Фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ, способ его получения, изделия из него и устройства с этим фильтрующим материалом

 

Использование: очистка сточных вод, выхлопных и природных газов, питьевой воды. Сущность изобретения: фильтрующее устройство содержит кожух 11, днище 16, крышку 13 с отверстием 14, фильтрующий элемент 10 или 17 с фильтрующим материалом 2 в виде последовательно расположенных слоев. Крышка 13 выполнена съемной. Между стенками фильтрующего элемента 10 и кожухом 11 имеется зазор. Крышка 13 герметично сообщена с кожухом 11 и корпусом фильтрующего элемента 10. Фильтрующий материал 2 выполнен из углеродного активированного пористого волокна диаметром 4-10 мкм, удельной поверхностью 590-2250 м²/г, объемом сорбционных пор 0,63-1,83 см³/г, поверхность которого покрыта пленкой диоксида кремния. Фильтрующее устройство может быть дополнительно снабжено фильтром предварительной очистки из натуральных, синтетических волокон или нетканых материалов. Он может быть размещен в насадке вне кожуха 11 фильтрующего устройства или внутри кожуха 11. По одному варианту изобретения фильтрующий элемент 10 может быть выполнен с перфорированными торцевыми стенками 5, 6, слои фильтрующего материала 2 расположены параллельно торцевым стенкам 5, 6. Крышка 13 и днище 16 выполнены в виде усеченного конуса, последнее снабжено отверстием 15 для отвода очищенной жидкости. По другому варианту изобретения фильтрующий элемент 17 может быть дополнительно снабжен внутренней перфорированной трубкой 7, снабженной снизу заглушкой 20. Верхний конец трубки 7 герметично соединен с отверстием 14 в крышке 13. Трубка 7 помещена соосно боковым стенкам кожуха 11 и фильтрующего элемента 10. Боковые стенки фильтрующего элемента 10 выполнены перфорированными, слои фильтрующего материала 2 смотаны в рулон вокруг внутренней трубки 7. Фильтр предварительной очистки 19 выполнен в виде стакана и расположен соосно между боковыми стенками кожуха 11 и фильтрующего элемента 10. 4 с. и 21 з.п.ф-лы, 3 табл., 4 ил.

Изобретение относится к очистке жидких и газообразных веществ от различных примесей с помощью сорбентов, в частности, к фильтрующим материалам для очистки жидких и газообразных веществ, способам их получения, а также к фильтрующим элементам, выполненным на основе этих материалов и фильтрующим устройствам с этими фильтрующими элементами.

Оно может быть использовано, в основном, в питьевом водоснабжении, в бытовых фильтрах для очистки воды, а также для глубокой очистки сточных и природных вод и газов любой степени загрязнения, кроме того, патентуемое изобретение может быть использовано для очистки биологически активных жидкостей.

Очистка промышленных и бытовых вод, улавливание вредных газов из воздушной среды становятся все более актуальными и непосредственно связаны с проблемой выживания человечества.

Для очистки воды и воздуха широко используются углеродные сорбенты различной структуры. Очистка воды может осуществляться техническими активными углями на основе древесного и каменного углей - газовыми, рекуперационными, осветляющими. Эти угли могут быть использованы в виде пыли, порошка, гранул и т. п. Для очистки воздуха используются обычно газовые и рекуперационные угли.

Адсорбционная способность углеродных сорбентов, полученных из различных углеродсодержащих материалов, весьма разнообразна, что позволяет получать сорбенты с различными свойствами. Свойства адсорбента определяются характером его структуры, от которой зависят и характеристики адсорбционных равновесий и массоперенос адсорбируемых молекул от внешней поверхности к внутренней.

Важнейшей характеристикой, определяющей адсорбционно-десорбционные свойства адсорбента, является распределение пор по их эквивалентным радиусам. Известно, что при использовании активных углей для очистки воды целесообразно применять микропористые (ширина пор менее 0,7 - 0,8 нм) и супермикропористые (ширина пор 1,3 - 2,0 нм).

Активные угли эффективны в отношении удаления из воды органических веществ, в том числе фенолов, поверхностно-активных веществ, хлора и других.

Однако промышленные технические угли, указанные выше, имеют относительно низкий объем мезо-, микро- и супермикропор, которые являются ответственными за сорбцию загрязнителей. Средняя величина поверхности таких пор в этих углях составляет 300 - 600 м²/г, кроме того, они характеризуются медленной кинетикой сорбции, поэтому не пригодны для глубокой очистки газовой и воздушной среды от загрязнителей. Более эффективными при очистке воздуха оказываются угли, модифицированные специальными агентами, например, соединениями меди, пиридином, щелочно-металлической (переходного металла) солью и другими. Эти и другие угли обладают селективностью к определенным веществам и имеют узконаправленное использование.

В последнее время все более широкое применение для очистки жидкостей и газов находят активированные углеродные волокна и материалы, выполненные на их основе.

Известен, например, фильтрующий материал, содержащий активированные углеродные волокна, который применяется в качестве адсорбента зловонных и других газов (заявка Японии 51-55514, 1976 г.).

Этот материал выполнен в виде листового композиционного материала, состоящего из активного углеродного волокна, у которого величина равновесной адсорбции бензола составляет не менее 300 мг/г, при постоянной скорости бензола - не менее 0,2 мин^-1, а удельная площадь поверхности - не более 50 м²/г.

Такой материал получают следующим образом.

Берут жидкую бумажную массу, состоящую из активного углеродного волокна (величина адсорбции бензола примерно 450 мг/г), полученного из целлюлозного волокна, углеродное волокно на основе пека (удельная площадь поверхности 0,1 м²/г) и поливиниловый спирт в качестве связующего материала для бумаги. Получают бумажный лист, который высушивают при 130^oC, затем пропитывают 4%-ным раствором фенольной смолы в этаноле, сушат при температуре около 100^oC и подвергают термообработке при температуре около 800^oC печи с неактивной газовой средой.

Однако такой материал имеет величину адсорбции бензола менее 450 мг/г, так как содержит углеродные волокна с указанной выше величиной адсорбции менее 100 мас.%, а это значит, что материал не имеет достаточно развитой пористой структуры и имеет низкие сорбционные характеристики по газам.

Кроме того, выполнение материала в виде бумаги (или нетканого материала) предопределяет низкую его прочность: примерно 0,2 кгс/50 мм, что не позволяет сформировать из него фильтр, рассчитанный на повышенные рабочие параметры.

Способ получения материала отличается сложностью, является многостадийным, требует использования сложного специализированного оборудования, трудно осуществим технологически и очень дорогостоящ.

Известен, например, другой активный углеродный волокнистый материал для очистки воды (Европейская заявка N 149187, 20.12.1984), полученный на основе активированных углеродных волокон с удельной площадью поверхности пор 800 - 2000 м²/ г, отношением объема пор к удельной площади поверхности пор от 5·10^-4 до 14,5·10^-4, константной скорости адсорбции метиленового голубого по меньшей мере 5·10^-1 с^-1.

Этот материал выполнен в виде нетканого материала, например войлока или фетра, который дополнительно может содержать различные модифицирующие присадки, в основном, в виде металлов и их производных: алюминия (Al), титана (Ti), фосфора (P) и др.

Этот фильтрующий углеволокнистый материал может содержать 2,5 - 15 мас.% золы.

Такой фильтрующий материал получают, например, следующим образом.

Исходное волокно в виде сополимера акрилонитрила, содержащего по крайней мере 60 мас. % акрила или материал на основе этого волокна, например, нетканый листовой материал, в том числе, иглопробивной войлок, пропитывают водным раствором сульфата алюминия, затем подвергают окислительной обработке на воздухе при 240 - 270^oC под нагрузкой. Далее, обработанное волокно пропитывают водным раствором диаммонийфосфата и активируют в среде активирующего газа при температуре 1050^oC.

Однако и такое волокно, и материал на его основе не является остаточно эффективным при сорбции веществ различной молекулярной массы, в том числе ионов тяжелых металлов, например, свинца (Pb). Приведенные выше характеристики по сорбции бензола свидетельствуют о наличии в волокне небольшого объема сорбционных пор, что подтверждено экспериментально.

Так, адсорбция метиленового голубого на этих волокнах составляет всего 250 мг/г, а сорбционная емкость по их парам бензола составляет 51 мас.%, что явно недостаточно при очистке воды с повышенными концентрациями вредных веществ, особенно в случае аварийных выбросов их в систему водоснабжения. В этом случае фильтрующий материал должен обладать значительным запасом сорбционного объема пор, и, кроме того, должен быть эффективен в отношении сорбции широкого спектра веществ, включая фенолы, хлорные фосфорсодержащие пестициды, поверхностно-активные и другие вещества, а также тяжелые металлы.

Активированные углеродные волокна и материалы на их основе (согласно указанной выше заявке Японии) не отвечают таким требованиям ввиду явного отсутствия достаточного объема сорбционных пор.

Ввиду особенностей текстуры фильтрующего материала (войлок, фетр) он характеризуется пониженной воздухопроницаемостью, и, следовательно, создает повышенное сопротивление потоку фильтруемой воды. В связи с этим в указанном патенте предлагается несколько вариантов компоновки материала, в том числе, с направлением потока очищаемой воды вдоль поверхности материала. В частности, когда фильтрование очищаемой воды выполняется вдоль поверхности фильтрующего материала, условия фильтрования ухудшаются из-за указанного выше недостатка материала. Поэтому получить фильтр высокой производительности с использованием такого материала вообще не представляется возможным.

Волокно и материал на его основе ввиду сложности исходного состава и множественного воздействия на него различных технологических факторов характеризуются неравномерностью и нестабильностью свойств. Эта неравномерность заложена уже на этапе получения сополимера волокна: компоненты его имеют различную структуру, отличаются величиной усадки, различным образом притягиваются и активируются, то есть они уже различны на микроуровне. А это, в свою очередь, приводит к различию в кинетике сорбции волокном очищаемых веществ, что отрицательно влияет на процесс очистки воды в целом.

Способ получения активированных углеродных волокон и материала, включающего эти волокна, сам по себе также сложен. Особенно неустойчив процесс активирования предокисленных волокон, содержащих катализатор - фосфор, что отрицательно сказывается, в первую очередь, на качестве получаемого фильтрующего материала.

Известны различные конструкции фильтрующих элементов и выполненных на их основе фильтрующих устройств.

Например, известен фильтрующий элемент (Международная заявка PCT N 86/04050, публикация 860727 "Бюллетень изобретений стран мира" N 16), выполненный в виде плоского листа ткани на основе активированного угля, натянутого и зафиксированного на рамке. В фильтрующем устройстве используется набор фильтрующих элементов, расположенных друг над другом на определенном расстоянии. Вода, проходя последовательно через каждый из слоев, подвергается очистке путем извлечения из нее за счет сорбции вредных веществ.

Однако такая конструкция фильтрующего элемента определяет сложность и громоздкость фильтрующего устройства, так как эффективная глубокая очистка воды требует ее прохождения через большое количество слоев ткани и, следовательно, требуется герметично соединить со стенками фильтрующего устройства каждую из рамок, обрамляющих углеродную ткань. Большое количество соединений также определяет низкую надежность фильтрующего устройства в целом и неудобство замены исчерпавших ресурс фильтрующих пластинок.

Известна другая конструкция фильтрующего элемента (Европейская заявка N 149187, опубликована 24.07.1985 г.), представляющего собой свернутый в рулон вокруг перфорированного цилиндрического стержня листовой материал из активированного углеволокна. Концевые участки образующего рулон материала склеивают синтетической смолой для жесткой их фиксации.

Фильтрующее устройство состоит из описанного выше фильтрующего элемента, помещенного в корпус и закрытого крышкой. Вода через входной патрубок попадает во внутреннюю полость крышки и далее через отверстия в задней ее стенке, к которой герметически прикреплен одной из торцевых поверхностей фильтрующий элемент, попадает в зазор между внешней поверхностью фильтрующего элемента и внутренней поверхностью корпуса. Проходя последовательно через слои активированной углеродной ткани в направлении к внутреннему перфорированному цилиндрическому стержню, вода подвергается очистке за счет сорбции на поверхности ткани вредных примесей.

Очищенная вода через отверстия в перфорированном цилиндрическом стержне попадает во внутреннюю полость фильтрующего элемента, герметично соединенную с выходным патрубком устройства, через который она попадает к потребителю.

Однако такая конструкция фильтрующего элемента имеет большое гидравлическое сопротивление потоку воды, увеличивающееся по мере работы фильтрующего устройства. Это происходит, во-первых, за счет естественного разбухания углеродных нитей в водной среде, во-вторых, за счет заполнения пористой поверхности нитей сорбируемыми примесями. Вследствие этого становится невозможным применение активированного углеродного материала с высоким удельным показателем плотности материала, а, следовательно, и с высоким показателем удельной пористости и сорбционной емкости, использование которых определяет высокую эффективность и глубину очистки жидкости, а также срок службы фильтрующего элемента.

Кроме того, недостатком вышеописанного фильтрующего элемента и устройства, выполненного на его основе, является зависимость качества очищенной воды и ресурса работы элемента от показателей исходной воды, от цветности, взвеси, мутности и т.д. Взвешенные частицы - микроорганизмы, неорганические взвеси, коагулированные вещества, в той или иной степени всегда присутствуют в исходной питьевой воде. Чем выше их содержание, тем меньше эффективность фильтрующего элемента по его основному назначению - сорбции растворенных органических соединений.

Известные конструкции предварительной очистки воды в основном требуют либо установки дополнительных фильтров предварительной очистки (в том числе, например, мембранных), что очень усложняет конструкцию и увеличивает стоимость фильтрующего устройства, либо предусматривают изоляцию фильтрующего элемента от остальной конструкции чехлом из полотна или различных сеток, хлопчатобумажного трикотажа, полиэфирной ткани и др.

Однако все эти средства малоэффективны, так как не способны удерживать достаточный объем мелких взвешенных частиц, то есть они имеют низкую "грязестойкость". К тому же многие из них при длительном нахождении в воде могут гнить (например, хлопок), либо деструктурируют (например, полимеры).

Задачей настоящего изобретения является создание такого фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ, способа его получения и фильтрующего устройства, которые позволили бы за счет изменения пористой структуры сорбционного углеволокнистого материала и конструктивных особенностей фильтрующего элемента значительно повысить сорбционные свойства и фильтра по широкому спектру загрязняющих веществ, в том числе при высокой их концентрации в очищаемой жидкой или газообразной среде.

Эта задача решается тем, что в фильтрующем материале для очистки жидких и газообразных веществ, выполненном из активированных углеродных волокон, согласно изобретению волокно представляет собой непрерывное углеродное пористое моноволокно диаметром 4 - 10 мкм, имеющее на поверхности покрытие в виде оболочки с пористой структурой из диоксида кремния (SiO₂), причем удельная площадь поверхности моноволокна составляет около 590 - 2550 м²/г, а объем сорбционных пор составляет около 0,63 см³/г - 1,82 см³/г.

Это позволяет значительно развить пористую структуру сорбционного углеводородного материала, повысив таким образом его сорбционные свойства.

Целесообразно, чтобы количество диоксида кремния составляло 0,8 - 9,8 мас.% от массы моноволокна.

Наличие диоксида кремния в вышеприведенном количестве позволяет создать в приповерхностном слое волокна за счет гидрофобности и пористости покрытия из диоксида кремния дренирующую подложку, создающую благоприятные условия для доступа очищаемой жидкости к поверхности волокна и ускорения кинетики сорбции вредных примесей из растворов.

Кроме того, наличие диоксида кремния приводит к каталитическому эффекту сорбции тяжелых металлов.

В фильтрующем материале объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,13 - 0,67 см³/г или мезопор 0,15 - 1,5 см³/г.

Моноволокна, содержащие такие количества микро- и мезопор, обладают повышенными сорбционными характеристиками по широкому спектру загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов, что позволяет проводить глубокую очистку от загрязнителей высокой концентрации, в случае их аварийных выбросов.

Для очистки воды объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,19 - 0,67 см³/г или мезопор 0,23 - 1,15 см³/г, а для очистки воздуха объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,13 - 0,55 см³/г или мезопор 0,15 - 0,73 см³/г.

Благодаря такому объему сорбционных пор моноволокна захватывается большой диапазон сорбируемых из жидких и газообразных сред веществ, включая вещества с низкой, средней и высокой молекулярными массами, причем объем сорбируемых веществ на единицу массы сорбента не имеет аналогов среди существующих типов активированных углей, включая и углеволокнистые.

Указанные моноволокна можно формировать в комплексную нить с минимальной плотностью по меньшей мере 120 текс и числом моноволокон по меньшей мере 1050 штук, либо из таких же нитей можно выполнить плетеный шнур.

Выполнение сорбента в виде углеродной нити или шнура дает новые возможности формирования конструкции фильтрующего слоя, так как, например, в намоточном варианте такой слой (или слои) может в точности повторить любую конфигурацию каркаса. Это особенно важно, когда речь идет о создании фильтрующего устройства в аппаратах и агрегатах, где нет возможности использовать стандартные (серийные) фильтры, например, в радиоаппаратуре, в космических приборах либо в тонких химических технологиях.

Указанные моноволокна можно сформировать в ткань, поверхностная плотность которой находится в пределах 80 - 240 г/м².

Это дает возможность за счет наличия в материале наряду с сорбционными порами волокна создать разветвленную сеть межволоконных и межжгутовых пор, объем которых составляет дополнительно по меньшей мере 1,2 см³/г, осуществлять сорбцию из очищаемых сред также бактерий и других микроорганизмов.

В то же время это позволяет существенно улучшить гидродинамические характеристики и воздухопроницаемость фильтров, значительно повысить качество и увеличить ресурс их работы.

Кроме того, ткань с такой поверхностной плотностью позволяет выполнить техническую компоновку фильтра с использованием разнообразнейших вариантов укладки материала.

Для очистки воды поверхностную плотность ткани можно выбирать в пределах 80 - 210 г/м², а для очистки воздуха поверхностную плотность ткани можно выбирать в пределах 115 - 240 г/м².

Благодаря выбору ткани с указанной поверхностной плотностью создаются наилучшие условия для осуществления процесса фильтрации (очистки) воды и воздуха: высокая степень очистки при высокой производительность фильтра как воды, так и воздуха.

Фильтрующий материал может содержать серебро (Ag) в количестве 0,05 - 0,96% от массы волокна.

Это позволяет создать гарантированно бактерицидный сорбционный материал, позволяющий не только сорбировать и удерживать, как это наблюдается на патентуемом углеродном волокне без серебра, но и уничтожать вредные микробы, бактерии и вирусы при любой встречающейся в реальных условиях их концентрации в зараженной жидкой или газовой среде.

Эта задача решается также тем, что в способе получения фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ, заключающемся в том, что подлежащее обработке волокно предварительно пропитывают катализирующим агентом, сушат, а затем активируют в газообразной окислительной среде, согласно изобретению в качестве подлежащего обработке волокна используют гидратцеллюлозное волокно, а в качестве катализирующего агента используют кремнийорганический полимер, затем сушат на воздухе при 105 - 140^oC, далее катализируют в защитной газовой среде при 550 - 985^oC, после чего активируют в окисленной газовой среде при 855 - 960^oC.

В качестве кремнийорганического полимера можно использовать раствор полиорганосилоксана или полиорганофенилсилоксана в органических растворителях.

Это позволяет на стадии пропитки и последующей карбонизации исходного гидратцеллюлозного материала создать такое покрытие на волокне и обеспечить такие его каталитические свойства, которые за счет ряда сложных реакций в процессе пиролиза гидратцеллюлозы обеспечивают протекание процесса коксования в условиях, позволяющих получить максимальный выход углерода и при этом достичь повышенной прочности углеродного волокна.

Для пропитки гидратцеллюлозного волокна кремнийорганические полимеры можно дополнительно растворить в органическом растворителе до получения раствора, содержащего 0,8 - 4,2 мас.% этого соединения.

Такое процентное содержание кремнийорганического полимера в растворе обеспечивает, с одной стороны, получение раствора с необходимой вязкостью, что позволяет получить покрытие заданной толщины на каждом моноволокне, с другой стороны создает наилучшие условия протекания процесса пиролиза гидратцеллюлозного волокна.

Пропитку гидратцеллюлозного волокна можно осуществлять при комнатной температуре в течение 2,5 - 15,0 мин.

Такая продолжительность сушки позволяет получить покрытие на исходном гидратцеллюлозном моноволокне, которое обеспечивает в процессе последующей его переработки содержание диоксида кремния в покрытии на активированном волокне в необходимом количестве.

Целесообразно сушку осуществлять при 105 - 140^oC.

Такая температура сушки дает возможность наряду с удалением из материала растворителя осуществить предварительную сшивку кремнийорганического соединения, получить покрытие, обладающее хорошим сочетанием прочности, его связи с моноволокном при достаточной эластичности.

Карбонизацию гидратцеллюлозного волокна возможно осуществлять в среде защитного газа в отсутствии кислорода, а в качестве защитного газа целесообразно использовать газ следующего состава ( об.%): водород (H₂) - 73-74 моноокись углерода (CO) - 20-21
двуокись углерода (CO₂) - 2,7-3,2
метан (CH₄) - 1,2-1,5
влага (H₂O) - остальное
Использование защитного газа такого состава при карбонизации гидратцеллюлозного волокна позволяет провести процесс пиролиза исходного материала в равновесных условиях, без избыточного окисления его на всех стадиях получения, а, следовательно, без самовозгорания и разупрочнения, как это обычно имеет место в присутствии кислорода или избытке других окислителей.

Гидратцеллюлозное волокно возможно активировать в среде водяного пара, а активирование производить в течение 3 - 55 мин.

Активирование в среде водяного пара в течение указанного времени обеспечивает стабильность процесса окисления углеродного волокна и получение требуемой пористости структуры.

Водяной пар создает мягкий режим активирования, при котором наблюдается равномерное формирование пор, а качество получаемого материала высокое. Отсутствуют участки непроактивированного материала, отсутствуют прогары, обрывы волокна и т.д.

На фиг. 1 изображен фильтрующий элемент для очистки жидких и газообразных веществ (в разрезе) с горизонтально расположенными один над другим слоями фильтрующего материала согласно изобретению; на фиг. 2 - фильтрующий элемент (в разрезе), в котором слои фильтрующего материала смотаны в рулон вокруг полого стержня согласно изобретению; на фиг. 3 - фильтрующее устройство для очистки жидких и газообразных веществ с горизонтально расположенными один над другим слоями фильтрующего материала согласно изобретению; на фиг. 4 - вариант конструктивного выполнения фильтрующего устройства для очистки жидких и газообразных веществ согласно изобретению.

На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - слои фильтрующего материала, 3 - торцы слоя 2 фильтрующего материала, 4 - боковая стенка корпуса 1 (фиг. 1), 5 - торцевая стенка корпуса 1 (фиг. 2), 6 - торцевая стенка корпуса 1 (фиг. 2), 7 - трубка, 8 - перфорация, 9 - слои разделительного материала, 10 - фильтрующий элемент в устройстве (фиг. 3), 11 - кожух фильтрующего устройства, 12 - резиновая прокладка, 13 - крышка, 14 - отверстие в крышке 13, 15 - отверстие в нижней стенке кожуха 11, 16 - днище кожуха 11, 17 - фильтрующий элемент в устройстве (фиг. 4), 18 - резиновое кольцо, 19 - фильтр предварительной очистки, 20 - заглушка, 21 - выходной штуцер, 22 - входное отверстие.

Лучший способ осуществления изобретения.

Патентуемый фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ выполнен на основе активированных углеродных волокон. Каждое моноволокно представляет собой непрерывное углеродное пористое волокно с диаметром в пределах 4 - 10 мкм. Волокно с диаметром менее 4 мкм имеет низкую прочность, что не позволяет получить на его основе материал с требуемыми свойствами. Волокно с диаметром более 10 мкм использовать нецелесообразно ввиду значительного снижения скорости сорбции на нем вредных веществ.

Волокно может содержать (помимо углерода C) внедренные в его структуру примеси в виде оксидов магния (MgO), железа (Fe₂O₃), никеля (Ni₂O₃), алюминия (Al₂O₃), кальция (CaO), меди (CuO), цинка (ZnO), суммарное количество которых составляет не более 0,3 мас.%, и около 0,9 мас.% водорода (H₂), эти примеси вносят в волокно с исходным природным материалом в процессе технологической переработки, однако они являются дополнительными катализаторами процесса сорбции на волокне различных веществ.

Структура углерода (C) характеризуется межслоевым расстоянием 0,375 - 0,378 нм, (нанометров), что свидетельствует о значительной неупорядочности его кристаллической решетки, а, следовательно, о высокой реакционной способности углерода (C) как в процессе сорбции, так и катализа на волокнах.

На поверхности волокна имеется пористое покрытие из диоксида кремния (SiO₂), причем его пористость составляет 30 - 80% от объема покрытия. Такая пористость покрытия обусловлена тем, что при содержании пор менее 30% от объема покрытия, снижается его газо- и водопроницаемость, а при содержании пор выше 80% от объема покрытия оно состоит из разрозненных, слабо связанных между собой и с волокнами блоков.

Благодаря наличию пористого покрытия диоксида кремния (SiO₂) меняется кинетика сорбции волокном вредных веществ. Покрытие выполняет функции дренирующей подложки, которая рассекает микропоток очищаемой жидкости или газа и направляет его к сорбционным порам волокна, ускоряя и облегчая тем самым процесс сорбции на нем загрязняющих веществ. Наличие покрытия из диоксида кремния (SiO₂) на волокне увеличивает его сорбционные характеристики, особенно по веществам с большой молекулярной массой и микроорганизмам. Такое увеличение может составлять 15 - 30 мас.% по сравнению с волокном без покрытия диоксида кремния (SiO₂). При наличии покрытия из диоксида кремния (SiO₂) отмечается также увеличение сорбционной емкости волокна по тяжелым металлам, особенно по свинцу (Pb).

Углеродное волокно характеризуется величиной удельной площади его поверхности 590 - 2550 м²/г.

Волокно с удельной площадью поверхности менее 590 м²/г имеет сорбционную емкость, недостаточную для эффективного улавливания вредных веществ как из воды, так и из воздуха.

Волокно же с величиной удельной поверхности более 2550 м²/г практически не имеет механической прочности, необходимой при использовании его в фильтрующем устройстве.

Суммарный объем сорбционных пор волокна, определенный по сорбции паров бензола, составляет 0,63 - 1,82 см³/г. При суммарном объеме сорбционных пор менее 0,63 см³/г углеродное волокно может сорбировать практически все вещества - загрязнители, однако сорбционная емкость волокна по этим веществам небольшая. При аварийном выбросе вредных веществ волокно может оказаться недостаточно эффективным в фильтрующих устройствах. Волокно с суммарным объемом сорбционных пор более 1,82 см³/г имеет низкую механическую прочность и может разрушаться при воздействии потока воды или воздуха.

Количество диоксида кремния (SiO₂) на волокне составляет 0,8 - 9,8 мас.% от массы волокна. При содержании диоксида кремния (SiO₂) менее 0,8 мас.% толщина покрытия уменьшается настолько, что оно не выполняет функцию дренирующей прослойки. При количестве же диоксида кремния (SiO₂) более 9,8 мас.% покрытие становится рыхлым и непрочным, оно легко разделяется на отдельные фрагменты.

Объем сорбционных пор в волокне состоит из объема, образованного микро- и мезопорами, причем объем микропор может составлять 0,13 - 0,65 см³/г, а мезопор 0,15 - 1,15 см³/г. Волокно с объемом микропор менее 0,13 и мезопор менее 0,15 см³/г имеет низкие сорбционные характеристики по большинству веществ. Волокно с объемом микропор более 0,65 см³/г и мезопор более 1,15 см³/г получить практически невозможно.

Для очистки воды объем сорбционных пор моноволокна следует выбирать в диапазоне:
микропор 0,19 - 0,65 см³/г или
мезопор 0,23 - 1,15 см³/г.

Волокна с содержанием микропор менее 0,19 см³/г и мезопор менее 0,23 см³/г имеют низкие сорбционные характеристики по веществам-загрязнителям воды, а волокна с содержанием микропор более 0,65 см³/г и мезопор более 1,15 см³/г не могут эффективно использоваться из-за низких прочностных характеристик.

Для очистки воздуха объем сорбционных пор волокна следует выбирать в диапазоне:
микропор 0,13 - 0,55 см³/г или
мезопор 0,15 - 0,73 см³/г.

При очистке воздуха материалом, содержащим волокна с объемом микропор менее 0,13 см³/г и мезопор менее 0,15 см³/г, его эффективность по многим веществам, особенно с низкой молекулярной массой, недостаточна. Использование же волокон, содержащих более 0,55 см³/г микропор и более 0,73 см³/г мезопор, для очистки воздуха нецелесообразно, так как волокна даже с указанными выше удельными объемами пор дают прекрасный результат по очистке всех исследованных загрязняющих веществ.

Фильтрующий материал для очистки воды или воздуха может быть сформирован в виде комплексной нити с линейной плотностью более 120 текс и числом моноволокон более 1050 штук. Нить с линейной плотностью менее 120 текс и числом моноволокон менее 1050 является слишком тонкой и имеет низкую прочность, что не позволяет использовать ее в конструкции фильтрующего устройства.

Фильтрующий материал может быть выполнен также из плетеного шнура, причем количество комплексных нитей, используемых при его изготовлении, должно быть по меньшей мере не менее трех.

Фильтрующий материал может быть изготовлен и в виде трикотажа, а также ткани с поверхностной плотностью 80 - 240 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 80 г/м² имеет низкую прочность, а при поверхностной плотности более 240 г/м² имеет пониженную воздухопроницаемость. Ткань для очистки воды может иметь поверхностную плотность 80 - 210 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 80 г/м² из-за низкой прочности трудно использовать в фильтрующем устройстве. Ткань же с поверхностной плотностью более 210 г/м² создает в фильтрующем устройстве очистки воды высокое сопротивление потоку воды, то есть вызывает резкое увеличение гидравлического сопротивления.

Для очистки воздуха используют ткань на основе активированных углеродных волокон с поверхностной плотностью 120 - 240 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 120 г/м² в фильтрах очистки воздуха применять нецелесообразно из-за травмирования ее и разрушения фрагментов потоком воздуха, особенно при больших расходах. Ткань же с поверхностной плотностью более 240 г/>м² характеризуется пониженной воздухопроницаемостью и, следовательно, повышенным сопротивлением воздушному потоку и гидравлическим сопротивлением.

Фильтрующий материал в виде ткани из активированных углеродных волокон может также содержать серебро (Ag) в количестве примерно 0,05 - 0,96% от массы волокна.

Содержание серебра (Ag) в фильтрующем материале в количестве менее 0,05% не оказывает выраженного бактерицидного эффекта, а увеличение содержания серебра выше 0,96% существенно увеличивает стоимость материала и самого фильтра.

Патентуемый способ получения описанного выше фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ заключается в следующем.

Гидратцеллюлозное волокно, используемое в патентуемом способе в качестве подлежащего обработке материала, сначала пропитывают катализирующим агентом.

В качестве гидратцеллюлозных волокон могут быть использованы волокна, полученные из любого материала, например, древесины, бамбука, хлопка, а также вискозного шелка и других.

Катализирующим агентом могут служить кремнийорганические соединения, в частности полиметилсилоксаны в виде их раствора в органическом растворителе, например ацетоне, толуоле, четыреххлористом углероде и других.

Перед пропиткой гидратцеллюлозное волокно или материал на его основе следует очистить от возможных загрязнений (замасливания, авиважа), для чего можно использовать органические растворители, в частности ацетон, толуол, четыреххлористый углерод и другие. Очистку проводить при комнатной температуре преимущественно путем окунания. Пропитку целесообразно проводить путем окунания исходного гидратцеллюлозного волокна в ванну с раствором кремнийорганического соединения в растворителе лучше непрерывным способом.

Для получения на углеродном волокне или материале на его основе покрытия из диоксида кремния (SiO₂) с требуемыми параметрами исходный гидратцеллюлозный материал пропитывают раствором кремнийорганического полимера в органическом растворителе при концентрации этого соединения 0,8 - 4,2 мас.%.

Если концентрация кремнийорганического полимера меньше 0,8 мас.%, то кремнийорганическое покрытие на гидратцеллюлозном волокне не выполняет своей функции катализатора процесса гидролиза целлюлозы, соответственно свойства патентуемого материала оказываются заниженными. При концентрации кремнийорганического полимера в растворе свыше 4,2 мас.% на пропитываемом гидратцеллюлозном волокне образуется слишком толстая пленка этого соединения, которая при этом имеет низкую прочность сцепления с волокном. Поэтому качество активированного углеродного волокна и материала на его основе оказывается низким.

Пропитку проводят в течение 2,5 - 15 мин. Продолжительность пропитки в течение менее 2,5 мин не позволяет получить пленку кремнийорганического соединения на волокне необходимой толщины, а пропитка более 15 мин, наоборот, приводит к получению толстой и рыхлой пленки, слабо соединенной с волокном.

После пропитки гидратцеллюлозное волокно подлежит сушке при 105 - 140^oC в воздушной среде, например, путем обдува нагретым воздухом. Сушка волокна при температуре ниже 105^oC удлиняет процесс сушки и при этом снижается прочность пленки кремнийорганического соединения на волокне. При температуре сушки свыше 140^oC получается слишком жесткое и хрупкое покрытие кремнийорганического соединения на волокне, к тому же возможно самовозгорание паров растворителя.

Затем волокно карбонизируют в защитной газовой среде, например, азоте, аргоне, либо других газах, преимущественно в среде газов следующего состава (об.%):
водород (H₂) - 73-74
моноокись углерода (CO) - 20-21
двуокись углерода (CO₂) - 2,7-3,2
метан (CH₄) - 1,2-1,5
влага (H₂O) - остальное
Температура карбонизации составляет 550 - 985^oC. Карбонизация волокна при температуре ниже 550^oC не приводит к достаточно полному гидролизу гидратцеллюлозы, а термообработка его при температуре выше 985^oC сопровождается образованием упорядоченной структуры углерода (C). И в том и в другом случае углеродсодержащее волокно мало пригодно для получения из него активированного волокна с высокими характеристиками.

Скорость нагрева гидратцеллюлозного волокна при карбонизации должна обеспечивать полноту процессов гидролиза и формирования углеродной структуры материала без его разрушения.

Карбонизированное волокно активируют одним из окисляющих газов, преимущественно водяным паром при 855 - 960^oC. При температуре активирования ниже 855^oC интенсивное окисления углерода (C) возможно кислородом (O₂), но этот процесс неустойчив, поэтому качественное активирование волокна получить трудно. Скорость же реакции углерода (C) с водяным паром (H₂O) при этих условиях невелика и возможно получение только малоактивных углей. Активирование карбонизированного волокна при температуре выше 960^oC может привести к неравномерному его окислению.

Активирование карбонизированного волокна проводят в течение 3 - 55 мин. При активировании волокна даже с использованием температуры 960^oC и продолжительности активирования в течение менее 3 мин не достигаются требуемые сорбционные характеристики сорбента. Активация же волокна в течение более 55 мин нецелесообразна как в связи с ухудшением пористой структуры волокна, так и с потерей им прочности.

Активированное пористое волокно может быть дополнительно наполнено серебром (Ag) в количестве 0,05 - 0,96% от массы волокна.

Для этого волокно пропитывают соответствующим водным раствором азотнокислого серебра (AgNO₃) при 25^oC в течение 40 мин, а затем отжигают на воздухе при 220^oC в течение 20 - 55 мин.

Пример 1. Фильтрующий материал для очистки воды, содержащий моноволокно диаметром 4 мкм, имеющее на поверхности 9,8 мас.% диоксида кремния (SiO²) с удельной площадью поверхности 590 м₂/г, объемом сорбционных пор 0,63 см³/г, в том числе объемом микропор 0,19 см³/г, объемом мезопор 0,44 см³/г, выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 210 г/м², получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозных волокон пропитывали путем окунания в 4,2% растворе полиметилсилоксана в толуоле в течение 2,5 мин, сушили в воздушной среде при 105^oC в течение 3 мин, карбонизировали в среде защитного газа в составе (об.%):
водород (H₂) - 73-74
моноокись углерода (CO) - 20-21
двуокись углерода (CO₂) - 2,7-3,2
метан (CH₄) - 1,2-1,5
влага (H₂O) - остальное
при температуре 550^oC, а затем активировали в среде водяного пара при 850^oC в течение 55 мин.

После чего ткань подвергали испытаниям на способность сорбировать вещества-маркеры из водных растворов.

Испытания проводили в статических и динамических условиях.

В статических условиях определяли адсорбционную активность по метиленовому голубому, йоду, креатинину и витамину B₁₂.

Адсорбционную активность по метиленовому голубому или йоду проводили из водных растворов, содержащих по 150 мг/дм³ вещества каждый. Навеска углеродного волокна составляла 0,05 г, а объем раствора составлял 25 см³. После встряхивания волокна в растворе в течение 20 мин отфильтрованный от волокна раствор испытывали на остаточное содержание метиленового голубого или йода.

Аналогичным образом определяли адсорбционную активность по другим веществам. Отличие состояло в исходных концентрациях этих веществ. Исходная концентрация креатинина составляла 150 мг/дм³, а витамина B₁₂ - 330 мг/дм³.

В отношении сорбции бактерий испытания волокна или материала проводили следующим образом.

Брали водную суспензию, содержащую около 1 · 10⁹ клеток золотистого стафилококка в 1 мл воды, прибавляли к ней испытуемое волокно в количестве 20 мг/дм³ суспензии, выдерживали при комнатной температуре в течение 15 мин, при этом через каждые 5 мин отбирали контрольные пробы суспензии на содержание клеток стафилококка.

В динамических условиях испытания волокна или материала на его основе проводили по хлору. Фильтрующий материал для очистки воды испытывали следующим образом.

Брали сорбционную колонну, имеющую следующие размеры: диаметр 70 мм, а толщину слоя волокна или материала изменяли от 5 до 30 мм.

Водный раствор, содержащий активный хлор с концентрацией 50 мг/дм³, введенный в воду путем растворения в ней соответствующего количества гипохлорита кальция, фильтровали с расходом 10 дм³/ч через сорбционную колонку с испытуемым углеродным волокном при толщине слоя материала 5, 10, 15, 20, 25 и 30 мм.

После каждых 0,5 ч фильтрации воды через слой материала с фиксированной толщиной определяли содержание хлора в фильтрате.

Испытания проводили до появления в фильтрате активного хлора с концентрацией свыше предельно допустимой (0,8 мг/дм³).

По полученным данным строили зависимость времени защитного действия (ч) от толщины слоя материала (см). Из данных графика получили значение коэффициента K₃ (ч/см) защитного действия материала при данной скорости фильтрации (25 дм³/ч), как тангенс угла наклона прямой зависимости в координатах: толщина слоя фильтрующего материала - время защитного действия.

Задерживающую способность фильтрующего материала для очистки воздуха от газообразного хлора определяли по коэффициенту его защитного действия. Чем больше коэффициент K₃ защитного действия, тем больше ресурс работы фильтрующего материала.

Через пакет фильтрующего материала диаметром 70 мм толщиной 5 - 30 мм пропускали поток воздуха, содержащего 50 мг/м³ газообразного хлора. Скорость фильтрования составляла 10 м³/ч. Через каждые 0,5 ч фильтрования определяли концентрацию хлора в очищенном воздухе. Испытания проводили до появления в очищенном воздухе с концентрацией более предельно-допустимой (свыше 1 мг/м³). По полученным данным строили графическую зависимость в координатах: толщина слоя фильтрующего материала - время защитного действия. Коэффициент K₃ защитного действия (ч/см) фильтрующего материала определяли как тангенс угла наклона прямой на вышеприведенном графике.

Любым известным способом определяли также разрывную нагрузку полоски материала шириной 50 мм длиной 100 мм в направлении основных и уточных нитей.

Материал согласно приведенному примеру имеет адсорбционную активность по метиленовому голубому 270 мг/г, по йоду 1660 мг/г, по креатинину 110 мг/г, по витамину B₁₂ 52 мг/г. Коэффициент K₃ защищенного действия по хлору 30,4 ч/см. Разрывная нагрузка полоски материала шириной 50 мм составляла по основе 42,7 кгс, по утку 33,4 кгс.

Пример 2. Фильтрующий материал для очистки воздуха, содержащий моноволокно диаметром 10 мкм, имеющее на поверхности 0,8 мас.% диоксида кремния с удельной площадью поверхности 1550 м²/г, объемом сорбционных пор 0,8 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,3 см³/г,
объемом мезопор 0,5 см³/г,
выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 155 см²/г, получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозного волокна пропитывали путем окунания в 0,8%-ном растворе полиметилфенилсилоксана в ацетоне в течение 7 мин, сушили при 140^oC в течение 1 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 985^oC и активировали в среде водяного пара при 990^oC в течение 3 мин.

Материал имел следующие свойства.

Разрывная нагрузка полоски материала шириной 50 мм составляла по основе 25,4 кгс, по утку 21,3 кгс.

Коэффициент K₃ защитного действия по хлору из воздуха составлял 45,3 ч/см.

Воздухопроницаемость материала составляла 160 дм³/м² в секунду.

Пример 3. Фильтрующий материал для очистки воды содержит моноволокно диаметром 6,0 мкм, имеющее на поверхности 9,8 мас.% диоксида кремния с удельной площадью поверхности 2550 м²/г, объемом сорбционных пор 1,82 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,67 см³/г,
объемом мезапор 1,15 см³/г,
выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 80 г/м², получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозных волокон пропитывали 2%-ным раствором полиметилфенилсилоксана в ацетоне в течение 15 мин, сушили 2 мин при 120^oC, карбонизировали при 950^oC и активировали при 940^oC в течение 25 мин.

Материал имеет адсорбционную активность по метиленовому голубому 455 мг/г, по йоду 2940 мг/г, по креатинину 265 мг/г, по витамину B₁₂ - 122 мг/г. Коэффициент K₃ защитного действия по хлору 65,3 ч/см.

Разрывная нагрузка полоски материала шириной 50 мм составляет 1,7 кг (по основе).

Количество клеток золотистого стафилококка в суспензии с исходной концентрацией около 1 · 10⁹ клеток в мл воды после контакта с фильтрующим материалом в количестве 20 мг/мл составило: через 5 мин - 56 клеток в мл, через 10 мин - 8 клеток в мл, через 15 мин - 2 клетки в мл.

Пример 4. Фильтрующий материал для очистки воды и воздуха, содержащий моноволокно диаметром 10 мкм, имеющее на поверхности 8,5 мас.% диоксида кремния, с удельной площадью поверхности 800 м²/ч, сорбционным объемом пор 0,7 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,25 см³/г,
объемом мезопор 0,45 см³/г,
выполненный в виде комплексной крученой нити с линейной плотностью 190 текс, содержащий около 4000 моноволокон.

Этот материал получили следующим образом.

Нить, содержащую гидратцеллюлозные волокна, пропитывали 3%-ным раствором полиорганосилоксана в толуоле в течение 15 мин, сушили при 140^oC в течение 1 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 550^oC и активировали при 990^oC в течение 3 мин.

Материал имел следующие характеристики сорбции: адсорбционную активность по метиленовому голубому 310 мг/г, по йоду 1820 мг/г, по креатинину 133 мг/г, по витамину B₁₂ - 65 мг/г. Коэффициент K₃ защитного действия по хлору 47,1 ч/см.

Разрывная нагрузка нити 2,8 гс/текс.

Пример 5. Фильтрующий материал для очистки воды и воздуха, содержащий моноволокно диаметром 8,0 мкм, имеющее на поверхности 1,5 мас.% диоксида кремния, с удельной площадью поверхности 1020 м²/г, объемом сорбционных пор 0,75 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,28 см³/г,
объемом мезопор 0,47 см³/г,
выполненный в виде плетеного шнура, содержащего комплексные нити с общим количеством моноволокон около 65000, получали следующим образом.

Плетеный шнур из гидратцеллюлозных волокон пропитывали 0,8%-ным раствором полиметилфенилсилоксана в четыреххлористом углероде в течение 3 мин, сушили при 105^oC в течение 5 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 985^oC и активировали при 850^oC в течение 25 мин.

Материал имел следующие свойства: адсорбционную активность по метиленовому голубому 365 мг/г, по йоду 1880 мг/г, по креатинину 145 мг/г, по витамину B₁₂ - 72 мг/г, коэффициент K₃ защитного действия по хлору 50,3 ч/см.

Разрывная нагрузка материала 4,3 гс/текс.

Пример 6. Фильтрующий материал для очистки воды, содержащий моноволокно диаметром 50 мкм, имеющее на поверхности 7,0 мас.% диоксида кремния, с удельной площадью поверхности 2100 м²/г, объемом сорбционных пор 1,42 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,52 см³/г,
объемом мезопор 0,90 см³/г,
выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 92 г/м², получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозных волокон пропитывали в 4,2%-ным раствором полиметилсилоксана в толуоле в течение 8 мин, сушили при 130^oC в течение 3 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 935^oC и активировали в среде водяного пара при 930^oC в течение 55 мин.

Ткань имела адсорбционную активность по метиленовому голубому 730 мг/г, по йоду 2520 мг/г, по креатинину 235 мг/г, по витамину B₁₂ - 114 мг/г. Коэффициент K₃ защитного действия по хлору 54,1 ч/см.

Разрывная нагрузка полоски 50 мм составила 2,5 кгс по основе.

Пример 7. Фильтрующий материал для очистки воды, содержащий моноволокно диаметром 8 мкм, имеющее на поверхности 3,1 мас.% диоксида кремния, с удельной площадью поверхности 860 м²/г, объемом сорбционных пор 0,71 см³/г, в том числе:
объемом микропор 0,13 см³/г,
объемом мезопор 0,58 см³/г,
выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 190 г/м², получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозных волокон пропитывали 2,5%-ным раствором полиметилфенилсилоксана в ацетоне в течение 4 мин, сушили на воздухе при 130^oC в течение 1,5 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 720^oC и активировали в среде водяного пара при 885^oC в течение 10 мин.

Материал имел адсорбционную активность по метиленовому голубому 282 мг/г, по йоду 1750 мг/г, по креатинину 154 мг/г, по витамину B₁₂ - 85 мг/г. Коэффициент K₃ защитного действия по хлору 42,3 ч/см.

Разрывная нагрузка полоски 50 мм материала составляла 39,4 кгс по основе.

Пример 8. Фильтрующий материал для очистки воздуха, содержащий моноволокно с диаметром 10,0 мкм, имеющее на поверхности 4,2 мас.% диоксида кремния, с удельной площадью поверхности 620 м²/г, объемом сорбционных пор 0,63 см³/г, в том числе
объемом микропор 0,48 см³/г,
объемом мезопор 0,15 см³/г,
выполненный в виде ткани с поверхностной плотностью 240 г/м², получали следующим образом.

Ткань из гидратцеллюлозных волокон пропитывали 1,3%-ным раствором полиметилсилоксана в четыреххлористом углероде в течение 2,5 мин, сушили при 120^oC в течение 1 мин, карбонизировали в среде защитного газа при 830^oC и активировали в среде водяного пара при 990^oC в течение 5 мин.

Материал имел следующие характеристики: коэффициент K₃ защитного действия по хлору из воздуха 28,2 ч/см. Разрывная нагрузка полоски шириной 50 мм по основе 51,3 кгс. Воздухонепроницаемость материала составила 105 дм³/м² в секунду.

Далее все примеры сведены в таблицы.

В табл. 1 приведены конкретные физические характеристики и характеристики пористой структуры фильтрующих материалов, предназначенных для очистки жидких и газообразных веществ.

В табл. 2 указаны конкретные условия и режимы, позволяющие получить характеристики фильтрующих материалов для очистки жидких и газообразных веществ, приведенные в табл. 1.

В табл. 3 приведены сорбционные свойства и характеристики защитных свойств фильтрующих материалов для очистки жидких и газообразных веществ, указанных в табл. 1.

Обладая огромной удельной площадью поверхности и высокоразвитой структурой сорбционных пор, фильтрующий материал способен производить глубокую очистку как водопроводной, так и любой другой загрязненной воды до норм, значительно превышающих по качеству требования соответствующих стандартов. Особенно он эффективен при аварийных выбросах в воду вредных веществ, когда содержание загрязнителей увеличивается на порядок и более.

Хотя в приведенном выше описании и примерах патентуемый фильтрующий материал рассмотрен применительно к очистке воды и воздуха, однако он с успехом применяется также для очистки и разделения самых разнообразных жидкостей и газов, а также при синтезе и разложении химических веществ.

Выполнение фильтрующего материала, содержащего активированные волокна в различных видах (нити, шнуры, ткань, трикотаж и т.д.), а также широкий спектр пористой структуры, обеспечивающей уникальные сорбционные свойства материала, высокую прочность, химическую, термическую, радиационную стойкость, наличие электропроводимости, которая может регулироваться в широких пределах, высокие теплозащитные характеристики и т.п. делают патентуемый фильтрующий материал, широко применимым в самых различных областях.

Так, например, в химической промышленности и металлургии патентуемый материал находит применение для улавливания и утилизации вредных газов, паров и аэрозолей, а также для очистки различных жидкостей от растворенных в них примесей. Он служит отличным носителем катализаторов и обеспечивает выполнение самых тонких технологий.

Вышеописанный фильтрующий материал находит применение также в защитной одежде в качестве сорбирующего слоя, в респираторах и противогазах. Он эффективен также при очистке биологических сред, в устройствах сточных вод и газов любой степени загрязнения.

Патентуемый фильтрующий элемент содержит корпус 1 (фиг. 1, 2), внутри которого размещены один за другим слои 2 фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ. Торцы 3 каждого слоя 2 могут быть жестко соединены, например, припаяны к боковым стенкам 4 (фиг. 1) или к верхней торцевой стенке 5 (фиг. 2) и нижней 6, которые выполняются сплошными. Эти слои 2 могут располагаться один за другим, как показано на фиг. 1, либо могут быть смотаны непрерывной спиралью в рулон вокруг трубки 7, как показано на фиг. 2.

Для подвода (стрелка А) очищаемой жидкости или газа и отвода (стрелка В) очищенной жидкости либо газа верхняя 5 (фиг. 1) и нижняя 6 стенки корпус 1 имеют перфорацию 8, а в конструкции, показанной на фиг. 2, перфорацией 8 снабжены боковые стенки 4 корпуса 1 и трубки 7.

Поток фильтруемой жидкости, например воды, либо газа, схематично изображенный на фиг. 1, 2 стрелкой А, проходит через перфорацию 8 в верхней стенке 5 (фиг. 1) или боковой стенке А (фиг. 2) корпуса 1 и, последовательно просачиваясь (проникая) через слои 2 вышеописанного материала, освобождается от вредных примесей, высокотоксичных химических соединений типа хлора и хлорорганики, солей тяжелых металлов, фенола, нефтепродуктов, пестицидов, детергентов и т.п. Очищенная вода через перфорацию 8 в нижней стенке 6 (фиг. 1) или в трубке 7 (фиг. 2) выводится наружу, как показано стрелкой B (фиг. 1, 2).

Для уменьшения гидродинамического сопротивления фильтрующего элемента потоку очищаемой жидкости или газа между слоями 2 фильтрующего материала располагают слои 9 разделительного материала, выполненные из пористого либо сетчатого материала, например, полиамидной сетки, любого другого материала.

Как указывалось выше, слои 2 (фиг. 2) фильтрующего материала могут быть смотаны в рулон вокруг трубки 7. Эту трубку 7 целесообразно выполнить перфорированной так же, как и боковые стенки 4 корпуса 1. В этом случае поток жидкости или газа следует подавать сбоку, как показано по стрелке А.

Проходя последовательно через перфорации 8 в стенке 4 корпуса 1 и далее через слои 2 и 9 соответственно фильтрующего и разделительного материалов, затем через перфорацию 8 в стенке трубки 7, этот поток попадает во внутреннюю полость трубки 7 и выводится из фильтрующего элемента, как показано стрелкой B. Оси ОО¹ трубки 7 и корпуса 1 могут совпадать, как это показано на фиг. 2.

Корпус 1 фильтрующего элемента может быть выполнен как из пластмассы, так и из металла.

Целесообразно для увеличения площади поверхности контакта жидкости или газа с фильтрующим материалом корпус 1 фильтрующего элемента и трубку 7 выполнить в виде тел вращения, например соосно расположенных цилиндров. В этом случае смотанные в рулон слои фильтрующего 2 и разделительного 9 материалов компактно размещены между корпусом 1 и трубкой 7.

Когда слои 2 (фиг. 1) фильтрующего материала располагаются один над другим, корпус 1 фильтрующего элемента может быть выполнен в виде усеченного конуса (этот вариант выполнения на чертеже не показан), расширяющегося навстречу потоку фильтруемой жидкости либо газа, то есть в виде воронки, при этом верхняя 5 и нижняя 6 стенки конуса имеют перфорацию 8 для подвода очищаемой жидкости, либо газообразной среды и отвода очищенной.

Один из вариантов выполнения патентуемого фильтрующего устройства (фиг. 3) с использованием вышеописанного фильтрующего элемента 10, представленного на фиг. 1, содержит кожух 11, в котором, например, с помощью резиновой прокладки 12 и крышки 13 герметично устанавливается фильтрующий элемент 10, изображенный на фиг. 1. Подлежащая очистке жидкость либо газ подается через отверстие 14 в крышке 13, как показано стрелкой А, а очищенная жидкость либо газ отводится через отверстие 15 в днище 16 кожуха 11.

Другое фильтрующее устройство (фиг. 4) может иметь фильтрующий элемент 17 (фиг. 2), не связанный жестко с днищем 16 (фиг. 4) кожуха 11. В этом случае крышка 13 может быть выполнена съемной, а уплотнение ее с кожухом 11 происходит с помощью, например, резинового кольца 18, причем сам фильтрующий элемент 17 может быть герметично закреплен на крышке 13 с помощью, например, клея либо резьбового адаптера.

Благодаря этому в фильтрующем устройстве быстро и без специальных навыков можно заменить фильтрующий элемент, отработавший свой срок.

Для предотвращения засорения фильтрующего элемента крупнодисперсными примесямии, например ржавчиной, солями кальция, песчинками, пылью и т.п., и тем самым для увеличения срока его службы целесообразно применять фильтр 19 предварительной грубой очистки.

Он может быть установлен как вне кожуха 11 фильтрующего устройства, например в насадке (на чертеже не показана), применяемой для подсоединения фильтрующего устройства, например, к водопроводному крану, так и внутри кожуха 11 в виде стакана на перфорированной поверхности боковой стенки 4 (фиг. 2) корпуса 1.

Фильтр 19 грубой очистки может изготавливаться из различных синтетических и природных материалов, таких как полипропилен, капрон, либо войлок, фетр и т.д.

На фиг. 4 показан пример конструктивного исполнения фильтрующего элемента 17, выполненный из патентуемого фильтрующего материала с размещенным на его наружной поверхности сменным фильтром 19 грубой очистки, выполненным в виде бандажа.

Наличие легко заменяемого бандажа, выполненного, например, из углеродного волокнистого нетканого материала, позволяет значительно повысить качество очистки и ресурс работы фильтрующего элемента за счет эффективного улавливания этим материалом взвешенных загрязнителей в очищаемой жидкости либо газе. Обладая развитой системой межволоконных капилляров и транспортных пор, углеродный волокнистый нетканый материал способен накапливать в 5 - 10 раз больше взвешенных частиц, чем фильтрующие стенки, полотняные или трикотажные фильтрующие материалы. К тому же нетканые углеродные материалы весьма стойки в водных средах, они не подвержены гниению и деструкции.

В процессе фильтрования межволоконное пространство углеродного волокнистого нетканого материала бандажа заполняется взвешенными частицами, при этом гидродинамические характеристики фильтрующего устройства постепенно ухудшаются. Когда гидравлическое сопротивление фильтрующего устройства потоку воды превысит 0,3 МПа, необходимо произвести замену бандажа. Тем самым значительно увеличивается ресурс эксплуатации фильтрующего устройства в целом.

При самом первом запуске фильтрующего устройства в исходном положении фильтрующий элемент 17 устанавливается в кожухе 11 фильтрующего устройства в вертикальном положении, причем нижнее отверстие трубки 7 (фиг. 2) фильтрующего элемента 17 закрывается заглушкой 20 (фиг. 5), а верхняя крышка 5 фильтрующего элемента 17 прижимается к нижнему концу выводного штуцера 21, жестко установленного в крышке 13.

Очищаемая среда подается в кожух 11 снизу через отверстие 22 (по стрелке А) и по мере заполнения кожуха 11 сначала фильтруется фильтром 19 грубой очистки, затем фильтрующим элементом 17, а очищенная среда выводится из внутренней полости трубки 7 через штуцер 21 (по стрелке В).

После замены фильтра 19 грубой очистки, например, при выработке его ресурса одновременно меняют положение фильтрующего элемента 17 в устройстве таким образом, что нижняя сторона 6 фильтрующего элемента 17 становится верхней - 5, а верхняя сторона 5 становится нижней - 6 и соответствующей перестановкой заглушки 20, т. е. переворачивают фильтрующий элемент 17 на 180^oC.

Применение такого приема повторяют столько раз, сколько раз производится смена бандажа вплоть до выработки ресурса работы фильтрующего элемента.

Приведенный выше прием позволяет увеличить общий ресурс работы фильтрующего элемента во много раз и соответственно снизить стоимость производства, например, чистой питьевой воды.

Условия фильтрации жидкости либо газа по высоте фильтрующего устройства не одинаковы. Можно выделить две основные зоны фильтрации: верхнюю зону (1) усиленной фильтрации и нижнюю зону (II) относительного застоя.

При интенсивном фильтровании быстрее вырабатывается ресурс той части фильтрующего устройства, которая больше всего нагружена, т.е. верхней зоны (I). Фактически обычный, наблюдаемый в общепринятых условиях эксплуатации фильтрующего устройства, ресурс является минимальным.

Та же часть фильтрующего устройства, которая относится к нижней зоне (II) не реализует полностью своего ресурса. Включение этой зоны (II) в работу может быть осуществлено приведенным выше способом, т.е. путем переворачивания его примерно на 180^o.

Патентуемый фильтрующий элемент, выполненный на основе вышеописанного фильтрующего материала, и фильтрующее устройство, использующее вышеописанный фильтрующий элемент по совокупности потребительских свойств таких как:
- глубина очистки от широкого спектра вредных примесей;
- большой ресурс работы фильтрующего устройства;
- надежность, отсутствие эффекта "залпового сброса" адсорбируемых примесей в очищенную воду и пристеночного эффекта, в результате которого вблизи стенок фильтрующего устройства возможен проскок вредных химических соединений;
- удобство эксплуатации, простота обслуживания и др. позволяют получить воду, по своим органолептическим и химикобактериологическим показателям максимально приближенную к природному эталону.

Благодаря этому набору потребительских качеств фильтрующие устройства данного типа становятся незаменимыми для обеспечения чистой, полезной для здоровья человека, вкусной питьевой водой в быту, в условиях городской квартиры, загородного дома, в столовых и ресторанах, кемпингах, домах отдыха, в детских дошкольных учреждениях, школах, больницах и т.д.

Фильтрующие устройства, использующие патентуемый фильтрующий материал, описанный выше, благодаря своим высоким защитным свойствам способны производить глубокую очистку природной воды из поверхностных и подземных источников с высокой (1000-кратным превышением предварительно допустимых концентраций) исходной зараженностью ядохимикатами и, обладая высокой сорбционной емкостью по отношению к микробным телам и бактериальным токсинам, фильтрующий материал способен значительное время обеспечивать нормальный бактериальный фон в очищенной питьевой воде.

В связи с этим исключительно эффективным является применение данного фильтра в полевых условиях для обеспечения питьевой водой небольших групп людей, проживающих или работающих в удалении от коммунальных систем водоподготовки, например, фермеров, геологов, вахтовых бригад, чабанов, туристов и т. д., а также для обеспечения питьевых потребностей личного состава войсковых соединений.

Эффективным является использование патентуемых фильтрующих устройств и в промышленности, например, в пищевой и фармацевтической промышленности, микроэлектронике и т. д., то есть там, где в техническом процессе используется вода со специальными вкусовыми или химическими свойствами.

Формула изобретения

1. Фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ, выполненный из активированного углеродного непрерывного пористого моноволокна диаметром 4 - 10 мкм, удельной поверхностью 590 - 2550 м²/г и объемом сорбционных пор 0,63 - 1,82 см³/г, поверхность которого покрыта пористой оболочкой диоксида кремния в количестве 0,8 - 9,8% от массы волокна, причем указанный материал изготовлен в виде нити, шнура или ткани.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что объем микропор в объеме сорбционных пор составляет 0,13 - 0,67 см³/г, остальное - мезопоры или объем мезопор составляет 0,15 - 1,15 см³/г, остальное - микропоры.

3. Материал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для очистки воды объем микропор 0,19 - 0,67 см³/г, остальное - мезопоры или объем мезопор 0,23 - 1,15 см³/г, остальное микропоры.

4. Материал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для очистки воздуха объем микропор 0,13 - 0,55 см³/г, остальное - мезопоры или объем мезопор 0,15 - 0,73 см³/г, остальное - микропоры.

5. Материал по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро в количестве 0,05 - 0,96% от массы волокна или ионообменные смолы.

6. Материал по пп.1 - 5, отличающийся тем, что нить содержит не менее 1050 моноволокон и имеет плотность не менее 120 текс.

7. Материал по пп.1 - 6, отличающийся тем, что шнур выполнен не менее чем из трех нитей.

8. Материал по пп.1 - 5, отличающийся тем, что ткань имеет поверхностную плотность 80 - 240 г/м².

9. Материал по п.8, отличающийся тем, что для очистки воды ткань имеет поверхностную плотность 80 - 120 г/м².

10. Материал по п. 8, отличающийся тем, что для очистки воздуха ткань имеет поверхностную плотность 115 - 240 г/м².

11. Способ получения фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ, включающий пропитку гидратцеллюлозного волокна раствором кремнийорганического полимера в органическом растворителе с концентрацией 0,8 - 4,2 мас. % в течение 2,5 - 15 мин, его сушку на воздухе при 105 - 140^oC, карбонизацию при 550 - 985^oC в защитной газовой среде и активацию в окислительной среде при 855 - 960^oC в течение 3 - 55 мин.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического полимера используют полиорганосилоксан или полиорганофенилсилоксан.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что пропитку осуществляют при комнатной температуре.

14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют смесь газов следующего состава, об.%:
Водород - 73 - 74
Моноокись углерода - 20 - 21
Двуокись углерода - 2,7 - 3,2
Метан - 1,2 - 1,5
Влага - Остальное.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что активацию выполняют в среде водяного пара.

16. Фильтрующий элемент для очистки жидких и газообразных веществ, содержащий корпус с боковыми и торцевыми стенками, в котором помещен фильтрующий материал в виде слоев, расположенных один за другим, выполненный из активаторного углеродного пористого волокна диаметром 4 - 10 мкм, удельной поверхностью 590 - 2550 м²/г, объемом сорбционных пор 0,63 - 1,82 см³/г, поверхность которого покрыта пористой оболочкой диоксида кремния, причем между слоями фильтрующего материала помещен по крайней мере один слой разделительного материала, при этом одни стенки корпуса выполнены перфорированными, а другие - сплошными, жестко соединенными с торцами каждого слоя указанного фильтрующего материала.

17. Элемент по п.15, отличающийся тем, что перфорированными выполнены торцевые стенки корпуса.

18. Элемент по п.15, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен перфорированной внутренней трубкой, расположенной соосно с боковыми стенками корпуса, которые также выполнены перфорированными, а слои фильтрующего материала выполнены в виде рулона, смотанного вокруг внутренней трубки.

19. Элемент по пп.15 - 17, отличающийся тем, что трубка или корпус выполнены из металла.

20. Элемент по пп.15 - 17, отличающийся тем, что трубка или корпус выполнены из пластмассы.

21. Фильтрующее устройство для очистки жидких и газообразных веществ, включающее кожух с днищем и крышкой с отверстием, размещенный внутри кожуха фильтрующий элемент, в корпусе которого помещен фильтрующий материал в виде слоев, расположенных один за другим, выполненный из активированного углеродного пористого волокна диаметром 4 - 10 мкм, удельной поверхностью 590 - 2550 м²/г, объемом сорбционных пор 0,63 - 1,82 см³/г, поверхность которого покрыта оболочкой диоксида кремния, при этом крышка выполнена съемной, корпус фильтрующего элемента размещен так, что его стенки образуют зазор относительно стенок кожуха, а крышка герметично сообщена с кожухом и корпусом фильтрующего элемента.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено фильтром предварительной очистки, выполненным из натуральных, синтетических волокон или из нетканых материалов.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что фильтр предварительной очистки размещен в насадке.

24. Устройство по пп.21 - 23, отличающееся тем, что фильтрующий элемент выполнен с перфорированными торцевыми стенками, при этом фильтр предварительной очистки расположен между отверстием в крышке и перфорированной стенкой фильтрующего элемента, днище дополнительно снабжено отверстием для отвода очищенной жидкости, а крышка выполнена конусообразной.

25. Устройство по пп.21 - 23, отличающееся тем, что фильтрующий элемент дополнительно снабжен внутренней перфорированной трубкой, нижний конец которой снабжен заглушкой, а верхний герметично соединен с отверстием в крышке, причем указанная трубка помещена соосно с боковыми стенками корпуса и кожуха, при этом первые выполнены также перфорированными, а слои фильтрующего материала смотаны в рулон вокруг внутренней трубки, а фильтр предварительной очистки выполнен в виде стакана и расположен соосно между кожухом и перфорированной стенкой фильтрующего элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6