Фильтрующий материал

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси(57) Фильтрующий материал, включающий полимерные волокна, когезионно соединенные в точках касания,и адгезионно закрепленные на поверхностях волокон твердые частицы модификатора, в качестве которого содержит уголь активный, отличающийся тем, что содержит уголь активный, пропитанный экстрактом хвои сосны, и дополнительно феррит бария, 5-фенилтетразол, бис(-тетразол-5-илэтил)овый эфир в качестве модификатора, при этом распределение частиц каждого из модификаторов в объеме фильтрующего материала неравномерно в направлении фильтрования. Изобретение относится к области изготовления волокнистых полимерных материалов, предназначенных для очистки жидкостей или газов от загрязнений - твердых и жидких диспергированных частиц, растворенных органических веществ, ионов тяжелых и радиоактивных металлов и т.д. Такие материалы изготавливают методами экструзионного формирования с помощью устройств, распыляющих расплав полимера потоком газа. Известен фильтрующий материал (ФМ), который состоит из волокон, формируемых распылением расплава полимера. Волокна адгезионно связаны друг с другом в точках касания и образуют волокнистую матрицу. Ее конструкционная прочность достаточна для того, чтобы сохранять геометрическую форму, приданную матрице при формировании 1. 3514 1 Недостаток материала в том, что он не содержит модифицирующих компонентов и его свойства определяются только свойствами базового полимера. ФМ, способный адсорбировать вредные вещества из газовых сред 2, включает полимерные волокна, когезионно соединенные в точках касания, и распределенные в них твердые частицы адсорбента. Последние удерживаются в матрице за счет точкообразных контактов с волокнами. Отношение средних диаметров частицы (1) и волокна (1) составляет минимум 51. Механическое закрепление частиц адсорбента в сетке волокон такого материала недостаточно надежно. При вибрации, ударах, перегибах фильтроэлемента частицы осыпаются. Эффективность фильтрования и технический ресурс фильтроэлементов существенно ограничены соотношением 1/25, которое определяет степень наполнения матрицы адсорбентом. Для улавливания ионов металлов из водных растворов предназначен ФМ 3, включающий полимерные волокна, когезионно соединенные в точках касания, и закрепленные в них механически и силами магнитного притяжения частицы феррита. Последние снабжены покрытиями из вещества, имеющего ионообменную или связывающую способность. Его недостатки - сложность многооперационной технологии формирования ФМ и наличие дорогостоящих компонентов. Прототипом изобретения является нетканый материал 4, включающий полимерные волокна, когезионно соединенные в точках касания, раздуваемые из расплава смеси полиолефина и клейкого полимера, и адгезионно закрепленные на волокнах не заблокированные полимером твердые адсорбционно-активные частицы. Диаметр волокон - от 1 до 25 мкм, степень наполнения матрицы частицами - до 60 мас В качестве адсорбционно-активных частиц используют вещества из ряда активный уголь, перманганат калия, сода, диатомит, глина и комплексы перманганата калия с активным алюминием. Средний размер твердых частиц - от 50 до 150 мкм. Недостатки прототипа невысокая адсорбционная емкость ФМ, наполненного активными частицами из предложенного ряда значительное гидродинамическое сопротивление матрицы, образованной волокнами диаметром менее 10 мкм малая надежность закрепления твердых частиц в матрице при степени наполнения более 50 . Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создать ФМ для комплексной очистки газовых и жидких сред от различных видов загрязнений (паров растворителей, твердых частиц, эмульгированных нефтепродуктов, растворенных органических веществ, ионов тяжелых и радиоактивных металлов и др.), обладающий,кроме того, бактерицидным действием. Для решения поставленной задачи известный материал, включающий полимерные волокна, когезионно соединенные в точках касания, и адгезионно закрепленные на поверхностях волокн твердые частицы модификатора, в качестве которого содержит уголь активный, пропитанный экстратом хвои сосны, и дополнительно феррит бария,5-фенилтетразол, бис(-тетразол-5-илэтил)овый эфир в качестве модификатора, при этом распределение частиц каждого из модификаторов в объеме фильтрующего материала неравномерно в направлении фильтрования. Сущность изобретения поясним с помощью фигуры. Полимерная матрица по содержанию различных видов активных частиц разделена в направлении фильтрования на четыре зоны. В зоне А равномерно распределены частицы первого компонента - например феррита бария. В зонах Б и Г с противоположно направленными градиентами концентрации распределены второй и третий компоненты, которые могут быть пропитаны, например, биоцидами. Концентрация первого компонента снижается, а второго увеличивается в направлении фильтрования. В зоне В содержится оба этих компонента. При фильтрации жидкостей через такой материал в зоне А практически полностью осаждаются загрязнения, обладающие остаточной намагниченностью - например оксиды железа. Кроме того, под действием собственного магнитного поля ФМ здесь происходит коагуляция немагнитных твердых частиц загрязнений и эмульгированных капель масла. Коагуляты легко задерживаются волокнистой матрицей. Растворенные в фильтруемой жидкости ионы меди и других металлов вступают в зоне Б в реакции комплексообразования и остаются в ФМ, будучи связанными координационными связями с модификатором, который обладает также бактерицидностью. В зоне В комплексообразование сопровождается адсорбцией органических загрязнителей и дополнительно действием бактерицидов на микроорганизмы, содержащиеся в фильтруемой жидкости. Суммарное количество целевых компонентов (комплексообразователей и адсорбентов, пропитанных бактерицидами) в зоне В соответствует возможности адгезионного закрепления всех частиц на поверхности полимерных волокон, исходя из геометрических критериев. Действие адсорбента и бактерицидов в зоне Г усиливается в направлении фильтрования и достигает максимума на выходе из фильтра, где содержится наибольшее количество модификатора. Таким образом, с помощью одного ФМ жидкость проходит комплексную очистку от твердых и жидких диспергированных частиц, растворенных органических токсикантов,ионов металлов и микроорганизмов. Приведем примеры реализации изобретения. Предложенные ФМ изготавливали в виде листа толщиной 12 мм путем распыления ПЭНД. Волокнистая структура образцов соответствовала следующим параметрам плотность - 0,3-0,35 г/см 3, средний диаметр волокон - 10 мкм. Для модифицирования полимерной матрицы использовали следующие компоненты феррит бария (ФБ), ТУ 6-05-1984-85, средний размер частиц 50 мкм уголь активный марки АГ-5, ГОСТ 20777-75, средний размер частиц 100 мкм 2 3514 1 экстракт хвои сосны (ЭХ) в спиртовом растворе (2 ) использовали, пропитывая им частицы активного угля. Экстракт приготовлен в Институте леса НАНБ 5-фенилтетразол (5-Ф), молекулярная формула С 764, молекулярная масса 146,16, температура плавления 213 С, растворяется в этиловом спирте и ацетоне, плохо растворим в воде. бис (-тетразол-5-илэтил)овый эфир (БТЭ) имеет температуру плавления 200 С, растворяется в диметилформамиде, плохо растворим в воде 5-Ф и БТЭ синтезированы в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте и выпускаются в СКТБ Технолог. Это белые кристаллические порошки, частицы которых имеют игольчатую форму длиной 100-150 мкм и поперечные размеры 5-10 мкм. Заявленные ФМ были сформированы с распределением компонентов, показанным на фигуре. Они имели параметры, приведенные в табл. 1. Таблица 1 Величины параметра в зонахсоНаименование параметра ставов А Б Г Толщина слоя , мм 4 4 6 1 Модификатор (М) ФБ ФБ АГ-5 Мах концентрация модификатора (С),15 20 10, мм 6 4 2 3 М ФБ АГ-5 ЭХ С,10 10 Материал-прототип получали с помощью устройства в виде экструзионной распылительной головки и сопряженного с ней сопла для газопорошковой смеси, расположенных по нормали друг к другу 4. Достигались оптимальные структурные параметры, концентрация АГ-5 составляла 50 . Проводили следующие испытания ФМ. Определяли номинальную тонкость фильтрациитвердых частиц загрязнителя и коэффициент фильтрования (х) частиц размером х, мкм, по ГОСТ 25277-82. Эффективность очистки жидкостей от органических загрязнителей (Ео) оценивали по разнице показателя химического потребления кислорода (ХПК) до и после очистки. Эффективность улавливания (Ен) нефтепродуктов определяли гравиметрически, а также хроматографически, предварительно экстрагируя масла из водной среды хлороформом. Поглощение образцами ионов меди определяли методом комплексометрического титрования по показателю статической сорбционной емкости (СЕ). Об эффективности поглощения ионов (Еи) судили по убыли их содержания в жидкости, профильтрованной через исследуемые образцы. Бактерицидность образцов оценивали по отношению к представителям кокковой микрофлоры (( , ). Регистрировали ширинузоны подавления роста микроорганизмов вокруг образцов ФМ в агарсодержащей питательной среде за 24 ч инкубации. Пример 1. ФМ, структурные параметры которого приведены в табл. 1, состав 1, испытывали в составе фильтра, содержащего 5 слоев ФМ, при очистке стоков химического предприятия. Стоки содержали окалину и органические загрязнители общей концентрацией 800 мг/л. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Таблица 2 Значение показателей 3514 1 Анализ данных табл. 2 свидетельствует а) заявленный ФМ существенно превосходит прототип по большинству исследованных параметров б) превосходство над прототипом по улавливанию частиц окалины, по-видимому, обусловлено влиянием собственного магнитного поля ФМ на коагуляцию загрязнений в) сорбционная емкость ФМ по отношению к ионам меди соответствует суммарной сорбционной емкости закрепленных на волокнах частиц комплексообразователя 5-Ф для прототипа она значительно ниже г) заявленный ФМ обладает бактерицидностью, прототип не имеет этого свойства. Пример 2. ФМ состава 2 испытывали при доочистке технической воды, содержащей следы окалины и нефтепродуктов (50 мг/л). Результаты испытаний приведены в табл. 3. Таблица 3 Эксплуатационные показатели ФМ Значения показателей Заявленного 15 0,987 94,6 2,5 11,8 6,1 12,9 Из полученных данных следует а) заявленный ФМ в отличие от прототипа обладает бактерицидностью и свойством задерживать ионы меди, не уступая ему по другим параметрам б) заявленный ФМ содержит меньшее, чем прототип, количество АГ-5 при одинаковых параметрах улавливания нефтепродуктов и твердых частиц. Пример 3. С помощью ФМ состава 3 очищали воду, загрязненную продуктами коррозии железа, нефтепродуктами (20 мг/л) и бактериальной микрофлорой. Результаты представлены в табл. 4. Они свидетельствуют Таблица 4 Значения показателей Данные свидетельствуют а) заявленный ФМ превосходит прототип по всем исследованным параметрам, имея меньшее количество модифицирующих компонентов б) ФМ имеет достаточно высокую бактерицидность благодаря антимикробным свойствам экстракта хвои в) наличие ФБ в составе заявленного ФМ придает ему высокую коагулирующую способность по отношению к эмульгированным нефтепродуктам, а также превосходство над прототипом по улавливанию твердых частиц. Таким образом, предложенный фильтрующий материал позволяет без значительных затрат материалов,удорожания технологии, усложнения конструкций оборудования и оснастки повысить эффективность систем фильтрации топлива, смазочных масел, рабочих жидкостей машин, промышленных стоков и газовых выбросов. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4