ТРИКОТАЖНЫЙ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2008 года по МПК D04B1/16 

Изобретение может быть использовано в атомной, автомобильной, металлургической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки газов и жидкостей различного уровня загрязнений, а также в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Преимущественно изобретение относится к технологиям очистки газовых сред от продуктов сгорания топлива, радиоактивных отходов на основе механической фильтрации частиц (диффузии и инерции) текстильного материала (волокон) и сорбентов, размещенных на поверхности волокна, обеспечивающих извлечение токсических и редких элементов, включая радиоактивные.

В особенности предложение согласно изобретению относится к фильтрам, работающим в режиме рецеклирования: рабочем режиме фильтрации газового (воздушного) потока и режиме очистки фильтра при загрязнении за счет организации различной по направлению скорости потоков газовой среды (в частности, режима противотоков, т.е. использования периодической импульсной очистки фильтра путем организации реверсивного потока сжатого воздуха). Применение таких режимов увеличивает жизненный цикл фильтра.

Известны текстильные пористые фильтровальные материалы:

нетканые, включая бумагу, ткани, трикотажные и др., предназначенные для очистки газовых сред от пыли, продуктов сгорания топлива, радиоактивных материалов и пр. при различных температурах, включая высокотемпературные газовые потоки.

Известные фильтровальные материалы на основе ткани отличаются низкой эффективностью очистки фильтра из-за незначительных деформаций материала, в том числе при избыточном давлении, а также изменении характеристик фильтра вследствие образования при загрязнении на поверхности фильтра дополнительной фильтрующей среды (так называемого эффекта "пирожного" - filter cake [1]).

Недостатком тканых фильтровальных материалов рукавного типа является наличие продольных швов и низкая надежность их работы, в частности из-за разрыва продольного шва при проведении импульсной регенерации.

Известны трикотажные фильтровальные материалы, выполненные на основе одинарных переплетений (на базе переплетений производной глади, футерованных и плюшевых) [2]. Недостатки материала заключаются в том, что структура одинарного полотна с ориентированными в одном направлении элементами нити ограничивает его деформацию и снижает эффективность импульсной регенерации. Структура полотна имеет незначительную величину упругой деформации и низкую формоустойчивость, что снижает эффективность фильтрации. Одинарные полотна имеют ограниченную толщину и малую поверхность фильтрации.

Известен также фильтровальный трикотажный материал [3] (принятый за прототип), выполненный переплетением ластик из двух систем нитей, одна из которых, эластомерная, образует упругий каркас, а вторая из относительно нерастяжимых (традиционных) нитей - структуру фильтрующей поверхности, что обеспечивает работу материала в режиме рецеклирования.

Недостаток такого материала заключается в том, что наличие двух систем нитей, отличающихся по свойствам, ограничивает применение фильтров в различных средах. Именно такое ограничение вносит наличие высокоэластичной нити.

В частности, такие нити, например, как лайкра, спандекс имеют недостаточную хемостойкость: при наличии паров хлора, щелочи, термической обработки и пр. теряют прочность и упругие характеристики, что существенно изменяет характеристики фильтровального материала.

Эти нити также имеют низкую термостойкость, что вносит ограничение на применение таких фильтровальных материалов для очистки высокотемпературных потоков газов и жидкости.

Технология изготовления трикотажных материалов, содержащих высокоэластичные нити, отличается сложностью, необходимостью использования специальных механизмов контроля натяжения нити.

Наличие в структуре трикотажного материала компонент из высокоэластичных нитей, например неоплетеных, при вязании ластичного переплетения вызывает наличие необратимых деформаций, ухудшая динамические свойства фильтрующего материала при рецеклировании.

Указанный трикотажный фильтровальный материал имеет ограниченную фильтрующую способность, основанную только на эффектах диффузии и инерции механического взаимодействия волокон с элементами внешней среды.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества фильтрации, упругих характеристик фильтровального материала и, как следствие, устойчивости к многократным деформациям для обеспечения режимов фильтрации и импульсной очистки.

Указанный технический результат достигается тем, что трикотажный фильтровальный материал выполнен переплетением ластик 1×1 из комплексных химических нитей линейной плотности 90-120 текс и коэффициент заполнения материала составляет величину 0,50-0,58 и определяется по формуле , где l - длина нити в петле (мм), а Т - линейная плотность нити (г/км).

При этом поверхность волокон нити содержит тиокарбамидные и малонодиамидные ионогенные группы кремнийорганического соединения при следующих соотношениях компонентов масс: волокно - 70-95, кремнийорганическое соединение - 5-30.

Обеспечение необходимых упругих характеристик и режимов фильтрации и очистки достигается тем, что комплексная химическая нить имеет линейную плотность в диапазоне 90-120 текс, а фильтровальный материал выполнен в виде бесшовного рукавного (трубчатого) изделия.

Предпочтительно, в качестве носителя тиокарбамидных групп используют N,N'-бис-(триэтоксисилилпропил)тиокарбамид.

На фиг.1 представлен фильтровальный трикотажный материал, выполненный переплетением ластик 1×1 в рабочем (равновесном) состоянии.

На фиг.2 - тот же материал в деформированном состоянии (стадии очистки фильтра).

Трикотажный материал согласно изобретению вяжут переплетением ластик 1×1 (фиг.1) из комплексной многоволокнистой нити 1, образуя последовательно петельные ряды 2, 3, 4 и т.д. и петельные столбики 5, 6, 7 и др. из лицевых 8 и изнаночных 9 петель. Вследствие упругости петель при изгибе формируется двухслойный по толщине материал, при котором промежутки между петельными столбиками 5, 6, 7 отсутствуют и вследствие геометрии петель образуются сквозные микропоры 10 и 11.

В таком состоянии трикотажный материал находится в режиме фильтрации, обеспечивая механическую фильтрацию за счет диффузии и инерции при прохождении потока через сквозные отверстия и химическую сорбцию на поверхности волокон при использовании фильтра в двух режимах фильтрации и очистки. В режиме очистки фильтра импульсным противотоком воздуха для радиальных фильтров трикотажный материал подвергается деформации, например, по стрелке А (фиг.2) с образованием увеличенных сквозных отверстий (пор) 12 и 13, обеспечивающих эффективность очистки фильтра.

Именно коэффициент заполнения трикотажного материала в пределах 0,50-0,58 и его структура - переплетение ластик 1×1 обеспечивают формирование двухслойного по толщине материала с микропорами 10 и 11 и упругий характер деформации материала при циклических деформациях.

Преимущественно трикотажный фильтровальный материал содержит комплексные нити линейной плотности по меньшей мере 90-120 текс, обеспечивая рост упругих характеристик изогнутых в петли ластика трикотажного материала и его объемное двухслойное строение, увеличивая поверхность и эффективность фильтрации.

Применение нитей в диапазоне линейной плотности 90-120 текс обеспечивает преодоление сил внутреннего трения и упругий характер деформации фильтровального материала, а также и увеличение поверхности фильтрации.

Предложение не исключает получение указанного коэффициента заполнения за счет термообработки и усадки химических нитей.

Селективная сорбция токсичных и редких металлов, включая радиоактивные, обусловлена катионообменной активностью.

Катионная активность тиокарбамидных групп по отношению к токсичным металлам [As(V), Cd(III), Sb(III), Hg(II), Pb(II), Bi(III)] с учетом тионтиольной таутомерии, присущей тиоамидам, протекает по ионно-координационному механизму:

или

Для ковалентного закрепления на поверхности волокон тиокарбамидных и малонодиамидных ионогенных групп используют метод модификации волокон карбофункциональными кремнийорганическими соединениями - N,N'-бис-(триэтоксисилилпропил)тиокарбамидом (I) или N,N'-бис-(триэтоксисилилпропил)малонодиамидом (II) общей формулы

(Eto)₃Si(CH₂)₃NH - Х - NH (СН₂)₃Si (oEt)₃,

где X=C(S)(I), C(O)CH₂C(O)(II).

Тиокарбамидные и малонодиамидные группы на поверхности волокон комплексной нити обеспечивают сорбцию токсичных и редких элементов из газовых и жидких сред (растворов).

Преимущественно согласно изобретению фильтровальный материал выполнен в виде трубчатого бесшовного рукава с возможностью использования в радиальных фильтрах.

Трубчатый трикотажный материал, например, изготавливают на специальной кругловязальной машине 10-12 класса при вязании с распределением для обеспечения коэффициента заполнения в диапазоне 0,50-0,58.

Использование трикотажного рукавного материала обеспечивает более стабильные характеристики по его периметру, возможность организации реверсирования потоков для режимов фильтрации и очистки, а также автоматизацию процесса удаления фильтра после его использования.

В качестве нитей для фильтровального материала могут использоваться химические комплексные нити: полиэфирные, полиамидные, арамидные, вискозные, стеклянные, оксалоновые и другие в зависимости от характеристик внешней среды.

Модификацию поверхности волокон нити проводят методом обработки ее в течение 1 ч при комнатной температуре раствором заданной концентрации (10, 30, 60%-ной) карбофункционального кремнийорганического соединения в смеси (1:1) гексана и этилового спирта. Нить высушивают 2 ч при комнатной температуре на воздухе, а затем подвергают термообработке в течение 1 ч при 120°С. Количество привитого к нити кремнийорганического модификатора составит соответственно 5, 15, 30 мас.%. Химическая прививка осуществляется за счет конденсации поверхностных функциональных групп (ОН, СООН, NH₂, NH-NH-C(O), C(O) и др.) полимера волокон с этоксисильными группами (Eto)₃Si -модификатора:

Предлагаемый фильтровальный материал предназначен, главным образом, для конструкции цилиндрических фильтров с организацией аксиальных и радиальных потоков воздуха, для которых фильтрующий материал выполнен в виде трубчатых элементов (рукавов) с открытыми торцами или закрытым одним из его торцов.

В рамках изобретения не исключается его использование для очистки жидких сред, например удаления радионуклеидов в процессах дезактивации и стирки одежды и других изделий или очистки стоков промышленных отходов.

Предложение согласно изобретению не исключает использование фильтровального материала в конструкции многослойных комбинированных фильтров.

Источники информации

1. Nuclear Air Cleaning Handbook. Filters for The Nuclear Industry. Chapter 3. US Department of Energy (DOE). DOE-HDBK - 1169 - 2003.

2. Anand S.C., Lawton P.J. The Development of Knitted Structures for Filtration, J. Text. Inst, 1991, 82, No3. P.297-300.

3. Патент РФ №2198716. Фильтровальный материал. Кл. 7 В 01 D 39/08, D 04 В 1/18.

Изобретение относится к технологии трикотажного производства, а именно к трикотажным фильтрам. Трикотажный фильтровальный материал выполняется из комплексных химических нитей линейной плотности 90 -120 текс переплетением ластик 1х1 с коэффициентом заполнения 0,50-0,58, определяемым по формуле , где l - длина нити в петле (мм), Т - линейная плотность нити (г/км), и содержит на поверхности волокон тиокарбамидные и малонодиамидные ионогенные группы кремнийорганического соединения. Трикотажный фильтровальный материал позволяет добиться повышения качества фильтрации, упругих характеристик фильтровального материала и устойчивости к многократным деформациям. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Трикотажный фильтровальный материал, выполненный переплетением ластик 1×1 из комплексных химических нитей, образующих петли, отличающийся тем, что коэффициент заполнения трикотажа составляет величину 0,50-0,58 и определяется по формуле , где l - длина нити в петле, мм; Т - линейная плотность нити, г/км, при этом фильтровальный материал выполнен в виде рукавного (трубчатого) изделия из комплексной нити линейной плотности в диапазоне 90-120 текс.2. Фильтровальный материал по п.1, отличающийся тем, что поверхность волокон нити содержит тиокарбамидные и малонодиамидные ионогенные группы кремнийорганического соединения при следующих соотношениях компонентов мас.%: волокно - 75-95, кремнийорганическое соединение - 5-30.3. Фильтровальный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя тиокарбамидных групп используют N,N'-бис-(триэтоксисилилпропил)тиокарбамид.4. Фильтровальный материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве носителя малонодиамидных групп используют N,N'-бис-(триэтоксисилилпропил)малонодиамид.