CN1751775A - 气体分离膜滤毒通风装置及制备方法 - Google Patents

气体分离膜滤毒通风装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种气体分离膜滤毒通风装置,由分离膜组件、滤纸层、铜铬银催化炭和大粒度分子筛层组成,该装置的中心装置设有空气进气口,该装置的一个侧面设有空气排气口。其中分离膜组件的制备是将膜材料与适量的溶剂在60-110℃下混合搅拌,静置脱泡,制得铸膜液;将铸膜液涂覆在无纺布上,形成初生态平板膜,然后直接进入凝胶水浴后凝胶固化成膜,再制备分离膜组件。铜铬银催化炭是以活性炭为基体,铜、铬、银作为浸渍剂的ABC型浸渍炭。

Description

气体分离膜滤毒通风装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子膜与浸渍活性炭结合的滤毒装置,具体地说是一种气体分离膜滤毒通风装置。
本发明还涉及上述装置的制备方法。
背景技术
化学毒剂具有危害面积大、时间长和中毒途径多等特点,因此,各国相继采取措施加以防护。通过呼吸系统予以杀伤的毒剂(如苯、氯化氰、沙林等)主要是靠蒸气或气溶胶,尤其是蒸气压低的固态和液态毒剂主要是以形成气溶胶后才能伤害人。
《国外金属矿山》(1995,20(8).p59)报道了可供露天矿使用的强制供风的防尘毒护具,该文介绍了俄罗斯能源工程技术中心研制和批量生产的各种供风源、防护盒、粉尘净化系统、过滤-通风装置、瓦斯防护系统等一系列防护设施,这些设施为减轻空气污染、确保员工安全、提高生产率发挥了一定作用;《苏州医学院学报》(1998,18(11).p1149)中,冯秀舟和朱天淳报道了一种新型空气除毒装置,采用特殊设计结构,具有通风阻力低、除毒效率高、除气容量大的特点。过滤风速3m/s时,压力损失109.8Pa,而除臭氧有效率达96%;二炮工程设计研究院与北京华怡净化科技研究所报道了一体化滤毒通风装置(申请号:00106229.8),其特点是:风机和一、二、三、四级过滤器均安装于圆筒形罐体内,形成一体化结构,便于安装使用。由二、三、四级组成的圆筒形过滤器单元,用法兰和密封圈轴向安装于连接板上,体积小、风量大、更换简便快速。本装置出口风量为300m3/h,出口全压310Pa,滤毒时间大于30分钟。于江报道了空气通道消毒装置(CN1460523),该发明提供一种空气消毒装置。包括:设置在空气通道中的一个或多个障碍物或过滤障碍物,设置在所述障碍物一侧或两侧的紫外灯;所述障碍物由吸附材料制成。由于在空气通道(如中央空调管道或地下室通风管道)中设置了不同形式、不同布局的障碍物或过滤障碍物,使正常流动的空气产生紊流,促使空气中的尘埃、细菌或病毒被吸附在障碍物的吸附材料上,再通过紫外线灯的照射,起消毒的作用;李明浩报道了防疫空气消毒过滤装置(CN1457889),它是在容器中有由液体润湿的过滤层,气体通过此过滤层时被过滤消毒。加装呼吸面罩,可作为防疫面具使用。加装鼓、引风,可用于通风换气和室内外空气的消毒过滤;裴东风报道了车载三防方舱滤毒通风装置的研制(中国学术会议论文数据库,20010828),阐述了车载HQ-9三防方舱滤毒通风装置的设计思想、战术技术指标、装置组成、控制系统的功能设置及该装置目前达到的实际水平,并对三防方舱滤毒通风装置的发展提出了一些看法;德国专利(DE3545664)报道了一种具有三级过滤器的为密闭空间提供有毒气体过滤的通风设备,其过滤器可以单独或者合并使用,其第三级过滤器过滤能力可以通过反吹得到再生。德国专利(DE19631295)报道的核生化防护密闭系统通风设备,为多级气体过滤,采用人造橡胶、多孔泡沫橡胶等吸附过滤材料;日本专利(JP2002-119958)报道了Matsushita公司研制的过滤通风装置,以活性炭为吸附剂过滤毒气,该装置压降小,结构紧凑,容易制备。
综上所述,国内外主要采用多种填料、吸附剂作为多层防护、过滤系统,有的还配合上滤网、无纺布作为前处理过程手段。本发明研制的滤毒通风装置,配合具有耐多种毒气的非对称结构聚合物膜,对毒气具有浓缩和去除作用,能提高催化剂分解毒气功能。本发明系统在国防、地下隧道、露天矿、密闭房间的空气净化等领域有着广泛的用途。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体分离膜滤毒通风装置。本发明的滤毒通风装置在地下隧道、露天矿、密闭房间的空气净化等领域有着广泛的用途。
为实现上述目的,本发明提供的气体分离膜滤毒通风装置主要由分离膜组件、大粒度分子筛层、滤纸层和铜铬银催化炭组成,该装置设有空气进气口,该装置的一个侧面设有空气排气口。其中:
分离膜组件可以是中空纤维膜式组件、板框式组件或卷式膜组件。优选中空纤维膜式组件或卷式膜组件。
分离膜截面可以是均质结构或非均质结构;可以是无孔、致密结构或多孔结构,其中多孔结构的孔径小于0.5μm;膜横截面结构可以是指状孔结构或海棉结构。
本发明提供的制备方法中,分离膜组件的制备是:
首先将膜材料与适量的溶剂在60-110℃下混合搅拌,静置脱泡,制得铸膜液;将铸膜液涂覆在无纺布上,形成初生态平板膜,然后直接进入凝胶水浴后凝胶固化。
膜材料可以采用聚醚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯醚、天然橡胶、聚丁二烯、乙基纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚碳酸酯、醋酸纤维、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、尼龙、氯化橡胶、醋酸纤维素、丁腈橡胶、氨基甲酸乙酯橡胶、乙醛纤维素、聚苯乙烯或聚丁二烯等。优选聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等。溶剂可以采用N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺等。
铜铬银催化炭是以活性炭为基体,铜、铬、银作为浸渍剂的ABC型浸渍炭。
本发明具有如下优点:
1.平板膜由聚合物涂抹在无纺布上,无纺布作为粗过滤,能有效地去除固体微粒和部分气溶胶。调节聚合物溶液配方和涂抹工艺,可以控制无纺布上聚合物膜孔的孔径,使气溶胶类毒剂被有效过滤。
2.多孔皮层非对称的膜结构可以保证渗透通量高(通常比致密皮层的非多孔膜高几个数量级),单位体积设备的处理量大;通常在低压操作(如0.02~0.3MPa),此过程能耗低。
3.由于聚合物膜与无纺布一体化,简化滤毒器结构,缩小滤毒器体积。
4.以铜铬银作为浸渍剂浸渍炭具有分解毒剂的功能的同时,活性炭的物理吸附能力并未因为经浸渍金属元素而降低。它同时具备优良地吸附和分解毒剂的综合防护性能。
5.采用膜组件与浸渍炭层集成的滤毒器具有流程合理与结构简单、可靠性高等优点。采用膜组件与浸渍炭分开组装结构,气体线速度均匀,可提高浸渍炭效率。
附图说明
图1为本发明的膜组件的扫描电子显微镜照片。
图2为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。
实施例1
下面的描述只是依据以上发明内容选出的较佳例子,其作用是对本发明作一更具体的说明,而不是用来限定本发明的范围。
制备膜组件:将膜材料聚醚酰亚胺与溶剂N,N-二甲基乙酰胺在80℃下混合搅拌24小时(本发明的溶剂加入量没有严格限定,只要能使膜材料完全溶解即可),完全溶解后静置脱泡,制得铸膜液;将铸膜液涂覆在无纺布上,形成初生态平板膜,然后按常规方法直接进入凝胶水浴后凝胶固化,凝固后的膜用流动水清洗24小时,以去除膜内残留溶剂,干燥。制备的PEI膜支撑在聚酯无纺布上,膜厚约60~70微米厚,中间支撑层有尺寸约为10×30μm指状结构孔,指状结构层约厚40~50μm,分布着孔径为1μm左右的小孔;接近外表面处是海锦状结构,最外层是多孔皮层(如图1),孔径为0.08μm。用两张膜的三边密封,组成一个膜叶,其中夹入一层多孔支撑材料,同时在膜叶上铺有隔网,用带有小孔的多孔管卷绕依次放置的多层膜叶,形成卷式膜组件。
需要说明的是,可以用来制备本发明的膜组件的材料不仅仅限定于聚醚酰亚胺,其它如:聚二甲基硅氧烷、聚苯醚、天然橡胶、聚丁二烯、乙基纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚碳酸酯、醋酸纤维、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、尼龙、氯化橡胶、醋酸纤维素、丁腈橡胶、氨基甲酸乙酯橡胶、乙醛纤维素、聚苯乙烯或聚丁二烯等;采用的溶剂除N,N-二甲基乙酰胺外,还可以是N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺;其效果是等同的。为了简明起见,只列举聚醚酰亚胺和N,N-二甲基乙酰胺为例,但并不意味其它材料就不能实现本发明的目的。另外,本具体实施方式列举的分离膜组件是卷式膜组件,其实本领域技术人员都能理解,除了卷式膜组件外,还可以是中空纤维膜式组件或板框式组件。
制备铜铬银催化炭:以活性炭为基体,铜、铬、银作为浸渍剂,其制备方法可以采用常规的制备ABC型浸渍炭的方法。浸渍铜铬银的活性碳对毒气的防护主要是六价铬与铜对毒气产生催化水解作用。
请参阅图2,制备的卷式膜组件3固定装入滤毒通风装置中,卷式膜组件中间的多孔管作为进气口1。卷式膜组件3的外侧填充大粒度分子筛,形成分子筛层4;分子筛层4的外侧包覆有滤纸层6,滤纸层6的外侧填充有铜铬银催化炭7;铜铬银催化炭7的外侧和滤毒通风装置的外壳之间再填充大粒度分子筛,形成分子筛层5。实际上,前面提到的分子筛层4可以没有,只填充分子筛5也能达到本发明的目的,但加上分子筛4的效果更好。大粒度分子筛4、5起脱水蒸汽作用。炭层湿度对防毒能力有很大影响,湿度影响包括空气湿度和炭层湿度影响,其中,炭层湿度影响较为严重,但空气湿度的变化也会影响炭层的湿度。空气湿度对浸渍炭影响大致可分两方面:一是当炭层受潮后,水分子占据了孔表面,减少了炭层对低沸点、高挥发的毒剂的吸附,降低了防护能力;其二是催化炭吸湿后,六价铬易被还原成三价铬,加速了陈化现象。由于采用的分子筛粒度较大,分子筛层起着气流分布作用,可以降低气流压降,减少气流短路和浸渍炭层死区,有利于提高沉浸炭的效率。
气体进入滤毒器后,先通过膜组件隔网,由于隔网尺寸较大,传质阻力小,气流分布均匀。然后气流均匀进入膜层,先是无纺布层,接着依次进入指状孔层和海绵状层及多孔皮层。由于分离膜对颗粒的截留性能以及由于布朗运动作用和静电吸附作用,气溶胶和细菌、病毒的配合制剂微粒被去除。滤膜能阻留的最小微粒达到其平均孔径的1/10~1/15。
然后气体进入沉浸炭层吸附和分解未被膜组件过滤掉的残余毒剂,最后干净的气流进入分子筛层,排入舱体供使用。分子筛层的作用仍是气流分布作用和防止在储存时环境湿气进入浸渍炭层,而使浸渍炭被加速陈化。
实施例2
气体分离膜滤毒通风系统由里向外分别为分离膜组件、滤纸层、浸渍炭层和大粒度分子筛层,内装铜铬银浸渍炭1544g。气体流量:1.3m3/h,原料气压力:0.0085MPa,渗透气出口压力:0.0045MPa,苯初始浓度为0.69%,经6小时后测得苯蒸气的穿透数据如表1。可见,苯蒸气穿透为0.0175/0.69=2.53%。
表1苯蒸气穿透值
  tb(min)   Cb(%)   ln(C0/Cb)   Cb(mg/L)
  361.78   0.0175   3.6910   0.6081
  366.668   0.0218   3.4695   0.7588
  368.852   0.0221   3.4572   0.7682
  372.37   0.0281   3.2148   0.9789
  375.273   0.0269   3.2603   0.9355
  379.983   0.0508   2.6237   1.7680
  382.798   0.0544   2.5553   1.8931
  388.067   0.0592   2.4704   2.0610
  398.543   0.0649   2.3777   2.2612
  402.107   0.0757   2.2240   2.6367
  404.757   0.0825   2.1388   2.8714
  406.983   0.0846   2.1137   2.9444
  413.853   0.0822   2.1416   2.8633
  416.867   0.0893   2.0589   3.1100
  418.465   0.1080   1.8693   3.7594
tb:穿透时间;Cb:穿透浓度;C0:初始浓度
实施例3
采用油雾法测定对气溶胶的透过率。在规定条件下,将油雾流通过滤毒样机,利用浊度计测定在样机前后的油雾浓度,两者比值的百分数为油雾透过率。滤毒器在风量为100Nm3/h;油雾粒子平均质量直径为0.28~0.34μm;油雾浓度取为250mg/m3条件下,测得的滤毒器对油雾的净化率>99.999%。滤毒器在氯化氰气体浓度2mg/l下,测得的滤毒器对氯化氰的穿透时间为90min。

Claims (5)

1.一种气体分离膜滤毒通风装置,由该装置中心向外依次为:分离膜组件、滤纸层、铜铬银催化炭和大粒度分子筛层;其中该装置的中心设有进气口,该装置的一个侧面设有空气排气口。
2.权利要求1的装置,其特征在于,分离膜组件与滤纸层之间填充有大粒度分子筛。
3.权利要求1的装置,其特征在于,分离膜组件为中空纤维膜式组件、板框式组件或卷式膜组件。
4.一种制备权利要求1所述装置的方法,其中:
制备膜组件:将膜材料与溶剂于60-110℃混合搅拌20-30小时,完全溶解后静置脱泡,制得铸膜液;将铸膜液涂覆在无纺布上,形成初生态平板膜,然后凝胶固化,清洗,干燥,制备分离膜组件;
制备铜铬银催化炭:以活性炭为基体,铜、铬、银作为浸渍剂,制备铜铬银催化炭;
所述膜材料为:聚二甲基硅氧烷、聚苯醚、天然橡胶、聚丁二烯、乙基纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚碳酸酯、醋酸纤维、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、尼龙、氯化橡胶、醋酸纤维素、丁腈橡胶、氨基甲酸乙酯橡胶、乙醛纤维素、聚苯乙烯或聚丁二烯;
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺;
将分离膜组件装入滤毒通风装置中的进气口四周,分离膜组件的外侧包覆滤纸层,滤纸层的外侧填充铜铬银催化炭,铜铬银催化炭的外侧和滤毒通风装置的外壳之间再填充大粒度分子筛。
5.权利要求4的方法,其特征在于,凝固后的膜厚60~70微米,中间支撑层的尺寸为10×30μm指状结构孔,指状结构层约厚40~50μm,分布着孔径为1μm左右的小孔;接近外表面处是海锦状结构,最外层是多孔皮层,表层孔径小于0.5μm。
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