Vinutý svíčkový filtr

Oblast techniky

Technické řešení se týká vinutého svíčkového filtru s perforovanou nosnou dutinkou a návinem lineárního filtračního materiálu.

Dosavadní stav techniky

Filtrace pomocí vinutých svíčkových filtrů je jedním ze známých způsobů oddělování pevných částic od filtrovaných kapalin a plynů, především při dočišťování již předčištěných nebo méně znečištěných kapalin a plynů. Radí se mezi fyzikálně-chemické separační metody používané např. při úpravě a čištění vod, při oddělování balastních pevných částic od potravinářských kapalin, k čištění vzduchu od smogových pevných částic a aerosolů apod.

Běžný svíčkový filtr sestává z perforované dutinky (obvykle plastové) a návinu lineárního textilního útvaru - příze, syntetického hedvábí, kabílku - vytvořeného na křížem soukacím stroji s průměrem návinu obvykle 40 až 120 mm (nejčastěji pak 60 mm). Textilní materiál i dutinka jsou většinou vyrobeny z inertního polypropylenu (POP).

Svíčkový filtr je při svém použití upnut svými čely ve filtrační kartuši, do níž je filtrovaná kapalina nebo plyn přiváděna vně návinu svíčkového filtru a je protlačována tímto návinem, přičemž se na jeho povrchu vytváří filtrační koláč (retentát). Prošlý tok kapaliny nebo plynu (permeát) se odvádí vnitřní dutinkou. V některých případech může být tok filtrované kapaliny nebo plynu opačný.

Účinnost filtrace - permeace se vyjadřuje velikostí největších částic v permeátu, které prošly filtrem. Volbou parametrů lineárního textilního útvaru návinu - elementární a celkovou jemností příze nebo hedvábí a způsobem vinutí, lze dosáhnout poměrně široké škály penetrace částic o velikosti od 100 do 0,5 pm, tedy v oblasti klasické filtrace a mikrofiltrace. Oblast penetrace částic o velikosti 150 až 10 nm (0,15 až 0,01 pm), tj. ultrafiltrace není při filtraci v současné době známými vinutými svíčkovými filtry dosažitelná.

Cílem technického řešení je navrhnout konstrukci vinutého svíčkového filtru pro ultrafiltraci.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení se dosáhne vinutým svíčkovým filtrem s perforovanou nosnou dutinkou a návinem lineárního filtračního materiálu podle technického řešení, jehož podstata spočívá vtom, že na perforované nosné dutince je po celém jejím obvodu uložená ochranná vrstva tvořená jedno- až trojvrstvým návinem netkané textilie typu melt blown z inertních syntetických vláken s plošnou hmotností 50 až 100 g/m², přičemž na vnějším povrchu této ochranné vrstvy je uložená filtrační membrána tvořená alespoň jednovrstvým návinem plošného nanovlákenného kompozitu, který obsahuje vrstvu polymemích nanovláken s plošnou hmotností 0,2 až 3 g/m² uloženou na vrstvě netkané textilie s plošnou hmotností 50 až 80 g/m², přičemž filtrační membrána je orientovaná vrstvou polymemích nanovláken směrem k ochranné vrstvě, a na vnějším povrchu filtrační membrány je uložený křížový návin lineárního filtračního materiálu. Filtrační membrána obsahující vrstvu nanovláken přitom filtru kjeho standardní filtrační schopnosti poskytuje schopnost zachycovat částice o velikosti desítek až stovek nanometrů.

Výhodná plošná hmotnost ochranné vrstvy je 80 g/m².

- 1 CZ 33466 U1

Ochranná vrstva je s výhodou vytvořená z inertního polypropylenového nebo polyesterového hedvábí.

Filtrační membrána je s výhodou tvořená jedno až třívrstvým návinem plošného nanovlákenného kompozitu, který obsahuje vrstvu polymemích nanovláken s plošnou hmotností 0,2 až 3 g/m² uloženou na vrstvě netkané textilie s plošnou hmotností 50 až 80 g/m². Vyšší počet vrstev návinu by již příliš zvýšil tlakový spád filtru.

Vrstva polymemích nanovláken plošného nanovlákenného kompozitu je s výhodu tvořená nebo obsahuje nanovlákna alespoň z jednoho polymeru ze skupiny polyamid, polyuretan, polyvinylbutyral, polyvinylidenfluorid.

Lineární filtrační materiál je dle potřeby tvořen kompozitním materiálem, který obsahuje nosný lineární vlákenný útvar (např. polypropylenové nebo polyesterové hedvábí s délkovou hmotností 300 až 1500 dtex nebo kabílek s délkovou hmotností 1500 až 3000 dtex) na jehož povrchu je uložená vrstva polymemích nanovláken (s výhodou alespoň z jednoho polymeru ze skupiny polyamid, polyuretan, polyvinylbutyral, polyvinylidenfluorid) nebo nosným lineárním vlákenným útvarem (s výhodou polypropylenovým nebo polyesterovým hedvábím s délkovou hmotností 1000 až 1500 dtex nebo kabílkem s délkovou hmotností 1500 až 3000 dtex) bez vrstvy polymemích nanovláken.

Objasnění výkresů

Na přiložených výkresech je na obr. 1 schematicky znázorněný podélný řez vinutým svíčkovým filtrem podle technického řešení, na obr. 2 graf záchytu částic T1O2 filtrem podle technického řešení v jedné variantě provedení, a na obr. 3 graf záchytu částic T1O2 filtrem podle technického řešení v jiné variantě provedení než na obr. 2.

Příklady uskutečnění technického řešení

Vinutý svíčkový filtr 1 podle technického řešení obsahuje známou perforovanou nosnou dutinkou 2 a návin 5 lineárního filtračního materiálu.

Na povrchu perforované nosné dutinky 2 je po celém jejím obvodu uložená ochranná vrstva 3 tvořená jedno- až trojvrstvým návinem netkané textilie typu melt blown z inertních syntetických vláken, např. polypropylenového nebo polyesterového hedvábí, s plošnou hmotností 50 až 100 g/m², s výhodou 80 g/m².

Na vnějším povrchu této ochranné vrstvy 3 je pak uložená filtrační membrána 4 tvořená alespoň jednovrstvým návinem (s výhodou jedno až třívrstvým návinem) plošného nanovlákenného kompozitu, který obsahuje vrstvu 40 polymemích nanovláken s plošnou hmotností 0,2 až 3 g/m² uloženou na vrstvě netkané textilie 41 s plošnou hmotností 50 až 80 g/m². Tato filtrační membrána 4 je přitom orientovaná svou vrstvou 40 polymemích nanovláken směrem k ochranné vrstvě 3. Vrstva polymemích nanovláken 40 plošného nanovlákenného kompozitu je s výhodou tvořená nebo obsahuje nanovlákna alespoň z jednoho polymeru ze skupiny polyamid, polyuretan, polyvinylbutyral, polyvinylidenfluorid, což jsou polymery, které jsou snadno zvláknitelné elektrostatickým zvlákňováním ve vysokonapěťovém prostředí stejnosměrného nebo střídavého proudu. Netkaná textilie 41 plošného nanovlákenného kompozitu slouží především jako mechanická výztuž vrstvy 40 polymemích nanovláken, se kterou je spojená buď přirozenou adhezí, která vniká při ukládání nanovláken na povrch této membrány, a/nebo vhodným pojivém.

-2cz 33466 U1

Ochranná vrstva 3 při tomto uspořádání chrání plošný nanovlákenný kompozit před oděrem a mechanickým poškozením hroty nosné dutinky 2 (tyto hroty jsou standardní součástí nosné dutinky 2 a při běžném křížovém návinu působí protiskluzově).

Na vnějším povrchu filtrační membrány 4 je do konečného průměru vinutého svíčkového filtru navinutý návin 5 lineárního filtračního materiálu. Takovým filtračním materiálem je libovolný známý lineární filtrační materiál, s výhodou např. chemicky odolné polypropylenové nebo polyesterové hedvábí s délkovou hmotností 1000 až 1500 dtex nebo polypropylenový nebo polyesterový kabílek s délkovou hmotností 1500 až 3000 dtex. Pro vyšší filtrační účinnost je výhodné použít k vytvoření celého nebo alespoň části návinu 5 lineární filtrační kompozitní nanovlákenný materiál, který obsahuje nosný lineární vlákenný útvar, na kterém je, např. způsobem dle CZ 307208 B6, po jeho obvodu uložená vrstva polymemích nanovláken, která je kněmu připojená prostřednictvím nízkomolekulámí epoxidové pryskyřice. Nosný lineární vlákenný útvar je s výhodou tvořen polypropylenovým nebo polyesterovým hedvábím s délkovou hmotností 300 až 1500 dtex nebo polypropylenovým nebo polyesterovým kabílkem s délkovou hmotností 1500 až 3000 dtex. Hmotnost vrstvy nízkomolekulámí epoxidové pryskyřice odpovídá obvykle 2 až 5 % hmotnosti syntetického hedvábí či kabílku; hmotnost vrstvy polymemích nanovláken pak 5 až 20 % hmotnosti syntetického hedvábí nebo kabílku. Vrstva polymemích nanovláken uložená na povrchu nosného lineárního vlákenného útvaru s výhodou obsahuje nanovlákna alespoň z jednoho polymeru ze skupiny polyamid, polyuretan, polyvinylbutyral, polyvinylidenfluorid.

Díky specifickému uložení jednotlivých vrstev a kombinaci jejich vlastností je ve filtru 1 podle technického řešení de facto vytvořena semipermeabilní membrána, která vytváří selektivní bariém. Na povrchu a částečně i ve vnitřní struktuře návinu 5 lineárního filtračního materiálu se zachytávají především větší nečistoty; na povrchu ave vnitřní struktuře vrstvy polymemích nanovláken 40 plošného nanovlákenného kompozitu, případně ve vrstvě polymemích nanovláken na povrchu lineárního vlákenného útvaru, pak jemnější nečistoty. Hnací silou celého procesu je přitom transmembránový gradient.

Níže jsou pro ilustraci uvedeny dva konkrétní příklady vinutého svíčkového filtru 1 podle technického řešení a výsledky jejich testování při záchytu T1O2 částic.

Příklad 1 - vinutý svíčkový filtr s návinem kompozitního lineárního filtračního materiálu

Vinutý svíčkový filtr 1 obsahoval perforovanou dutinku 2 z polypropylenu (POP) po jejímž celém obvodu byla uložená ochranná vrstva 3 tvořená dvouvrstvým návinem netkané textilie typu melt blown z polypropylenových vláken s plošnou hmotností 80 g/m². Na vnějším povrchu této ochranné vrstvy 3 byla uložená filtrační membrána 4 tvořená dvouvrstvým návinem plošného nanovlákenného kompozitu, který obsahoval vrstvu 40 polymemích nanovláken z polyamidu 6 s plošnou hmotností 2,0 g/m² uloženou na vrstvě netkané textilie typu spun bond s plošnou hmotností 60 g/m². Vrstva 40 polymemích nanovláken plošného nanovlákenného kompozitu byla orientovaná směrem k ochranné vrstvě 3. Na vnějším povrchu netkané textilie 41 filtrační membrány 4 byl uložený křížový návin 5 lineárního filtračního materiálu tvořeného kompozitním materiálem, který obsahoval nosný lineární vlákenný útvar tvořený polypropylenovým hedvábím, na kterém byla uložená vrstva polyamidových nanovláken, která k němu byla připojená prostřednictvím nízkomolekulámí epoxidové pryskyřice. Hmotnost vrstvy nízkomolekulámí epoxidové pryskyřice přitom odpovídala 2 % hmotnosti nosného lineárního vlákenného útvaru; hmotnost vrstvy polymemích nanovláken pak 5 % hmotnosti nosného lineárního vlákenného útvam.

Celkový vnější průměr filtru 1 byl 61 mm, přičemž tloušťka návinu 5 lineárního filtračního materiálu činila 15 mm.

-3CZ 33466 U1

K testovací filtraci se použila vodná disperze částic oxidu titaničitého T1O2 o koncentraci 10 mg/1. Průměrná velikost částic T1O2 byla 300 nm; na distribuční křivce se velikost částic T1O2 pohybovala od 10 do 450 nm. Při průběžné filtraci se prvních 200 ml přefiltrované disperze odebralo k analýze. Účinnost filtrace se testovala na základě analýzy velikosti částic T1O2 přítomných v přefiltrované disperzi, která se provedla na přístroji Zetasizer Nano ZS pracujícím na principu dynamického rozptylu světla.

Z grafu na obr. 2 je patrné, že vinutý svíčkový filtr 1 této konstrukce zachytil s vysokou účinností částice velikosti nad 25 nm. Velikost částic T1O2, které prošly do permeátu byla 15 až 25 nm s maximem četnosti 20 nm.

Příklad 2 - vinutý svíčkový filtr s návinem lineárního filtračního materiálu

Vinutý svíčkový filtr 1_ obsahoval perforovanou dutinku 2 z polypropylenu (POP) po jejímž celém obvodu byla uložená ochranná vrstva 3 tvořená dvouvrstvým návinem netkané textilie typu melt blown z polypropylenových vláken s plošnou hmotností 80 g/m². Na vnějším povrchu této ochranné vrstvy 3 byla uložená filtrační membrána 4 tvořená dvouvrstvým návinem plošného nanovlákenného kompozitu, který obsahoval vrstvu 40 polymemích nanovláken z polyamidu 6 s plošnou hmotností 2,0 g/m² uloženou na vrstvě netkané textilie typu spun bond s plošnou hmotností 60 g/m². Vrstva 40 polymemích nanovláken plošného nanovlákenného kompozitu byla orientovaná směrem k ochranné vrstvě 3. Na vnějším povrchu netkané textilie 41 filtrační membrány 4 byl uložený křížový návin 5 lineárního filtračního materiálu tvořeného syntetickým hedvábím z polypropylenu s délkovou hmotností 1200 dtex.

Celkový vnější průměr filtru 1 byl 61 mm, přičemž tloušťka návinu 5 lineárního filtračního materiálu činila 15 mm.

K testovací filtraci se použila vodná disperze částic oxidu titaničitého T1O2 o koncentraci 10 mg/1. Průměrná velikost částic T1O2 byla 300 nm; na distribuční křivce se velikost částic T1O2 pohybovala od 10 do 450 nm. Při průběžné filtraci se prvních 200 ml přefiltrované disperze odebralo k analýze. Účinnost filtrace se testovala na základě analýzy velikosti částic T1O2 přítomných v přefiltrované disperzi, která se provedla na přístroji Zetasizer Nano ZS pracujícím na principu dynamického rozptylu světla.

Z grafu na obr. 3 je patrné, že vinutý svíčkový filtr 1 této konstrukce zachytil s vysokou účinností částice velikosti nad 250 nm. Velikost částic T1O2, které prošly do permeátu byla 135 až 250 nm s maximem četnosti 200 nm.

Průmyslová využitelnost

Vinuté svíčkové filtry podle technického řešení naleznou uplatnění především při dočišťování pitné vody od bakterií o velikosti 150 až 300 nm, avšak jsou schopné odstranit i část virů o velikosti nad 20 nm. Přitom mohou být kombinovány s použitím různých desinfekčních činidel a sloužit pro separaci mrtvých mikroorganismů a jiných jemných nečistot.

Kromě toho je možné je použit i při vzduchové filtraci pro separaci smogových částic a aerosolů v oblastech jejich zvýšeného výskytu.

Určitou perspektivu mají vinuté svíčkové filtry podle technického řešení i v potravinářství, např. při koncové filtraci vín, filtraci zákalů a opalescentů v destilátech a při filtraci rostlinných potravinářských olejů, kdy vhodná volba parametrů filtru umožňuje, aby některé nutriční a chuťové látky o velikostí 100 až 300 nm přešly do permeátu.