ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА Российский патент 1995 года по МПК B01D39/20 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, в частности к производству фильтровальных материалов, которые могут быть применены в процессе тонкой очистки технологических воздушных сред в таких отраслях народного хозяйства, как медицина, микробиология, производство радиоэлектронных, полупроводниковых и сверхточных приборов.

Применяемые фильтровальные материалы должны обладать высокими фильтрующими характеристиками и быть термостойкими, так как очищаемые воздушные потоки, как правило, имеют высокую температуру.

Известны фильтровальные материалы для тонкой очистки воздуха на основе минеральных волокон и целлюлозы с добавлением связующих, в качестве которых применяют органические соединения [1]. Материал обладает удовлетворительными фильтрующими характеристиками и значительным пределом прочности. Однако при эксплуатации материала прочность большой роли не играет, требования к ней определяются только возможностью прохождения фильтровального материала по бумагоделательной машине без разрывов при изготовлении. Недостатком данного фильтровального материала является его низкая термостойкость: при прохождении высокотемпературных потоков через фильтровальный материал происходит выгорание целлюлозы и органических связующих.

Известен выбранный в качестве прототипа фильтровальный материал для тонкой очистки воздуха, не содержащий компонентов органического происхождения [2]. Материал не подвержен выгоранию. Основой его является стекловолокно. В процессе изготовления материала связывание стеклянных волокон проводят путем осаждения на них гидроксида алюминия из сульфата при рН, равном 4. Однако необходимо внести уточнение относительно состава фильтровального материала. В качестве связующего он содержит полигидроксокомплекс алюминия, образующийся при гидролизе сульфата, а не гидроксид алюминия.

Недостатком фильтровального материала являются его неудовлетворительные фильтрующие характеристики.

Задачей изобретения является улучшение фильтрующих характеристик материала, заключающееся в снижении сопротивления потоку воздуха и коэффициента проницаемости.

Для этого фильтровальный материал для тонкой очистки воздуха на основе стекловолокна с применением в качестве связующего полигидроксокомплекса алюминия содержит дополнительно к стекловолокну базальтовое волокно, а в качестве второго компонента связующего - поливиниловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас. %: Стекловолокно 58-88 Базальтовое волокно 9-39
Полигидроксоком-
плекс алюминия (в пе- ресчете на оксид) 2-3 Поливиниловый спирт 0,25-0,75
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом и другими техническими решениями позволило сделать вывод, что оно не известно из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Введение в композицию фильтровального материала в дополнение к стеклянным волокнам более грубых и толстых базальтовых волокон вследствие механического переплетения этих двух видов волокон приводит к повышению пористости материала. Такое изменение структуры должно обеспечивать снижение сопротивления потоку воздуха при нежелательном увеличении коэффициента проницаемости.

Однако несмотря на увеличение общей пористости материала при введении базальтовых волокон его коэффициент проницаемости уменьшается. Столь неожиданный эффект улучшения обеих фильтрующих характеристик можно объяснить большей удельной поверхностью базальтовых волокон по сравнению со стеклянными, а значит, и большей адсорбционной способностью, которая в процессах тонкой фильтрации имеет важное значение. По мере увеличения содержания базальтовых волокон начинают действовать два противоположно направленных процесса: неуклонное повышение пористости ведут к увеличению коэффициента проницаемости, но в то же время увеличение удельной поверхности волокон в единице объема материала должно вызвать снижение этой характеристики. Установлено, что оптимальное содержание базальтового волокна в материале должно составлять 3-39 мас. %. Как показывают эксперименты, в этих пределах преобладающим будет более предпочтительный второй процесс. При содержании базальтового волокна менее 9% не обеспечивается создания достаточной пористости структуры материала, наблюдается падение аэродинамического сопротивления, увеличивается коэффициент проницаемости. Увеличение концентрации базальтового волокна свыше 39 мас.% приводит к повышению коэффициента проницаемости из-за общей пористости материала.

Использование для связывания минеральных волокон поливинилового спирта в количестве 0,25-0,75 мас.% благодаря образованию трехмерных структур типа минеральное волокно - поливиниловый спирт - минеральное волокно, отдельные элементы которых связаны водородными связями через поверхностные гидроксилы, способствует не только упрочнению материала, но и созданию дополнительных мелких пор, обеспечивает низкий коэффициент проницаемости при небольших значениях сопротивления потоку воздуха. Однако излишнее количество поливинилового спирта в материале оказывает негативное влияние на процесс образования пор, уменьшает удельную поверхность волокон и приводит к увеличению коэффициента проницаемости. При концентрации поливинилового спирта менее 0,25 мас.% значительно уменьшается прочность материала.

Ограничение концентрации полигидроксокомплекса алюминия в пересчете на оксид по верхнему пределу 3 мас.% обусловлено наличием у него не только связеобразующих, но и высоких адсорбционных свойств. Таким ограничением удается избежать его адсорбирования на поверхности волокна, прежде всего базальтового, а следовательно, интенсифицировать адсорбционное удержание частиц загрязнений в процессе фильтрации, что выражается в снижении коэффициента проницаемости. Выбор нижнего предела содержания 2 мас.% объясняется соображениями сохранения достаточной эксплуатационной прочности фильтровального материала.

Предлагаемый фильтровальный материал изготавливают следующим образом.

Рассчитанные количества стекловолокна и базальтового волокна в присутствии поливинилового спирта "распускали" в воде и при помощи быстроходной мешалки в течение 10 мин до получения однородной консистенции волокнистой суспензии.

После разбавления, сопровождаемого перемешиванием, волокнистой суспензии водой до концентрации волокна 0,1% добавляли расчетное количество гидроксида алюминия, осажденного из сульфата алюминия. После установления с помощью NaOH рН, равного 4, волокнистую суспензию перемешивали еще 10 мин. Изготовление материала производили на листоотливном аппарате ЛА-М69. Отливки прессовали с помощью ручного пресса между сетками и сукном, затем высушивали на горке при 130^оС.

В результате лабораторных испытаний были установлены оптимальные соотношения компонентов фильтровального материала, при которых обеспечиваются наилучшие фильтрующие характеристики.

В табл. 1 и 2 представлены составы и характеристики фильтровального материала с содержанием компонентов как в заявляемых пределах, так и за их границами, а также образца фильтровального материала, выбранного в качестве прототипа.

П р и м е р 1 (образец 1). Смесь, состоящую из 0,74 г базальтового волокна и 7,26 г стекловолокна с диаметром 0,25 мкм, в присутствии 0,04 г поливинилового спирта "распускали" в 3 л воды на быстроходной мешалке в течение 10 мин, затем в волокнистую массу последовательно добавляли еще 2 и 3 л воды. В тщательно размешанную волокнистую суспензию ввели гидроксид алюминия, осажденный из сульфата, в пересчете на оксид в количестве 0,2 г и проводили перемешивание в течение 10 мин при рН 4. После отлива, прессования и сушки полученный фильтровальный материал содержит, мас.%: Стекловолокно 88 Базальтовое волокно 9
Полигидроксокомплекс
алюминия (в пересчете на оксид) 2,5 Поливиниловый спирт 0,5
Сопротивление потоку воздуха образца примерно в 2,5 раза ниже, чем у известного фильтровального материала, а коэффициент проницаемости - в 200 раз.

П р и м е р 2 (образец 5). 3,63 г базальтового волокна и 4,37 г стекловолокна с диаметром 0,25 мкм в присутствии 0,04 г поливинилового спирта "распускали" также, как в примере 1, затем после разбавления ввели гидроксид алюминия, осажденный из сульфата, в пересчете на оксид в количестве 0,2 г. Установили рН волокнистой суспензии, равный 4, после чего проводили перемешивание еще 10 мин. Готовый образец содержит, мас.%: Стекловолокно 53 Базальтовое волокно 44
Полигидроксокомп-
лекс алюминия (в пе- ресчете на оксид) 2,5 Поливиниловый спирт 0,5
Изготовленный фильтровальный материал имеет неудовлетворительные фильтрующие характеристики, т. к. содержание компонентов не соответствует их заявляемым пределам.

Использование: очистка воздуха в медицине, микробиологии, радиоэлектронике и других отраслях производства. Фильтрующий материал на основе стекловолокна с применением в качестве связующего полигидроксокомплекса алюминия содержит дополнительно базальтовое волокно, а в качестве связующего - поливиниловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%: стекловолокно 58 - 88; базальтовое волокно 9 - 39; полигидроксокомплекс алюминия (в перерасчете на оксид) 2 - 3; поливиниловый спирт 0,25 - 0,75. 2 табл.

ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА на основе волокнистого материала - стекловолокна и связующего - полигидроксокомплекса алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в качестве волокнистого материала базальтовое волокно, а в качестве связующего - поливиниловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Стекловолокно - 58 - 88
Базальтовое волокно - 9 - 39
Полигидроксокомплекс алюминия (в пересчете на оксид) - 2 - 3
Поливиниловый спирт - 0,25 - 0,75