Фильтрующий материал
Изобретение относится к фильтрам для очистки жидкостей или газов от одной или более содержащихся в них дисперсных фаз и может применяться в области фильтрации эмульсий, суспензий, дымов и аэрозолей. Сущность изобретения состоит в том, что фильтрующий материал представляет собой нетканый волокнистый материал, содержащий не менее 5% волокон в виде лент, имеющих ширину не менее 10% от среднего размера удаляемой дисперсной фазы и толщину от 2% до 50% их ширины. Материал содержит поры со средним размером пор, не меньшим, чем средний размер удаляемой дисперсной фазы, и имеет толщину, по крайней мере, в 2 раза превышающую средний размер пор. Фильтр изготавливается из материала, у которого поверхностное натяжение в фильтруемой среде больше, чем поверхностное натяжение фильтруемой дисперсной фазы в этой же среде. Применение изобретения наиболее эффективно для удаления дисперсной фазы, которая не имеет большой анизотропии формы и имеет характерный размер в интервале 0,02-100 мкм. 7 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.
Область техники.
Изобретение относится к фильтрам для очистки жидкостей или газов от одной или более содержащихся в них дисперсных фаз, и может применяться в области фильтрации эмульсий, суспензий, дымов и аэрозолей. Применение изобретения наиболее эффективно для удаления дисперсной фазы, которая не имеет большой анизотропии формы и имеет характерный размер в интервале 0,02-100 мкм.
Уровень техники.
Механизм удаления жидкой или твердой дисперсной фазы из жидкости или газа при помощи фильтрующих материалов в основном сводится к двум процессам: к механическому задержанию и к адгезии.
В первом случае средний размер пор фильтрующего материала меньше, чем средний размер удаляемой дисперсной фазы, в результате чего эта дисперсная фаза механически задерживается фильтрующим материалом. При этом состав фильтрующего материала, как правило, не зависит от состава фильтруемой дисперсной фазы и определяется другими требованиями, например температурой эксплуатации.
Во втором случае задержание дисперсной фазы происходит за счет адгезионного взаимодействия с материалом фильтра, поэтому эти фильтры можно назвать адгезионными. В этом случае средний размер пор фильтрующего материала может быть больше, чем средний размер фильтруемой дисперсной фазы. Величина адгезии зависит от природы контактирующих материалов, свойств их поверхностей и площади их контакта и определяется силами межмолекулярного притяжения между материалом фильтра и фильтруемой дисперсной фазой. Величина адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение материала фильтра в фильтруемой жидкости или газе по сравнению с таковым для дисперсной фазы также в фильтруемой жидкости или газе. Адгезия жидкой дисперсной фазы к материалу фильтра проявляется в его смачивании.
Величина адгезии усиливается, если материал фильтра и/или фильтруемая дисперсная фаза электрически заряжены. В этом случае говорят о электроадгезии.
Фильтры, работающие на принципе механической фильтрации, позволяют достичь высокой степени очистки фильтруемой среды, однако они имеют относительно небольшую скорость фильтрации, а также склонны к закупориванию (под степенью очистки здесь понимается процент улавливания дисперсной фазы относительно ее исходного содержания в фильтруемом материале). Закупоривание даже тонкого поверхностного слоя фильтрующего материала приводит к снижению скорости фильтрации вплоть до полного прекращения фильтрации. В этом случае для поддержания приемлемой скорости фильтрации необходимо повышать газо- или гидродинамическое давление фильтруемой среды. Однако такое повышение давления имеет ограничение, обусловленное механической прочностью фильтрующего материала, превышение которого может привести к его механическому повреждению и выходу из строя всего фильтра.
Адгезионные фильтры имеют высокую скорость фильтрации, поскольку они менее склонны к закупориванию, но обеспечивают меньшую степень очистки фильтруемой среды, поскольку часть фильтруемой дисперсной фазы может пройти через фильтрующий материал, не вступив в адгезионное взаимодействие с фильтруемым материалом, или это взаимодействие окажется недостаточным для ее прочного удержания. Адгезионное взаимодействие фильтруемой дисперсной фазы с фильтрующим материалом происходит на поверхности фильтрующего материала, поэтому количество адсорбированного вещества зависит от площади поверхности фильтра, доступной для адгезии. Это означает, что для повышения ресурса работы фильтра необходимо увеличить его рабочую поверхность, т.е. поверхность, доступную для адгезионного взаимодействия с фильтруемой дисперсной фазой. Простейшим вариантом такого увеличения адгезионной поверхности фильтра является увеличение количества фильтруемого материала при сохранении его кажущейся плотности, т.е. другими словами, увеличение размера фильтра (под кажущейся плотностью материала здесь понимается отношение массы материала к объему, занимаемому материалом). Однако такой подход является неприемлемьм в ряде устройств, т.к. требует увеличения объема фильтра. В некоторых же случаях такое увеличение объема фильтра недопустимо, т.к. приведет к потере ценного фильтруемого продукта, например крови при удалении из нее лейкоцитов.
Другой способ повышения адгезионной поверхности - это использование волокон, имеющих нецилиндрическую поверхность, поскольку у таких волокон поверхность больше, чем у цилиндрических волокон с такой же площадью поперечного сечения. В патенте US 2003096114 A1 описаны волокна, имеющие правильную полигональную форму, т.е. имеющие в сечении вид треугольника или квадрата. В патентах US 3092892 и US 4117194 описаны композиционные волокна, состоящие из двух волокон, соединенных между собою боковыми поверхностями, или эксцентрично, т.е. не имея общей оси. Недостатком волокон, описанных в этих патентах, является недостаточно большая их удельная поверхность (под удельной поверхностью здесь понимается площадь свободной поверхности, отнесенная к массе волокон). Однако следует отметить, что увеличение удельной поверхности волокон еще не обеспечивает повышения степени фильтрации и ресурса работы фильтра.
Дело в том, что следует различать общую поверхность волокон и поверхность, доступную для адгезии. Поверхность, доступная для адгезии - это поверхность, открытая для контакта с фильтруемой дисперсной фазой. Поэтому наиболее предпочтительным является фильтрующий материал, у которого поверхность, доступная для адгезии, близка к общей поверхности материала. В патентах US 5382400, US 5405698 и US 5672415 описаны многофиламентные композиционные волокна, соединенные между собою боковыми поверхностями. Недостатком таких волокон является недостаточно большая поверхность, доступная для адгезии, в результате того, что филаменты в волокне заслоняют друг друга, препятствуя адгезии на внутренних филаментах. В патенте US5057368 описаны текстильные волокна в виде трех- или четырехлопастника, у которых образующие их «лопасти» имеют в сечении вид буквы «Т». Эти волокна имеют большую удельную поверхность, но относительно небольшую адгезионную поверхность в результате того, что внутренняя поверхность «лопастей» мало доступна для адгезии твердой дисперсной фазы. Такие волокна могут быть применены только для удаления жидкой дисперсной фазы, смачивающей поверхность волокон. Однако из-за крайне высокой кривизны поверхности удаляемая дисперсная фаза должна проявлять очень высокую смачиваемость поверхности волокон, что существенно ограничивает область применения таких волокон для фильтрации. Другим недостатком этих волокон является их повышенное газо- или гидродинамическое сопротивление, зависящее от удельной поверхности, поскольку удельная поверхность определяет площадь контакта фильтруемой среды с волокном. В некоторых случаях, например при фильтрации крови, повышение давления может привести к гемолизу, что является крайне нежелательным. В патенте US 7968480B2 описаны волокна, имеющие в сечении вид трех-, четырех-, пяти-, или шестилопастников. Недостатком этих волокон является недостаточно высокая удельная поверхность из-за того, что образующие их «лопасти» имеют большой поперечный размер, сопоставимый с их длиной. Другим недостатком этих волокон является большая кривизна поверхности с чередующейся выпуклой и вогнутой частями поверхности. Это приводит к тому, что только твердая дисперсная фаза с размером, существенно меньшим, чем размер внутренней полости, образованной соседними лопастями, может адсорбироваться на полостях таких волокон. С другой стороны, твердая дисперсная фаза, имеющая размер, сопоставимый с размером лопастей, будет иметь контакты или с одной лопастью, или максимум с двумя лопастями одновременно. Однако из-за большой кривизны поверхности волокна площадь этих контактов, а соответственно и адгезионное взаимодействие, будет небольшой, что может привести к десорбции твердой дисперсной фазы и снизить эффективность фильтрации. Такие волокна могут быть применены только для удаления жидкой дисперсной фазы, смачивающей поверхность волокон, что ограничивает область применения таких волокон для фильтрации.
Еще один способ повышения удельной поверхности - уменьшение диаметра волокон, поскольку тонкие волокна с суммарной площадью поперечного сечения, равной площади сечения более толстого волокна, имеют большую площадь боковой поверхности. Волокна с диаметром менее 10 мкм могут быть получены различными способами. Известно, что углеродные волокна такого диаметра могут быть получены путем карбонизации полимерных волокон. Патенты US 3382305, US 5120598 и EP-A-0498672 описывают способ получения полимерных волокон со средним диаметром меньше 3 мкм, основанный на формовании и вытягивании волокон из смеси несмешивающихся полимеров с последующим растворением одного из них. Кроме того, полимерные волокна микронного и субмикронного диаметра могут быть получены методом газового раздува расплава полимера, или методом электроформования раствора полимера. Однако и в этом случае увеличение удельной поверхности волокон приводит к повышению адгезионной поверхности только для жидкой дисперсной фазы, но не для твердой. Если бы материал волокна и материал твердой дисперсной фазы были бы недеформируемые, т.е. абсолютно твердые, то площадь их контакта не зависела бы от радиуса волокна, т.к. при любом его значении это была бы точка. Однако в реальности все материалы имеют определенную упругость, т.е. деформируемы, поэтому при контакте они взаимно деформируют друг друга в зависимости от баланса их упругости и сил адгезии. В этом случае площадь контакта уже зависит от кривизны контактирующих материалов и она тем меньше, чем больше их кривизна. Таким образом, твердая дисперсная фаза, не имеющая значительной анизотропии формы, т.е. близкая по форме к сфере, или эллипсоиду (например, веретенообразная), или к диску (например, чечевицеобразная), имеет площадь контакта с поверхностью волокна, меньшую, чем с плоской поверхностью, из-за его цилиндрической формы, и эта площадь уменьшается с уменьшением диаметра волокна. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению адгезионного взаимодействия и снижению эффективности фильтрации. Это показывает, что для эффективного адгезионного взаимодействия диаметр волокон должен быть достаточно большим, чтобы величина этого взаимодействия была сопоставима с величиной взаимодействия с плоской поверхностью. Другими словами, диаметр волокон должен быть существенно, по крайней мере в несколько раз, больше, чем размер дисперсной фазы с тем, чтобы эффект кривизны волокна был несущественным. Однако фильтры с такими волокнами будут иметь очень низкое значение удельной поверхности. В случае, когда диаметр волокон сопоставим или меньше, чем средний размер дисперсной фазы, в адгезионном взаимодействии с дисперсной фазой должны одновременно участвовать несколько волокон. Это означает, что средний размер пор в таком фильтрующем материале должен быть меньше, чем средний размер дисперсной фазы, т.е. фильтр, по сути, перестает быть адгезионным, а становится фильтром с механической фильтрацией с присущими ему недостатками, такими как склонность к закупориванию.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, сочетающего высокую эффективность фильтрации жидких и газообразных сред, в которых средний характерный размер частиц дисперсной фазы находится в интервале 0,02-100 мкм, и низкое гидродинамическое сопротивление.
Техническим результатом изобретения является повышение степени и скорости фильтрации эмульсий, суспензий, дымов и аэрозолей при сохранении или значительном снижении гидродинамического сопротивления.
Технический результат достигается фильтрующим материалом, представляющим собой нетканый волокнистый материал, содержащий не менее 5% волокон в виде лент, имеющих ширину не менее 10% от среднего размера удаляемой дисперсной фазы и толщину от 2% до 50% их ширины, содержащий поры со средним размером пор, не меньшим, чем средний размер удаляемой дисперсной фазы, и имеющий толщину, по крайней мере, в 2 раза превышающую средний размер пор.
В некоторых воплощениях изобретения технический результат достигается материалом, содержащим волокна в форме лент с утолщениями по краям с характерным размером утолщений от 25% до 50% от ширины ленты.
В других воплощениях изобретения технический результат достигается материалом, который имеет поры со средним размером, не меньшим, чем размер, по крайней мере, 50% частиц, удаляемой дисперсной фазы.
Для достижения технического результата материал может содержать волокна в форме лент, которые состоят из материала, поверхностное натяжение которого в среде фильтруемой жидкости или газа превышает поверхностное натяжение дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
В некоторых воплощениях технический результат достигается материалом, содержащим волокна в форме лент, покрытые материалом, у которого поверхностное натяжение в среде фильтруемой жидкости или газа превышает поверхностное натяжение дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
В частных воплощениях изобретения технический результат достигается материалом, сформованным на тканой или нетканой полимерной основе, например на спанбонде, фильтровальной бумаге или тканях из углеродного или стекловолокна с поверхностной плотностью 20-150 г/м2 и размером пор, не меньшим, чем максимальный размер всех удаляемых частиц.
В других воплощениях изобретения технический результат достигается материалом, содержащим волокна в форме лент из полимера, поверхность которого подвергнута плазмохимической обработке до достижения величины поверхностного натяжения в среде фильтруемой жидкости или газа, большей, чем величина поверхностного натяжения дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в сочетании нескольких факторов: морфологии волокон, их ширины, толщины, плотности фильтрующего материала, эффективности фильтрации.
Морфология волокон в виде лент, имеющих толщину от 2% до 50% их ширины, обеспечивает то, что у такого материала площадь адгезионной поверхности приближается к площади свободной поверхности материала. При этом чем тоньше лента, тем площадь адгезионной поверхности максимально приближается к площади свободной поверхности фильтра, что обеспечивает максимальную эффективности фильтрации. При увеличении толщины лент более 50% от их ширины форма волокон приближается к цилиндрической и удельная поверхность волокон становится сравнимой с цилиндрическими волокнами; в результате эффект от изобретения становится незначительным. При толщине лент менее 2% от их ширины трудно обеспечить сплошность лент в соответствии с наиболее технологичными способами их производства такими, как вытягивание из фильер, газовый раздув, или электроформование. В наиболее оптимальном случае толщина лент должна составлять от 2% до 10% их ширины. В этом случае, в особенности для лент из полимеров, ленты будут более гибкими, чем цилиндрические волокна с равной площадью поперечного сечения. Это может привести к повышению адгезионного взаимодействия с дисперсной фазой за счет того, что лента может частично огибать дисперсную фазу, увеличивая тем самым площадь их адгезионного взаимодействия.
Ширина волокон должна составлять не менее 10% от среднего размера удаляемой дисперсной фазы. При меньшем значении ширина волокна может ограничивать возможную площадь адгезии дисперсной фазы, что, в свой очередь, приведет к уменьшению эффективности адгезии, в особенности для фаз, имеющих высокую деформируемость, например жировых глобул в молоке или лейкоцитов. Так в патенте US 5298165 описывается фильтр, который содержит волокна с диаметром от 0,3 до 1,6 мкм, получаемых методом раздува расплава полимера, который применяется для удаления лейкоцитов, имеющих размер от 2 до 20 мкм. В этом патенте, со ссылкой на японской патент (Japanese Patent Application No. 1-296269), отмечается, что лейкоциты задерживаются в местах пересечений волокон, где расстояние между волокнами становится меньше, чем средний размер лейкоцитов. Это свидетельствует, что волокна с характерным диаметром около 10% от среднего размера дисперсной фазы уже не обладают достаточной эффективностью для их адгезионного удержания. Максимальная ширина лент выбирается из соображений технологичности их производства.
Содержание волокон описанной морфологии в фильтрующем материале должно быть не менее 5% от общего числа волокон. При меньшем содержании волокон эффект от изобретения становится незначительным. Максимальный эффект от изобретения достигается при 100% содержании таких волокон.
Размер пор в заявляемом фильтровальном материале должен быть не менее среднего размера удаляемой дисперсной фазы. В противном случае фильтр будет работать как фильтр механического улавливания частиц с присущими таким фильтрам недостатками, например со склонностью к закупориванию. Максимальный размер пор определяется требуемой скоростью и степенью фильтрации: чем выше требуемая скорость фильтрации и ниже требуемая степень очистки, тем размер пор может быть большим.
Толщина фильтровального материала должна быть, по крайней мере, в 2 раза больше, чем средний размер пор. В противном случае велика вероятность проскока дисперсной фазы и, соответственно, невысокая степень фильтрации. Максимальная толщина материала определяется требуемой степенью фильтрации: чем выше требуемая степень фильтрации, тем толщина должна быть больше. Максимальная толщина материала также выбирается из технологических ограничений, например на размер фильтра или на объем пор фильтра, определяющего количество оставшейся в порах фильтруемой жидкости.
Материал фильтра выбирается из условия, что его поверхностное натяжение в фильтруемой среде должно быть больше, чем поверхностное натяжение фильтруемой дисперсной фазы в этой же среде. При этом, при прочих равных условиях, предпочтение отдается материалу с наибольшей величиной поверхностного натяжения.
Фильтрующий материал, изготовленный в соответствии с данным изобретением, может помещаться на пористой тканой или нетканой полимерной основе типа «спанбонд», «спанлейс», фильтровальная бумага, ткань из углеродного или стекловолокна, при этом тканая или нетканая основа должна иметь размер пор не меньший, чем максимальный размер дисперсной фазы.
Ниже приводятся примеры использования изобретения для удаления как твердых, так и жидких дисперсных фаз из жидких и газообразных сред, которые демонстрируют его применение. В этих примерах известный фильтрующий материал, описанный в аналогах, изготавливался в соответствии с настоящим изобретением, и его фильтрующие свойства сравнивались со свойствами материала, описанного в аналоге. Эти примеры иллюстрируют применение данного изобретения, однако его применение не ограничивается только этими примерами.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1. Фильтрация сигаретного дыма.
Известно, что среднее значение размера частиц сигаретного дыма составляет около 0,4 мкм (http://russlav.ru/tabak/sostav-tabachnogo-dima.html).
Два типа нетканых фильтрующих материалов в соответствии с данным изобретением были изготовлены с использованием способа электроформования волокон из растворов полимеров. Первый материал был изготовлен из нановолокон найлона-6 (полиамид-6), а второй - из углеродных нановолокон, полученных в результате термодеструкции и карбонизации электроформованных волокон полиакрилонитрила при 1200°C. Было приготовлено по нескольку образцов каждого типа, содержащих разное количество волокон в виде микролент с их примерным содержанием: 5%, 10%. Материал из найлона-6 состоял из волокон со средним диаметром 0,250 мкм, при этом волокна в виде лент имели ширину около 0,3 мкм и толщину около 60 нм. Характерный размер (диаметр) пор - 1,6-2,2 мкм. Материал имел удельную поверхность 50 м2/г. Материал из углеродных волокон состоял из волокон со средним диаметром 0,2-0,6 мкм и содержал волокна в виде лент шириной 0,2-0,5 мкм и толщиной 60-70 нм. Характерный размер пор - 2,0-2,8 мкм. Этот материал имел удельную поверхность 100 м2/г. Поверхностная плотность обоих типов материалов составляла 0,10±0,02 г/см2. Диаметр волокон, их морфология, а также характерный размер пор определялись на сканирующем электронном микроскопе NeoScope JCM 5000 производства «Jeol» с использованием программы «Image Scope», измерение удельной поверхности проводилось одноточечным методом на приборе QSurf Series. Электроформование проводилось на промышленной установке непрерывного действия NS-1600 компании «Elmarco» в соответствии с техническим регламентом к установке. Содержание волокон в виде лент зависело от вязкости формовочных растворов и напряжения электроформования. Формовочные растворы имели вязкость от 400 до 600 сПз, напряжение электроформования варьировалось в диапазоне 45-80 кВ. Оба типа фильтровальных материалов были расположены на подложке из фильтровальной бумаги - ВФБ-750АБ производства ЗАО НПП «Фильтровальные материалы» (поверхностная плотность 110±5 г/см2, воздухопроницаемость 750 л/м2с, разрушающее усилие >75 H) в рулонах шириной 1600 мм. Волокна из найлона-6 формовались непосредственно на эту подложку в непрерывном процессе. Углеродный материал переносился на подложку после карбонизации полиакрилонитрильных волокон (при этом материал подложки предварительно пропитывался 1% раствором поливинилового спирта в воде; после чего высушивался при 80°C в течение 2 ч. После осаждения слоя волокон на подложку ВФБ-750АБ из полученного двухслойного материала вырубались сегменты фильтра в виде дисков диаметром 7,78 мм, что соответствует диаметру стандартного сигаретного фильтра.
Для проведения испытаний сегмент соединяли с сигаретой «Ява оригинальная» в соответствии со способом, изложенным в патенте РФ 111989, пример 2. Испытания полученных сигаретных фильтров также проводились в соответствии с условиями, описанными в патенте РФ 111989. Таким образом были изготовлены сигаретные фильтры, содержащие сегменты, изготовленные по заявляемому патенту и состоящие из микроволокон найлона-6 и углеродных микроволокон с содержанием в них микролент в количестве: 5%, 10%, которые обозначены в таблице 1 соответственно Н5, Н10, У5, У10. Всего было изготовлено по 40 сегментов из каждого такого материала. Ниже приведены данные, усредненные по 40 образцам.
После соединения сегмента с сигаретой проводилось тестирование этих сигарет на 20-позиционной роторной курительной машине-автомате Borgwaldt rm20/cs при следующих условиях: объем затяжки 35 мл, скорость воздушного потока 0,20±0,03 м/с, время затяжки 2 с, время паузы 1 с, параметры окружающей среды (давление, температура и влажность) - по ГОСТ Р ИСО 3402-2002. Содержание в табачном дыме: никотина и смолы - определяли по ГОСТ Р 51976-2002; монооксида углерода - по ГОСТ Р 51358-2008. Сопротивление затяжке: сигареты - по ГОСТ Р ИСО 6565-2002.
Таким образом, были изготовлены сигаретные фильтры, содержащие сегменты, изготовленные по заявляемому патенту и состоящие из микроволокон найлона-6 и углеродных микроволокон с содержанием в них микролент в количестве: 5%, 10%, которые обозначены в таблице 1, соответственно Н5, Н10, У5, У10. Всего было изготовлено по 40 сегментов из каждого такого материала. Ниже приведены данные, усредненные по 40 образцам. В качестве прототипа использовали сегменты сигаретного фильтра по патенту РФ 111989, не содержащие волокон в виде микролент. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
| Таблица 1. | |||||
| Параметры | Фильтрующий материал | ||||
| Прототип | Н5 | Н10 | У5 | У10 | |
| Плотность слоя нановолокон, г/м2 | 0,10±0,03 | 0,10±0,03 | 0,10±0,03 | 0,10±0,03 | 0,10±0,03 |
| Диаметр нановолокон, нм | 250±50 | 300-500 | 300-500 | 200-600 | 200-600 |
| Содержание нанолент, % | 0 | 5 | 10 | 5 | 10 |
| Ширина нанолент, нм | - | - | 400 | - | 200-500 |
| Содержание никотина, мг/сиг. | 0,384 | 0,371 | 0,352 | 0,365 | 0,340 |
| Увеличение эффективности фильтрации никотина по сравнению с прототипом, % | - | 3,4 | 6,25 | 5,0 | 11,5 |
| Содержание смолы, мг/сиг | 4,443 | 4,402 | 4,105 | 4,207 | 3,901 |
| Увеличение эффективности фильтрации смолы по сравнению с прототипом, % | - | 1 | 7,6 | 5,3 | 12,2 |
| Содержание СО, мг/сиг | 5,83 | 5,82 | 5,81 | 5,82 | 5,81 |
| Сопротивление затяжке, мм вод. ст. | 116 | 110 | 103 | 106 | 101 |
Из таблицы видно, что содержание никотина и смол снижается при применении новых фильтров по настоящему изобретению. Таким образом, новые фильтры задерживают большее количество никотина и смол, т.е. обеспечивают более эффективную фильтрацию в отношении этих веществ - лишь 10% ленточных волокон приводят к увеличению эффективности фильтрации на 6,25-11,5%. Кроме того, по сравнению с прототипом вплоть до 13% снижается сопротивления затяжке (в данном случае сопротивление затяжке отражает гидродинамическое сопротивление).
Пример 2. Очистка газа от аэрозоля.
Для тонкой очистки аэрозолей были приготовлены два типа фильтрующих материалов с использованием способа электроформования волокон из растворов полимеров. Оба материала были изготовлены из полисульфона (ПС) электроформованием на подложку из полипропиленового спанбонда производства «Регент» (поверхностная плотность 20±1 г/см2). Материал ПС0 содержал 100% нановолокон преимущественно цилиндрической формы диаметром около 300 нм, материал ПС50 - содержал около 50% нановолокон преимущественно цилиндрической формы диаметром около 300 нм и около 50% микролент шириной около 200-400 нм и толщиной около 60 нм. Размер пор в образцах ПС0 и ПС50 составил 1,2-2,5 мкм. Диаметр волокон, их морфология и размер пор определялись на сканирующем электронном микроскопе NeoScope JCM 5000 производства «Jeol» с использованием программы «Image Scope. Электроформование проводилось на лабораторной установке непрерывного действия NS-200S компании «Elmarco» в соответствии с техническим регламентом к установке. Содержание волокон в виде лент зависело от вязкости формовочных растворов и напряжения электроформования. Формовочные растворы имели вязкость от 300 до 700 сП, напряжение электроформования варьировалось в диапазоне 40-90 кВ.
Для сравнения был приготовлен фильтрующий материал из полисульфона по патенту РФ 2270714, состоящий из смеси нановолокон диаметром около 200 нм и микронных волокон диаметром около 1 мкм при их соотношении примерно 1:10. Этот материал формовался на капиллярной установке электроформования из растворов полисульфона в дихлорэтане с добавкой тетрабутиламмония иодида 0,01 мас.% с вязкостью 700 сП и электропроводностью 5·10-6 Ом-1·см-1.
Материалы помещали в корпус фильтра с сепараторами и рамочным элементом, имеющим параллельную развертку и снабженным волокнистым фильтрующим материалом, охарактеризованным выше, и испытывали эффективность фильтрации.
Технические характеристики фильтра в сравнении с прототипом (по патенту РФ 2270714) приведены в таблице 2.
| Таблица 2. | |||
| Параметры | Фильтрующий материал | ||
| Прототип по патенту РФ 2270714 | ПС-0 | ПС-50 | |
| Диаметр волокон, мкм и их соотношение в общем объеме | 1 и 0,2 1:10 | 0,3 | 0,3 |
| Ширина нанолент, мкм | - | - | 0,2-0,4 |
| Толщина нанолент, нм | - | - | 60 |
| Эффективность фильтрации по частицам 0,3 мкм, % | 99,99 | 99,99 | 99,999 |
| Коэффициент проскока*, % | 0,01 | 0,01 | 0,001 |
| Класс очистки по классификации ЕН1882 | Eu13 | Eu13 | Eu14 |
| Гидродинамическое сопротивление при скорости потока газа 1 см/с, Па | 60 | 61 | 48 |
| *Коэффициент проскока - характеристика фильтра или фильтрующего материала, равная процентному отношению концентрации частиц после фильтра к концентрации частиц до фильтра (ГОСТ Р 51251-99). |
Таким образом, за счет использования фильтрующего материала, изготовленного в соответствии с заявляемым изобретением, резко улучшены технические характеристики изделия - коэффицент проскока и эффективность фильтрации. Коэффициент проскока снижен в 10 раз. По эффективности фильтрации фильтрующий материал соответствует более высокому классу особо тонкой очистки Eu14. Кроме того, снижено гидродинамическое сопротивление фильтрации на 20%.
Пример 3. Фильтрация дизельного топлива.
Известно, что примеси воды в дизельном топливе могут привести к выходу двигателя из строя.
Было приготовлено два типа фильтрующих материалов из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) путем раздува расплава. Первый тип материала был получен с использованием фильер с цилиндрической формой сопел, а второй - с использованием щелевых фильер. Первый материал состоял преимущественно из волокон округлой (т.е. близкой к цилиндрической) формы со средним диаметром 3-10 мкм, а второй - из волокон в виде лент шириной 5-15 мкм и толщиной 1-3 мкм. Характерный размер пор составил 10-40 мкм в обоих случаях. Морфология волокон и размер пор определялась на сканирующем электронном микроскопе NeoScope JCM 5000 производства «Jeol» с использованием программы «Image Scope».
Фильтровальные материалы в виде слоя толщиной около 0,5 мм формовались на подложку из полиэфирного спанбонда производства «Комитекс» (поверхностная плотность 50±2 г/см2) в рулонах шириной 450 мм. После этого для повышения гидрофильности фильтрующих материалов оба материала подвергали плазмохимической обработке в плазме барьерного разряда частотой 1 МГц при напряжении 20-40 кВ в среде азота при атмосферном давлении при непрерывной протяжке, обеспечивающей время плазменной обработки в течение 0,5-1 мин. После обработки поверхностное натяжение фильтровальных материалов составляло не менее 60 мН/м.
После этого материалы ламинировали полиэфирным спанбондом той же марки на ламинаторе Reliant (температура ламинации 150°C, клей ПЭВД, расход клея 4 г/м2) с получением трехслойного материала спанбонд/фильтровальный материал/спанбонд. Воздухопроницаемость полученных трехслойных материалов составила 44-47 л/м2с (см. табл.2). Из полученного трехслойного материала вырезались образцы размером 20*20 мм для проведения испытаний на дизельную фильтрацию. Материал ПЭТФ-О состоял преимущественно из округлых волокон, а материал ПЭТФ-Л состоял из микролент.
Для проведения испытаний использовали дизельное топливо BP Ultimate Diesel. К дизельному топливу добавляли воду с последующим центрифугированием на лабораторной центрифуге Sigma при 3500 об/мин. Средний размер водной дисперсии составлял 0,5 мкм. Таким образом получали суспензию воды в дизеле с концентрацией 3000±300 ppm. Концентрацию воды в суспензии до и после фильтрации определяли волюметрическим титрованием на приборе TitroLine KF Volumetric Karl Fischer Titrator 230V производства «Schott SI Analytics».
Фильтрующий элемент закрепляли в штативе и проливали суспензию воды в дизеле объемом 4 л через фильтр со скоростью 0,4 л/мин. Результаты представлены в таблице 3.
| Таблица 3. | ||
| Параметр | Фильтрующий материал | |
| ПЭТФ-О | ПЭТФ-Л | |
| Плотность фильтровального слоя, г/м2 | 5,7±0,2 | 6,2±0,2 |
| Диаметр микроволокон, мкм | 3-10 | - |
| Ширина микролент, мкм | - | 5-15 |
| Толщина микролент, мкм | - | 1-3 |
| Воздухопроницаемость, л/м2с | 44±4 | 45±4 |
| Содержание воды в суспензии до фильтрации, ppm | 3000±300 | 3000±300 |
| Содержание воды в суспензии после фильтрации, ppm | 50±5 | 10±2 |
| Эффективность фильтрации, % | 98,3 | 99,7 |
| Остаточное содержание воды в дизельном топливе, % | 1,7 | 0,3 |
Сравнение результатов показывает, что при одинаковой воздухопроницаемости (а значит и гидродинамическом сопротивлении) фильтрующий материал, содержащий ленточные волокна, позволяет снизить содержание воды в дизельном топливе до 0,3%, т.е. задерживает воды в 6 раз больше, чем материал из цилиндрических волокон.
Приведенные примеры показывают, что фильтровальные материалы, изготовленные в соответствии с изобретением, более эффективно удаляют различные твердые или жидкие дисперсные фазы из разных жидких или газообразных сред.
1. Фильтрующий материал для удаления твердой или жидкой дисперсной фазы из фильтруемой жидкости или газа, представляющий собой нетканый волокнистый материал, содержащий не менее 5% волокон в виде лент, имеющих ширину не менее 10% от среднего размера удаляемой дисперсной фазы и толщину от 2% до 50% их ширины, содержащий поры со средним размером пор, не меньшим, чем средний размер удаляемой дисперсной фазы, и имеющий толщину, по крайней мере, в 2 раза превышающую средний размер пор.
2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что волокна в форме лент имеют утолщения по краям с характерным размером утолщений от 25% до 50% от ширины ленты.
3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он имеет поры со средним размером, не меньшим, чем размер, по крайней мере, 50% частиц, удаляемой дисперсной фазы.
4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что волокна в форме лент состоят из материала, у которого поверхностное натяжение в среде фильтруемой жидкости или газа превышает поверхностное натяжение дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что волокна в форме лент покрыты материалом, у которого поверхностное натяжение в среде фильтруемой жидкости или газа превышает поверхностное натяжение дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
6. Материал по п. 1, отличающийся тем, что волокна в форме лент состоят из полимера, поверхность которого подвергнута плазмохимической обработке до достижения величины поверхностного натяжения в среде фильтруемой жидкости или газа большей, чем величина поверхностного натяжения дисперсной фазы в среде фильтруемой жидкости или газа.
7. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он формируется или помещается на тканой или нетканой полимерной основе типа «спанбонд», «спанлейс», фильтровальная бумага, ткань из углеродного или стекловолокна с поверхностной плотностью 20-150 г/м2.
8. Материал по п. 7, отличающийся тем, что нетканая или тканая основа имеет размер пор, не меньший, чем максимальный размер всех удаляемых частиц.
