- Категория:
Фильтрующие элементы из волокнообразующих полимеров нашли очень большое распространение в процессах микрофильтрации. Мало того им отведена особая роль в технологическом процессе, т.к. именно эти элементы чаще всего служат своеобразной защитой мембранных элементов (микрофильтрационных, ультрафильтрационных, обратноосмотических).
Существует три основных разновидности фильтрующих элементов из волокнообразующих полимеров: навитые (намоточные) фильтры, фильтры из термоскрепленных волокон полимеров, фильтры из химически (или термохимически) связанных волокон полимеров.
Навитые (намоточные) фильтрующие элементы являются элементами патронного типа, фильтрующей перегородкой в которых служит полый пористый цилиндр, состоящий из намотанной на жесткий каркас текстурированной жгутовой полипропиленовой или капроновой нити. Для предотвращения «смыва» и уноса загрязнений с сформированной таким образом фильтрующей перегородки на опорный перфорированный цилиндр перед намоткой нити, как правило, укладывают слой нетканного материала.
В зависимости от способа намотки нити (изменение угла намотки нити по отношению к оси формируемого цилиндра, варьирование силы натяжения нити и, следовательно, плотности намотки), можно получить фильтровальную перегородку с анизотропными (переменными в различных направлениях) свойствами, причем управляемыми, «программируемыми» в процессе изготовления фильтра.
Так, особой укладкой нити можно «заставить» поток жидкости вместе с загрязняющими ее частицами двигаться не насквозь фильтра по радиусу цилиндра, а по спирали, увеличивая тем самым время контакта жидкости с фильтрующей перегородкой. Образно говоря, «разнокалиберная грязь» на длинной спиральной «дороге» неизбежно затормозится и останется в фильтре навсегда.
Основным достоинством фильтрующих элементов данного типа является простота их изготовления. Однако эта «кажущаяся простота» таит в себе много недостатков. Во-первых, свойства фильтрующей перегородки определяются фильтрующими свойствами текстурированной нити, которые подчас определить очень сложно. Во-вторых, изменяя плотность укладки нити (ее натяжение при намотке), изменяется текстура – нить растягивается.
Это приводит к тому, что фильтрующие свойства намоточных элементов изменяются в очень широких пределах. Для примера, условный размер пор фильтрующих элементов, для которых производителем указан 5 мкм, на самом деле варьируется от 4 до 7 мкм. Эффективность удержания микрочастиц намоточных фильтров не велика (колеблется в пределах от 70 до 85%), свободный объем находится в пределах от 70 до 80 %.
И все же при всех недостатках намоточных фильтрах в большинстве случаев там, где не идет речь о точной тонкости фильтрования и высокой эффективности очистки, т.е. при предварительной фильтрации жидкостей, используют намоточные фильтры.
Вторыми по распространенности, когда речь идет о предфильтрации, являются фильтрующие элементы, у которых фильтрующая перегородка сформирована за счет укладки волокон полимеров и их скрепления между собой.
В настоящее время наибольшее распространение получили две технологии производства нетканных фильтрующих материалов и картриджей из них: «spunbond» – «cпанбонд» (от англ. spun – скрученный и bond – связь) и «melt blown» - «мелтблаун» (от англ. melt – плавиться, плавка и blown – выдувной).
В СССР, а затем и в России процесс производства материалов по методу спанбонд получил название фильерного холстоформирования (ГОСТ Р 53225, ГОСТ Р 50276, ГОСТ Р 50277, ГОСТ Р 52608). Фильерный способ производства нетканых материалов объединяет в одну линию процесс получения волокон, холстообразование, а так же получение готового полотна или, как в нашем случае фильтрующей перегородки, путем скрепления волокон.
 |
В качестве сырья при производстве нетканых материалов по технологии «спанбонд» используются волокнообразующие полимеры с широким молекулярно-массовым распределением, такие как: полипропилен (ПП), полиэтелентерефталат (ПЭТФ), полиамид (ПА) и другие. А для производства фильтров чаще всего используется полипропилен, поскольку он позволяет получать наиболее плотное распределение волокон в слое, обеспечивает высокую выработку волокон в перерасчете на килограмм сырья, обладает хорошей термической и химической стойкостью по отношению к фильтруемым средам.
Процесс волокнообразования при фильерном способе производства, аналогичен производству непрерывных волокон для изготовления штапельных волокон. Волокна формируются из расплава полимера, который поступает из экструдера, где происходит процесс плавления гранул. Расплав полимера фильтруют в фильерном комплекте через несколько слоев кварцевого песка и металлические сетки, после чего он продавливается через специальные отверстия (фильеры) и подхватывается холодным воздухом.
Перед укладкой на транспортер полученные таким образом нити проходят стадию вытяжки – аэродинамическим или механическим способом. Наиболее широкое распространение получил аэродинамический способ вытяжки, механизм которого состоит в вытяжении нитей под действием высокоскоростного воздуха, поступающего из эжектора. В процессе вытяжения нити охлаждаются, приобретая необходимую прочность. Выходящие из эжектора охлажденные нити (волокна толщиной от 15 до 20 мкм) укладываются на вращающийся каркас (равномерное и однородное распределение нитей в формируемом фильтрующем слое осуществляется с помощью специальных устройств, расположенных в эжекторе). Скорость вращения каркаса может меняться, благодаря чему достигается различная плотность укладки материала. Этим и добиваются различного условного размера пор будущей фильтрующей перегородки.
Для повышения грязеемкости будущего фильтра часто применяют послойную укладку волокон полимера. То есть при формировании отдельных слоев фильтрующей перегородки меняют плотность укладки волокон от большей к меньшей, тем самым увеличивая условный размер пор верхних слоев фильтра и, следовательно, увеличивая ресурс его работы в процессе фильтрования. Таких слоев может быть от трех до сорока.
Следующей стадией изготовления фильтра по технологии «спанбонд» является скрепление волокон между собой для предотвращения «рассыпания». Для скрепления сформированного полотна может использоваться один из следующих способов:
- иглопрокалывание,
- химическая пропитка нитей связующими веществами,
- термоскрепление на каландре,
- водоструйное скрепление,
- термоскрепление горячим воздухом.
Способ скрепления полученного нетканого материала определяет сферы его дальнейшего использования. При производстве фильтров наиболее распространенный способ скрепления нитей в фильтрующем слое – термоскрепление.
И наконец, готовый фильтрующий элемент «адаптируют», т.е. в зависимости от фильтродержателя, в который он будет установлен, к торцам фильтра приваривают крышку и адаптер или же только торцевые уплотнения.
Пористость фильтрующих элементов, изготовленных по технологии «спанбонд», составляет порядка 80%. Условный размер пор варьируется в диапазоне от 0,5 до 50 мкм.
Волокнистая структура фильтра (волокна с размерами около 20 мкм) и его материал (полипропилен) обеспечивают при движении жидкости через фильтрующий слой возникновение наведенного электрического потенциала, который в свою очередь способствует разрушению двойного электрического слоя коллоидных микрочастиц и закреплению их внутри фильтрующего слоя. Этот эффект обуславливает достаточно высокую степень очистки жидкостей от коллоидных микрочастиц в широком диапазоне размеров от 0,1 до 5 мкм.
Основным недостатком фильтрующих элементов, изготовленных по технологии «спанбонд» является все тот же присущий недостаток всех глубинных фильтров – «смыв» накопившихся загрязнений из фильтрующего слоя. Поэтому очень часто последний тонкий внутренний слой фильтрующего элемента делают «запирающим», т.е. уменьшают рейтинг его фильтрации (как правило, на шаг), что предотвращает выброс в фильтрат загрязнений при скачках перепада давления на элементе. Фильтры такого класса имеют эффективность удержания микрочастиц близкую к абсолютной – 99% (для номинального размера пор). При этом эффективность удержания микрочастиц фильтрующего элемента с условным размером пор 5 мкм изменяется от 70% для 0,1 мкм до 99% для 5 мкм.
Другой не менее востребованной технологией производства фильтров из волокнистых материалов является технология «melt blown» - «мелтблаун».
Технология подразумевает формирование волокон путем раздува расплавленного полимера горячим воздухом и их осаждение непосредственно на приемную поверхность вращающегося каркаса (как и по технологии «спанбонд»).
Материал, произведенный по технологии «мелтблаун», так же, как и по технологии «спанбонд», получают фильерным способом. Но, в отличие от технологии «спанбонд», волокна взбиваются и укладываются непосредственно на приемный каркас, без вытягивания и охлаждения. Это главное отличие от технологии «спанбонд» – волокна, при таком способе получения нетканых материалов, после их осаждения на приемно-транспортировочную поверхность не нуждаются в дополнительном скреплении. Они скреплены в холсте естественным образом за счет липкости горячего полимера. В результате образуется своеобразная полипропиленовая вата, которая уплотняется в дальнейшем каландрованием, а распределение пор остается «оригинальным». Технология «мелтблаун» позволяет получать нетканые материалы с более тонкими волокнами (1 – 5 мкм), а материал отличается повышенной равномерностью распределения волокон, как по объему, так и по поверхности полотна. Он обладает повышенными гидрофильными и барьерными характеристиками по отношению к проникновению микроорганизмов, что позволяет его использовать в качестве фильтрующего слоя в хирургических масках, респираторах и других фильтрах. Фильтрующие перегородки, образованные «липкими» волокнами полимера меньше «пылят», т.е. выделяют в фильтрат посторонние частички. Это обстоятельство делает такие фильтры очень популярными для применения в фармацевтической промышленности.
Кроме того, материалы, произведенные по технологии «мелтблаун», обладают хорошими капиллярными свойствами, они впитывают в 200 раз больше собственного веса. Это и плюс, и минус этого материала. Плюс потому, что его можно использовать в технологических процессах для очистки стоков, в частности при очистке сточных вод от нефтепродуктов. А минус потому, что при фильтрации ценных и опасных жидкостей в нем будет накапливаться большое их количество.
Формирование фильтрующей перегородки из волокон горячего полимера вносит помимо преимуществ технологии «мелтблаун» ряд недостатков. Во-первых, из-за маленького диаметра волокон прочностные характеристики фильтрующей перегородки ниже по сравнению с фильтрами, произведенными по технологии «спанбонд». Во-вторых, из-за «липкости» волокон расплавленного полимера трудно сформировать структуру фильтра с условным размером пор ниже 1 мкм. Полимер просто «плывет» и поры заклеиваются. Поэтому у фильтров, изготовленных по технологии «мелтблаун», типоряд условных размеров пор начинается с 1 мкм. Впрочем, для решения задачи предварительной фильтрации этого достаточно.
Пористость фильтрующих элементов, изготовленных по технологии «мелтблаун», составляет порядка 80%. Условный размер пор варьируется в диапазоне от 1 до 25 мкм.
Технология подразумевает формирование волокон путем раздува расплавленного полимера горячим воздухом и их осаждение непосредственно на приемную поверхность вращающегося каркаса (как и по технологии «спанбонд»).
Материал, произведенный по технологии «мелтблаун», так же, как и по технологии «спанбонд», получают фильерным способом. Но, в отличие от технологии «спанбонд», волокна взбиваются и укладываются непосредственно на приемный каркас, без вытягивания и охлаждения. Это главное отличие от технологии «спанбонд» – волокна, при таком способе получения нетканых материалов, после их осаждения на приемно-транспортировочную поверхность не нуждаются в дополнительном скреплении. Они скреплены в холсте естественным образом за счет липкости горячего полимера. В результате образуется своеобразная полипропиленовая вата, которая уплотняется в дальнейшем каландрованием, а распределение пор остается «оригинальным». Технология «мелтблаун» позволяет получать нетканые материалы с более тонкими волокнами (1 – 5 мкм), а материал отличается повышенной равномерностью распределения волокон, как по объему, так и по поверхности полотна. Он обладает повышенными гидрофильными и барьерными характеристиками по отношению к проникновению микроорганизмов, что позволяет его использовать в качестве фильтрующего слоя в хирургических масках, респираторах и других фильтрах. Фильтрующие перегородки, образованные «липкими» волокнами полимера меньше «пылят», т.е. выделяют в фильтрат посторонние частички. Это обстоятельство делает такие фильтры очень популярными для применения в фармацевтической промышленности.
Кроме того, материалы, произведенные по технологии «мелтблаун», обладают хорошими капиллярными свойствами, они впитывают в 200 раз больше собственного веса. Это и плюс, и минус этого материала. Плюс потому, что его можно использовать в технологических процессах для очистки стоков, в частности при очистке сточных вод от нефтепродуктов. А минус потому, что при фильтрации ценных и опасных жидкостей в нем будет накапливаться большое их количество.
Формирование фильтрующей перегородки из волокон горячего полимера вносит помимо преимуществ технологии «мелтблаун» ряд недостатков. Во-первых, из-за маленького диаметра волокон прочностные характеристики фильтрующей перегородки ниже по сравнению с фильтрами, произведенными по технологии «спанбонд». Во-вторых, из-за «липкости» волокон расплавленного полимера трудно сформировать структуру фильтра с условным размером пор ниже 1 мкм. Полимер просто «плывет» и поры заклеиваются. Поэтому у фильтров, изготовленных по технологии «мелтблаун», типоряд условных размеров пор начинается с 1 мкм. Впрочем, для решения задачи предварительной фильтрации этого достаточно.
Пористость фильтрующих элементов, изготовленных по технологии «мелтблаун», составляет порядка 80%. Условный размер пор варьируется в диапазоне от 1 до 25 мкм.