Материал, содержащий молекулярное сито, внедренное в носитель

 

Изобретение относится к материалам, содержащим молекулярное сито, внедренное в носитель, применяемым в качестве адсорбентов и фильтров. Сущность изобретения: в материале, содержащем молекулярное сито, внедрение в носитель для фильтрования жидкости или газа, носителем является пористый материал с размером пор более , а молекулярным ситом является цеолит с размером пор менее . Молекулярным ситом может являться цеолит типа анальцита с размером пор . Носителем может являться жаропрочный материал. Носитель может иметь волокнистую структуру. Поры носителя могут иметь канальную структуру. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение касается материала, содержащего молекулярное сито.

Природные и искусственные цеолитовые молекулярные сита пригодны для разделения смесей органических и неорганических веществ для удаления нежелательных примесей из газов и жидкостей. Одной из областей применения молекулярных сит в настоящее время является осушка газов и жидкостей, например ацетона, бутана, толуола и т.п.

Молекулярные сита применяются также для удаления окиси углерода, углеводорода, азота, метана и т.п. из воздуха. Они находят применение также в ионообменниках.

Молекулярные сита согласно изобретению могут состоять из природных или синтетических цеолитов, причем синтетические цеолиты зачастую имеют такую же кристаллическую структуру, как и природные цеолиты. Природные цеолиты представляют собой, например, алюмосиликаты, имеющие общую формулу Ме_2/hO˙ Al₂O₂ ˙nSiO₂ ˙р H₂O, где Ме - ион щелочного металла (n = 1), в большинстве случаев Nа или К, или щелочноземельного металла (n = 2), обычно Са, реже Ва, Sr или Mg. Кроме того, под ним подразумевается большинство адсорбентов и абсорбентов.

Отделение молекул из жидких или газообразных сред с помощью молекулярных сит осуществляется посредством адсорбции, при этом молекулярное сито функционирует как адсорбент и влияет на адсорбцию величиной и энергетическим характером своей поверхности. Адсорбция ионов, молекул или скоплений молекул и т.п. (адсорбатов) обусловлена энергетическими свойствами граничного слоя между двумя фазами. Адсорбированные молекулы непрерывно ложатся на внутреннюю поверхность адсорбента и покрывают ее. Через определенный промежуток времени наступает насыщение, препятствующее дальнейшей адсорбции.

Для осуществления известных до настоящего времени процессов разделения использовались молекулярные сита, поры которых имели 3 в диаметре или более 3 для создания возможности вхождения молекул, отфильтрованных из жидкостей или газов, или для использования огромной внутренней поверхности молекулярных сит.

Цеолиты природной анальцитовой группы, поры которых имеют диаметр порядка 2,6 , не нашли применения в качестве молекулярных сит, так как адсорбируемые или абсорбируемые молекулы из-за их величины не могут проникать в первичные поры анальцит-цеолита. Сама маленькая молекула, например молекула воды, имеет диаметр около 2,9 .

Недостатком известных молекулярных сит является то, что их внутренние поверхности загружаются непосредственно и после того, как количество адсорптива достигнет около 25%, в зависимости от типа молекулярного сита они не могут больше поглощать молекулы.

Загрузка внутренних поверхностей традиционных молекулярных сит происходит уже при контакте с окружающим воздухом или содержащимися в нем молекулами воды. Следовательно, поглотительная способность ограничивается в двух направлениях.

С помощью внедренного в материал-подложку молекулярного сита с диаметром пор менее 3 (первичные поры) создается возможность отделяемые молекулы или частицы вводить в поры или каналы материала-подложки; внутренние поверхности молекулярного сита, диаметр пор которого менее 3 , остаются в значительной степени свободными и сохраняют статический заряд (кулоново притяжение).

Пористо-канальная структура материала подложки может иметь поперечные сечения пор и каналов в тысячу и более раз больше, чем у пор молекулярного сита. В этих сравнительно огромных полостях могут накапливаться соответственно большие количества отфильтровываемых частиц до тех пор, пока статические притяжение адсорбента не станет недостаточным для вовлечения других заряженных частиц в канальную структуру материала-подложки. Имеющаяся в материале-подложке вода, которая могут служить транспортной средой, последовательно вытесняется из каналов поступающими заряженными частицами. Следовательно, поглощающая способность зависит в первую очередь от сил притяжения цеолитового материала, величина поглощенных заряженных частиц не оказывает существенного влияния на количественную вместимость. Таким образом, этот механизм предпочитает частицы с высокой полярностью, например вирусы, молекулы с низкой полярностью могут вследствие этого снова вытесняться из каналов или через поверхностные поры материала-подложки. Следовательно, возможна также селекция, управляемая выбором соответствующих сечений каналов или поверхностных пор материала-подложки, т.е. структуры вторичных пор и каналов. Благодаря возможности применения цеолитов с порами меньше 3 непосредственно в водных средах в молекулярных ситах согласно изобретению создается возможность отфильтровывать вирусы или вообще возбудителей болезней из жидкостей, например из крови или плазмы крови.

При применении в крови материал-компаунд, состоящий из адсорбента и пористого материала-подложки, предварительно, что является предпочтительным, заполняют водой с тем, чтобы из фильтруемой среды не отбиралась вода, а только "полярно захватываемые" частицы. При применении в газообразной среде может быть также произведено предварительное заполнение полостей материала-подложки инертным газом.

Другим преимуществом материала-компаунда согласно изобретнию является экономия электроэнергии при десорбции адсорбтива. Так как поглощенные частицы располагаются только в канальной структуре материала-подложки, а не адсорбируются на внутренних поверхностях цеолитового материала, то, следовательно, регенерация или промывка может осуществляться при значительно меньших затратах энергии и при более низких температурах. Это упрощает выбор материала-носителя, т.е. могут найти применение пластмассы, например, в виде волокон в качестве материала-подложки с огромными поверхностями и, следовательно, с высокой динамикой для материалов-компаундов многократного использования.

Несгораемые пористые материалы-носители, например камень, пемза, глиноземы, пеноматериалы и т.д., включенные в них адсорбенты с диаметром пор менее 3 могут быть применены для очистки выхлопных газов на двигателях внутреннего сгорания, при этом возможна регенерация посредством промывки.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения при применении традиционных цеолитов с диаметром пор больше 3 , поры которых, например, заклеены, достигаются аналогичные результаты, если поры цеолита, диаметр которых превышает 3 , затянуты и закрыты пленкой или оболочкой, непроницаемой для молекул воды, вследствие чего предотвращается проникновение молекул воды. Оболочка может быть выполнена из металла, например алюминия. Присущая цеолитам или молекулярным ситам сила притяжения не может быть вследствие этого подавлена находящимися в канальной структуре материала-носителя молекулами воды. Силы адсорбции и абсорбции частиц молекулярного сита с диаметром пор более 3 сохраняются так же, как и у цеолитов с диаметром пор менее 3 .

Следовательно, в сравнении с активным углем материал-компаунд согласно изобретению отличается более высокой динамикой, емкостью, меньшими затратами энергии при десорбции (генерации) и, кроме того, большей стабильностью нормы. В виде капсул или таблеток материал-компаунд можно принимать вместо активного угля для поглощения имеющихся в желудочном и/или кишечном соке частиц, например вирусов, бактерий и т.п. Посредством внесения магнитно-твердых добавок в материал-компаунд последний при прохождении определенного пути в подлежащей очистке среде может быть просто снова отделен вместе с поглощенными частицами.

Наивысшая динамика продукта достигается в том случае, если этот продукт имеет форму волокна, так как последнее отличается очень большой поверхностью на единицу массы, кроме того, продукт в форме руна очень легко поддается манипулированию в жидкой и газообразной средах.

В виде волокнистой крошки, в которую добавляют еще один компонент, материал может быть введен в систему кровообращения, например, в кровеносное русло живого существа, а затем с помощью соответствующих средств, например магнитных полей, если добавленный компонент подается действию магнетизма, снова выведен из кровеносного русла. Так как дополнительный компонент сам не обладает силой притяжения, что является предпочтительным, можно избежать скоплений в системе кровообращения.

Посредством включения материала-компаунда предпочтительно в гигроскопические жидкости, мази или кремы можно предотвратить попадание возбудителей и болезней на раны и одновременно удалять из ран уже находящихся там возбудителей.

На фиг.1 показано сильно увеличенное волокно с внедренными в него цеолитами; на фиг.2 и 3 синтетическая защитная клетка в виде волокнистой крошки, увеличенная приблизительно в десять тысяч раз, диаметр пор которой больше 3 (в заполненном состоянии); на фиг.4 - поперечный разрез волокна с цеолитовыми частицами, диаметр пор которых меньше 3 (в незаполненном состоянии); на фиг. 5 - увеличенное изображение поры или канала в волокне согласно фиг.4.

На фиг. 1 изображен отрезок волокна 1, в которое внедрены цеолиты 2 в виде тончайшего порошка или гранулята. Внедрение цеолитов 2 в структуру носителя, т. е. в материал, из которого изготовлено волокно 1, не является предметом изобретения. Имеются различные возможности введения цеолитов 2 в волокно 1 во время процесса прядения.

Волокно 1 само состоит из материала, структура которого характеризуется открытыми порами. Эта структура создает возможность поглощения и отдачи воды и водяного пара. Поглощающие водяной пар волокна 1 без цеолитов 2 известны. Поры 3 и каналы 4 волокна имеют поперечное сечение порядка 1000 нм, а внедренные в него частицы цеолита имеют диаметр первичных пор более 3 , c их помощью могут отфильтровываться из окружающей среды частицы 5 типа вирусов, бактерий и молекул 6, которые через поры (вторичные поры) 3 на поверхности материала-носителя могут проникнуть в последний и протягиваться силами притяжения цеолитов 2. Так как молекула 6 воды, имеющая диаметр порядка 2,9 , всегда меньше, чем первичные поры 3 внедренного традиционного цеолита с диаметром пор 3 или больше 3 , и через поры 3 достигает внутренних поверхностей цеолитов 2, отсутствует возможность рационального применения этого молекулярного сита в свободной жидкой или газообразной фазе, в свободной атмосфере или в жидкой среде из-за краткосрочного заполнения его молекулами воды.

Сила притяжения традиционного молекулярного сита из зерна гранулята в результате поглощения, т.е. адсорбции молекул через свои первичные поры 3 до максимального заполнения, т.е. до приблизительно 25 мас.ч., в свободной атмосфере постоянно и быстро уменьшается.

Если же в волокно 1 будут внедрены цеолиты 2 с величиной пор меньше 3 , например с величиной пор, равной 2,6 , то молекулы, частицы и т.д., входящие по каналам 4 пористого волокна 1, проникнут только до ближайшей зоны расположения находящихся там частиц цеолита, вхождение же в первичные поры 3 для них невозможно (фиг.4). Молекулы воды также не могут преодолеть диаметр первичных пор (например, 2,6 ) цеолита 2 анальцитовой группы (см. фиг.5). Благодаря этому сила притяжения цеолита 2 в значительной мере сохраняется, а структура вторичных пор, величина которых измеряется в манометрах и микрометрах, может поглотить и удержать большое число "полярно захватываемых" частиц, молекул, а также бактерий, вирусов и т.п. При заполненных каналах 4 материала-носителя сила притяжения кристаллов цеолита сохраняется, вследствие чего обладающие более высокой полярностью частицы могут, например, диффундировать через заполненную водой канальную структуру. Соответственная часть воды вытесняется при этом наружу. Дальнейшее заполнение прекращается лишь после того, как установится равновесие между адсорбентом и адсорптивом.

Если цеолитовый материал внедрять в пластмассу, то щелочной цеолитовый материал (значение рН около 11,5) может также применяться в чувствительных к щелочи веществах, так как прямой контакт с подлежащей очистке средой, например в области продовольственных товаров или в области гигиены, теперь невозможен. В качестве вещества-носителя подходит, например, полиамид, полиакрил, а также активный уголь; для работы при высоких температурах приемлемы также земли или металлы.

Возможно применение цеолитов 2 с порами более 3 , если поры 3 затянуты или закрыты пленкой или оболочкой, непроницаемой для молекул воды. Присущая цеолитам или микроситам собственная сила притяжения, не может быть подавлена молекулами воды, скопившимися в канальной структуре материала-носителя. Силы адсорбции и абсорбции сохраняются, как и при применении цеолитов с диаметром пор меньше 3 .

Как указывалось, создается возможность, например, бактерии величиной порядка 8-400 нм отделять из жидкостей или газовой фазы. Вирусы имеют сильно заряженную поверхность, вследствие этого они затягиваются зарядными внедренными в материал-носитель адсорбентами во вторичную канальную структуру материала-носителя. Так как молекулы воды не могут войти в первичные поры цеолита, вирусы задерживаются в канальной структуре материала-носителя. Затем молекулы воды притянутыми цеолитом частицами снова последовательно вытесняются из канальной структуры материала-носителя через поверхностные поры последнего. Следовательно, вода служит транспортирующей средой. Создается возможность с помощью предварительно заполненного водой материала-носителя притягивать и адсорбировать самые различные частицы, бактерии и вирусы, а также пестициды.

В результате создается, например, возможность изготовления защитной маски на рот и нос, содержащей выполненное из волокон и молекулярных сит руно, для использования ее в качестве фильтра против проникновения вирусов, бактерий и т. п. и, следовательно, для недопущения инфекций в дыхательные пути (гриппа, насморка и т.п) и других возбудителей болезней (оспы, краснухи, ветряной оспы, свинки, кори и т.д.). С помощью указанного фильтра улавливаются и задерживаются вирусы, находящиеся на капельках, которые выделяются при чихании.

Текстильное волокно, вата или руно могут быть использованы как ватный тампон, респиратор, а также как фильтры в вентиляционных установках и установках кондиционирования воздуха.

Так как щелочные свойства цеолитового материала вследствие внедрения его в пористый материал-носитель не оказывают большего влияния на подлежащие очистке вещества, имеется возможность очищать кровь и плазму от содержащихся в них частиц, например бактерий, вирусов и т.д., при этом кровь проводят по шлангу, заполненному соответствующим образом подготовительным волокнистым материалом, и после прохождения по шлангу снова возвращают в организм человека или животного.

Если в материал-компаунд дополнительно ввести магнитно-твердый металлический материал, например МеCO₃ + FeO₃, то могут быть локализованы и снова отделены циркулирующие в очищаемой жидкости частицы материала-компаунда, например, в виде волокнистой крошки. Эта волокнистая крошка действует как защитная клетка, которая улавливает плавающие вместе с ней частицы (вирусы, бактерии и т.д.). Такая защитная клетка ("клетка убийца") может быть выполнена из волокнистого пористого материала (крошки) как молекулярное сито. Поры (первичные поры) синтетического цеолитового кристалла имеют диаметр менее 3 , например 2,6 . Синтетическое волокно имеет пористую структуру с диаметром пор, например, 1000 нм. Сама волокнистая крошка имеет диаметр около 8 мкм и длину от 8 до 10 мкм, т.е. величину, соответствующую примерно величине лимфоцита Т4. В качестве магнитно-твердого материала может быть, например, как уже указывалось, добавлен МеСO₃ и FeO₃ в виде предварительно обожженного или предварительно спеченного материала и размолотого до величины частиц порядка 0,2 мкм. Эту волокнистую крошку можно вводить в жидкость, например в кровеносное русло или консервированную плазму крови, и по истечении определенного отрезка времени снова отделять с помощью магнитных полей.

Для отделения может быть применен материал из ватки того же состава, что и волокнистая крошка, с магнитно-твердыми частицами (следовательно, поддающийся захватыванию), но при этом материал из ватки подвергается дополнительной магнетизации и во время прохождения он задерживает поддающуюся магнитному притяжению волокнистую крошку.

Возможно применение не только в органических жидкостях, но и при фильтрации жидких пищевых продуктов, при этом волокна (волокнистую крошку) при необходимости перед применением стерильно заполняют водой.

Описанные синтетические защитные клетки могут быть использованы для изоляции известных и неизвестных типов возбудителей болезней (вирусов), когда последние по прохождении кровеносного русла извлекают, например, с помощью вакуумной техники из материала-компаунда. Синтетические защитные клетки могут быть также локально введены в лимфатическую систему.

Наряду с описанным применением для улавливания вирусов, бактерий и т.п. материал-компаунд в соответствующей форме исполнения, например с жаропрочным материалом-носителем типа глинозема и т.д., может быть применен для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, он может быть расположен, например, на выходе глушителя или установлен как отдельная сменная деталь.

Фильтры из материала-компаунда могут использоваться также в установках кондиционирования воздуха и вентиляционных установках в зданиях и транспортных средствах, а также в домашних пылесосах и способствовать отфильтровыванию не только частиц пыли, но и опасных для здоровья возбудителей болезней (вирусов, бактерий и т.п.) так как находящийся в них цеолитовый материал с диаметром первичных пор порядка 2,6 не загружается непосредственно вездесущими молекулами воды и их действие предотвращается. Их можно также применять как обувные вкладки для предотвращения скапливания спор, которое может привести к грибковым заболеваниям ног.

Имеется еще возможность применения материала-компаунда для осушки воздуха в пневматических тормозах автомобилей, благодаря чему в сравнении с традиционным цеолитовым гранулятором с диаметром первичных пор от 3 и выше возможна приблизительно четырехкратная способность поглощения влаги или работа со значительно меньшим объемом.

Другой областью применения являются прокладки в стеклянных изоляторах, например, в виде жгутика, волокна которого изготовлены из материала-компаунда.

Изготовленные из материала-компаунда вставки в запорах емкостей или на внутренних поверхностях последних служат защите содержимого от влаги или удалению влаги из содержимого.

Другой областью применения материала-компаунда в форме волокон является изготовление фильтровальных матов, операционных платков и носовых платков, пеленок и других предметов гигиены. Заделанные в материал платка (целлюлозу) волокна поглощают из попавшей на него влаги болезнетворные частицы, например вирусы и т.п. Традиционное распространение инфекции через повторное использование платков значительно уменьшается. Аналогичным способом можно снабжать другие платки и тампоны волокном согласно данному изобретению.

В промышленных установках с помощью материалов-компаундов можно из воды отфильтровать содержащиеся там пестициды и т.п., при этом регенерация фильтровального материала-компаунда возможна с малыми затратами.

Еще одной возможностью применения материала-компаунда является очистка растений от вирусов. Если материал-компаунд в виде волокнистой крошки смешать, например, с плодовым воском и посредством распыления нанести на растения, то растения будут защищены от вредителей, например от палочек мозаичной болезни табака, от вирусов табачных растений.

Формула изобретения

1. МАТЕРИАЛ, СОДЕРЖАЩИЙ МОЛЕКУЛЯРНОЕ СИТО, ВНЕДРЕННОЕ В НОСИТЕЛЬ для фильтрования жидкости или газа, отличающийся тем, что, с целью увеличения его поглотительной способности, в качестве носителя он содержит пористый материал с размером пор более 3 , а в качестве молекулярного сита цеолит с размером пор менее 3 .

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве молекулярного сита он содержит цеолит типа анальцита с размером пор 3 .

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя он содержит жаропрочное вещество.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что носитель имеет волокнистую структуру.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что поры носителя имеют канальную структуру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5