnosti Ti – površine omogućava stvaranje biološki aktivne kosti sličnoj apatitnom sloju na površini bioaktivne keramike kakva je hidroksiapatit i staklo-keramika. Materijal se prvo uranja u 5 – 10 M NaOH ili KOH rastvor (24 h) uključujući ispiranje destilovanom vodom i ultrasonično čišćenje (5 min). Primerci se zatim suše u peći na 40 °C (24 h) i konačno termalno tretiraju na 600 – 800 °C (1 h). S obzirom da titan ima tendenciju za stvaranje oksida termalni tretman se obavlja pod pritiskom od 10-4 do 10-5 Torr. Nakon tretmana titanska površina postaje porozna. (slika 15). (Beak, 2002.)
Slika 15: Izgled površine alkalno i
termalno tretiranog titana
(Beak, 2002.)
U toku alkalnog tretmana dolazi do parcijalnog rastvaranja TiO2 usled jakog dejstva hidroksilnih grupa i hidratacije titana (Beak, 2002.):
IV.3. Anodna oksidacija titana
Anodna oksidacija podrazumeva stvaranje zaštitnih oksidnih filmova na anodnoj površini metala. Različita razblaženja kiselina (H2SO4, H3PO4 i dr.) se koriste kao elektroliti u ovoj metodi. Prednost anodizacije titana ogleda se u poboljšanju adhezije i učvršćenju veza, što je naročito važno u kosmičkoj industriji. Strukturna i hemijska svojstva anodnih oksida mogu varirati u zavisnosti od procesnih parametara kao što je anodni potencijal, sastav elektrolita, temperatura i dr. Aparatura za anodnu oksidaciju šematski je prikazana na slici 16. (Beak, 2002.)
Slika 16: Šematski prikaz aparature za anodnu oksidaciju (Beak, 2002.)
Reakcije anodne oksidacije mogu se prikazati na sledeći način (Ti / Ti-oksid):
Ti-oksid / elektrolit (joni kiseonika reaguju sa Ti u formiranju oksida) (Beak, 2002.):
Slika 17: Izgled površine titana usted oksidacije u 1 M H2SO4 rastvoru na 155 V (Beak, 2002.)
IV.4. Biohemijska modifikacija titana i njegovih leguraBiohemijska modifikacija biomaterijala podrazumeva biološko i biohemijsko poznavanje ćelijskih funkcija, mehanizama adhezije i diferencijacije. Cilj modifikacije jeste pobuđivanje ćelija i tkiva odgovornih za imobilizaciju peptida, proteina i faktora rasta. Različite tehnike, kao silanizacija titana, fotohemija i imobilizacija proteina se koriste za poboljšanje biokompatibilnosti titana i njegovih legura. Ove tehnike koriste u tu svrhu fizičku adsorpciju posredstvom elektrostatičkih sila, van der Walls-ovih sila ili hemijskih veza. S obzirom na postojanje TiO2 filma, modifikovani sloj nije u direktnom kontaktu sa substratom kao što je prikazano na slici 13. Pošto je TiO2 površina relativno inertna, samo par organskih reagenata, kao što su organosilani, organofosfati i fotosenzitivni reagensi sposobni su za stvaranje čvrste hemijske veze. Kovalentno pricvršćivanje organosilana smarta se dobrom metodom za pospešivanje površinskih osobina. Siloksan-filmovi sintetizovani su na mnogim čvrstim površinama uključujući metalne površine, keramiku i polimere. Silanska tehnologija koristi se i za titanske površine za povećanje metal-metal i metal-polimer adhezije i imobilizaciju enzima. Takođe ova tehnologija je korisna za kalemljenje biomolekula unutar titanijumskih impantanata zarad biokompatibilnosti. (Liu, 2004.)
Slika 18: Šematski prikaz biohemijske modifikacije Ti-površine; A-polimerizacija; B-međuprostor između funkcionalnih grupa Ψ i Ti-površine; C-organofunkcionalne grupe (Liu, 2004.)
V. FIZIČKE METODE TRETMANA TITANAOksidi titana su predmet brojnih istraživanja uglavnom zbog postojanja velikog broja jedinjenja različitih struktura, stehiometrije i osobina. Počev od 1940. g. objavljeno je nekoliko studija o strukturama TiOx. Jedna grupa oksida gde je 0,80 < x < 1,25 smatra se titan-monoksidom i vrlo je specifična, jer istovremeno sadrži vakancije na mestima predviđenim i za anjone i za katjone. Raspored šupljina zavisi od stehiometrije i termičkog tretmana. U zavisnosti od rasporeda šupljina, TiO se javlja u dve modifikacije: neuređena kubna i uređena monoklinična. Zbog direktnih Ti–Ti veza titan-monoksid ima provodnost poredivu sa metalnom. Jedna grupa ruskih istraživača objavila je nekoliko radova u kojima su prikazani rezultati ispitivanja nekih osobina titan-monoksida, na primer: parametri rešetke, gustina, broj i raspodela šupljina . Druga grupa oksida, opšte formule TinO2n-1, 4 ≤n ≤ 10 (ili TiOx, 1,75 < x < 1,90), poznata je kao Manjelijeve faze. Ovi plavocrni oksidi imaju široku primenu zbog provodnosti poredive sa grafitnom i otpornosti na koroziju, tako da su njihove električne i magnetne osobine dosta ispitivane. Njihova struktura je neobična i izvodi se iz strukture rutila, TiO2, koja predstavlja deformisano najgušće pakovanje O2-, gde Ti4+popunjavaju svaku drugu oktaedarsku šupljinu. Kako se vrednost n smanjuje, udeo popunjenih oktaedarskih šupljina u Manjelijevim fazama se povećava, tako da se lanci oktaedara skraćuju i posle svakog n-tog oktaedra modifikuju povezivanjem preko zajedničkih pljosni. U poslednjih 20 godina, Manjelijeve faze koriste se kao elektrode u agresivnim sredinama. Ovaj elektrodni material poznat je pod komercijalnim nazivom EBONEX Prema našim saznanjima, osim jednog rada, u literaturi ne postoje podaci o sintezi TiOx mehanohemijskim reakcijama, tako da je osnovni cilj ovog rada bila mehanohemijska sinteza nanostrukturnih oksida titana različitie stehiometrije polazeći od smeše prahova Ti + TiO2, TiO + TiO2 ili Ti2O3 + TiO2.
V.1. Tehnika termalnog raspršivanja
Za vreme procesa površinske modiikacije, kao što je termalno prskanje (sprej) i fizička depozicija pare ne dolazi do hemijskih reakcija. U ovom slučaju, formiranje površinski modifikovanog sloja, filmova ili premaza na titanu i njegovim legurama pripisuju se termalnoj, kinetičkoj ili električnoj energiji. Kada je reč o termalnom prskanju tu dolazi do termalnog topljenja u vidu tečnih kapljica i brzog prevlačenja substrata (kinetička energija). Fizička depozicija pare na filmu uslovljena je reakcijom između površine substrata i okolne pare kao potpora prevlačenju materijala u atomskoj, molekulskoj ili jonskoj formi. Termalno prskanje zahteva uređaje koji generišu visok temperaturni plamen ili plazma-mlaz. Osnovna razlika između plamena i plazme jeste upravo maksimalna temperatura koja se može ostvariti. Materijali koji se premazuju zagrevaju se gasovima u plamenom spreju dok električna struja proizvodi energiju plazmatrona. Konvencionalna oksiacetilenska baklja proizvodi temperaturu od oko 3000 K. Takođe, plazma-sprej metoda koja koristi električnu energiju kao izvor plazme može teorijski proizvesti visoke temperature. Pored ove dve tehnike, u industriji se koriste i lasersko premazivanje i lučno premazivanje. Termalno premazivanje kao metoda sa energetskim izvorom ilustrovana je na slici 19. (Liu, 2004.)
Slika 19: Tehnika termalnog prskanja i glavni energetski izvori (Liu, 2004.)
V.2. Tehnika plazma-spreja, fizičko deponovanje pare i jonska implantacijaTehnika plazma-spreja obuhvata atmosfersko plazma-raspršivanje i vakuum plazma-raspršivanje. Šematski prikaz plazma-sprej baklje dat je na slici 15. Visokoenergetska plazma tehnika jedana je od najčešće korišćenih termalnih tehnika. Temperatura, gustina i brzina samog mlaza plazme je važna s aspekta formiranja prevlake. Temperatura mlaza zavisi pre svega od stepena jonizacije pri čemu je uobičajena temperatura u glavnoj zoni relativno konstantna i iznosi 12.000 K. U toku procesa dolazi do interakcije čestica sa okolnim gasovima i plazmom pri čemu sama interakcija obuhvata mehanizam gasne adsorpcije, difuziju i mehaničko mešanje produkata. Kada rastopljene čestice dođu u dodir sa substratom njihova kinetička energija se konvertuje u termalnu. Da bi se uspostavila dobra veza izmedu premaza i podloge, neophodno je da podloga prethodno bude odmašćena nekim organskim rastvaračima. Ekonomski posmatrano metoda plazma-spreja je izuzetno opravdana uz niske eksplatacione troškove. Uobičajeni premazi koji se deponuju na titansku površinu posredstvom plazma-spreja su inertni materijali sa dobrim mehaničkim osobinama kao što su Al2O3 i ZrO2. Ovi se premazi naročito koriste u kliničke svrhe s obzirom da imaju dobar otpor habanju i koroziji. (Liu, 2004.)
Slika 20: Šematski prikaz plazma-sprej baklje (Liu, 2004.)
Bioaktivno staklo je čak jednom deponovano na titanu i njegovim legurama posredstvom plazma-sprej metode. Premaz od bioaktivnog stakla zadržalo je osobine originalnog stakla s obzirom na amorfnu strukturu i ponašanje u hidrolitičkoj sredini. Ideja da se plazma metoda iskoristi za proizvodnju bioaktivnog volastonita i dikalcijuma kao sredstva za premazivanje titana prvi put je plasirana od strane Liu-a. Tako, izgled raspršenog dikalcijum-silikata na titanijumu koji je dvodnevno u kontaktu sa telesnom tečnošću ljudskog organizma je prikazan na slici 21, dok je morfologija površine prevučene volastonitom i dikalcijum-silikatom sraslim sa osteoblastom ilustrovana na slici 22. (Liu, 2004.)
Slika 21: Titana površina prevučena dikalcijum-silikatom u dvodnevnom kontaktu sa telesnom tečnošću ljudskog organizma (Liu, 2004.)
Slika 22: Morfologija površine srasle sa osteoblastom: a) volastonitni premaz; b) dikalcijum-silikatni premaz (Liu, 2004.)
Fizička depozicija pare kao metoda sastoji se u promeni čvrste faze u parnu ključanjem. U vakuumu, isparavanje materijala dovodi do formiranja atoma, molekula ili jona koji se kasnije transportuju do površine substrata, pri čemu često kondenzacija i reakcije sa površinom materijala utiču na razvoj filma. (Tung, 1998.)Važni procesi i parametri unutar ove metode su: stvaranje čestica ciljnog materijala, transport i rast filma, energija čestica, temperatura substrata i osobine reaktivnih gasova. Ovaj proces karakteriše se visokom gustinom premaza i jakom adhezijom kao i niskom temperaturom substrata. Fizička depozicija pare kao proces obuhvata isparavanje i raspršivanje. Isparavanje se izvodi u vakuumu na 0,1-1 Pa, tako da se isparljivi atomi transportuju do površine pre kondenzacije. U procesu raspršivanja, pozitivni joni argona proizvedeni u plamenu bombarduju ciljni materijal (katoda), izbijaju atome, ulaze u parnu fazu i deponiju se pravcu substrata. Pritisak gasa u komori iznosi 2-15 Pa a depozicioni opseg 25-1000 nm/min. Raspršivanje je fleksibilna standardna metoda koja se najčešce koristi za deponovanje tankih filmova. Svoju primenu nalazi u semikonduktorima, tehnikama snimanja i automobilskoj industriji. Keramika i vatrostalni materijali na kojima se teško primenjue metoda isparavanja lako ostvaruju uslove deponovanja primenom raspršivanja. Jedan od načina rasršivanja je tzv. magnetron raspršivajući sistem sa rešetkom, koji je prikazan na slici 23. Pomoću ovog sistema se npr. bioaktivni keramički premazi deponuju na titanu. (Tung, 1998.)
Slika 23: Šematski prikaz magnetron-raspršivajućeg sistema (Tung, 1998.)
Kod procesa jonske implantacije energični joni uvode se u površinski sloj čvrste podloge bomrdovanjem. Proces obuhvata konvencijalnu jonsku impalntaciju i plazma-jonsku impantaciju. (Liu, 2004.)Kod konvencionalne metode joni se izdvajaju iz jonskog izvora, ubrzavaju se i usmeravaju a zatim se nakon selekcije mlazeva bombarduje podloga. Šematski prikaz procesa konvencijalne jonske implantacije dat je na slici 24, dok je na slici 25 prikazan proces plazma-jonske implantacije.
Slika 24: Šematska ilustracija konvencijalne (mlazne) jonske implantacije (Liu, 2004.)
Kod procesa plazma-jonske impalntacije, plazma obrazuje oblogu oko radne površine a joni se ubrzavaju kroz plazmu normalno na radnu površinu.
Slika 25: Šematski prikaz plazma-jonske implantacije (Liu, 2004.)
VI. REZIMEU ovom radu dat je pregled mogućnosti korišćenja titana i njegovih legura u biomedicinske svrhe. U okviru toga dat je i uvid u najčešce korišćene metode za modifikaciju površine titana i njegovih legurau u cilju poboljšanja mehaničkih, hemijskih i bioloških karakteristika. Modifikacione metode klasifikovane su kao mehaničke, hemijske i fizičke saglasno mehanizmima modifikacije površina. Sa razvojem površinskih tehnika, još više tehnoloških postupaka u okviru njih imaće za zadatak poboljšanje karakteristika titana i njegovih legura u cilju njihove što šire primene u medicini, a naročito u hirurgiji.
VII. LITERATURA
Bania P.J., 1993., Titanium Alloys in the 1990’s, The Mineral, Metals & Materials Society, Warrendale, PA, pp. 3–14.
S.H., Mihec D.F., Metson J.B., 2002., Chem. Vap. Deposition 8 (1), pp. 29.
Browne M., Gregson P.J.,2000., Biomaterials 21, pp. 385.
Dowson D., 1981., Introduction to the Biomechanics of Joints and Joint Replacement, Mechanical Engineering Publications, London.
Kokubo T., H.M. Kim, M. Kawashita, 2003., Biomaterials 24, pp. 2161.
Liu et al., 2004., Materials Science and Engineering R 47, pp. 49–121.
Ratner B.D., 2001., in: D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen (Eds.), Titanium in Medicine, Springer, Berlin,pp. 1–12.
Tung M.S., 1998., Calcium Phosphate in Biological and Industrial System, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, MA.
Freese H. et al., 2001., Titanium in Medicine, Springer, Berlin, pp. 25–51.
Williams D.F., 1987., Definitions in Biomaterials. Progress in Biomedical Engineering, fourth ed. Elsevier, Amsterdam.
Uvod u koroziju i termodinamiku korozijskog procesa, sanja.martinez@pierre.fkit.hr
URL:http://www.corrosion-project.info/predavanja
Termodinamika korozijskog procesa II deo, sanja.martinez@pierre.fkit.hr
URL:http://www.corrosion-project.info/predavanja
Kinetika korozijskog procesa, sanja.martinez@pierre.fkit.hr
URL:http://www.corrosion-project.info/predavanja
Stomatološka protetika 21. stoleća, dr stom. Marija Sović
Integritet biomedicinskih implanta od legura titana (drugi deo), Ivana Cvijović-Alagić i Marko Rakin
Mehanohemija oksida titana Ivana Veljković, Dejan Poleti, Miodrag Zdujić, Ljiljana Karanović
Otpornost zubnih slitina na koroziju, Renata Poljak-Guberina, Dubravka Knezović-Zlatarić, Marina Katunarić
Uporedna analiza korozionog ponašanja titana u rastvorima natrijumhlorida i natrijumsulfata, Dragan Radonjić, Petar Živković
Nenad Radulović
TEHNOLOŠKI TRETMAN OTPADNIH VODA
SADRŽAJ
1. UVOD1.1 Osnovni pojmovi
1.2 Teorija filtracije
1.3 Klasifikacija filtara
2. ODABIR PRAVOG FILTER MEDIJUMA
2.1 Tipovi
2.2 Filter tkanine
2.3 Guma i sintética vlakna
2.4 Kombinacija metala i tkanina
2.5 Metalni i keramički filter medijumi
2.6 ugalj, pesak i dijatomejska zemlja
3. OSNOVNE OSOBINE FILTER MEDIJUMA
4. KRITERIJUMI ZA ODABIR FILTER MEDIJUMA
5. ZAKLJUČAK
6. LITERATURA
1. UVOD
1.1 Osnovni pojmovi
Filtracija je proces razdvajanja-separacija čvrste i tečne faze pod dejstvom pritiska ili vakuuma. Proces filtracije se odvija tokom prolaska najvećeg dela fluida kroz pregradni sloj koji zadržava čvrste čestice na ili unutar sebe. Smeša čiju separaciju treba izvršiti naziva se uobičajeno suspenzija, retki mulj ili muljna tečnost. Izlazni fluid naziva se filtrat, a pregradni sloj filtracioni medijum. Ukoliko je filtracioni medijum zrnast, koristi se naziv ispuna. Za izdvojeni čvrsti materijal koji se akumulira u količinama koje vidljivo prekrivaju filtracioni medijum i tada sam čini medijum, koristi se naziv pogača.Skup opreme-kućište za filtracioni medijum, prostor za akumulaciju pogače (ukoliko je potreban), prostor za suspenziju i filtrat, ispusne površine i kanali za filtrat, kao i oprema za dovod i odvod materijalnih tokova, naziva se filtar. (Baras, 1995.)
U obradi otpadnih voda filtracija se koristi za: uklanjanje biomase nastale tokom biološke obrade u sekundarnim taložnicima, uklanjanje taloga iz precipitacije fosfora, uklanjanje čvrstog ostatka nastalog tokom hemijske koagulacije otpadnih voda u fizičko-hemijskoj obradi i u savremenim postupcima, zgušnjavanje muljeva (rotacioni vakuum-filtri), obezvodnjavanje stabilizovanih muljeva. (Baras, 1995.)
1.2 Teorija filtracije
Mada su filtracioni procesi bili razvijani više na bazi empirijskih saznanja nego na teorijskim postavkama, teorija filtracije je veoma značajna u industrijskoj praksi. Iako se filtraciona teorija još uvek retko koristi u stvarnom projektovanju filtara za zadatu operaciju, ona je veoma značajna za interpretaciju laboratorijskih testova, za postizanje optimalnih uslova filtracije i za predviđanje efekata promena u radnim uslovima. Korišćenje teorije je ograničeno činjenicom da se filtracione karakteristike moraju uvek određivati za aktuelnu otpadnu vodu, odnosno da podaci dobijeni za jednu otpadnu vodu nisu primenjljivi za neku drugu. Teorijsko razmatranje filtracije je vezano praktično isključivo za proces kroz pogaču. (Knežić, 1994.)Za takav proces filtracije je uobičajeno stvaranje sloja čvrstih cestita na površini poroznog medijuma, čime se formira ukupni filtracioni medijum. Čvrsti materijal se deponuje i povećava debljinu pogače, dok bistra tečnost prolaza kroz sloj. Tako pogaču čini debela masa cestita nepravilnog oblika, između kojih se provlače sitne kapilare. Proticanje tečnosti kroz kapilare je uvek strujno. Na osnovu teorije o strujanju fluida kroz porozne sredine, dobija se jednačina filtracije, koja se najčešće prikazuje u obliku (Baras, 1995.):
koji daje diferencijalnu brzinu filtracije po jedinici površine kao odnos pogonske sile-razlike pritisaka i proizvoda viskoziteta i zbira otpora pogače i filtracionog medijuma. U ovoj jednačini su (Baras, 1995.):
V- zapremina dobijenog filtrata,
A- veličina filtracione površine,
t- vreme,
∆P- ukupan pad pritiska kroz filtracioni medijum i pogaču,
µ- viskozitet fluida,
W- masa suve čvrste materije u pogači,
α – srednji specifični otpor pogače,
R- otpor filtracionog medijuma.
1.3 Klasifikacija filtara
Filtri, odnosno filtracija se klasifikuje na veći broj načina (Baras, 1995.):a) Prema pogonskoj sili – Filtrat protiče kroz pregradni sloj usled hidrostatičkog pritiska (gravitacija), nadpritiska pred pregradnim slojem, podpritiska iza sloja (vakuum) ili usled centrifugalne sile kroz sloj. Uobičajeno je da se centrifugalna filtracija tretira kao fenomen koji se povezuje sa centrifugalnim taloženjem, a tek sekundarno kao filtracija.
b) Prema filtracionom mehanizmu – Model prema kome se filtrirane čvrste čestice zaustavljaju na površini medijuma pri čemu se formira pogača.
c) Prema funkciji – Cilj procesa filtracije može biti dobijanje suvog čvrstog materijala (pogača je vrednosni proizvod), dobijanje tečnosti-filtrata ili oba.
Prvi cilj se ostvaruje jedino putem filtracije kroz pogaču, a drugi i filtracijom kroz medijum i filtracijom kroz pogaču.
d) Prema načinu rada – Filtri mogu biti diskontinualni (šaržni) ili kontinualni.
Šaržni filtri mogu radita pri konstantnom pritisku i pri konstantnoj brzini (protoku) filtracije, ili sa promenjljivim vrednostima pritiska i brzine (protoka) u toku ciklusa.
e) Prema prirodi čvrstog materijala – Čestice koje formiraju pogaču mogu biti kompresibilne ili potpuno krute.
Pomenuti načini klasifikacije se ne isključuju međusobno, nisu ni jedini. Filtri se često najpre dele prema filtracionom mehanizmu, zatim u grupe uređaja koji koriste istu vrstu pogonske sile, zatim u diskontinualne i kontinualne klase itd.
2. ODABIR PRAVOG FILTER MEDIJUMA
Funkcija filtracionog medijuma je obezbeđivanje površine substrata kroz koju će proći suspenzija i suspendovane soli. U uslovima povišenog pritiska ili vakuuma uspostavljenog na jednoj strani medijuma, tečnost će prolaziti kroz filter medijum ostavljajući za sobom suspendovane čestice pričvršćene za sam medijum, i čist filtrat koji izlazi iz filtracionog aparata. Uprošćen prikaz dat je na slici 1. U mnogim slučajevima, medijum je najvažniji deo filtracionog aparata. Prilikom odabira adekvatnog medijuma treba sagledati osobine medijuma, trajnost i ekonomske uslove (cena). (Cheremisinoff, 2002.)
Slika 1:Filtracija pod pritiskom (Cheremisinoff, 2002.)
2.1 Tipovi
Postoji mnogo tipova filter medijuma od kojih treba odabrati jedan; međutim optimalni tip zavisi od osobina suspenzije i specifičnih uslova procesa. Medijumi se mogu klasifikovati u nekoliko grupa. Površinski tip filter medijuma karakteriše se mogućnošcu zadržavanja čvrstih čestica iz suspenzije na medijumskoj površini (slika 2). U ovom slučaju radi se o česticama koje ne prodiru u pore. Opšti primeri ovakvih tipova medijuma su filter papir, filterska tkanina i filterska mreža. (Cheremisinoff, 2002.)
Slika 2: Površinski tip filtracije (površinski medijum) (Baras, 1995.)
Slika 3: Dubinski filter medijum (Baras, 1995.)
Pore ovakvih medijuma znatno su veće od čestica u suspenziji, a čestice se zadržavaju na porama mehanizmima adsorpcije i taloženja. Generalno gledano, ovi tipovi medijuma nemaju sposobnost zadržavanja svih čestica suspenzije.
Procenat njihovog zadržavanja je izmedu 90 i 99 %. Pesak i filter sita, na primer spadaju u ovu kategoriju. Često je praksa klasifikovati filter medijume prema materijalima od kojih su izrađeni. Primeri za to su: pamuk, vuna i stakleno vlakno. Staklena vlakna su termalno rezistentna, otporna na koroziju i visoko su otporna na rastezanje. Sa njima je lako rukovati, a sastav i dimenzije vlakna mogu se menjati prema želji. Mana ovih materijala je nizak otpor prema abraziji. Međutim, njihov životni vek može se produžiti potpornim materijalima, olovnim pločama ili gumom. Pamučna ili gumena potpora povećava dugovečnost ovih materijala za 50 %. (Cheremisinoff, 2002.)
2.2 Filter tkanine
Pamučna filter tkanina najčešće je u primeni. Ona se uglavnom koristi za separaciju neutralnih suspenzija na temperaturama iznad 100 °C, kao i za kisele ili bazne suspenzije. Hlorovodonična kiselina na 90-100 °C može uništiti ovaj materijal za sat vremena. 2,5 % azotna kiselina i 5% sumporna kiselina izazivaju slične efekte. 70% fosforna kiselina uništava tkaninu za šest dana. Stoga je trajnost ovakvih tkanina od izuzetne važnosti. Ovakve tkanine mogu se instalirati unutar bubanjskih sistema pri čemu se na taj način može povećati poroznost i trajnost kao i manji otpor formirane pogače. Na slici 4 je prikazan poprečni presek listova komorne filter prese. Kako se vidi, listovi koji su po površini ižljebljeni, prekrivaju se filtracionom tkaninom, ređaju u slog naizmenično sa odstojnicima i sve se zajedno priteže. Suspenzija se kroz šuplju osovinu koja prolazi kroz sve listove dozira u prostor između listova. Tečnost se pod dejstvom pritiska cedi kroz tkaninu u žlebove i odvodi izvan prese kroz slavine, dok talog zaostaje u prostoru između listova. Ovakvih listova može biti naslagano i 100 komada, tako da se u jednoj presi dostižu površine filtracije i do 200 m2. Presa radi pod pritiskom do 15 bara. Pogodnost ovakve konstrukcije se ogleda u tome što je izborom dovoljnog broja listova lako postići zahtevani kapacitet filtracije. Osim toga, ukoliko se filtraciona tkanina na nekom od listova procepi (što se odmah zapaža po zamućenju filtrata), dovoljno je zatvoriti slavinu na tom listu. Filter-presa radi diskontinualno: kada se nakupi suviše taloga,ona se mora rasklapati i čistiti. (Cheremisinoff, 2002.)
Slika 4: Komorna filter presa sa listovima prekrivenim filter tkaninom (Baras, 1995.)Postoje i nitro-pamučne tkanine koje imaju strukturu sličnu običnom pamuku sa snagom rastegljivosti od 70-80%. One su otporne na koroziju i dejstvo ranije spomenutih kiselina. Preporučuju se za filtraciju 40% sumpornih rastvora na temperaturama većim od 90 °C jer imaju mogućnost uklanjanja amorfnih čestica što je za većinu keramičkih materijala prepreka. Nitro-filtarske tkanine koje se koriste kao filtarske prese sastavljene su od nitratne celuloze koja predstavlja zapravo estar celuloze. Kaustična soda ili potaša na 70 °C, alkalni sulfidi, plisulfidi i sulfohidrati, ili mešavine etil alkohola i butil acetata hemijska su jedinjenja koja štete ovoj tkanini. Važno je napomenuti i to da je nitratna celuloza zapaljiva i eksplozivna tako da se zahteva pažljivo rukovanje istom. Vunene tkanine se mogu koristiti za kisele rastvore koncentracije do 56%. Odlikuju se dugovečnošću. Papirna pulpa i vlaknaste tkanine odlični su materijali koji služe kao potpora filtraciji. Papirna pulpa ima visok nivo protočnosti ali zahteva kompresiju unutar filtarskih presa. Nakon opterećenja nečistoćama što se može videti kroz pad protoka vode, pulpa se mora prati i vratiti u presu. Obloge napravljene od pulpe i azbesta upotrebljavaju se u bakteriološkoj filtraciji. Sulfatna pulpa koja se često koristi kao filter medijum brzo se raspada. Dijatomejska zemlja je veoma laka za rukovanje i ne raspada se. Filter papiri se obično koriste za filtraciju kroz staklene ili porcelanske levke u laboratorijske svrhe. Međutim, oni se mogu koristiti i u industrijskim uslovima u pločastim formacijama direktno kao filter prese. Kada se koriste u svrhe bistrenja, nakon završenog procesa nisu više upotrebljivi. (Cheremisinoff, 2002.)
2.3 Guma i sintetička vlakna
Komercijalni medijum od gume sadrži pore dimenzija 0,012-0,004 in. Proizvodi se od meke gume ili mekog neoprena. U sastavu ovog medijuma nalaze se ravnomerno rasporođene sferne rupe dubine 0,020 in, a broj tih rupa po jedinici površine određuju njegovu poroznost. Rupe su prekrivene lateks filmom koji služi kao klopka za vazduh. Toplota ispod lateks prekrivača dovodi do ekspanzije vazduha i do stvaranja mehurova u lateks filmu. Ovaj medijum može se redovno prati i koristiti na temperaturama višim od 180 °F. Tkanine od sintetičkih vlakana imaju prednost u odnosu na mnoge tkanine od prirodnih vlakana pa su kao takve predmet razmatranja njihove upotrebe kao filtarskog medijuma. Najrasprostranjenija sintetička vlakna su najlon i vlakna na bazi polivinil hlorida, vinilhlorida i akrilonitrila. U tabeli 1 date su neke fizičke osobine filterskih medijuma od sintetičkih vlakana. (Cheremisinoff, 2002.)| Sintetičko vlakno | Kiseline | Baze | Temper. limit (°F) |
| Akrilan | Dobra inertnost | Dobra inertnost | 275 |
| Najlon | Inertnost | Dobra inertnost | 300 |
| Poliakrilonitril | Dobra inertnost | Inertnost | 275 |
| Polivinilhlorid | Dobra inertnost | Dobra inertnost | 240 |
| Teflon | Visoka inertnost | Visoka inertnost | 180 |
Tabela 1: Neke fizičke osobine sintetičkih vlakana (Cheremisinoff, 2002.)
U poređenju sa prirodnim vlaknima, sintetička vlakna su inertna u većini kiselih i baznih rastvora i rezistentna na rast bakterija i gljiva (stepen rezistentnosti zavisi od tipa tkanine).Nekoliko tipova sintetičkih vlakana pokazuju otpor visokim temperaturama, i imaju glatke površine koje su lake za rukovanje i jednostavno se čiste.
2.4 Kombinacija metala i tkanina
Kombinacije metalnih i nemetalnih tkanina sastoje se od metalnih žica ili azbestnih niti. Postoje izvesne poteškoće u samoj tehnologiji izrade ovakvih tipova medijuma, pre svega u postizanju uniformnosti između tkanine i žica. Azbestne niti lako se mogu utkati u pamučnu tkaninu, međutim tom prilikom može se uništiti toplotni i korozivni otpor pamučne tkanine. Na taj način može se ograničiti primena pamuka uprkos njegovom toplotnom otporu i otpornosti prema dejstvu kiselina. Pamučne tkanine često se tretiraju bakar-sulfatom radi pospešivanja korozivne rezistentnosti. Kombinaciju sa metalnim vlaknima karakterišu sledeći izrazi: Mesh – Broj otvora po inču (tzv. broj okaca); Prečnik žice utkane u tkaninu; Velična otvora između paralelnih žica. U tu svrhu koriste se sledeći metali i njihove legure: Galvanizovani čelik, mesingana bronza, bakarne legure, galvanisani čelik legiran na visokoj temperaturi, oplemenjeni čelik, nikal i nerđajući čelik tipa 300, 321, 304, 316, 330 i 410.2.5 Metalni i keramički filter medijumi
Metalni filter medijumi nalaze primenu u hemijskoj i procesnoj industriji u vidu perforiranih tanjira od čelika, bronze ili drugih metala. Projektovani su i proizvedeni za uklanjanje grubih čestica. U zavisnosti od specijalnih zahteva oni se proizvode sa različitim fizičkim karakteristikama u smislu sastava, strukture, poroznosti, snage, oblika i veličine. Uobičajena poroznost je do 50 %, dok je otpor kidanju i rastezanju do 10,000 psi. Materijali od teških metala imaju dug vek trajanja i ne podležu abraziji. Metalni filter medijumi mogu se koristiti za filtraciju kroz pogaču ili dubinsku filtraciju. Regeneracija medijuma vrši se rastvaranjem čvrstih čestica unutar pora. Keramički filter medijumi proizvode se od kvarca pomešanog sa silikatnim staklom. Kvarcni medijumi rezistentni su na mineralne kiseline ali ne i na nisko-koncentrovane baze ili neutralne vodene rastvore soli. Šamotni medijumi otporni su na mineralne kiseline i vodene rastvore soli. Međutim, oni imaju nizak stepen rezistentnosti na alkalne tečnosti. Gruba površina keramičkih filter medijuma potpomaže adsorpciju čestica.2.6 Ugalj, pesak i dijatomejska zemlja
Ugalj i koks kao filter medijumi se koriste u procesu filtracije vode, za uklanjanje grubih čestica iz suspenzije. Ugalj je uglavnom inertan za kiseline i baze. Umesto uglja se može koristiti pesak koji pokazuje inertnost prema kiselinama. Filtracija kroz pesak je najjeftiniji i najčešće primenjivani postupak tercijarne obrade voda. Primenjuje se za potpuno uklanjanje suspendovanih čestica i za smanjenje sadržaja BPK5. Filtri sa peskom kao medijumom se dele na brze filtre pod pritiskom i spore otvorene filter (gravitacione). Brzi filtri rade pod pritiskom od 2 do 2,5 MPa. Pranje ovakve ispune vrši se vazduhom i vodom. Takođe postoje i multimedijalni (mešani) filteri koji u sebi sadrže više različitih medijuma, raspoređenih po visini filtar kolone. Ovi filtri su bolji u pogledu manjeg investicionog ulaganja i manjeg zauzeća radnog prostora, ali su skuplji za održavanje pošto nije moguće promeniti samo jednu ispunu, već se kompletan sadržaj filtar kolone menja, a takođe imaju i slabije separacione karakteristike jer voda prolazi kroz manji sloj pojedinačne ispune nego kada je reč o zasebnim filtarskim kolonama (slika 5).
Slika 5: Multimedijalni filter Slika 6: Patrona sa aktivnim ugljem
Aktivni ugalj se može koristiti kao medijum u tzv. filter svećama. Filter sveće su filtri sačinjeni od kućišta i mikrofiltar patrone kroz koju protiče tečnost koja se fitrira (voda, ulje…). Patrone sa aktivnom ispunom odstranjuju određenu vrstu neželjenih primesa u zavisnosti od tipa ispune. Patrona sa aktivnim ugljem uklanja hlor, pesticide, insekticide, toksične materije (slika 6). Aktivni ugalj naročito se koristi za uklanjanje organskog zagađenja iz otpadnih voda. Efikasnost uklanjanja organskog zagađenja zavisi od adsorpcije zagađujućih čestica na specificnoj površini uglja. Granule aktivnog uglja u procesu prečišćavanja otpadne vode ilustrovane su na slici 7. Veličina pora aktivnog uglja glavni su faktor procesa adsorpcije. Proces adsorpcije zavisi od fizičkih karakteristika uglja i molekularne veličine adsorbata. Postoje dva tipa aktivnog uglja: granulisani i aktivni ugalj u prahu. (Cheremisinoff, 2002.)
Slika 7: Granule aktivnog uglja u procesu prečišćavanja otpadne vode
(Cheremisinoff, 2002.)
Kada se dijatomejska zemlja koristi kao filter medijum, ona se nanosi pre početka svakog ciklusa filtracije na noseći pregradni sloj, a odnosi na kraju svakog ciklusa. Debljina dijatomejskog medijuma iznosi 1,5 do 3 cm. U toku procesa filtracije moguće je dodavati i sredstva za potpomaganje filtracije – takođe dijatomejsku zemlju ili perlit, čime se znatno produžava trajanje filtracionog perioda. Čestice dijatomita postoje u raznim oblicima: simetrični diskovi, prutići, cilindri i oblici slični pahuljama snega. Medijumi od dijatomejske zemlje proizvode se na temperaturaza iznad 800 °C. (Cheremisinoff, 2002.)3. OSNOVNE OSOBINE FILTER MEDIJUMA
Fizičke osobine filter medijuma i sile privlačenja između čestica imaju uticaja na protočni režim sistema za filtraciju. Jedna od takvih osobina je gustina materijala koji se oslobađa iz sistema filtracije. Masena gustina se definiše kao ukupna masa materijala po jedinici zapremine i zavisi od veličine čestica, srednje gustine čestica, sadržaja vlage i efekata separacije (češce poznata kao gustina pakovanja). Masena gustina (kg/m3) se može izraziti kao (Cheremisinoff, 2002.):
gde je G1 i G težina punih i praznih cilindara, respektivno, a V zapremina cilindara, ili kao (Cheremisinoff, 2002.):
gde je ρp gustina čestica a ε stepen poroznosti (obično ima vrednost 0,4 do 0,45)
Druga važna osobina je zapremina pora. Ona se može indirektno određivati sa adsorcionih i desorpcionih izotermi ili ubacivanjem žive putem hidrostatičkog pritiska u pore pri čemu se dobija tačna informacija o zapremini svih pora. Što se tiče vlage (%), ona se može odrediti kao (Cheremisinoff, 2002.):
gde su Gw i Gd težine vlažnog i absolutno suvog materijala, dok se sadržaj vlage (%) može izraziti kao(Cheremisinoff, 2002.):
Slobodno proticajuće granule: 25 °< β < 30° ili 30 °< β < 38°
Prahovi: 38 °< β < 45°
Kohezivni prahovi: 45 °< β < 55°
Šematski prikaz ugla pod kojim se vrši regeneracija (ugao mirovanja) dat je na slici 8 dok je ugao pod kojim se vrši unutrašnje trenje (α) ilustrovan na slici 9:
Slika 8: Ugao mirovanja (regeneracije)(Cheremisinoff, 2002.)
Slika 9: Ugao unutrašnjeg trenza (Cheremisinoff, 2002.)
Obično je ugao mirovanja veći od ugla unutrašnjeg trenja. Pored ove dve fizičke karakteristike postoji i treća a to je klizni ugao koji je važan za projektovanje levkastog suda i njegovog nagiba kao i pneumatičnih prenosnih sistema. Ovaj ugao zavisi od tipa i prirode čvrstih čestica i fizičkih karakteristika opreme. U tabeli 2 su prikazani literaturni podaci za fizičko/mehaničke osobine nekih filter medijuma. (Cheremisinoff, 2002.)| Materijal | Masena gustina (g/cm2) | Ugao mirovanja | Unutrašnji ugao trenja | Spoljašnji ugao trenja |
| Fosfatni prah | 1,52 | 36 | 0,49 | 0,37 |
| Kalcijum-hlorid | 0,68 | 35 | 0,63 | 0,58 |
| Karbamid (prah) | 0,54 | 42 | 0,825 | 0,56 |
| Superfosfat (granulisani) | 1,1 | 31 | 0,64 | 0,46 |
| Superfosfat (prah) | 0,8 | 36 | 0,71 | 0,7 |
| Talk | 0,85 | 40 | - | - |
| Kreda | 1,1 | 42 | 0,81 | 0,76 |
| Fini pesak | 1,51 | 33 | 1,0 | 0,58 |
| Fini ugalj | 0,95 | 36 | 0,67 | 0,47 |
Tabela 2: Fizičko/mehaničke osobine nekih materijala koji se koriste kao filter medijumi
(Cheremisinoff, 2002.)
4. KRITERIJUMI ZA ODABIR FILTER MEDIJUMA
Tri su značajna faktora koja utiču na kapacitet procesa filtracije i na koje treba obratiti pažnju: otpor koji pruža materijal od kojeg je načinjen filtracioni medijum, otpor zbog začepljenja pora medijuma i otpor sloja (talog, pogača) koji se prilikom procesa filtracije stvara na površini medijuma. Zbog tih se otpora u filtraciji pažljivo bira pritisak da bi se osigurao protok tečnosti kroz medijume. Povećanjem zadržanih čestica na medijumu dolazi do “koncentracijske polarizacije” medijujma. Kada ukupni otpor dosegne graničnu vrednost, filtracija se mora zaustaviti a medijum oprati. S tog stanovišta važno je odabrati medijum koji je lak za rukovanje u smislu pranja. (Cheremisinoff, 2002.) Takođe, transmedijumski pritisak (razlika pritisaka iznad medijuma) presudan je u planiranju procesa filtracije i odabira medijuma.On se može kretati od manje od 1 bara do 80 bara, što zavisi od željenog tipa procesa u željenom stepenu filtracije.
Odabir veličine pora medijuma uz primenu oprimalnih procesnih uslova može osigurati minimalno začepljenje medijuma i može dovesti do željenog sastava filtrata. (Cheremisinoff, 2002.) Na delotvornost bilo kojeg procesa filtracije utiču brojni parametri, a među njima najvažniji su aktivni materijali od kojih su izrađeni medijumi i njihov držač. Međutim, za ekonomičnost procesa vrlo je bitna i hidrodinamika celog postrojenja. Za potrebe prehrambene industrije, keramički medijumi su mehanički dovoljno izdržljivi, a peru se kiselinama (nitratna kiselina i kaustična soda). Radna površina medijuma je različita. Vrednosti se mogu kretati od 0,2 m2 do 10 m2 ili više (Cheremisinoff, 2002.). Temperature koje medijumi mogu podneti takođe zavisi od vrste. Keramički su medijumi jako otporni ali i najskuplji.
5. ZAKLJUČAK
Filtracija je operacija razdvajanja heterogene smeše tečnosti i čvrstih čestica pomoću filter medijuma koji je propusan samo za tečnost. Čvrste čestice se zadržavaju na medijumu formirajući filtersku pogaču kroz koju tečna faza struji ili se adsorbuje na elementima filterskog medijuma. U ovom radu dat je uvid u neke od medijuma koji se mogu koristiti u filtraciji vode, njihove karakteristike kao kriterijumi na osnovu kojih se vrši odabir adekvatnog filter medijuma. Pritisak ima znatan uticaj na učinak filtracije kao i na količinu zaostale tečnosti u pogači na filter medijumu. Kod odabira filter medijuma bitna je cena, oblik i veličina pora, otpor proticanju tečne faze, pad pritiska na medijumu (uticaj na brzinu strujanja tečnosti u porama i stepenu razdvajanja faza). Takođe, izbor filter medijuma zavisi od hemijskog svojstva suspenzije i filtrata, radnog pritiska, dimenzija čestica taloga i učinka filtracije. Filterski medijumi se mogu izrađivati od tkanina (pamučne, azbest), metalnih mreža od nerđajućeg čelika, aluminijuma i njegovih legura, nikla, bronze itd. 6. LITERATURA
Baras J., 1995., Filtracija, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, str. 53-55.Knežić L.,1994., Priprema vode, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, str. 23.
Cheremisinoff Nicholas P., 2002., HANDBOOK OF WATER AND WASTEWATER TREATMENT TECHNOLOGIES, Woburn, pg. 16-46.
Nenad Radulović
Нема коментара:
Постави коментар