ХИМИЯ|МАТЕМАТИКА
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
Курсовые|Рефераты Репетиторы по химии

Фильтрующая среда для очистки жидкости и газа, способ ее получения и способ фильтрования

↑ Grab this Headline Animator

Группа изобретений относится к сорбционно-фильтрующим материалам для очистки газовых и жидких сред. Материал содержит пористую основу с размещенными в порах основы высокодисперсными частицами гидрата окиси алюминия с размером 0,2-5,0 мкм, удельной поверхностью 100-500 м2/г и пористостью 30-95%, при этом основа выполнена в виде трехмерной проницаемой матрицы, имеющей размер пор 1-25 мкм и пористость 42-98%, матрица может быть образована волокнами, гранулами или представлена в виде монолитного блока. Материал обладает высокими сорбционными свойствами, механической прочностью и повышенным сроком службы.

Изобретение относится к фильтрующим средам с высокими адсорбирующими и фильтрующими свойствами и может быть использовано для очистки воздуха, газа, воды, водных растворов и других жидкостей от микробиологических загрязнений, включая бактерии и вирусы.

В целом, данное изобретение направлено на создание фильтрующей среды в виде фильтрующего материала или фильтрующего элемента для жидкостей или воздуха, содержащей устойчивую по форме пористую проницаемую матрицу и частицы, образованные нановолокнами оксида алюминия, которые размещены на внутренней поверхности пор основы и предназначены для адсорбции электроотрицательно заряженных ультратонких и наноразмерных частиц.

Высокая механическая прочность и проницаемость фильтрующей среды обеспечиваются выбором матрицы - носителя дисперсных частиц. Размер пор и пористость матрицы определяются как требованиями условий применения, так и размерами частиц гидрата окиси алюминия, формируемых в порах.

Способ получения фильтрующей среды позволяет использовать либо уже имеющиеся промышленно выпускаемые проницаемые матрицы, например, из полипропиленовых волокон с градиентом пористости по толщине, либо специально изготовленные в зависимости от назначения, например фильтровальный элемент, сформированный прессованием с последующим спеканием гранул сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), имеющий различную пористость и размер пор в зависимости от гранулометрического состава, условий прессования и температуры спекания.

Предлагаемая в изобретении фильтрующая среда как за счет выбора основы (матрицы), так и за счет приемов способа - пропитывание всего объема матрицы и формирование в порах матрицы электроположительно заряженных высокодисперсных частиц гидрата окиси алюминия, обеспечивает как глубинную фильтрацию, так и эффективную сорбцию загрязнителей в воздухе и в воде.

Эффективная сорбция достигается высокопористыми электроположительными частицами с высокой удельной поверхностью, образованными нановолокнами гидрата окиси алюминия, сформированными в порах матрицы.

Частицы загрязнителей, крупнее размера пор фильтрующей среды, удерживаются, в основном, механическим улавливанием.

Под частицами загрязнителей в настоящем изобретении понимаются патогенные микроорганизмы, такие как бактерии, вирусы, а также органические и неорганические вещества.

Для получения глубинной фильтрующей среды на основе трехмерных проницаемых матриц, имеющих значительные размеры, осуществляют принудительное пропитывание суспензией. Принудительное пропитывание необходимо для заполнения порового пространства матрицы по всей глубине (объему) частицами материала на основе алюминия. Скорости пропитывания зависят от характеристик основы и концентрации суспензии. При использовании 1% суспензии предложенными значениями пористости матрицы и используемыми существующими стандартами размеров фильтрующих элементов пропитывание может осуществляться со скоростью 0,5-5 л/мин.

Пропитывание водной или водно-спиртовой суспензией зависит от гидрофильности или гидрофобности выбранной основы (матрицы). В случае гидрофильной, например листового материала из волокон ацетата целлюлозы, гидрофилизированного полисульфона или керамической матрицы, пропитывание осуществляют водной суспензией, а для увеличения смачиваемости углеродных материалов (карбон-блок или углеродное волокно) и таких гидрофобных материалов как, например, полипропиленовое и полиэтиленовое волокна, пропитывание осуществляют водно-спиртовой суспензией.

В процессе пропитывания частицы заполняют поры матриц, образованных волокнами или гранулированными материалами, а в случае использования монолитных блоков - на стенках пор и в поровом пространстве этих блоков. В качестве частиц сорбента для модифицирования вышеприведенных матриц предлагается использовать гидрат окиси алюминия, получаемый гидролизом порошков алюминия или алюмонитридной композиции (A1/A1N) с размером частиц от 50 нм до 1 мкм. Нанопорошки алюминия, полученные газофазным или механо-химическим методом, могут использоваться в качестве исходного материала на основе алюминия. Но наиболее предпочтительными являются нанопорошки алюминия, полученные методом электрического взрыва проволоки. Эти порошки обладают высокой химической активностью, в результате чего они легко реагируют с водой при температурах 40-60°С. Продуктом гидролиза является гидрат окиси алюминия с удельной поверхностью 100-500 м2/г и высокими сорбционными свойствами. Предпочтительно использование порошка состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением A1/A1N 60%:40% и с удельной поверхностью не менее 8 м2/г.

Гидролиз может быть проведен как в воздушной среде, так и в воде. В воздушной среде гидролиз проводят при влажности не менее 70%, предпочтительно 90-100%.

При гидролизе адсорбированные алюминиевые частицы превращаются в более крупные пористые частицы размером от 200 нм до 5 мкм, состоящие из различных оксидных и гидроксидных фаз алюминия (в настоящем изобретении под гидратом окиси алюминия мы понимаем именно такую совокупность фаз), которые удерживаются в межволоконном (поровом) пространстве волокнистых материалов и в порах монолитных матриц (керамические и карбон-блоки). При этом происходит увеличение удельной поверхности фильтрующей среды и создается дополнительная пористость, участвующая в процессе сорбции частиц загрязнителей.

Продукты гидролиза в узких порах представлены нановолокнами и небольшими агломератами нановолокон размером до 1 мкм. В широких порах образуются агломераты нановолокон размером до 5 мкм. При использовании матриц, у которых размер пор уменьшается от внешней стороны к внутренней, образуется градиент распределения частиц гидрата окиси алюминия по толщине, что способствует повышению эффективности сорбции и увеличению срока службы фильтрующей среды.

Для предотвращения биообрастания фильтрующей среды и придания ей бактерицидных свойств во время пропитки матрицы водной или водно-спиртовой суспензией или после гидролиза алюминия вводится бактерицидная добавка, например серебро в количестве 0,2-0,003%, предпочтительно 0,03-0,003%.

Предлагаемая в настоящем изобретении фильтрующая среда обеспечивает высокую эффективность фильтрации, низкое гидродинамическое сопротивление, высокую производительность, более длительный срок службы, повышенную механическую прочность, и способна выдерживать значительные колебания давлений текучей среды.

Предлагаемая фильтрующая среда может быть эффективно использована для фильтрации воздуха в помещениях, в респираторах или дыхательных масках, в автомобильных воздушных фильтрах, стерильных помещениях.

Примеры загрязнений могут представлять собой бактерии и вирусы, органические, например, гуминовые вещества и неорганические вещества, например гидроокись железа коллоидного размера.

Формула изобретения

1. Фильтрующая среда для очистки жидкости или газа, содержащая пористую основу с размещенными в порах основы высокодисперсными частицами гидрата окиси алюминия, отличающаяся тем, что в качестве основы она содержит трехмерную проницаемую матрицу, имеющую размер пор 1-25 мкм и пористость 42-98%, образованную волокнами, гранулами или представленную монолитным блоком, при этом частицы гидрата окиси алюминия имеют размер 0,2-5,0 мкм, удельную поверхность 100-500 м2/г и пористость 30-95%.
2. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица имеет размер пор 1-10 мкм и пористость 80-97%.
3. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица образована волокнами, имеющими диаметр 5-150 мкм, из термопластичного полимерного материла, такого как полиолефины, например полиэтилен или полипропилен.
4. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что пористая основа образована, по меньшей мере, двумя слоями трехмерной пористой матрицы, уложенными друг на друга, либо, по меньшей мере, одного гладкого или гофрированного слоя, смотанного в виде рулона.
5. Фильтрующая среда по п.4, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица представляет собой нетканый листовой материал, образованный волокнами, имеющими диаметр 0,5-10 мкм, предпочтительно 1,0-3,0 мкм, и изготовлена, например, методом аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд-технологии, электроформования, спанбонд.
6. Фильтрующая среда по пп.1 или 4, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица образована минеральными или углеродными волокнами, имеющими диаметр 1-20 мкм.
7. Фильтрующая среда по п.6, отличающаяся тем, что минеральные волокна представляют собой стекловолокно, базальтовое волокно или кварцевое волокно.
8. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица образована гранулами из термопластичного полимерного материала или углеродного материала.
9. Фильтрующая среда по п.8, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица из углеродного материала представляет собой карбон-блок.
10. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что трехмерная проницаемая матрица, представляющая собой монолитный блок, выполнена, например, из керамического материала.
11. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что частицы гидрата окиси алюминия представляют собой отдельные частицы, образованные нановолокнами гидрата окиси алюминия или сгруппированные в агломераты.
12. Фильтрующая среда по п.11, отличающаяся тем, что нановолокна имеют диаметр 5,0-8,0 нм и длину 100-200 нм.
13. Фильтрующая среда по п.1 или 2, отличающаяся тем, что количество частиц гидрата окиси алюминия, размещенных в порах основы, составляет не менее 10 мас.%.
14. Фильтрующая среда по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно фильтрующая среда содержит антимикробные вещества, например серебро.
15. Способ фильтрования жидкости или газа, включающий обеспечение их контакта с фильтрующей средой, содержащей в качестве основы трехмерную проницаемую матрицу, имеющую размер пор 1-25 мкм и пористость 42-98%, образованную волокнами, гранулами или представленную монолитным блоком, при этом частицы гидрата окиси алюминия имеют размер 0,2-5,0 мкм, удельную поверхность 100-500 м2/г и пористость 30-95% и представляют собой отдельные частицы, образованные нановолокнами гидрата окиси алюминия или сгруппированные в агломераты.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что фильтрующая среда находится в составе фильтра.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что фильтр стерилизует воду.
18. Способ по п.15, отличающийся тем, что фильтрующая среда удерживает электроотрицательные частицы, например бактерии, вирусы, коллоидные частицы, пирогены, нуклеиновые кислоты, протеины, энзимы и др.
19. Способ по п.15, отличающийся тем, что фильтрующая среда удерживает неполярные частицы и химические загрязнения, например частицы нерастворимых оксидов и гидроксидов, нефтепродукты, фенолы, галогены, ионы тяжелых металлов.
20. Способ по п.15, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют для комплексной очистки воды.
21. Способ по п.15, отличающийся тем, что указанная текучая среда представляет собой воду, водный раствор, биологическую жидкость.
22. Способ по п.15, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют для стерилизации воздуха.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют в комнатных системах фильтрации воздуха.
24. Способ по п.22, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют в производственных помещениях.
25. Способ по п.22, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют в операционных.
26. Способ по п.22, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют в жилых помещениях.
27. Способ по п.22, отличающийся тем, что фильтрующую среду применяют в автомобильных фильтрах.

Другие открытия в области неорганической химии:

• Способ комплексной переработки газообразного углеродсодержащего сырья (варианты)

• Способ газификации твердого топлива

• Способ получения угольных брикетов

Перейти к полному списку открытий

Присылайте свои научные статьи на электронный адрес admin@xumuktutor.ru, и мы опубликуем их абсолютно бесплатно на страницах нашего сайта. Ваши научные достижения станут известны всем (или почти всем).