СОРБЦИОННО-ФИЛЬТРУЮЩИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ И СОДЕРЖАЩИЙ ЕГО ФИЛЬТР Российский патент 2013 года по МПК B01D39/00 B01J20/28 G21F9/02 B82B3/00 

Изобретение относится к области сорбционно-активных фильтрующих материалов и фильтров, которые могут быть использованы для очистки газов от аэрозолей, молекулярного йода и его соединений, например, в системах вентиляции воздуха на радиохимических производствах и атомных электростанциях.

Известен сорбционно-фильтрующий трехслойный волокнистый материал, средний слой которого выполнен из ультратонких перхлорвиниловых волокон, содержащих частицы активного угля, обработанного азотнокислым серебром, или из активированных углеродных волокон, обработанных нитратом серебра, а внешние слои, выполненные из смеси перхлорвиниловых проклеенных между собой ультратонких волокон, с диаметром 5-9 и диаметром 0,5-1,2 мкм. На основе данного материала предложены изделия: фильтры для очистки газов, аналитическая лента и фильтрующая полумаска (RU 2188695, 10.09.2002).

Недостатком материала является неэкологичная технология получения микроволокнистого материала, связанная с большими выбросами дихлорэтана в атмосферу.

Известен сорбционно-фильтрующий материал, который содержит внутренний слой из полипропиленовых микроволокон с диаметром 5-10 мкм, наполненный частицами активированного угля, импрегнированного азотнокислым серебром, при массовом отношении угля к волокнам, равном 1:(2-4), и наружные слои, состоящие из термоскрепленных полипропиленовых микроволокон, с нанесенными на них нановолокнами с диаметром 100-300 нм, полученными методом электроформования из раствора смеси хлорированного поливинилхлорида и бутадиен-нитрильного каучука на основе бутилацетата. Материал эффективен для поглощения радиоактивного йода (RU 2414960, 27.03.2011).

Известен аэрозольный сорбирующий фильтр, содержащий корпус, в котором размещен фильтрующий элемент, выполненный из зигзагообразно сложенного многослойного фильтровального материала из стекловолокна с расположенными между складками разделительными сепараторами, при этом слои фильтровального материала, кроме последнего по ходу очищаемого потока воздуха, содержат частицы тонко измельченного высокопористого сорбента - активированного угля с диаметром частиц 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м² (RU 2192914, 20.11.2002).

Известен фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода, содержащий многослойный материал, в котором первый слой по ходу фильтруемого воздуха, выполненный из активированного углеволокнистого материала с поверхностной плотностью не менее 200 г/м², затем слои, выполненные из материала, содержащего частицы высокопористого сорбента, импрегнированного йодидом калия, третичным амином, азотнокислым серебром и/или йодидом бария в количестве не более 10%, и последний слой, выполненный из тонковолокнистого материала, не содержащего сорбента, имеющий плотность упаковки не более 0,06 (RU 2262758 10.05.2005).

Недостатками известных вышеописанных материалов является наличие в них порошкообразых частиц сорбционных материалов - углей, приводящее к повышению аэродинамического сопротивления материала, возможному образованию пыли и ее уносу.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сорбционно-фильтрующий материал и фильтр на его основе для очистки воздуха от аэрозолей и радиоактивных соединений йода, при этом материал включает последовательно содержащие слои ткани из волокон активированного углеродного материала с диаметром волокна 2-10 мкм, и ткани из углеродного волокнистого материала, импрегнированного соединением амина и/или йодида калия (RU 2161338, 27.12.2000).

Однако известный материал и фильтр на его основе имеют повышенное аэродинамическое сопротивление, обеспечивают недостаточную степень очистки от примесей аэрозолей и пыли. Кроме того, известный сорбционно-фильтрующий материал имеет невысокую прочность на разрыв.

Задачей заявленной группы изобретений является разработка сорбционно-фильтрующего материала, обладающего высокой емкостью в отношении радиоактивных аэрозолей, молекулярного йода и его органических соединений, и конструкции фильтра, который обеспечивает повышенную прочность и низкое аэродинамическое сопротивление материала в процессе работы.

Поставленная задача решается описываемым сорбционно-фильтрующим многослойным материал, предназначенным для очистки газовых сред от радиоактивных аэрозолей, молекулярного йода и его соединений, который содержит последовательно размещенные слои: слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм, слой волокнистого активированного углеродного материала, слой волокнистого углеродного материала, импрегнированного соединением амина и йодида металла, слой тонковолокнистой стеклобумаги или слой нетканого волокнистого материала, полученного путем электроформования из раствора полиамида, имеющего диаметр волокон 100-300 нм.

Предпочтительно, волокнистый углеродный импрегнированный материал имеет поверхностную плотность 140-170 г/м², и импрегнирован триэтаноламином и йодидом калия или бария.

Сорбционно-фильтрующий многослойный материал может также дополнительно содержать слой, выполненный из нетканого волокнистого полиэфирного материала с диаметром волокон 10-50 мкм, который размещен первым по ходу очищаемой газовой среды.

Поставленная задача решается также описываемым фильтром для очистки газовых сред от аэрозолей, молекулярного йода и его соединений, который содержит корпус, снабженный средствами для входа и выхода газовой среды, и сорбционно-фильтрующим материалом, охарактеризованным выше, причем материал размещен в корпусе фильтра в виде двух модулей, из которых первый модуль содержит слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала, слой волокнистого активированного углеродного материала и слой волокнистого углеродного импрегнированного материала, а второй модуль содержит слой из тонковолокнистой стеклобумаги или слой нетканого волокнистого материала, полученного путем электроформования из раствора полиамида.

Предпочтительно, сорбционно-фильтрующий материал уложен в корпусе фильтра с образованием гофрированной структуры.

Предпочтительно, слои в первом модуле разделены между собой распорками, изготовленными в виде сетки из металла, устойчивого к коррозии, при толщине сетки не более 0,5 мм с размером ячеек сетки не более 30×30 мм.

Фильтр может быть дополнительно на входе снабжен съемной вставкой, содержащей слой из нетканого волокнистого полиэфирного материала с диаметром волокон 10-50 мкм, имеющий толщину не более 20 мм.

Вышеизложенная совокупность признаков позволяет обеспечить заявленный технический результат. Наличие в первом модуле слоя высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм, являющейся химически стойкой, негорючей и высокопористой, обеспечивает предварительную очистку газа от частиц пыли, в том числе от частиц, имеющих высокую температуру. Использование в качестве импрегнирующего вещества триэтаноламина йодида калия или бария повышает сорбционные свойства волокнистого углеродного материала, а также способствует повышению срока службы, особенно при повышенных температурах. Поверхностная плотность импрегнированного углеродного волокнистого слоя, равная 140-170 г/м², является оптимальной для достижения высокой емкости по йоду и его соединениям при низком аэродинамическом сопротивлении. Использование в фильтре сепараторов также снижает аэродинамическое сопротивление. Размещение материала в корпусе фильтра в виде двух модулей позволяет исключить повреждение поверхности тонковолокнистых материалов (стеклобумаги и полиамидного материала) при возникновении нештатной ситуации, при этом используемые во втором модуле материалы при заявленном расположении слоев обеспечивают высокую степень очистки газовой среды от аэрозольных частиц. Дополнительное снабжение фильтра съемной вставкой, содержащей полиэфирный материал, обеспечивает предочисткиу газа, что является желательным в случае высокой запыленности газового потока. Наличие двух модулей в фильтре облегчает технологию его сборки, и приводит к снижению стоимости фильтра.

Сборку заявленного сорбционно-фильтрующего материала и размещение его в фильтре осуществляют следующим образом:

Пример 1

На первом этапе происходит сборка сорбционно-фильтрующего материала, которым будет снабжен первый модуль фильтра. Для этого на слой высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм и поверхностной плотностью 40 г/м² накладывают слой волокнистого активированного углеродного материала с диаметром волокон 20-25 мкм и поверхностной плотностью 150 г/м². Затем накладывают слой волокнистого углеродного материала с диаметром волокон 20-25 мкм и поверхностной плотностью 150 г/м², импрегнированного триэтаноламином в смеси с KI из расчета 8% мас. от массы углеродного материала. Затем материал гофрируют и между слоями размещают сепаратор, выполненный в виде гофрированной сетки с толщиной 0,5 мм и размером ячейки 30×30 мм. После этого первый модуль вставляют в корпус фильтра и уплотняют в местах стыка. Затем осуществляют сборку второго модуля. Для этого слой тонковолокнистой стеклобумаги с диаметром волокон 0,3-0,6 мкм и 7-10 мкм и поверхностной плотностью 70 г/м² гофрируют и между слоями укладывают сепаратор, выполненный в виде гофрированной сетки с толщиной 0,5 мм и размером ячейки 30×30 мм. После этого полученный модуль вставляют в корпус фильтра, размещая непосредственно за первым модулем по ходу движения потока воздуха, и уплотняют в местах стыка.

Пример 2

На первом этапе производят сборку материала для первого модуля. Для этого на слой высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм и поверхностной плотностью 40 г/м² накладывают слой волокнистого активированного углеродного материала с диаметром волокон 20-25 мкм и поверхностной плотностью 150 г/м². Затем накладывают слой волокнистого углеродного материала с диаметром волокон 20-25 мкм и поверхностной плотностью 150 г/м², импрегнированного триэтаноламином в смеси с BaI₂ из расчета 8% мас. от массы углеродного материала. Слои гофрируют и между слоями укладывают сепаратор, выполненный в виде гофрированной сетки с толщиной 0,4 мм и размером ячейки 25×25 мм. Подготовленный таким образом материал размещают в корпусе фильтра и уплотняют в местах стыка. Далее слой из нетканого волокнистого материала, полученного путем электроформования из раствора полиамида, имеющего диаметр волокон 100-300 нм и поверхностную плотность 40 г/м² гофрируют и между слоями помещают сепаратор, выполненный в виде гофрированной сетки с толщиной 0,4 мм и размером ячейки 25×25 мм. Подготовленный модуль размещают в корпусе фильтра за первым модулем по ходу движения воздуха и также уплотняется в местах стыка.

Пример 3

Фильтрующий материал собран как в примере 2. На входе фильтра по примеру 2 размещают съемную вставку, содержащую слой нетканого волокнистого полиэфирного материала с диаметром волокон 20-30 мкм, толщиной 20 мм.

Фильтры по пр.1 и 2 испытывают в процессе очистки газовой среды.

Очищаемый воздух содержит: 1 мг/м³ атмосферной пыли с диаметром частиц 0,15-2 мкм (более 95%). Измерение концентрации частиц определялось с помощью лазерного аэрозольного спектрометра ЛАС-П. Концентрация соединений радиоактивного йода составляет 10⁵ Бк/м³. Измерение объемной активности проводилось на гамма-спектрометре.

Через фильтр пропускают поток загрязненного воздуха с объемной скоростью 3000 м³/ч. Начальное аэродиманическое сопротивление фильтра составило 790 Па.

Испытания фильтра по примеру 3 проведены в тех же условиях, что и по пр.1 и 2, однако запыленность воздуха составила 10 мг/м³.

Результаты испытаний фильтров представлены в таблице 1.

Таблица 1 № примера Температура, °С Относительная влажность воздуха, % Эффективность фильтрации частиц диаметром 0,3 мкм, % Эффективность очистки соединений радиоактивного йода, % 1 23 67 99,98 99,65 2 22 70 99,95 99,92 3 22 68 99,96 99,75

Испытания показали, что эффективность очистки не ниже данных, полученных по примеру 1, несмотря на высокую запыленности очищаемой среды, превышающую запыленность воздуха в примерах 1 и 2 в 10 раз.

Таким образом, заявляемый сорбционно-фильтрующий материал и фильтр на его основе показали высокую эффективность улавливания радиоактивных аэрозолей и радиоактивного йода и приемлемое аэродинамическое сопротивление. Заявленный фильтр рекомендован к использованию в системах очистки АЭС.

Изобретение относится к области волокнистых сорбционно-фильтрующих материалов, используемых для очистки от аэрозолей и радиоактивных форм йода. Материал содержит последовательно следующие слои: слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм, слой волокнистого активированного углеродного материала, слой волокнистого углеродного материала, импрегнированного соединением амина и йодидом металла и слой из тонковолокнистой стеклобумаги или из нетканого волокнистого полиамидного материала с диаметром волокон 100-300 нм. Материал гофрируют и размещают в фильтре в виде двух модулей. Первый модуль содержит три слоя материала. Второй модуль содержит слой тонковолокнистого материала, выполненного из стеклобумаги или полиамида. Изобретение позволяет повысить степень очистки, увеличить срок службы материала, снизить стоимость фильтра и упростить технологию его изготовления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сорбционно-фильтрующий многослойный материал, предназначенный для очистки газовых сред от аэрозолей, молекулярного йода и его соединений, содержащий последовательно размещенные слои волокнистого активированного углеродного материала и волокнистого углеродного материала, импрегнированного соединением амина и йодидом металла, отличающийся тем, что перед слоем волокнистого активированного углеродного материала размещен слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм, а после слоя волокнистого углеродного импрегнированного материала размещен слой тонковолокнистой стеклобумаги или слой нетканого волокнистого материала, полученного путем электроформования из раствора полиамида и имеющего диаметр волокон 100-300 нм.

2. Сорбционно-фильтрующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что волокнистый углеродный импрегнированный материал имеет поверхностную плотность 140-170 г/м², при этом материал импрегнирован триэтаноламином и йодидом калия или бария.

3. Сорбционно-фильтрующий многослойный материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой, выполненный из нетканого волокнистого полиэфирного материала с диаметром волокон 10-50 мкм и размещенный первым по ходу очищаемой газовой среды.

4. Фильтр для очистки газовых сред от аэрозолей, молекулярного йода и его соединений, содержащий корпус, снабженный средствами для входа и выхода газовой среды и материалом, охарактеризованным по пп.1-3, который размещен в корпусе фильтра в виде двух модулей, при этом первый модуль содержит слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала, слой волокнистого активированного углеродного материала и слой волокнистого углеродного импрегнированного материала, а второй модуль содержит слой из тонковолокнистой стеклобумаги или слой из нетканого волокнистого материала, полученного путем электроформования из раствора полиамида.

5. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что сорбционно-фильтрующий материал уложен в корпусе фильтра с образованием гофрированной структуры.

6. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что слои в первом модуле разделены между собой сепараторами, изготовленными в виде сетки из металла, устойчивого к коррозии, при толщине сетки не более 0,5 мм с размером ячеек сетки не более 30×30 мм.

7. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что на входе он снабжен съемной вставкой, содержащей слой нетканого волокнистого полиэфирного материала с диаметром волокон 10-50 мкм при толщине слоя не более 20 мм.