WO2009031944A2 - Фильтрующий материал для газообразной среды - Google Patents

Фильтрующий материал для газообразной среды Download PDF

Info

Publication number
WO2009031944A2
WO2009031944A2 PCT/RU2008/000581 RU2008000581W WO2009031944A2 WO 2009031944 A2 WO2009031944 A2 WO 2009031944A2 RU 2008000581 W RU2008000581 W RU 2008000581W WO 2009031944 A2 WO2009031944 A2 WO 2009031944A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
particles
base
filter material
fibers
aluminum
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000581
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009031944A3 (ru
Inventor
Marat Izrailievich Lerner
Natalia Valentinovna Svarovskaya
Sergey Grigorievich Psakhie
Gennady Evgenievich Rudenskiy
Elena Alekseevna Glazkova
Original Assignee
Institute Of Strength Physics And Materials Science Siberian Branch Of The Russian Academy Of Sciences
Advanced Powder Technologies, Limited Liability Company
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute Of Strength Physics And Materials Science Siberian Branch Of The Russian Academy Of Sciences, Advanced Powder Technologies, Limited Liability Company filed Critical Institute Of Strength Physics And Materials Science Siberian Branch Of The Russian Academy Of Sciences
Publication of WO2009031944A2 publication Critical patent/WO2009031944A2/ru
Publication of WO2009031944A3 publication Critical patent/WO2009031944A3/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/06—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising oxides or hydroxides of metals not provided for in group B01J20/04
    • B01J20/08—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising oxides or hydroxides of metals not provided for in group B01J20/04 comprising aluminium oxide or hydroxide; comprising bauxite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/16—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres
    • B01D39/1607—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres the material being fibrous
    • B01D39/1623—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres the material being fibrous of synthetic origin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2068—Other inorganic materials, e.g. ceramics
    • B01D39/2072—Other inorganic materials, e.g. ceramics the material being particulate or granular
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28033—Membrane, sheet, cloth, pad, lamellar or mat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3231—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating characterised by the coating or impregnating layer
    • B01J20/3234—Inorganic material layers
    • B01J20/3236—Inorganic material layers containing metal, other than zeolites, e.g. oxides, hydroxides, sulphides or salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/104—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/90—Odorous compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/708
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/91—Bacteria; Microorganisms

Definitions

  • the invention relates to the field of gas purification from organic and inorganic chemicals, in particular to the production of sorption-filtering materials and can be used to clean the air.
  • a filter medium is obtained by mixing nonspherical particles of aluminum oxide or an aluminum source, which then reacts with an aqueous solution to form nonspherical particles of aluminum oxide, with the second solid component - particles of fibrous material.
  • the filter material is formed from the resulting mixture according to the "paper” technology.
  • Such a material is a fibrous matrix bonded to nanofibers of the oxide-hydroxide phases of aluminum, which have a high specific surface and have an electropositive charge in an aqueous medium.
  • the disadvantages include the fact that the filter material due to the method of its manufacture - “paper” technology - has a high packing density of fibers. The aerodynamic drag of such a filter material is quite large.
  • An electrostatic air filter is known [WO 2007033173, 2007], developed by the authors of the above analogue, in which, in order to use the sorption characteristics of nanofibers distributed on microfiber fibers to clean the air, the task is to reduce the "pressure drop * (pressure dror) due to the formation of asymmetric pores, the size of which is suitable for transmitting fine particles of air.
  • the reduction in pressure drop in the claimed filter is achieved by increasing the pore size of the filter as a result of the use of other, larger, fibers in addition to the alumina nanofibres.
  • the size the latter and determines the pore size of the filter.
  • Alumina nanofibres impart an electrostatic charge to the filter and ensure stable operation of the filter in conditions of high humidity and liquid droplets, such as water, entering the filter.
  • the second fibers increase the filter's resistance to folding, which is important in the manufacture of pleated filter media. It is proposed to add particles of finely divided sorbents, for example, activated carbon, aerosil, to the filter material to trap organic substances from air, odors, etc.
  • the disadvantage of this analogue is the method of obtaining filter material from a mixture of nanofibers and other (reinforcing) fibers.
  • alumina nanofibers and when particles of finely divided sorbent and particles of sorbent are added, are mechanically retained in the pores created by the reinforcing fibers.
  • Reinforcing fibers have a certain flexibility and under the influence of external influences, for example, air pressure, can change their sizes and, accordingly, the pore size of the filter material.
  • migration of nanofibers in the filter layer and its accumulation in the smallest pores is possible, with the formation of channels of large diameter with low aerodynamic drag, the probability of breakthrough of polluting particles through which increases.
  • Filters are effective in air purification from aerosol particles up to 0.3 microns in size, therefore they are widely used for air purification from industrial pollution, and in some cases for bacterial gas purification. However, they are not used for air purification from viruses and their effectiveness is significantly reduced with high humidity.
  • Petryanov’s filters [without adsorbent additives] do not protect against odors, volatile organic compounds, gaseous chemical compounds, poisonous gases.
  • a well-known sorbent, activated carbon gives the filter material the ability to absorb volatile organic compounds, odors, but it does not solve the problem of removing ultra-small particles - viruses and some bacteria, and the stable operation of the filter material in a humid environment.
  • Known filter material containing as a base non-woven polymeric fibrous material obtained by electrospinning (Petryanov filter), while particles of alumina hydrate and a method of depositing alumina hydrate particles on non-woven fibers are fixed on the fibers of the base, both on the surface and in the volume materials [RU 2317843 C2, 2008], which consists in impregnating a base of non-woven fibrous material with aqueous or aqueous-organic suspensions of aluminum nanoparticles, aluminum nitride or their composition and subsequent gy the hydrolysis of these particles with the formation and fixing on the fibers of the base of the particles of alumina hydrate.
  • the specified material is not suitable for filtering air, as it has a high aerodynamic drag.
  • the adhesion of alumina hydrate particles to the surface of the polymer microfibers in the air-dry material is not strong enough to prevent tearing of the alumina hydrate particles from the surface of the microfiber under the influence of a strong air flow.
  • Impregnation techniques do not allow the formation of a material structure suitable for use in air filtration.
  • the basis of the invention is the task of creating a new filter material with high sorption properties, high efficiency of air purification from submicron particles, bacteria and viruses, odors, small water droplets, etc., and at the same time having low aerodynamic resistance.
  • Another objective of the present invention is the creation of a filter material modified with a sorbent having a layer that prevents the entrainment of particles of the sorbent in the direction of flow of the purified gaseous medium.
  • the proposed filter material for a gaseous medium contains a non-woven polymer fibrous material as a base.
  • alumina hydrate particles are fixed to the fibers of the warp of one of its sides on the surface and partially in the bulk, while at least the surface of the opposite side is free from alumina hydrate particles.
  • the filter material contains two layers of the base, folded towards each other by the sides, on the surface of which and partially in volume on the base fibers, particles of alumina hydrate are fixed, with the formation of a layer of alumina hydrate particles between the aforementioned base layers.
  • the filter material contains one layer of the base, having a side intended for contact with the gas stream being cleaned, on the surface of which particles of alumina hydrate are fixed and partially in volume to the base fibers.
  • the filter material contains at least two layers of the base stacked on top of each other, so that the side intended for contact with the cleaned gas stream contains, on the surface and partially in volume, particles of alumina hydrate particles fixed on the base fibers .
  • non-woven polymeric fibrous material selected from the group of materials, obtained by the method allowing to obtain non-woven materials with a bulk density of fiber packing of 0.02 - 10% and a fiber diameter of 0.1 - 10 microns, preferably 1, 0 - 5.0 microns, for example, by the method of aerodynamic canvas forming, meltblown technology, airlaid technology, electroforming .
  • the material obtained by the method of electroforming with a packing density of 0.02 - 10%, and a fiber diameter of 1, 0 - 3.0 microns, is selected as a nonwoven polymeric fibrous material.
  • the particles of aluminum oxide hydrate, mounted on the fibers of the base form a layer with a thickness of 60-80% of the thickness of the base.
  • the particles of alumina hydrate, mounted on the fibers of the base form a layer that has a concentration gradient over the thickness of the base (graph).
  • the alumina hydrate particles attached to the surface of the warp fibers have a size of 0.2-5.0 ⁇ m, a specific surface area of 100-250 m 2 / g and a porosity of 50-95% and are agglomerates of nanofibers.
  • nanofibers have a diameter of 5.0-8.0 nm and a length of 100-200 nm. It is advisable that the number of particles of alumina hydrate fixed on the base fibers is 15-45 wt.%.
  • the filter material may contain antimicrobial agents, for example, silver.
  • it further comprises a gas-permeable layer located on one or both sides of the filter material, for example, a gauze layer or a mesh layer of a thermoplastic polymer.
  • the task is also achieved by the fact that the method of obtaining filter material for a gaseous medium includes the selection of a base of non-woven polymeric fibrous material suitable for filtering a gaseous medium.
  • New in the method is that on one side of the selected base is applied particles of material based on aluminum in the form of their aqueous or a water-alcohol suspension and hydrolyze the particles of an aluminum-based material by heating the base with the particles mentioned on it to form and fix the base fibers both on the surface and partially in the bulk of the alumina hydrate particles.
  • heating is carried out by two layers of the base, folded towards each other by the sides on which particles of an aluminum-based material are applied
  • heating is carried out at least two layers of the base stacked on top of each other.
  • a non-woven polymeric fibrous material is used selected from the group of materials obtained by a method that makes it possible to obtain non-woven materials with a bulk packing density of fibers of 0.02 - 10% and a fiber diameter of 0.1 - 10 ⁇ m, preferably 1, 0 - 5.0 ⁇ m, for example, by the method of aerodynamic canvas forming, meltblown technology, airlaid technology, electroforming, spunbond.
  • a non-woven polymer fibrous material with a fiber diameter of 1.0-3.0 ⁇ m obtained by electrospinning is used as the base.
  • the powder obtained by the electric explosion of wire is used as an aluminum-based material.
  • aluminum powder is used as an aluminum powder with a specific surface area of 7-28 m 2 / g, obtained by the method of electric wire explosion.
  • an aluminum-aluminum nitride powder with a percentage ratio of AI / AIN from 95: 5 to 5: 95, preferably 60%: 40% and with a specific surface area of at least 8 m 2 / g, is preferably used as an aluminum-based material. 19 - 27 m 2 / g. obtained by electric explosion of wire. It is advisable that, in addition to the aqueous or aqueous-alcoholic suspension, before applying it to the base, antimicrobial substances, for example silver nitrate, are introduced.
  • the heating is carried out to a temperature of 10-100 0 C, preferably 50-70 0 C, and at a relative humidity of 100%.
  • the bilayer wet material is pressed to increase the mechanical strength and to further fix the particles of aluminum oxide hydrate in the volume between the layers.
  • the resulting material is dried to a residual moisture content of 3 -
  • a gas-permeable layer for example, a non-woven mesh of thermoplastic polymer, is attached.
  • Another object of the invention is the provision of contact of a gaseous medium with a filter material.
  • filter material is used as the filter material, and contact is made with that side of the filter material, on the fibers of which aluminum oxide hydrate particles are fixed and partially in the volume.
  • filter media is used in indoor air filtration systems.
  • the filter material is used in industrial premises.
  • filter material is used in respirators.
  • filter media is used in automobile filters.
  • filter media is used in operating rooms.
  • filter material is used in residential areas.
  • Another object of the invention is a filter for a gaseous medium containing the aforementioned filter material.
  • FIG. Figure 1 shows the structure of the unmodified Petryanov filter fiber — smooth fibers.
  • FIG. 2 shows the structure of the modified filter fiber
  • Petryanova - fibers with a rough surface Petryanova - fibers with a rough surface.
  • Fig. 3 shows graphs of changes in the content of particles of alumina hydrate over the depth of the filtering material based on FIAS (d) in the direction from the surface of the suspension.
  • non-woven materials are widely used for cleaning gas media, which have several advantages over woven filter materials.
  • the current level of production development allows one to obtain nonwoven materials from various polymers with micron and submicron fiber diameters, ⁇ with a given fiber packing density and porosity, with exceptional uniformity of fiber packing, with a given pore size and, accordingly, the required aerodynamic resistance.
  • non-woven polymeric fibrous materials obtained by methods such as, for example, aerodynamic canvas forming, meltblown technology, airlade technology, electroforming, spunbond, which allows non-woven materials with a bulk packing density of fibers of 0.02-10% and a fiber thickness of 0.1 - 10 ⁇ m, preferably 1, 0 - 5.0 ⁇ m, for example, a filter material obtained by perforation from perchlorovinyl with a packing density of 2% and a fiber thickness of 1 ⁇ m.
  • Non-woven polymeric fibrous materials obtained by the method of electroforming (Petryanov filters), designed for highly efficient gas cleaning from aerosols, have an extremely low aerodynamic drag - 1, 5 - 2.0 mm. at. Art. at an air flow rate of 1 m / s.
  • these materials are formed by very long polymer microfibers, which gives them high mechanical strength and flexibility. During the production process, these materials acquire an electrostatic charge, which increases the efficiency of aerosol particle retention.
  • These materials with high efficiency remove aerosol particles from the air - smoke, dust, some bacteria. However, they are not intended to remove odors, gaseous chemicals of organic and inorganic origin, small bacteria and viruses from the air.
  • the filtering characteristics of these materials deteriorate with increased humidity due to a decrease in electrostatic charge.
  • the fibers of the filter material must be modified with particles of a sorbent that absorbs moisture, odors, organic and inorganic gaseous substances, fog particles, microbiological contaminants.
  • impregnation of non-woven materials with a suspension of finely divided sorbent with a binder can be used, which ensures the attachment of sorbent particles to the fibers of the material or “packing”, which consists in applying the sorbent particles from their aerosol by air flow and their mechanical retention in the filter volume material.
  • the use of a binder allows you to fix the particles of the sorbent on the basis, but at the same time blocks a significant part of its active surface, which reduces the sorption capacity and efficiency.
  • Powdered activated carbon, ion-exchange resins, zeolites, alumina, silica gel can be used as sorbents.
  • alumina hydrate particles obtained by hydrolysis of aluminum nanopowders, aluminum nitride, a mixture thereof or a composite material based on them as such a sorbent.
  • aluminum nanopowders obtained by gas-phase or mechanochemical methods can be used.
  • aluminum nanopowders obtained by electric explosion of wire These powders have high chemical activity, as a result of which they easily react with water at temperatures of 40-60 0 C.
  • the product of hydrolysis of aluminum nanopowder obtained by electric explosion of wire is aluminum oxide hydrate with a specific surface of 100-250 m 2 / g, which has high electropositive charge and high sorption properties in relation to a wide range of pollutants.
  • the undoubted advantages of the method of modifying the nonwoven material proposed in the present invention include the absence of a binder in the suspension, which is usually used for impregnation.
  • the particles of aluminum oxide hydrate are fixed due to adhesion forces, and almost the entire surface of the sorbent (more than 95%) remains active.
  • alumina hydrate particles from aluminum nanopowders or aluminum nitride compositions occurs under mild conditions - at a temperature of 60 0 C, in an aqueous medium, which allows them to be obtained directly on the surface of polymer base microfibers. Moreover, all the useful properties of the base - high mechanical strength, flexibility, high porosity, low aerodynamic drag, are preserved.
  • the initially smooth surface of the polymer fibers of the base is coated with particles of aluminum oxide hydrate in the form of nanofibers and their agglomerates with a size of 0.2 - 5.0 microns, s specific surface area of 100-250 m 2 / g and porosity of 50-95%, which gives the base fibers additional porosity and roughness.
  • Rough fibers or particles are known to be significantly more effective sorbents than fibers or particles of the same size but with a smooth surface.
  • the method of transmission electron microscopy was used to determine the diameter (5.0–8.0 nm) and length (100–200 nm) of nanofibers and their fixation on the base fiber. In this case, the average pore size of the base practically does not change, since the length of the nanofibers of the aluminum oxide-hydroxide phases is more than an order of magnitude smaller than the pore size of the base.
  • the proposed filter medium for a gaseous medium has a base of non-woven polymeric fibrous material, in which aluminum oxide hydrate particles are fixed on the surface and in the bulk, and the material layer on the opposite side does not contain these particles.
  • the purpose of the particle-free layer is to serve as a barrier to alumina hydrate particles.
  • the manufacture of such material is carried out in the following way: to impregnate the base in the form of a non-woven fibrous material with a sufficiently low aerodynamic drag, a low packing density of fibers and a fiber diameter of not more than 10 ⁇ m, an aqueous or aqueous-organic suspension of aluminum nanoparticles and / or aluminum nitride is applied to one of its sides composition.
  • the application is carried out by spraying, while the flow rate of the suspension is regulated depending on the properties of the base so that the suspension penetrates into the base layer by 60-80% of its thickness.
  • the base is heated to a temperature of 60-100 ° C to hydrolyze the aluminum particles and / or the alumina-nitride composition and form alumina hydrate particles fixed on the base fibers, and then dry.
  • a variant of the filtering material is described, consisting of two base sheets thus processed, folded by the processed sides towards each other > while the sorbent particles are located in the bulk of the material, and the outer sides perform a protective function.
  • the filter material is a material of two layers of treated base, stacked on top of each other by the processed sides in one direction.
  • the base has a reinforcing gas-permeable substrate, for example, from a layer of more densely packed fibers.
  • a one-way filter material is obtained having a protective layer on the side of clean air, and a layer containing no sorbent particles in the volume of the material as a separator.
  • the material has an increased service life due to higher dust absorption, with the same aerodynamic drag.
  • the number of layers of the base that must be used for the manufacture of filter material depends on the characteristics of the base. In the case of using a nonwoven material with a high surface density and thickness as a base, a single-layer filter material can be made.
  • the following examples describe a filter medium for a gaseous medium, consisting of a single base layer, in which the concentration of particles of aluminum oxide hydrate decreases from the surface of application to the depth material up to zero (Fig. 3).
  • the data in FIG. 3 were obtained as follows: the finished material was divided into 5 thin layers, the thickness of each layer was measured, and the content of alumina hydrate in each layer was determined by weighing the residue after calcining a sample of material at 900 ° C.
  • bactericidal and fungicidal additives can be added to it, in which case the additives are introduced into the suspension before applying it to the substrate.
  • the following examples describe a material with the addition of silver nitrate. The material has bactericidal properties.
  • the obtained filters are tested for the efficiency of air purification from microbiological contaminants using an MD8 airrogt microbiological air monitoring device manufactured by Sagtorius AG, Germany.
  • a suspension is prepared from 810 ml of distilled water and 8.1 g of powder of composition AI / AIN obtained by electric explosion of wire with a specific surface of 21 g / m 2 .
  • a non-woven material obtained from cellulose acetate by electrospinning with an average fiber diameter of 1, 7 ⁇ m, a surface density of 32 g / m 2 and a packing density of fibers of 3.0%, a fabric of size 1500x900 mm, having on one side a substrate in the form gauze (FPA-15-2.0, Filters Petryanova LLC, Russia) uniformly spray the prepared suspension from the side not protected by gauze.
  • the two webs thus treated (layers of non-woven polymer fibrous material) are folded with the processed sides facing each other.
  • the resulting bilayer material is heated to 7O 0 C in air at a relative humidity of 100% for 40 minutes to hydrolyze the nanopowder aluminitride composition and particle formation of alumina hydrate. Then the resulting sheet is dried to a residual moisture content of 3-5%.
  • a material of 0.28 mm thickness is obtained, protected on both sides by a gauze substrate, in which the concentration of aluminum oxide hydrate particles is maximum in the volume of the material and decreases towards the sides of the material protected by gauze, while the surface layers of the material with a thickness of 0.1 mm do not contain particles of alumina hydrate.
  • the material contains 27 wt.% Aluminum oxide hydrate with an average particle size of 0.8 ⁇ m, with a specific surface area of 130 m 2 / g and a porosity of 80%.
  • Table 1 shows the values of the effectiveness of microbiological air purification, breaking length, aerodynamic resistance of the obtained material and its base (FPA-15-2.0).
  • the resulting material is used for the manufacture of medical masks (respirators).
  • Example 1 The material of Example 1 is made, but after the hydrolysis is completed, the wet material is pressed to increase mechanical strength and increase the efficiency of air purification. The material is used to equip aerosol filters.
  • a suspension is prepared from 780 ml of distilled water and 7.8 g of Al nanopowder obtained by electric explosion of wire with a specific surface area of 15 g / m 2 .
  • a filtering fibrous polymeric material obtained from cellulose acetate by electroforming is used, with an average fiber diameter of 1.5 ⁇ m, a surface density of 34 g / m 2 , a fiber packing density of 3.0%, a size of 1500x900 mm, having a substrate on one side in the form of a layer of thermally bonded cellulose acetate microfibers (FPA-15-2.0 AG, AS Esfil Techpo, Estonia), while the thickness of the substrate is 30% of the total thickness of the material.
  • the prepared suspension is uniformly sprayed onto the substrate from the side without a substrate.
  • one layer of the base is laid the second layer of the substrate with a substrate on the processed side of the first layer and repeat the application of the suspension.
  • the resulting two-layer sheet is heated to 7O 0 C in air at a relative humidity of 100% for 50 minutes to hydrolyze the aluminum nanopowder and form particles of aluminum oxide hydrate. After hydrolysis is complete, the wet sheet is pressed. The pressed sheet is dried to a residual moisture content of 3-5%.
  • a 0.30 mm thick material is obtained containing 27 wt.% Aluminum oxide hydrate with an average particle size of 0.8 ⁇ m, with a specific surface area of 130 m 2 / g and a porosity of 80%.
  • substrates of thermally bonded fibers located on one side and in the middle of the volume of the material with a thickness of 0.045 mm each, do not contain particles of aluminum oxide hydrate.
  • the material is used to make pocket filters.
  • a suspension of 37 g of nanopowder of composition AI / AIN with a specific surface of 17 m 2 / g, 3.0 l of distilled water and 0.7 l of ethanol is prepared.
  • a suspension is uniformly sprayed on one side of the base. Then the treated base is heated to 8O 0 C at a relative humidity of 100% for 45 minutes to hydrolyze the AI / AIN particles and dried at a temperature of 12O 0 C to a residual moisture content of 5%.
  • a material is obtained containing 17% (mass.) Of alumina hydrate particles, the concentration of which has a gradient across the thickness of the material, while the layer of material from the side of clean (purified) air 1 mm thick does not contain alumina hydrate particles.
  • Example 5 Prepare a suspension of a concentration of 810 ml of distilled water, 8.1 g of powder composition AI / AIN obtained by the method electric explosion of wire, with a specific surface of 21 g / m 2 and 0.2 g of silver nitrate. Next, the material is made as described in Example 1. The antimicrobial properties of the obtained material are checked as follows: 3 ml of a suspension of E. coli bacteria at a concentration of 10 5 CFU / ml are applied to a sample of material in the form of a disk 47 mm in diameter. Then bacterial swabs are made with 5 ml of a 0.015% TWIN 40 solution immediately after application, after 1 hour, after 6 hours, after 24 and 72 hours. 1 ml from each wash is sown on a nutrient medium and the number of bacteria in the wash is counted.
  • sorption-filtering material is obtained, similar in operational characteristics to the material in example 1 (tables 1-2), which has bactericidal properties (table 3).
  • the proposed filter material has high sorption properties and at the same time low aerodynamic drag, which allows it to be used for effective cleaning and disinfection of gas, gas, air and air in industrial air cleaning systems, automobile filtration systems, in medicine for creating sterile rooms and residential room systems air filtration.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)
  • Disinfection, Sterilisation Or Deodorisation Of Air (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области очистки газов от органических и неорганических химических веществ, в частности к получению сорбционно - фильтрующих материалов и может быть использовано для очистки воздушной среды. Изобретение решает задачу создания нового фильтрующего материала, обладающего высокими сорбционными свойствами, высокой эффективностью очистки воздуха от субмикронных частиц, бактерий и вирусов, запахов, мелких водяных капель и т.д., и в то же время имеющего низкое аэродинамическое сопротивление. Фильтрующий материал для газообразной среды содержит нетканый полимерный волокнистый материал в качестве основы, при этом на волокнах основы одной из сторон на поверхности и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия, а поверхность противоположной стороны свободна от частиц гидрата окиси алюминия. Способ получения фильтрующего материала для газообразной среды осуществляют путем выбора основы из нетканого полимерного волокнистого материала, пригодного для фильтрования воздуха, нанесения на одну из сторон выбранной основы частиц материала на основе алюминия в виде их водной или водно-спиртовой суспензии и проведение гидролиза частиц материала на основе алюминия, путем нагревания основы с нанесенными на нее упомянутыми частицами для образования и закрепления на волокнах основы как на поверхности, так и частично в объеме частиц гидрата окиси алюминия. Способ фильтрования, включающий обеспечение контакта газообразной среды с предлагаемым фильтрующим материалом, при этом контакт осуществляют с той стороной фильтрующего материала, на волокнах которой и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия.

Description

ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области очистки газов от органических и неорганических химических веществ, в частности к получению сорбционно- фильтрующих материалов и может быть использовано для очистки воздушной среды.
Известно использование нановолокон распределенных на волокнах микростекловолокна для фильтрации воды [US 6838005 B1 , 2005], фильтрующую среду получают смешиванием несферических частиц оксида алюминия либо источника алюминия, который затем реагирует с водным раствором с образованием несферических частиц оксида алюминия, со вторым твердым компонентом - частицами волокнистого материала. Из полученной смеси по «бyмaжнoй» технологии формируется фильтровальный материал. Такой материал представляет собой волокнистую матрицу, связанную с нановолокнами оксидно-гидроксидных фаз алюминия, которые обладают высокой удельной поверхностью и имеют в водной среде электроположительный заряд. К недостаткам можно отнести то, что фильтрующий материал за счёт метода его изготовления - «бyмaжнoй» технологии - имеет высокую плотность упаковки волокон. Аэродинамическое сопротивление такого фильтрующего материала довольно велико.
Известен электростатический воздушный фильтр [WO 2007033173, 2007], разработанный авторами вышеприведенного аналога, в котором, для того, чтобы использовать сорбционные характеристики нановолокон распределенных на волокнах микростекловолокна для очистки воздушной среды, ставится задача снижения «пepeпaдa давления* (рrеssurе drор) за счёт формирования ассиметричных пор, размер которых пригоден для пропускания тонких частиц воздуха.
Снижение перепада давления в заявленном фильтре достигается за счет увеличения размера пор фильтра в результате использования помимо нановолокон оксида алюминия других, более крупных, волокон. Размер последних и определяет размер пор фильтра. Нановолокна оксида алюминия придают фильтру электростатический заряд и обеспечивают стабильную работу фильтра в условиях повышенной влажности и попадании на фильтр микрокапель жидкости, например, воды. Вторые волокна повышают устойчивость фильтра к складыванию, что важно при изготовлении гофрированных фильтровальных сред. Предлагается добавлять в фильтровальный материал частицы тонкоизмельченных сорбентов, например, активированного угля, аэросила, для улавливания органических веществ из воздуха, запахов и пр. Недостатком указанного аналога является способ получения фильтровального материала из смеси нановолокон и других (армирующих) волокон. При этом нановолокна оксида алюминия, а при добавлении частиц тонкоизмельченного сорбента и частицы сорбента, механически удерживаются в порах, созданных армирующими волокнами. Армирующие волокна обладают определенной гибкостью и под действием внешнего воздействия, например, давления воздушного потока, могут изменять свои размеры и, соответственно, размер пор фильтровального материала. При этом возможна миграция нановолокон в слое фильтра и скапливания его в наиболее мелких порах, с образованием каналов большого диаметра с низким аэродинамическим сопротивлением, вероятность проскока загрязняющих частиц через которые повышается.
Известны нетканые материалы из тонких полимерных волокон, полученных методом электроформования, так называемые ткани (фильтры) Петрянова, назначение которых - фильтрование газов, жидкостей, бактериальная очистка газов [Высокоэффективная очистка газов от аэрозолей фильтрами Петрянова /П. И. Басманов, В. И. Кириченко, Ю.Н. Филатов, Ю.Л. Юров; отв. ред. В. И. Кириченко. - M.: Наука, 2003. - c.43].
Фильтры эффективны при очистке воздуха от аэрозольных частиц размером до 0,3 мкм, поэтому широко применяются для очистки воздуха от техногенных загрязнений, и в ряде случаев для бактериальной очистки газов. Однако они не применяются для очистки воздуха от вирусов и их эффективность значительно снижается при повышенной влажности воздуха. Кроме того, фильтры Петрянова [без добавок адсорбентов] не защищают от запахов, летучих органических соединений, газообразных химических соединений, отравляющих газов.
Известен способ получения сорбционно-фильтрующего материала
[RU 2114681 C1 , 1998], посредством продувания воздуха с распыленным в нем тонкоизмельченным сорбентом через волокнистый материал: угольный сорбент с размером частиц меньше 40 мкм напыляют на волокнистый материал ФПП-70 (фильтр Петрянова).
Добавление в фильтрующий материал известного сорбента - активированного угля, придает фильтрующему материалу способность к поглощению летучих органических соединений, запахов, однако не решает проблемы удаления сверхмалых частиц - вирусов и некоторых бактерий, и устойчивой работы фильтрующего материала во влажной среде.
Известен фильтрующий материал, содержащий в качестве основы нетканый полимерный волокнистый материал, полученный методом электроформования (фильтр Петрянова), при этом на волокнах основы, как на поверхности, так и в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия и способ нанесения частиц гидрата окиси алюминия на волокна нетканых материалов [RU 2317843 C2, 2008], заключающийся в пропитке основы из нетканого волокнистого материала водной или водно- органической суспензий наночастиц алюминия, нитрида алюминия или их композиции и последующим гидролизом данных частиц с образованием и закреплением на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия.
Указанный материал не пригоден для фильтрования воздуха, так как обладает высоким аэродинамическим сопротивлением. Кроме того, сцепление частиц гидрата окиси алюминия с поверхностью полимерных микроволокон в воздушно-сухом материале недостаточно прочное для того, чтобы предотвратить отрыв частиц гидрата окиси алюминия от поверхности микроволокна под действием сильного воздушного потока.
Приемы пропитывания не позволяют сформировать структуру материала, пригодную для использования его в фильтрации воздуха. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу изобретения поставлена задача создания нового фильтрующего материала, обладающего высокими сорбционными свойствами, высокой эффективностью очистки воздуха от субмикронных частиц, бактерий и вирусов, запахов, мелких водяных капель и т.д., и в то же время имеющего низкое аэродинамическое сопротивление.
Другой задачей настоящего изобретения является создание фильтрующего материала, модифицированного сорбентом, имеющего слой, препятствующий уносу частиц сорбента в сторону потока очищенной газообразной среды.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый фильтрующий материал для газообразной среды содержит нетканый полимерный волокнистый материал в качестве основы.
Новым является то, что на волокнах основы одной из её сторон на поверхности и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия, при этом, по меньшей мере, поверхность противоположной стороны свободна от частиц гидрата окиси алюминия.
Кроме того, фильтрующий материал содержит два слоя основы, сложенные навстречу друг другу сторонами, на поверхности которых и частично в объёме на волокнах основы закреплены частицы гидрата окиси алюминия, с образованием слоя частиц гидрата окиси алюминия между упомянутыми слоями основы.
Кроме того, фильтрующий материал содержит один слой основы, имеющий сторону, предназначенную для соприкосновения с очищаемым газовым потоком, на поверхности которой и частично в объёме на волокнах основы закреплены частицы гидрата окиси алюминия.
Кроме того, что фильтрующий материал содержит, по меньшей мере, два слоя основы уложенных друг на друга, таким образом, чтобы сторона, предназначенная для соприкосновения с очищаемым газовым потоком, содержала на поверхности и частично в объёме, закрепленные на волокнах основы частицы гидрата окиси алюминия.
Целесообразно, чтобы в качестве основы, он содержал нетканый полимерный волокнистый материал выбранный из группы материалов, полученных методом позволяющим получать нетканые материалы с объемной плотностью упаковки волокон 0.02 - 10 % и диаметром волокон 0,1 - 10 мкм, предпочтительно 1 ,0 - 5,0 мкм, например, методом аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд- технологии, электроформования.
Предпочтительно, что в качестве нетканого полимерного волокнистого материала выбран материал, полученный методом электроформования, с плотностью укладки 0.02 - 10 %, и диаметром волокон 1 ,0 - 3,0 мкм.
Целесообразно, чтоб частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на волокнах основы, образуют слой толщиной 60-80 % от толщины основы.
Целесообразно, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на волокнах основы, образуют слой, который имеет градиент концентрации по толщине основы (график).
Предпочтительно, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на поверхности волокон основы, имеют размер 0,2 - 5,0 мкм, удельную поверхность 100-250 м2/г и пористость 50-95 % и представляют собой агломераты нановолокон.
При этом, нановолокна имеют диаметром 5,0- 8,0 нм и длину 100-200 нм. Целесообразно, что количество частиц гидрата окиси алюминия, закреплённых на волокнах основы составляет 15-45 мac.%.
Согласно еще одного варианта исполнения изобретения фильтрующий материал может содержать антимикробные вещества, например, серебро. Кроме того, он дополнительно содержит газопроницаемый слой, расположенный с одной или обеих сторон фильтрующего материала, например, слой марли или слой сетки из термопластичного полимера.
Поставленная задача достигается также тем, что способ получения фильтрующего материала для газообразной среды, включает выбор основы из нетканого полимерного волокнистого материала, пригодного для фильтрования газообразной среды.
Новым в способе является то, что на одну из сторон выбранной основы наносят частицы материала на основе алюминия в виде их водной или водно-спиртовой суспензии и осуществляют гидролиз частиц материала на основе алюминия, путем нагревания основы с нанесенными на нее упомянутыми частицами для образования и закрепления на волокнах основы как на поверхности, так и частично в объеме частиц гидрата окиси алюминия.
Кроме того, нагревание осуществляют двух слоев основы, сложенных навстречу друг другу сторонами, на которые нанесены частицы материала на основе алюминия
Кроме того, нагревание осуществляют, по меньшей мере, двух слоев основы уложенных друг на друга.
Целесообразно, что используют нетканый полимерный волокнистый материал, выбранный из группы материалов, полученных методом, позволяющим получать нетканые материалы с объемной плотностью упаковки волокон 0.02 - 10 % и диаметром волокон 0,1 - 10 мкм, предпочтительно 1 ,0 - 5,0 мкм, например, методом аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд-технологии, электроформования, спанбонд.
Предпочтительно, что в качестве основы используют нетканый полимерный волокнистый материал с диаметром волокон 1 ,0-3,0 мкм, полученный методом электроформования.
Целесообразно, что в качестве материала на основе алюминия используют материал с размером частиц менее 1 мкм
Предпочтительно, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок, полученный методом электрического взрыва проволоки.
Предпочтительно, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок алюминия с удельной поверхностью 7 - 28 м2/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.
Предпочтительно, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением АI/АIN от 95 : 5 до 5 : 95, предпочтительно 60 % : 40 % и с удельной поверхностью не менее 8 м2/г, предпочтительно 19 - 27 м2/г. полученного методом электрического взрыва проволоки. Целесообразно, что дополнительно в водную или водно-спиртовую суспензию перед нанесением ее на основу, вводятся антимикробные вещества, например нитрат серебра.
Целесообразно, что нагревание осуществляют до температуры 10- 100 0C, предпочтительно 50-70 0C, и при относительной влажности 100 %.
Кроме того, после завершения гидролиза двухслойный влажный материал прессуют для увеличения механической прочности и дополнительного закрепления частиц гидрата окиси алюминия в объеме между слоями. Кроме того, полученный материал сушат до остаточной влажности 3 -
5 % .
Предпочтительно, что дополнительно к одной или обеим сторонам полученного фильтрующего материала прикрепляют газопроницаемый слой, например, нетканую сетку из термопластичного полимера. Еще одним объектом изобретения является обеспечение контакта газообразной среды с фильтрующим материалом.
Новым является то, что в качестве фильтрующего материала используют вышеупомянутый фильтрующий материал, при этом контакт осуществляют с той стороной фильтрующего материала, на волокнах которой и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия. Кроме того, фильтрующий материал используют в комнатных системах фильтрации воздуха.
Кроме того, фильтрующий материал используют в производственных помещениях. Кроме того, фильтрующий материал используют в респираторах.
Кроме того, фильтрующий материал используют в автомобильных фильтрах.
Кроме того, фильтрующий материал используют в операционных.
Кроме того, фильтрующий материал используют в жилых помещениях. Еще одним объектом изобретения является фильтр для газообразной среды, содержащий вышеупомянутый фильтрующий материал.
Наиболее полно понять и разобраться можно в приведенном далее подробном описании со ссылками на примеры и фигуры, на которых представлено:
На фиг. 1 приведена структура не модифицированного волокна фильтра Петрянова - гладкие волокна. На фиг. 2 приведена структура модифицированного волокна фильтра
Петрянова - волокна с шероховатой поверхностью.
На фиг.З представлены графики изменения содержания частиц гидрата окиси алюминия по глубине фильтрующего материала на основе ФИМАС (d) в направлении от поверхности нанесения суспензии.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время для очистки газовых сред широко применяются нетканые материалы, которые имеют ряд преимуществ перед ткаными фильтрующими материалами.
Существующий уровень развития производства позволяет получать нетканые материалы из различных полимеров с волокнами микронного и субмикронного диаметров,^ с заданной плотностью упаковки волокон и пористостью, с исключительной равномерностью укладки волокон, с заданным размером пор и, соответственно, требуемым аэродинамическим сопротивлением.
В предлагаемом изобретении предпочтительным является использование нетканых полимерных волокнистых материалов, полученных такими методами как, например, метод аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд-технологии, электроформования, спанбонд, позволяющими получать нетканые материалы с объемной плотностью упаковки волокон 0.02 - 10 % и толщиной волокон 0,1 - 10 мкм, предпочтительно 1 ,0 - 5,0 мкм, например, фильтровальный материал, полученный методом электроформования из перхлорвинила с плотностью упаковки 2% и толщиной волокон 1 мкм.
Нетканые полимерные волокнистые материалы, полученные методом электроформования (фильтры Петрянова), предназначенные для высокоэффективной очистки газов от аэрозолей, имеют чрезвычайно низкое аэродинамическое сопротивление - 1 ,5 - 2,0 мм. в. ст. при скорости потока воздуха 1 м/с. Кроме того, эти материалы образованы очень длинными полимерными микроволокнами, что придает им высокую механическую прочность и гибкость. В процессе производства эти материалы приобретают электростатический заряд, который повышает эффективность удерживания аэрозольных частиц. Данные материалы с высокой эффективностью удаляют из воздуха аэрозольные частицы - дым, пыль, некоторые бактерии. Однако они не предназначены для удаления из воздуха запаха, газообразных химических веществ органического и неорганического происхождения, мелких бактерий и вирусов. Кроме того, фильтрующие характеристики данных материалов ухудшаются при повышенной влажности воздуха в результате снижения электростатического заряда. Для придания им этих свойств и улучшения эффективности очистки влажного воздуха волокна фильтрующего материала необходимо модифицировать частицами сорбента, поглощающего из воздуха влагу, запахи, органические и неорганические газообразные вещества, частицы тумана, микробиологические загрязнения.
В качестве метода модифицирования таких материалов может быть использована, например, пропитка нетканых материалов суспензией тонкоизмельченного сорбента со связующим, обеспечивающим прикрепление частиц сорбента к волокнам материала или «нaбивки», заключающейся в нанесении частиц сорбента из их аэрозоля потоком воздуха и механическое их удерживание в объеме фильтровального материала. Применение связующего позволяет закрепить частицы сорбента на основе, но в то же время блокирует значительную часть его активной поверхности, что снижает сорбционную емкость и эффективность. В качестве сорбентов может быть использован порошковый активированный уголь, ионообменные смолы, цеолиты, оксид алюминия, силикагель. При этом для удаления конкретных загрязнений в нетканые материалы может быть введены селективные сорбенты. В настоящем изобретении в качестве такого сорбента предлагается использовать частицы гидрата окиси алюминия, получаемые гидролизом нанопорошков алюминия, нитрида алюминия, их смеси или композитного материала на их основе (алюмонитридной композиции). Для получения частиц гидрата окиси алюминия могут использоваться нанопорошки алюминия, полученные газофазным или механо-химическим методом. 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 0C. Продуктом гидролиза нанопорошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проволоки, является гидрат окиси алюминия с удельной поверхностью 100- 250 м2/г, обладающий высоким электроположительный зарядом и высокими сорбционными свойствами по отношению к широкому кругу загрязнителей.
К несомненным достоинствам способа модифицирования нетканого материала, предлагаемого в настоящем изобретении, относится отсутствие в суспензии связующего, применяемого обычно при пропитке. Закрепление частиц гидрата окиси алюминия происходит за счет сил адгезии, и практически вся поверхность сорбента (более 95 %) остается активной.
Образование частиц гидрата окиси алюминия из нанопорошков алюминия или алюмо-нитридной композиции происходит в мягких условиях - при температуре 60 0C, в водной среде, что позволяет получать их непосредственно на поверхности полимерных микроволокон основы. При этом все полезные свойства основы - высокая механическая прочность, гибкость, высокая пористость, низкое аэродинамическое сопротивление, сохраняются.
В результате такой обработки изначально гладкая поверхность полимерных волокон основы покрывается частицами гидрата окиси алюминия в виде нановолокон и их агломератов размером 0,2 - 5,0 мкм, с удельной поверхностью 100-250 м2/г и пористостью 50-95 %, что придает волокнам основы дополнительную пористость и шероховатость. Известно, что шероховатые волокна или частицы значительно более эффективные сорбенты, чем волокна или частицы такого же размера, но с гладкой поверхностью. Методом просвечивающей электронной микроскопии определяли диаметр (5,0- 8,0 нм) и длину (100-200 нм) нановолокон и закрепление их на волокне основы. При этом средний размер пор основы практически не изменяется, так как длина нановолокон оксидно- гидроксидных фаз алюминия более чем на порядок меньше размера пор основы.
Основным недостатком [RU 2317843 C2, 2008] является наличие в материале незакрепленных частиц сорбента, что обусловлено приемами пропитывания. При фильтровании жидкости частицы сорбента легко удаляются предварительной промывкой, однако при фильтровании газовых сред этот недостаток становится существенным, так как из воздушно-сухого фильтровального материала частицы сорбента не удаляются предварительной продувкой или промывкой с последующей сушкой и могут служить причиной вторичного загрязнения очищаемой газовой среды.
Предлагаемый фильтрующий материал для газообразной среды имеет основу из нетканого полимерного волокнистого материала, у которого с одной стороны на поверхности и в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия, а слой материала с противоположной стороны не содержит данных частиц. Назначение не содержащего частиц слоя - служить барьером для частиц гидрата окиси алюминия. Изготовление такого материала осуществляется следующим способом: для пропитывания основы в виде нетканого волокнистого материала с достаточно низким аэродинамическим сопротивлением, низкой плотностью упаковки волокон и диаметром волокон не более 10 мкм на одну из её сторон наносится водная или водно-органическая суспензия наночастиц алюминия и/или алюмонитридной композиции. Нанесение осуществляют методом распыления, при этом расход суспензии регулируют в зависимости от свойств основы таким образом, чтобы суспензия проникала в слой основы на 60-80 % от её толщины. Обработанная таким образом основа нагревается до температуры 60 - 100 0C для гидролиза частиц алюминия и/или алюмо-нитридной композиции и образования частиц гидрата окиси алюминия, закрепленных на волокнах основы, а затем высушивается. Далее в примерах описывается вариант фильтрующего материала, состоящий из двух обработанных таким образом листов основы, сложенных обработанными сторонами навстречу друг дpyгy> при этом частицы сорбента расположены в объеме материала, а внешние стороны выполняют защитную функцию. Другой модификацией данного фильтрующего материала и способа его получения является дополнительное прессование влажного материала перед стадией сушки, что приводит к уменьшению размера пор материала, увеличению эффективности очистки, возрастанию механической прочности, но, соответственно, повышает аэродинамическоое сопротивление материала.
Еще одним вариантом фильтрующего материала является материл из двух слоев обработанной основы, сложенных друг на друга обработанными сторонами в одном направлении. Этот вариант осуществления изобретения возможен в том случае, если основа имеет армирующую газопроницаемую подложку, например, из слоя более плотно упакованных волокон. В этом случае получают односторонний фильтрующий материал, имеющий защитный слой со стороны чистого воздуха, и не содержащий частиц сорбента слой в объеме материала в качестве сепаратора. Материал обладает повышенным сроком службы за счет более высокой пылеемкости, при том же аэродинамическом сопротивлении.
Количество слоев основы, которое необходимо использовать для изготовления фильтрующего материала, зависит от характеристик основы. В случае использования в качестве основы нетканого материала с высокой поверхностной плотностью и толщиной может изготавливаться однослойный фильтрующий материал.
Далее в примерах описан фильтрующий материал для газообразной среды, состоящий из одного слоя основы, в котором концентрация частиц гидрата окиси алюминия убывает от поверхности нанесения в глубину материала вплоть до нуля (Фиг. 3). Данные на Фиг. 3 получены следующим образом: готовый материал разделили на 5 тонких слоев, измерили толщину каждого слоя и в каждом слое определили содержание гидрата окиси алюминия взвешиванием остатка после прокаливания при 900 0C образца материала.
Для предотвращения роста и размножения уловленных микроорганизмов, грибков, плесени в фильтрующем материале по данному изобретению, в него могут быть добавлены бактерицидные и фунгицидные добавки, в этом случае добавки вводятся в суспензию перед нанесением ее на основу. Далее в примерах описан материал с добавкой нитрата серебра. Материал обладает бактерицидными свойствами.
Полученные фильтры испытывают на эффективность очистки воздуха от микробиологических загрязнений с помощью прибора для микробиологического мониторинга воздуха MD8 аirрогt производства Sагtоrius AG, Германия.
Значения эффективности микробиологической очистки воздуха, разрывной нагрузки, аэродинамического сопротивления полученных материалов и их основы (ФПA-15-2,0) приведены в таблицах 1 ,2,3.
Пример 1.
Готовят суспензию из 810 мл дистиллированной воды и 8,1 г порошка состава АI/АIN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 г/м2. На основу в виде нетканого материала, полученного из ацетата целлюлозы методом электроформования со средним диаметром волокон 1 ,7 мкм, поверхностной плотностью 32 г/м2 и плотностью упаковки волокон 3,0 %, полотно размером 1500x900 мм, имеющего с одной стороны подложку в виде марли (ФПA-15-2,0, ООО «Фильтpы Пeтpянoвa», Россия) равномерно распыляют приготовленную суспензию со стороны, не защищенной марлей. Два обработанных таким образом полотна (слоя нетканого полимерного волокнистого материала) складывают обработанными сторонами навстречу друг другу. Полученный двухслойный материал нагревают до 7O0C на воздухе при относительной влажности 100 % в течение 40 мин для гидролиза нанопорошка алюмонитридной композиции и образования частиц гидрата окиси алюминия. Затем полученный лист сушат до остаточной влажности 3 - 5 %.
Получают материал толщиной 0,28 мм, с обеих сторон защищенный марлевой подложкой, в котором концентрация частиц гидрата окиси алюминия максимальна в объеме материала и убывает по направлению к сторонам материала, защищенным марлей, при этом поверхностные слои материала толщиной 0,1 мм, не содержат частиц гидрата окиси алюминия.
Материал содержит 27 мac.% гидрата окиси алюминия со средним размером частиц 0,8 мкм, с удельной поверхностью 130 м2/г и пористостью 80 %. В таблице 1 приведены значения эффективности микробиологической очистки воздуха, разрывной длины, аэродинамического сопротивления полученного материала и его основы (ФПA-15-2,0).
Полученный материал используют для изготовления медицинских масок (респираторов).
Пример 2.
Изготавливают материал по примеру 1 , но после окончания гидролиза влажный материал прессуют для увеличения механической прочности и увеличения эффективности очистки воздуха. Материал используют для снаряжения аэрозольных фильтров.
Пример 3.
Готовят суспензию из 780 мл дистиллированной воды и 7,8 г нанопорошка Al, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 15 г/м2. В качестве основы используют фильтрующий волокнистый полимерный материал, полученный из ацетата целлюлозы методом электроформования, со средним диаметром волокон 1 ,5 мкм, поверхностной плотностью 34 г/м2, плотностью упаковки волокон 3,0 %, размером 1500x900 мм, имеющий с одной стороны подложку в виде слоя термоскрепленных ацетилцеллюлозных микроволокон (ФПA-15-2,0 АГ, AS Еsfil Теhпо, Эстония), при этом толщина подложки составляет 30 % от общей толщины материала. На основу равномерно распыляют приготовленную суспензию со стороны, не имеющей подложки. На обработанный таким образом один слой основы укладывают второй слой основы подложкой на обработанную сторону первого слоя и повторяют процедуру нанесения суспензии. Полученный двухслойный лист нагревают до 7O0C на воздухе при относительной влажности 100 % в течение 50 мин для гидролиза нанопорошка алюминия и образования частиц гидрата окиси алюминия. После завершения гидролиза влажный лист прессуют. Отпрессованный лист сушат до остаточной влажности 3 - 5 %.
Получают материал толщиной 0,30 мм, содержащий 27 мac.% гидрата окиси алюминия со средним размером частиц 0,8 мкм, с удельной поверхностью 130 м2/г и пористостью 80 %. При этом подложки из термоскрепленных волокон, расположенные с одной стороны и в середине объема материала толщиной 0,045 мм каждая, не содержат частиц гидрата окиси алюминия.
Материал используют для изготовления фильтров карманного типа.
Пример 4.
Готовят суспензию из 37 г нанопорошка состава АI/АIN с удельной поверхностью 17 м2/г, 3,0 л дистиллированной воды и 0,7 л этанола. В качестве основы используют иглопробивной нетканый материал из полиэфира (полиэтилентерефталат) толщиной 2,5 мм, поверхностной плотностью 300 г/м2 и объемной плотностью упаковки волокон 8,7 % (Фимас, ОАО «HИИHM», г. Серпухов, Россия), предназначенный для очистки масел и топлив. На одну из сторон основы равномерно распыляют суспензию. Затем обработанную основу нагревают до 8O0C при относительной влажности 100 % в течение 45 мин для гидролиза частиц АI/АIN и сушат при температуре 12O0C до остаточной влажности 5 %.
Получают материал, содержащий 17 % (масс.) частиц гидрата окиси алюминия, концентрация которых имеет градиент по толщине материала, при этом слой материала со стороны чистого (очищенного) воздуха толщиной 1 мм не содержит частиц гидрата окиси алюминия.
Пример 5. Готовят суспензию из в концентрации 810 мл дистиллированной воды, 8,1 г порошка состава АI/АIN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 г/м2 и 0,2 г нитрата серебра. Далее изготавливают материал, как описано в примере 1. Проверяют антимикробные свойства полученного материала следующим образом: на образец материала в виде диска диаметром 47 мм наносят по 3 мл суспензии бактерий E. соli в концентрации 105 КОЕ/мл. Затем делают смывы бактерий 5 мл 0,015% раствора TWIN 40 сразу после нанесения, через 1 час, через 6 часов, через 24 и 72 часа. По 1 мл из каждого смыва сеют на питательную среду и подсчитывают количество бактерий в смыве.
Согласно полученным данным, получают сорбционно-фильтрующий материал, аналогичный по эксплуатационным характеристикам материалу по примеру 1 (таблицы 1-2), обладающий бактерицидными свойствами (таблица 3).
Таблица 1.
Figure imgf000018_0001
Таблица 2.
Figure imgf000019_0002
Таблица 3
Figure imgf000019_0001
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предлагаемый фильтрующий материал обладает высокими сорбционными свойствами и в тоже время низким аэродинамическим сопротивлением, что позволяет использовать его для эффективной очистки и обеззараживания газовой, газовоздушной и воздушной среды в производственных системах очистки воздуха, автомобильных системах фильтрации, в медицине для создания стерильных помещений и жилых комнатных системах фильтрации воздуха.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Фильтрующий материал для газообразной среды, содержащий нетканый полимерный волокнистый материал в качестве основы отличающийся тем, что на волокнах основы одной из сторон на поверхности и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия, при этом, по меньшей мере, поверхность противоположной стороны свободна от частиц гидрата окиси алюминия.
2. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что он содержит два слоя основы, сложенные навстречу друг другу сторонами, на поверхности которых и частично в объёме на волокнах основы закреплены частицы гидрата окиси алюминия, с образованием слоя частиц гидрата окиси алюминия между упомянутыми слоями основы.
3. Фильтрующий материал по п. 1 , отличающийся тем, что он содержит один слой основы, имеющий сторону, предназначенную для соприкосновения с очищаемым газовым потоком, на поверхности которой и частично в объёме на волокнах основы закреплены частицы гидрата окиси алюминия.
4. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, два слоя основы уложенных друг на друга, таким образом, чтобы сторона, предназначенная для соприкосновения с очищаемым газовым потоком, содержала на поверхности и частично в объёме, закрепленные на волокнах основы частицы гидрата окиси алюминия.
5. Фильтрующий материал по п. 1 , отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал выбран из группы материалов, полученных методом позволяющим получать нетканые материалы с объемной плотностью упаковки волокон 0.02 - 10 % и диаметром волокон 0,1 - 10 мкм, предпочтительно 1 ,0 - 5,0 мкм, например, методом аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд- технологии, электроформования, спанбонд.
6. Фильтрующий материал по п.5, отличающийся тем, что в качестве нетканого полимерного волокнистого материала выбран материал, полученный методом электроформования, с плотностью укладки 0.02 - 10 %, и диаметром волокон 1 ,0 - 3,0 мкм.
7. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на волокнах основы, образуют слой толщиной 60-80 % от толщины основы.
8. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на волокнах основы, образуют слой, который имеет градиент концентрации по толщине основы.
9 Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на поверхности волокон основы, имеют размер 0,2 - 5,0 мкм, удельную поверхность 100-250 м2/г и пористость 50-95 % и представляют собой агломераты нановолокон.
10. Фильтрующий материал по п.9, отличающийся тем, что нановолокна имеют диаметр 5,0- 8,0 нм и длину 100-200 нм.
11. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что количество частиц гидрата окиси алюминия, закреплённых на волокнах основы составляет 15-45 мac.%.
12. Фильтрующий материал по п.1 , отличающийся тем, что он дополнительно содержит антимикробные вещества, например, серебро.
13. Фильтрующий материал по любому из пп.1-11 , отличающийся тем, что он содержит дополнительно газопроницаемый слой, расположенный с одной или обеих сторон фильтрующего материала, например, слой марли или слой сетки из термопластичного полимера.
14. Способ получения фильтрующего материала для газообразной среды, в котором выбирают основу из нетканого полимерного волокнистого материала, пригодного для фильтрования воздуха, отличающийся тем, что на одну из сторон выбранной основы наносят частицы материала на основе алюминия в виде их водной или водно-спиртовой суспензии и затем осуществляют гидролиз частиц материала на основе алюминия, путем нагревания основы с нанесенными на нее упомянутыми частицами для образования и закрепления на волокнах основы как на поверхности, так и частично в объеме частиц гидрата окиси алюминия.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что нагревание осуществляют двух слоев основы, сложенных навстречу друг другу сторонами, на которые нанесены частицы материала на основе алюминия.
16. Способ по п.14, отличающийся тем, что нагревание осуществляют, по меньшей мере, двух слоев основы уложенных друг на друга.
17. Способ по п.14, отличающийся тем, что используют нетканый полимерный волокнистый материал, выбранный из группы материалов, полученных методом, позволяющим получать нетканые материалы с объемной плотностью упаковки волокон 0.02 - 10 % и диаметром волокон 0,1 - 10 мкм, предпочтительно 1 ,0 - 5,0 мкм, например, методом аэродинамического холстоформования, мелтблаун-технологии, айрлэйд- технологии, электроформования, спанбонд.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве основы используют нетканый полимерный волокнистый материал с диаметром волокон 1 ,0-3,0 мкм, полученный методом электроформования.
19. Способ по п.14, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют материал с размером частиц менее 1 мкм.
20. Способ по п.14, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок, полученный методом электрического взрыва проволоки.
21. Способ по п.19, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок алюминия с удельной поверхностью 7 - 28 м2/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.
22. Способ по п.19, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением АI/АIN от 95 : 5 до 5 : 95, предпочтительно 60 % : 40 % и с удельной поверхностью не менее 8 м2/г, предпочтительно 19 - 27 м2/г. полученного методом электрического взрыва проволоки.
23. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно в водную или водно-спиртовую суспензию перед нанесением ее на основу, вводятся антимикробные вещества, например нитрат серебра.
24. Способ по п. 14, отличающийся тем, что нагревание осуществляют до температуры 10-100 0C, предпочтительно 50-70 0C, и при относительной влажности 100 %.
25. Способ по п. 15 или п.16, отличающийся тем, что после завершения гидролиза двухслойный влажный материал прессуют для увеличения механической прочности и дополнительного закрепления частиц гидрата окиси алюминия в объеме между слоями.
26. Способ по п. 14, отличающийся тем, что полученный фильтрующий материал сушат до остаточной влажности 3 - 5 % .
27. Способ по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно к одной или обеим сторонам полученного фильтрующего материала прикрепляют газопроницаемый слой, например, нетканую сетку из термопластичного полимера.
28. Способ фильтрования, включающий обеспечение контакта газообразной среды с фильтрующим материалом, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала используют фильтрующий материал по п.1-12, при этом контакт осуществляют с той стороной фильтрующего материала, на волокнах которой и частично в объеме закреплены частицы гидрата окиси алюминия.
29. Способ по 28, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в комнатных системах фильтрации воздуха.
30. Способ по 28, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в производственных помещениях.
31. Способ по 28, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в респираторах.
32. Способ по 28, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в автомобильных фильтрах.
33. Способ по 29, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в операционных.
34. Способ по 29, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют в жилых помещениях.
35. Фильтр для газообразной среды, содержащий фильтрующий материал, отличающийся тем, что в качестве упомянутого материала выбран материал по любому из пунктов 1 -13.
PCT/RU2008/000581 2007-09-04 2008-09-02 Фильтрующий материал для газообразной среды WO2009031944A2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133261 2007-09-04
RU2007133261/15A RU2349368C1 (ru) 2007-09-04 2007-09-04 Фильтрующий материал для очистки воздуха и способ его получения

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009031944A2 true WO2009031944A2 (ru) 2009-03-12
WO2009031944A3 WO2009031944A3 (ru) 2009-04-23

Family

ID=40429581

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000581 WO2009031944A2 (ru) 2007-09-04 2008-09-02 Фильтрующий материал для газообразной среды

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2349368C1 (ru)
WO (1) WO2009031944A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011071417A1 (ru) * 2009-12-07 2011-06-16 Учреждение Российской Академии Наук Институт Физики Прочности И Материаловедения Сибирского Отделения Ран (Ифпм Со Ран) Сорбционно-бактерицидный материал и способ его получения

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2607585C1 (ru) * 2015-11-16 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Многослойный фильтровально-сорбционный нетканый материал
RU201217U1 (ru) * 2020-06-25 2020-12-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный аграрный университет-МСХА имени К.А. Тимирязева" (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева) Фильтр для очистки газовой среды

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242276C1 (ru) * 2003-11-27 2004-12-20 Лисецкий Владимир Николаевич Сорбент и способ его получения
RU2005125140A (ru) * 2005-08-08 2007-02-20 Марат Израильевич Лернер (RU) Фильтрующий материал, способ его получения и способ фильтрования
RU2297269C1 (ru) * 2005-12-15 2007-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Аквазон" Способ получения фильтрующего материала

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242276C1 (ru) * 2003-11-27 2004-12-20 Лисецкий Владимир Николаевич Сорбент и способ его получения
RU2005125140A (ru) * 2005-08-08 2007-02-20 Марат Израильевич Лернер (RU) Фильтрующий материал, способ его получения и способ фильтрования
RU2297269C1 (ru) * 2005-12-15 2007-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Аквазон" Способ получения фильтрующего материала

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011071417A1 (ru) * 2009-12-07 2011-06-16 Учреждение Российской Академии Наук Институт Физики Прочности И Материаловедения Сибирского Отделения Ран (Ифпм Со Ран) Сорбционно-бактерицидный материал и способ его получения
DE212010000186U1 (de) 2009-12-07 2012-12-13 Institute Of Strength Physics And Materials Science Of Siberian Branch Russian Academy Of Sciences (Ispms Sbras) Bakterizides Sorptionsmaterial

Also Published As

Publication number Publication date
RU2349368C1 (ru) 2009-03-20
WO2009031944A3 (ru) 2009-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8523971B2 (en) Multilayer nanofiber filter
CN104043286B (zh) 纳米纤维过滤面罩和舱室过滤器
JP5277534B2 (ja) 繊維シートおよびその製造方法ならびにエアフィルター
KR101577840B1 (ko) 여과재 및 필터 유닛
RU2394627C1 (ru) Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные порошки
WO2008004703A1 (fr) Produits analogues à des feuilles et produits finis
JP2925625B2 (ja) 空気浄化フィルター
EP2001572A2 (en) Non-woven media incorporating ultrafine or nanosize powders
Mukhopadhyay Composite nonwovens in filters: Applications
WO2009031944A2 (ru) Фильтрующий материал для газообразной среды
RU2398628C2 (ru) Фильтрующая среда для очистки жидкости и газа, способ ее получения и способ фильтрования
JP6115413B2 (ja) フィルターエレメント
JP2008200648A (ja) 吸着剤、濾材およびエアフィルター
JP2007136029A (ja) 繊維シートおよびその製造方法ならびにエアフィルター
JP2002292227A (ja) フィルターユニット
JP2002331212A (ja) 除塵脱臭フィルター
JP2019166515A (ja) エアフィルター濾材及びエアフィルター
JP6824476B1 (ja) エアフィルター用濾材
JPH09239011A (ja) 機能性シート、気体処理用エレメントおよび気体処理装置
JP3767722B2 (ja) 吸着性シート及び空気浄化用フィルター
KR20210025382A (ko) 다층 여과 시스템 및 이를 포함하는 필터 유닛
JP2009028207A (ja) 脱臭シートおよびその製造方法、脱臭剤ならびにエアフィルター
KR102348819B1 (ko) 활성탄소섬유, 활성탄 및 섬유상 바인더를 통해 유해가스 흡착거동이 제어된 필터 및 이의 제조 방법
KR102683508B1 (ko) 습식 가변형 다층 여과 시스템 및 이를 포함하는 필터 유닛
JP2001137629A (ja) 光触媒空気清浄化フィルター

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08829706

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08829706

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2