ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК B01D39/00 

Изобретение относится к производству фильтрующих элементов (фильтр-элементов), состоящих из сорбента, скрепленного термопластичным полимером, и может быть использовано для очистки воздуха, воды, крови и других сред.

Известно, что сопротивление зернистого слоя существенно зависит как от размера и формы частиц, так и от плотности упаковки частиц в слое. Минимальное сопротивление имеет слоя с насыпной плотностью частиц (при свободной засыпке частиц в корпус фильтра), максимальное - при уплотнении слоя вибрацией с дополнительным поджатием перфорированными сетками. Упаковка частиц в слое с насыпной плотностью неустойчива и при механических воздействиях при эксплуатации приводит к существенному снижению сорбционных свойств.

Для снижения сопротивления в последнее время разрабатывают фильтры со связанной структурой, в которой частицы сорбента скреплены частицами термопластичного полимера, например полиэтилена.

Известен фильтр-элемент для очистки газообразных и жидких сред, состоящий из спеченной массы твердых частиц, заключенных в термопластичную оболочку, и тонкоизмельченных частиц сорбента, распределенных на поверхности этой оболочки. Заключенные в оболочку твердые частицы сорбента приклеены друг к другу частями оболочки с образованием полужесткой матрицы [1].

Однако этот фильтр-элемент при достаточной прочности обладает пониженной статической сорбционной емкостью за счет большого количества инертных твердых частиц, распределенных в его объеме.

Известен фильтр-элемент для очистки жидкости в виде связанной структуры, имеющий максимальную удельную поверхность для фильтрующей среды и состоящий из частиц активированного угля размером 5-150 мкм, предпочтительно со средним размером 10-30 мкм, уловленных пористой пластмассовой матрицей из частиц полимера с размером 10-500 мкм, при этом размер частиц полимера значительно больше среднего размера частиц угля [2]. Возможны три варианта композиции фильтр-элемента, отличающиеся относительным размером частиц угля и полимера и соответственно их весовым соотношением. В первом варианте фильтр-элемент содержит частицы угля размером от менее 5 до 150 мкм, а полимера 10-500 мкм с весовым соотношением угля 30-65%, а полимера 35-70% . Во втором варианте фильтр содержит частицы угля размером 5-75 мкм, а полимера 10-450 мкм с весовым соотношением угля 30-50%, а полимера 50 -70%. В третьем варианте фильтр содержит частицы угля с размером 10-30 мкм, а полимера 125-175 мкм с весовым соотношением угля 35-45%, а полимера 55-65%.

В этом фильтр-элементе также содержится большое количество инертного термопластичного полимера, а его достаточная прочность сопровождается высоким сопротивлением. Поэтому фильтр выполнен с обеспечивающими минимальную скорость фильтрации каналами, имеющими различную форму и расположение. Этот фильтр эффективен, в основном, для тонкой очистки воды с небольшим содержанием вредных примесей.

Известен самоподдерживающий фильтр-элемент с низким перепадом давления, включающий связанную структуру угля с термопластичной смолой, которая имеет множество сквозных отверстий [3]. Фильтр-элемент содержит 50-90 мас.% порошкообразного активированного угля с максимальным размером частиц 1 мм (20 меш) и 10-50 мас.% порошкообразного полимера.

Однако этот фильтр-элемент, имея низкое сопротивление за счет наличии сквозных отверстий, может использоваться только в статических условиях очистки воздуха при его циркуляции через фильтр.

Известен фильтр-элемент, в котором частицы угля размером 0,84-1,89 мм склеены очень мелкими (не более 50 мкм, предпочтительно около 20 мкм) частицами термопластичного полимера, например полиэтилена с истинной плотностью 0,914 г/см³, в таблетки, стержни с минимальным диаметром 3 мм (предпочтительным диаметром 12 и высотой 12 мм), содержащие полимер 5-25%, предпочтительно 10-15% к весу угля, которые затем для снижения сопротивления склеены в точках контакта между собой в укрупненные агрегаты, превышающие объем первоначальных таблеток в 10, 100 и более раз [4].

Первоначально склеенные таблетки или стержни этого фильтр-элемента имеют, во-первых, недостаточную прочность, так как размер очень мелких частиц полимера составляет приблизительно 0,02 от размера частиц сорбента. Прочность соединения частиц сорбента друг с другом пропорциональна контактной поверхности, образующейся в результате деформации размягченной частицы полимера, которая пропорциональна квадрату относительного размера частицы полимера и сорбента и составляет очень незначительную величину от поверхности частицы сорбента. Во-вторых, не все частицы полимера участвуют в склеивании частиц сорбента, а только те, которые находятся в точке контакта двух (относительно больших) частиц сорбента. Остальных частиц полимера, исходя из указанных пределов их содержания, достаточно для дискретного (без образования пленки) покрытия всей внешней поверхности частиц сорбента в виде сфер диаметром, соответствующим истинному объему частицы полимера. Следовательно, они уменьшают свободный объем между частицами сорбента, увеличивая сопротивление таблетки или стержня. Только некоторые из них, расположенные на внешней поверхности таблеток, используются для получения крупных агрегатов, которые для повышения прочности содержат армирующие обоймы или проволоку.

Использование полимера, размер частиц которого составляет незначительную величину от размера частиц сорбента, не позволяет получить фильтр-элементы в виде таблеток или укрупненных агрегатов достаточной прочности без их армирования. Фильтр-элемент имеет низкое сопротивление только в виде укрупненных агрегатов и может в основном использоваться в статических условиях очистки воздуха, например в системах кондиционирования воздуха.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является фильтр-элемент, содержащий частицы активированного угля размером приблизительно 0,315-5 мм (4-50 меш), скрепленные очень мелкими частицами полимера, например полиэтилена [5]. Этот фильтр-элемент обладает высоким сопротивлением при удовлетворительной прочности и сорбционных свойствах.

Целью изобретения является создание фильтр-элемента с высокой прочностью и низким сопротивлением при сохранении высоких сорбционных свойств.

Для этого фильтр-элемент содержит частицы сорбента, скрепленные равномерно распределенными по всему объему частицами термопластичного полимера, например полиэтилена, средний размер которых составляет 0,15-0,7 от среднего размера частиц сорбента. При таком соотношении размеров частиц полимера и сорбента и расположении частиц полимера преимущественно вблизи точек контакта частиц сорбента друг с другом в фильтр-элементе между частицами сорбента образуется зазор, величина которого и определяет его сопротивление и прочность.

Известен способ получения фильтр-элемента, включающий смешение твердых частиц, заключенных в оболочку из термопластичного полимера, например высокомолекулярного полиэтилена, и тонкоизмельченного сорбента в нужном соотношении с последующим нагреванием полученной смеси в форме до температуры, достаточной для легкого спекания полимерных оболочек и приклеивания их друг к другу с образованием высокопрочной матрицы, к поверхности которой приклеиваются очень мелкие частицы сорбента. Для формования фильтр-элемента с нужным сопротивлением и прочностью массу разогретой смеси сжимают до необходимого объема [1].

В этом способе равномерное расположение очень мелких частиц сорбента на поверхности полимерных оболочек во время их смешения основано на свойстве очень мелких и соответственно очень легких частиц прилипать к поверхностям других тел, а прочность их крепления к поверхности полимерной оболочки достигается за счет их вкрапления на небольшую глубину в размягченный внешний слой полимерной оболочки. При этом сорбционные свойства и прочность фильтр-элемента существенно зависят от температуры и времени термообработки.

Однако использование высокомолекулярного полиэтилена приводит к возгоранию смеси при ее термообработке в форме, для предотвращения которого в полиэтилен вводят антиоксидант.

Известен способ получения фильтр-элемента, включающий смешение очень мелких частиц сорбента размером, например, 10-30 мкм с частицами полимера размером 125-175 мкм до однородного состояния, основанный также на свойстве очень мелких и соответственно легких частиц прилипать к поверхности других более крупных частиц [2], но требующий еще более тонкого процесса термообработки и прессования нагретой смеси в форме. Способ осуществляют так, чтобы происходило размягчение только внешней поверхности частиц полимера без изменения первоначальной формы частицы, которую она имела в твердом состоянии. Размягчение должно быть достаточным для склеивания частиц полимера в точках контакта между собой и вкрапления на очень незначительную глубину мелких и очень мелких частиц сорбента без изменения сорбирующих свойств на внешней поверхности частиц полимера.

При этом для обеспечения достаточной прочности самонесущей пластмассовой матрицы нагретую смесь частиц сорбента и полимера, например высокомолекулярного полиэтилена, подпрессовывают для увеличения точек контакта между частицами полимера, что приводит к повышению сопротивления и дополнительному снижению сорбционных свойств.

Известен способ получения фильтр-элемента, включающий смешение частиц сорбента размером до 1 мм (20 меш) и порошкообразного полимера, например полиэтилена, при этом для достижения однородного (равномерного) распределения частиц полимера по объему смеси в смесь добавляют 24-40 мас.% воды. Затем смесь прессуют и нагревают до температуры размягчения полимера [3].

Однако при использовании этого способа необходимо дополнительное время термообработки на испарение воды и, кроме того, способ нельзя применять для сорбентов, контакт которых с жидкостями приводит к изменению сорбционных свойств.

Прототипом предлагаемого способа получения фильтрующего элемента является способ, включающий смешение частиц сорбента и полимера, прессование и термообработку смеси в форме, в котором для получения однородной смеси частиц сорбента размером 0,84-1,89 мм с частицами полимера последние берут размером не более 50 мкм, предпочтительно около 20 мкм [4]. Этот способ также основан на свойстве очень мелких и соответственно легких частиц полимера приклеиваться к поверхности частиц сорбента и не оседать на дно формы.

Полученный по этому способу фильтр-элемент в виде таблеток или стержней обладает недостаточной прочностью и высоким сопротивлением, так как очень мелкие частицы полимера, размер которых составляет приблизительно 0,02 от размера частиц сорбента, создают незначительную поверхность склеивания между частицами сорбента. При этом в создании этой поверхности участвует только небольшое количество частиц полимера, а остальные, которых на поверхности каждой частицы сорбента в зависимости от ее размера может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч штук, уменьшают объем между частицами сорбента, увеличивая сопротивление фильтр-элемента. Для снижения сопротивления предложен другой вариант фильтр-элемента, в котором полученные таблетки или стержни спекают в укрупненные агрегаты, применяемые из-за недостаточной прочности в статических условиях для очистки воздуха.

Предлагаемый способ получения фильтрующего элемента с низким сопротивлением, высокой прочностью без снижения адсорбционных свойств включает смешение частиц сорбента и полимера, прессование и термообработку смеси. В этом способе для равномерного распределения частиц полимера по объему смеси полимер, например полиэтилен, берут с насыпной поверхностью 0,07-0,15 г/см³ и средним размером частиц 0,2-1,0 от среднего размера частиц сорбента, который берут с насыпной поверхностью 1-8 от насыпной плотности полимера при соотношении насыпного объема сорбента к насыпному объему полимера (5-1):1.

Установлено, что совокупность заявляемых параметров способа создает наиболее благоприятные условия для получения однородной смеси сорбента и полимера, в которой частицы полимера равномерно располагаются вблизи точек контакта частиц сорбента друг с другом, образуя существенный зазор между частицами сорбента. Этот зазор несколько уменьшается при прессовании смеси и затем фиксируется при нагревании смеси при температуре размягчения полимера за счет прилипания частицы полимера, например, к двум частицам сорбента, основная поверхность которых остается наиболее доступной фильтрующей среде.

Предлагаемый фильтрующий элемент получают следующим образом.

Определяют насыпную поверхность по ГОСТ 16187-70 и средний размер частиц сорбента и полимера по результатам ситового анализа и рассчитывают их соотношение. Затем объемными дозаторами в необходимом соотношении сорбент и полимер загружают в смеситель, например, трубчатого типа. После смешения до однородного состояния необходимый насыпной объем смеси частиц сорбента и полимера загружают в форму нужных размеров и конфигурации и прессуют. Затем смесь в форме термообрабатывают при температуре размягчения полимера, охлаждают и извлекают фильтрующий элемент из формы.

Отличительной особенностью полимера с низкой насыпной плотностью 0,07-0,15 г/см³ является то, что он содержит очень легкие, но сравнительно большие по размеру частицы. Такие частицы имеют неправильную форму и соответственно развитую поверхность и обладают способностью быстро и равномерно перемешиваться с частицами сорбента в широком диапазоне заявляемых соотношений их средних размеров, насыпных плотностей и насыпных объемов. Характерной особенностью применяемых частиц полимера является то, что после нагревания при температуре размягчения средний ситовой размер частиц уменьшается в 1,4-1,5 раза до соответствующего истинному объему частицы диаметра сферы, а насыпная поверхность из таких сфер увеличивается в 3-4 раза.

При смешивании сорбента и полимера с соотношением насыпных плотностей от 3 и более однородность смеси легко определить по значению насыпной поверхности небольших проб смеси, которая пропорциональна содержанию сорбента и уменьшается с увеличением содержания полимера. Однородность смеси можно определить и методами разделения пробы, например, в кипящем слое или с использованием воды. Результаты анализа однородности смеси показали высокую эффективность предлагаемого способа. Однородность смеси сохраняется как при транспортировании, так и после заполнения форм, поэтому получаемые фильтр-элементы однородны по качеству.

Предлагаемый способ позволяет получить качественные фильтр-элементы при использовании различных сорбентов, отличающихся как размером частиц (≈ от 0,05 до 3 мм), так и насыпной плотностью (≈ от 0,15 до 0,6 г/см³) при использовании полимера с размером частиц 0,05 - 1,5 мм и насыпной плотностью 0,07-0,15 г/см³.

П р и м е р. Берут полимер с насыпным объемом 500 см³, насыпной плотностью 0,200 г/см², со средним размером частиц 0,538 мм и сорбент с насыпным объемом 1000 см³, насыпной плотностью 0,393 г/см² и средним размером частиц 1,25 мм (при этом соотношение среднего размера частиц полимера и сорбента составляет 0,430, отношение насыпных плотностей равно 3,930, соотношение насыпных объемов 2:1) и засыпают в смеситель цилиндрического типа. После достижения однородности смесь частиц засыпают в форму и прессуют. После нагревания форму охлаждают и извлекают фильтр-элемент. Измеряют сопротивление (9,9 мм вод.ст.) и прочность (3,03 кг/см²).

Характеристики аналогично полученных фильтр-элементов приведены в таблицах.

В табл. 1 приведена зависимость сопротивления и прочности фильтр-элемента от соотношения среднего размера частиц полимера и сорбента, насыпной плотности полимера и соотношения насыпной плотности сорбента и полимера при постоянном соотношении насыпного объема сорбента и полимера.

Из приведенных в табл. 1 данных следует, что высокая прочность и низкое сопротивление (с учетом среднего размера частиц сорбента) достигаются только при отношении среднего размера частиц полимера и сорбента в фильтр-элементе 0,15-0,7, а в смеси 0,2-1,0, при насыпной плотности полимера 0,07-0,15 и отношении насыпной плотности сорбента и полимера 1-8.

Существенную роль в улучшении характеристик предлагаемого фильтр-элемента играет и соотношение насыпных объемов сорбента и полимера (см. табл. 2).

Как следует из сопоставления данных табл. 2, соотношение насыпных объемов сорбента и полимера в интервале (5-1):1 также является определяющим в достижении цели изобретения.

В табл. 3 представлены характеристики предлагаемого фильтр-элемента при различных средних размерах частиц сорбента и соотношение сопротивления слоя, уплотненного вибрацией, и сопротивления предлагаемого элемента.

Из табл. 3 следует, что при одном и том же среднем размере частиц сорбента получаемые по предлагаемому способу фильтр-элементы имеют сопротивление в 2-3 раза ниже сопротивления слоя частиц, уплотненных вибрацией и сжатых перфорированными сетками. Кроме того получаемые по предлагаемому способу фильтр-элементы имеют высокую прочность и низкое сопротивление, которое при одном и том же среднем размере частиц сорбента в 2-3 раза ниже сопротивления слоя частиц такого же среднего размера, уплотненных вибрацией и сжатых перфорированными сетками.

Таким образом, предложенный способ дает возможность получить фильтр-элементы, обладающие низким сопротивлением, высокой прочностью и высокими сорбционными свойствами.

Использование: фильтрация воздуха, воды, крови и других сред. Сущность изобретения: фильтрующий элемент содержит частицы сорбента, скрепленные частицами полимера, средний размер которых составляет 0,15 - 0,7 от среднего размера частиц сорбента. Способ изготовления этого элемента включает смешение сорбента с полимером, прессование и термообработку смеси. Насыпная плотность полимера составляет 0,07-0,15 г/см³, а средний размер частиц полимера равен 0,2 -1,0 от среднего размера частиц сорбента, который берут с насыпной плотностью 1 - 8 от насыпной плотностью 1 - 8 от насыпной плотности полимера при соотношении насыпного объема сорбента к насыпному объему полимера (5 - 1) : 1. Полученный фильтрующий элемент обладает повышенной механической прочностью при высоких адсорбционных свойствах и низком сопротивлении потоку среды. 2 с.п.ф-лы, 3 табл.

ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ.