Фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ, способ его получения, изделия из него и устройства с этим фильтрующим материалом

Фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ, способ его получения, изделия из него и устройства с этим фильтрующим материалом

Реферат

 

Использование: очистка сточных вод, выхлопных и природных газов, питьевой воды. Сущность изобретения: фильтрующее устройство содержит кожух 11, днище 16, крышку 13 с отверстием 14, фильтрующий элемент 10 или 17 с фильтрующим материалом 2 в виде последовательно расположенных слоев. Крышка 13 выполнена съемной. Между стенками фильтрующего элемента 10 и кожухом 11 имеется зазор. Крышка 13 герметично сообщена с кожухом 11 и корпусом фильтрующего элемента 10. Фильтрующий материал 2 выполнен из углеродного активированного пористого волокна диаметром 4-10 мкм, удельной поверхностью 590-2250 м²/г, объемом сорбционных пор 0,63-1,83 см³/г, поверхность которого покрыта пленкой диоксида кремния. Фильтрующее устройство может быть дополнительно снабжено фильтром предварительной очистки из натуральных, синтетических волокон или нетканых материалов. Он может быть размещен в насадке вне кожуха 11 фильтрующего устройства или внутри кожуха 11. По одному варианту изобретения фильтрующий элемент 10 может быть выполнен с перфорированными торцевыми стенками 5, 6, слои фильтрующего материала 2 расположены параллельно торцевым стенкам 5, 6. Крышка 13 и днище 16 выполнены в виде усеченного конуса, последнее снабжено отверстием 15 для отвода очищенной жидкости. По другому варианту изобретения фильтрующий элемент 17 может быть дополнительно снабжен внутренней перфорированной трубкой 7, снабженной снизу заглушкой 20. Верхний конец трубки 7 герметично соединен с отверстием 14 в крышке 13. Трубка 7 помещена соосно боковым стенкам кожуха 11 и фильтрующего элемента 10. Боковые стенки фильтрующего элемента 10 выполнены перфорированными, слои фильтрующего материала 2 смотаны в рулон вокруг внутренней трубки 7. Фильтр предварительной очистки 19 выполнен в виде стакана и расположен соосно между боковыми стенками кожуха 11 и фильтрующего элемента 10. 4 с. и 21 з.п.ф-лы, 3 табл., 4 ил.

Изобретение относится к очистке жидких и газообразных веществ от различных примесей с помощью сорбентов, в частности, к фильтрующим материалам для очистки жидких и газообразных веществ, способам их получения, а также к фильтрующим элементам, выполненным на основе этих материалов и фильтрующим устройствам с этими фильтрующими элементами.

Оно может быть использовано, в основном, в питьевом водоснабжении, в бытовых фильтрах для очистки воды, а также для глубокой очистки сточных и природных вод и газов любой степени загрязнения, кроме того, патентуемое изобретение может быть использовано для очистки биологически активных жидкостей.

Очистка промышленных и бытовых вод, улавливание вредных газов из воздушной среды становятся все более актуальными и непосредственно связаны с проблемой выживания человечества.

Для очистки воды и воздуха широко используются углеродные сорбенты различной структуры. Очистка воды может осуществляться техническими активными углями на основе древесного и каменного углей - газовыми, рекуперационными, осветляющими. Эти угли могут быть использованы в виде пыли, порошка, гранул и т. п. Для очистки воздуха используются обычно газовые и рекуперационные угли.

Адсорбционная способность углеродных сорбентов, полученных из различных углеродсодержащих материалов, весьма разнообразна, что позволяет получать сорбенты с различными свойствами. Свойства адсорбента определяются характером его структуры, от которой зависят и характеристики адсорбционных равновесий и массоперенос адсорбируемых молекул от внешней поверхности к внутренней.

Важнейшей характеристикой, определяющей адсорбционно-десорбционные свойства адсорбента, является распределение пор по их эквивалентным радиусам. Известно, что при использовании активных углей для очистки воды целесообразно применять микропористые (ширина пор менее 0,7 - 0,8 нм) и супермикропористые (ширина пор 1,3 - 2,0 нм).

Активные угли эффективны в отношении удаления из воды органических веществ, в том числе фенолов, поверхностно-активных веществ, хлора и других.

Однако промышленные технические угли, указанные выше, имеют относительно низкий объем мезо-, микро- и супермикропор, которые являются ответственными за сорбцию загрязнителей. Средняя величина поверхности таких пор в этих углях составляет 300 - 600 м²/г, кроме того, они характеризуются медленной кинетикой сорбции, поэтому не пригодны для глубокой очистки газовой и воздушной среды от загрязнителей. Более эффективными при очистке воздуха оказываются угли, модифицированные специальными агентами, например, соединениями меди, пиридином, щелочно-металлической (переходного металла) солью и другими. Эти и другие угли обладают селективностью к определенным веществам и имеют узконаправленное использование.

В последнее время все более широкое применение для очистки жидкостей и газов находят активированные углеродные волокна и материалы, выполненные на их основе.

Известен, например, фильтрующий материал, содержащий активированные углеродные волокна, который применяется в качестве адсорбента зловонных и других газов (заявка Японии 51-55514, 1976 г.).

Этот материал выполнен в виде листового композиционного материала, состоящего из активного углеродного волокна, у которого величина равновесной адсорбции бензола составляет не менее 300 мг/г, при постоянной скорости бензола - не менее 0,2 мин^-1, а удельная площадь поверхности - не более 50 м²/г.

Такой материал получают следующим образом.

Берут жидкую бумажную массу, состоящую из активного углеродного волокна (величина адсорбции бензола примерно 450 мг/г), полученного из целлюлозного волокна, углеродное волокно на основе пека (удельная площадь поверхности 0,1 м²/г) и поливиниловый спирт в качестве связующего материала для бумаги. Получают бумажный лист, который высушивают при 130^oC, затем пропитывают 4%-ным раствором фенольной смолы в этаноле, сушат при температуре около 100^oC и подвергают термообработке при температуре около 800^oC печи с неактивной газовой средой.

Однако такой материал имеет величину адсорбции бензола менее 450 мг/г, так как содержит углеродные волокна с указанной выше величиной адсорбции менее 100 мас.%, а это значит, что материал не имеет достаточно развитой пористой структуры и имеет низкие сорбционные характеристики по газам.

Кроме того, выполнение материала в виде бумаги (или нетканого материала) предопределяет низкую его прочность: примерно 0,2 кгс/50 мм, что не позволяет сформировать из него фильтр, рассчитанный на повышенные рабочие параметры.

Способ получения материала отличается сложностью, является многостадийным, требует использования сложного специализированного оборудования, трудно осуществим технологически и очень дорогостоящ.

Известен, например, другой активный углеродный волокнистый материал для очистки воды (Европейская заявка N 149187, 20.12.1984), полученный на основе активированных углеродных волокон с удельной площадью поверхности пор 800 - 2000 м²/ г, отношением объема пор к удельной площади поверхности пор от 510^-4 до 14,510^-4, константной скорости адсорбции метиленового голубого по меньшей мере 510^-1 с^-1.

Этот материал выполнен в виде нетканого материала, например войлока или фетра, который дополнительно может содержать различные модифицирующие присадки, в основном, в виде металлов и их производных: алюминия (Al), титана (Ti), фосфора (P) и др.

Этот фильтрующий углеволокнистый материал может содержать 2,5 - 15 мас.% золы.

Такой фильтрующий материал получают, например, следующим образом.

Исходное волокно в виде сополимера акрилонитрила, содержащего по крайней мере 60 мас. % акрила или материал на основе этого волокна, например, нетканый листовой материал, в том числе, иглопробивной войлок, пропитывают водным раствором сульфата алюминия, затем подвергают окислительной обработке на воздухе при 240 - 270^oC под нагрузкой. Далее, обработанное волокно пропитывают водным раствором диаммонийфосфата и активируют в среде активирующего газа при температуре 1050^oC.

Однако и такое волокно, и материал на его основе не является остаточно эффективным при сорбции веществ различной молекулярной массы, в том числе ионов тяжелых металлов, например, свинца (Pb). Приведенные выше характеристики по сорбции бензола свидетельствуют о наличии в волокне небольшого объема сорбционных пор, что подтверждено экспериментально.

Так, адсорбция метиленового голубого на этих волокнах составляет всего 250 мг/г, а сорбционная емкость по их парам бензола составляет 51 мас.%, что явно недостаточно при очистке воды с повышенными концентрациями вредных веществ, особенно в случае аварийных выбросов их в систему водоснабжения. В этом случае фильтрующий материал должен обладать значительным запасом сорбционного объема пор, и, кроме того, должен быть эффективен в отношении сорбции широкого спектра веществ, включая фенолы, хлорные фосфорсодержащие пестициды, поверхностно-активные и другие вещества, а также тяжелые металлы.

Активированные углеродные волокна и материалы на их основе (согласно указанной выше заявке Японии) не отвечают таким требованиям ввиду явного отсутствия достаточного объема сорбционных пор.

Ввиду особенностей текстуры фильтрующего материала (войлок, фетр) он характеризуется пониженной воздухопроницаемостью, и, следовательно, создает повышенное сопротивление потоку фильтруемой воды. В связи с этим в указанном патенте предлагается несколько вариантов компоновки материала, в том числе, с направлением потока очищаемой воды вдоль поверхности материала. В частности, когда фильтрование очищаемой воды выполняется вдоль поверхности фильтрующего материала, условия фильтрования ухудшаются из-за указанного выше недостатка материала. Поэтому получить фильтр высокой производительности с использованием такого материала вообще не представляется возможным.

Волокно и материал на его основе ввиду сложности исходного состава и множественного воздействия на него различных технологических факторов характеризуются неравномерностью и нестабильностью свойств. Эта неравномерность заложена уже на этапе получения сополимера волокна: компоненты его имеют различную структуру, отличаются величиной усадки, различным образом притягиваются и активируются, то есть они уже различны на микроуровне. А это, в свою очередь, приводит к различию в кинетике сорбции волокном очищаемых веществ, что отрицательно влияет на процесс очистки воды в целом.

Способ получения активированных углеродных волокон и материала, включающего эти волокна, сам по себе также сложен. Особенно неустойчив процесс активирования предокисленных волокон, содержащих катализатор - фосфор, что отрицательно сказывается, в первую очередь, на качестве получаемого фильтрующего материала.

Известны различные конструкции фильтрующих элементов и выполненных на их основе фильтрующих устройств.

Например, известен фильтрующий элемент (Международная заявка PCT N 86/04050, публикация 860727 "Бюллетень изобретений стран мира" N 16), выполненный в виде плоского листа ткани на основе активированного угля, натянутого и зафиксированного на рамке. В фильтрующем устройстве используется набор фильтрующих элементов, расположенных друг над другом на определенном расстоянии. Вода, проходя последовательно через каждый из слоев, подвергается очистке путем извлечения из нее за счет сорбции вредных веществ.

Однако такая конструкция фильтрующего элемента определяет сложность и громоздкость фильтрующего устройства, так как эффективная глубокая очистка воды требует ее прохождения через большое количество слоев ткани и, следовательно, требуется герметично соединить со стенками фильтрующего устройства каждую из рамок, обрамляющих углеродную ткань. Большое количество соединений также определяет низкую надежность фильтрующего устройства в целом и неудобство замены исчерпавших ресурс фильтрующих пластинок.

Известна другая конструкция фильтрующего элемента (Европейская заявка N 149187, опубликована 24.07.1985 г.), представляющего собой свернутый в рулон вокруг перфорированного цилиндрического стержня листовой материал из активированного углеволокна. Концевые участки образующего рулон материала склеивают синтетической смолой для жесткой их фиксации.

Фильтрующее устройство состоит из описанного выше фильтрующего элемента, помещенного в корпус и закрытого крышкой. Вода через входной патрубок попадает во внутреннюю полость крышки и далее через отверстия в задней ее стенке, к которой герметически прикреплен одной из торцевых поверхностей фильтрующий элемент, попадает в зазор между внешней поверхностью фильтрующего элемента и внутренней поверхностью корпуса. Проходя последовательно через слои активированной углеродной ткани в направлении к внутреннему перфорированному цилиндрическому стержню, вода подвергается очистке за счет сорбции на поверхности ткани вредных примесей.

Очищенная вода через отверстия в перфорированном цилиндрическом стержне попадает во внутреннюю полость фильтрующего элемента, герметично соединенную с выходным патрубком устройства, через который она попадает к потребителю.

Однако такая конструкция фильтрующего элемента имеет большое гидравлическое сопротивление потоку воды, увеличивающееся по мере работы фильтрующего устройства. Это происходит, во-первых, за счет естественного разбухания углеродных нитей в водной среде, во-вторых, за счет заполнения пористой поверхности нитей сорбируемыми примесями. Вследствие этого становится невозможным применение активированного углеродного материала с высоким удельным показателем плотности материала, а, следовательно, и с высоким показателем удельной пористости и сорбционной емкости, использование которых определяет высокую эффективность и глубину очистки жидкости, а также срок службы фильтрующего элемента.

Кроме того, недостатком вышеописанного фильтрующего элемента и устройства, выполненного на его основе, является зависимость качества очищенной воды и ресурса работы элемента от показателей исходной воды, от цветности, взвеси, мутности и т.д. Взвешенные частицы - микроорганизмы, неорганические взвеси, коагулированные вещества, в той или иной степени всегда присутствуют в исходной питьевой воде. Чем выше их содержание, тем меньше эффективность фильтрующего элемента по его основному назначению - сорбции растворенных органических соединений.

Известные конструкции предварительной очистки воды в основном требуют либо установки дополнительных фильтров предварительной очистки (в том числе, например, мембранных), что очень усложняет конструкцию и увеличивает стоимость фильтрующего устройства, либо предусматривают изоляцию фильтрующего элемента от остальной конструкции чехлом из полотна или различных сеток, хлопчатобумажного трикотажа, полиэфирной ткани и др.

Однако все эти средства малоэффективны, так как не способны удерживать достаточный объем мелких взвешенных частиц, то есть они имеют низкую "грязестойкость". К тому же многие из них при длительном нахождении в воде могут гнить (например, хлопок), либо деструктурируют (например, полимеры).

Задачей настоящего изобретения является создание такого фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ, способа его получения и фильтрующего устройства, которые позволили бы за счет изменения пористой структуры сорбционного углеволокнистого материала и конструктивных особенностей фильтрующего элемента значительно повысить сорбционные свойства и фильтра по широкому спектру загрязняющих веществ, в том числе при высокой их концентрации в очищаемой жидкой или газообразной среде.

Эта задача решается тем, что в фильтрующем материале для очистки жидких и газообразных веществ, выполненном из активированных углеродных волокон, согласно изобретению волокно представляет собой непрерывное углеродное пористое моноволокно диаметром 4 - 10 мкм, имеющее на поверхности покрытие в виде оболочки с пористой структурой из диоксида кремния (SiO₂), причем удельная площадь поверхности моноволокна составляет около 590 - 2550 м²/г, а объем сорбционных пор составляет около 0,63 см³/г - 1,82 см³/г.

Это позволяет значительно развить пористую структуру сорбционного углеводородного материала, повысив таким образом его сорбционные свойства.

Целесообразно, чтобы количество диоксида кремния составляло 0,8 - 9,8 мас.% от массы моноволокна.

Наличие диоксида кремния в вышеприведенном количестве позволяет создать в приповерхностном слое волокна за счет гидрофобности и пористости покрытия из диоксида кремния дренирующую подложку, создающую благоприятные условия для доступа очищаемой жидкости к поверхности волокна и ускорения кинетики сорбции вредных примесей из растворов.

Кроме того, наличие диоксида кремния приводит к каталитическому эффекту сорбции тяжелых металлов.

В фильтрующем материале объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,13 - 0,67 см³/г или мезопор 0,15 - 1,5 см³/г.

Моноволокна, содержащие такие количества микро- и мезопор, обладают повышенными сорбционными характеристиками по широкому спектру загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов, что позволяет проводить глубокую очистку от загрязнителей высокой концентрации, в случае их аварийных выбросов.

Для очистки воды объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,19 - 0,67 см³/г или мезопор 0,23 - 1,15 см³/г, а для очистки воздуха объем сорбционных пор моноволокна может составлять: микропор 0,13 - 0,55 см³/г или мезопор 0,15 - 0,73 см³/г.

Благодаря такому объему сорбционных пор моноволокна захватывается большой диапазон сорбируемых из жидких и газообразных сред веществ, включая вещества с низкой, средней и высокой молекулярными массами, причем объем сорбируемых веществ на единицу массы сорбента не имеет аналогов среди существующих типов активированных углей, включая и углеволокнистые.

Указанные моноволокна можно формировать в комплексную нить с минимальной плотностью по меньшей мере 120 текс и числом моноволокон по меньшей мере 1050 штук, либо из таких же нитей можно выполнить плетеный шнур.

Выполнение сорбента в виде углеродной нити или шнура дает новые возможности формирования конструкции фильтрующего слоя, так как, например, в намоточном варианте такой слой (или слои) может в точности повторить любую конфигурацию каркаса. Это особенно важно, когда речь идет о создании фильтрующего устройства в аппаратах и агрегатах, где нет возможности использовать стандартные (серийные) фильтры, например, в радиоаппаратуре, в космических приборах либо в тонких химических технологиях.

Указанные моноволокна можно сформировать в ткань, поверхностная плотность которой находится в пределах 80 - 240 г/м².

Это дает возможность за счет наличия в материале наряду с сорбционными порами волокна создать разветвленную сеть межволоконных и межжгутовых пор, объем которых составляет дополнительно по меньшей мере 1,2 см³/г, осуществлять сорбцию из очищаемых сред также бактерий и других микроорганизмов.

В то же время это позволяет существенно улучшить гидродинамические характеристики и воздухопроницаемость фильтров, значительно повысить качество и увеличить ресурс их работы.

Кроме того, ткань с такой поверхностной плотностью позволяет выполнить техническую компоновку фильтра с использованием разнообразнейших вариантов укладки материала.

Для очистки воды поверхностную плотность ткани можно выбирать в пределах 80 - 210 г/м², а для очистки воздуха поверхностную плотность ткани можно выбирать в пределах 115 - 240 г/м².

Благодаря выбору ткани с указанной поверхностной плотностью создаются наилучшие условия для осуществления процесса фильтрации (очистки) воды и воздуха: высокая степень очистки при высокой производительность фильтра как воды, так и воздуха.

Фильтрующий материал может содержать серебро (Ag) в количестве 0,05 - 0,96% от массы волокна.

Это позволяет создать гарантированно бактерицидный сорбционный материал, позволяющий не только сорбировать и удерживать, как это наблюдается на патентуемом углеродном волокне без серебра, но и уничтожать вредные микробы, бактерии и вирусы при любой встречающейся в реальных условиях их концентрации в зараженной жидкой или газовой среде.

Эта задача решается также тем, что в способе получения фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ, заключающемся в том, что подлежащее обработке волокно предварительно пропитывают катализирующим агентом, сушат, а затем активируют в газообразной окислительной среде, согласно изобретению в качестве подлежащего обработке волокна используют гидратцеллюлозное волокно, а в качестве катализирующего агента используют кремнийорганический полимер, затем сушат на воздухе при 105 - 140^oC, далее катализируют в защитной газовой среде при 550 - 985^oC, после чего активируют в окисленной газовой среде при 855 - 960^oC.

В качестве кремнийорганического полимера можно использовать раствор полиорганосилоксана или полиорганофенилсилоксана в органических растворителях.

Это позволяет на стадии пропитки и последующей карбонизации исходного гидратцеллюлозного материала создать такое покрытие на волокне и обеспечить такие его каталитические свойства, которые за счет ряда сложных реакций в процессе пиролиза гидратцеллюлозы обеспечивают протекание процесса коксования в условиях, позволяющих получить максимальный выход углерода и при этом достичь повышенной прочности углеродного волокна.

Для пропитки гидратцеллюлозного волокна кремнийорганические полимеры можно дополнительно растворить в органическом растворителе до получения раствора, содержащего 0,8 - 4,2 мас.% этого соединения.

Такое процентное содержание кремнийорганического полимера в растворе обеспечивает, с одной стороны, получение раствора с необходимой вязкостью, что позволяет получить покрытие заданной толщины на каждом моноволокне, с другой стороны создает наилучшие условия протекания процесса пиролиза гидратцеллюлозного волокна.

Пропитку гидратцеллюлозного волокна можно осуществлять при комнатной температуре в течение 2,5 - 15,0 мин.

Такая продолжительность сушки позволяет получить покрытие на исходном гидратцеллюлозном моноволокне, которое обеспечивает в процессе последующей его переработки содержание диоксида кремния в покрытии на активированном волокне в необходимом количестве.

Целесообразно сушку осуществлять при 105 - 140^oC.

Такая температура сушки дает возможность наряду с удалением из материала растворителя осуществить предварительную сшивку кремнийорганического соединения, получить покрытие, обладающее хорошим сочетанием прочности, его связи с моноволокном при достаточной эластичности.

Карбонизацию гидратцеллюлозного волокна возможно осуществлять в среде защитного газа в отсутствии кислорода, а в качестве защитного газа целесообразно использовать газ следующего состава ( об.%): водород (H₂) - 73-74 моноокись углерода (CO) - 20-21 двуокись углерода (CO₂) - 2,7-3,2 метан (CH₄) - 1,2-1,5 влага (H₂O) - остальное Использование защитного газа такого состава при карбонизации гидратцеллюлозного волокна позволяет провести процесс пиролиза исходного материала в равновесных условиях, без избыточного окисления его на всех стадиях получения, а, следовательно, без самовозгорания и разупрочнения, как это обычно имеет место в присутствии кислорода или избытке других окислителей.

Гидратцеллюлозное волокно возможно активировать в среде водяного пара, а активирование производить в течение 3 - 55 мин.

Активирование в среде водяного пара в течение указанного времени обеспечивает стабильность процесса окисления углеродного волокна и получение требуемой пористости структуры.

Водяной пар создает мягкий режим активирования, при котором наблюдается равномерное формирование пор, а качество получаемого материала высокое. Отсутствуют участки непроактивированного материала, отсутствуют прогары, обрывы волокна и т.д.

На фиг. 1 изображен фильтрующий элемент для очистки жидких и газообразных веществ (в разрезе) с горизонтально расположенными один над другим слоями фильтрующего материала согласно изобретению; на фиг. 2 - фильтрующий элемент (в разрезе), в котором слои фильтрующего материала смотаны в рулон вокруг полого стержня согласно изобретению; на фиг. 3 - фильтрующее устройство для очистки жидких и газообразных веществ с горизонтально расположенными один над другим слоями фильтрующего материала согласно изобретению; на фиг. 4 - вариант конструктивного выполнения фильтрующего устройства для очистки жидких и газообразных веществ согласно изобретению.

На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - слои фильтрующего материала, 3 - торцы слоя 2 фильтрующего материала, 4 - боковая стенка корпуса 1 (фиг. 1), 5 - торцевая стенка корпуса 1 (фиг. 2), 6 - торцевая стенка корпуса 1 (фиг. 2), 7 - трубка, 8 - перфорация, 9 - слои разделительного материала, 10 - фильтрующий элемент в устройстве (фиг. 3), 11 - кожух фильтрующего устройства, 12 - резиновая прокладка, 13 - крышка, 14 - отверстие в крышке 13, 15 - отверстие в нижней стенке кожуха 11, 16 - днище кожуха 11, 17 - фильтрующий элемент в устройстве (фиг. 4), 18 - резиновое кольцо, 19 - фильтр предварительной очистки, 20 - заглушка, 21 - выходной штуцер, 22 - входное отверстие.

Лучший способ осуществления изобретения.

Патентуемый фильтрующий материал для очистки жидких и газообразных веществ выполнен на основе активированных углеродных волокон. Каждое моноволокно представляет собой непрерывное углеродное пористое волокно с диаметром в пределах 4 - 10 мкм. Волокно с диаметром менее 4 мкм имеет низкую прочность, что не позволяет получить на его основе материал с требуемыми свойствами. Волокно с диаметром более 10 мкм использовать нецелесообразно ввиду значительного снижения скорости сорбции на нем вредных веществ.

Волокно может содержать (помимо углерода C) внедренные в его структуру примеси в виде оксидов магния (MgO), железа (Fe₂O₃), никеля (Ni₂O₃), алюминия (Al₂O₃), кальция (CaO), меди (CuO), цинка (ZnO), суммарное количество которых составляет не более 0,3 мас.%, и около 0,9 мас.% водорода (H₂), эти примеси вносят в волокно с исходным природным материалом в процессе технологической переработки, однако они являются дополнительными катализаторами процесса сорбции на волокне различных веществ.

Структура углерода (C) характеризуется межслоевым расстоянием 0,375 - 0,378 нм, (нанометров), что свидетельствует о значительной неупорядочности его кристаллической решетки, а, следовательно, о высокой реакционной способности углерода (C) как в процессе сорбции, так и катализа на волокнах.

На поверхности волокна имеется пористое покрытие из диоксида кремния (SiO₂), причем его пористость составляет 30 - 80% от объема покрытия. Такая пористость покрытия обусловлена тем, что при содержании пор менее 30% от объема покрытия, снижается его газо- и водопроницаемость, а при содержании пор выше 80% от объема покрытия оно состоит из разрозненных, слабо связанных между собой и с волокнами блоков.

Благодаря наличию пористого покрытия диоксида кремния (SiO₂) меняется кинетика сорбции волокном вредных веществ. Покрытие выполняет функции дренирующей подложки, которая рассекает микропоток очищаемой жидкости или газа и направляет его к сорбционным порам волокна, ускоряя и облегчая тем самым процесс сорбции на нем загрязняющих веществ. Наличие покрытия из диоксида кремния (SiO₂) на волокне увеличивает его сорбционные характеристики, особенно по веществам с большой молекулярной массой и микроорганизмам. Такое увеличение может составлять 15 - 30 мас.% по сравнению с волокном без покрытия диоксида кремния (SiO₂). При наличии покрытия из диоксида кремния (SiO₂) отмечается также увеличение сорбционной емкости волокна по тяжелым металлам, особенно по свинцу (Pb).

Углеродное волокно характеризуется величиной удельной площади его поверхности 590 - 2550 м²/г.

Волокно с удельной площадью поверхности менее 590 м²/г имеет сорбционную емкость, недостаточную для эффективного улавливания вредных веществ как из воды, так и из воздуха.

Волокно же с величиной удельной поверхности более 2550 м²/г практически не имеет механической прочности, необходимой при использовании его в фильтрующем устройстве.

Суммарный объем сорбционных пор волокна, определенный по сорбции паров бензола, составляет 0,63 - 1,82 см³/г. При суммарном объеме сорбционных пор менее 0,63 см³/г углеродное волокно может сорбировать практически все вещества - загрязнители, однако сорбционная емкость волокна по этим веществам небольшая. При аварийном выбросе вредных веществ волокно может оказаться недостаточно эффективным в фильтрующих устройствах. Волокно с суммарным объемом сорбционных пор более 1,82 см³/г имеет низкую механическую прочность и может разрушаться при воздействии потока воды или воздуха.

Количество диоксида кремния (SiO₂) на волокне составляет 0,8 - 9,8 мас.% от массы волокна. При содержании диоксида кремния (SiO₂) менее 0,8 мас.% толщина покрытия уменьшается настолько, что оно не выполняет функцию дренирующей прослойки. При количестве же диоксида кремния (SiO₂) более 9,8 мас.% покрытие становится рыхлым и непрочным, оно легко разделяется на отдельные фрагменты.

Объем сорбционных пор в волокне состоит из объема, образованного микро- и мезопорами, причем объем микропор может составлять 0,13 - 0,65 см³/г, а мезопор 0,15 - 1,15 см³/г. Волокно с объемом микропор менее 0,13 и мезопор менее 0,15 см³/г имеет низкие сорбционные характеристики по большинству веществ. Волокно с объемом микропор более 0,65 см³/г и мезопор более 1,15 см³/г получить практически невозможно.

Для очистки воды объем сорбционных пор моноволокна следует выбирать в диапазоне: микропор 0,19 - 0,65 см³/г или мезопор 0,23 - 1,15 см³/г.

Волокна с содержанием микропор менее 0,19 см³/г и мезопор менее 0,23 см³/г имеют низкие сорбционные характеристики по веществам-загрязнителям воды, а волокна с содержанием микропор более 0,65 см³/г и мезопор более 1,15 см³/г не могут эффективно использоваться из-за низких прочностных характеристик.

Для очистки воздуха объем сорбционных пор волокна следует выбирать в диапазоне: микропор 0,13 - 0,55 см³/г или мезопор 0,15 - 0,73 см³/г.

При очистке воздуха материалом, содержащим волокна с объемом микропор менее 0,13 см³/г и мезопор менее 0,15 см³/г, его эффективность по многим веществам, особенно с низкой молекулярной массой, недостаточна. Использование же волокон, содержащих более 0,55 см³/г микропор и более 0,73 см³/г мезопор, для очистки воздуха нецелесообразно, так как волокна даже с указанными выше удельными объемами пор дают прекрасный результат по очистке всех исследованных загрязняющих веществ.

Фильтрующий материал для очистки воды или воздуха может быть сформирован в виде комплексной нити с линейной плотностью более 120 текс и числом моноволокон более 1050 штук. Нить с линейной плотностью менее 120 текс и числом моноволокон менее 1050 является слишком тонкой и имеет низкую прочность, что не позволяет использовать ее в конструкции фильтрующего устройства.

Фильтрующий материал может быть выполнен также из плетеного шнура, причем количество комплексных нитей, используемых при его изготовлении, должно быть по меньшей мере не менее трех.

Фильтрующий материал может быть изготовлен и в виде трикотажа, а также ткани с поверхностной плотностью 80 - 240 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 80 г/м² имеет низкую прочность, а при поверхностной плотности более 240 г/м² имеет пониженную воздухопроницаемость. Ткань для очистки воды может иметь поверхностную плотность 80 - 210 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 80 г/м² из-за низкой прочности трудно использовать в фильтрующем устройстве. Ткань же с поверхностной плотностью более 210 г/м² создает в фильтрующем устройстве очистки воды высокое сопротивление потоку воды, то есть вызывает резкое увеличение гидравлического сопротивления.

Для очистки воздуха используют ткань на основе активированных углеродных волокон с поверхностной плотностью 120 - 240 г/м². Ткань с поверхностной плотностью менее 120 г/м² в фильтрах очистки воздуха применять нецелесообразно из-за травмирования ее и разрушения фрагментов потоком воздуха, особенно при больших расходах. Ткань же с поверхностной плотностью более 240 г/>м² характеризуется пониженной воздухопроницаемостью и, следовательно, повышенным сопротивлением воздушному потоку и гидравлическим сопротивлением.

Фильтрующий материал в виде ткани из активированных углеродных волокон может также содержать серебро (Ag) в количестве примерно 0,05 - 0,96% от массы волокна.

Содержание серебра (Ag) в фильтрующем материале в количестве менее 0,05% не оказывает выраженного бактерицидного эффекта, а увеличение содержания серебра выше 0,96% существенно увеличивает стоимость материала и самого фильтра.

Патентуемый способ получения описанного выше фильтрующего материала для очистки жидких и газообразных веществ заключается в следующем.

Гидратцеллюлозное волокно, используемое в патентуемом способе в качестве подлежащего обработке материала, сначала пропитывают катализирующим агентом.

В качестве гидратцеллюлозных волокон могут быть использованы волокна, полученные из любого материала, например, древесины, бамбука, хлопка, а также вискозного шелка и других.

Катализирующим агентом могут служить кремнийорганические соединения, в частности полиметилсилоксаны в виде их раствора в органическом растворителе, например ацетоне, толуоле, четыреххлористом углероде и других.

Перед пропиткой гидратцеллюлозное волокно или материал на его основе следует очистить от возможных загрязнений (замасливания, авиважа), для чего можно использовать органические растворители, в частности ацетон, толуол, четыреххлористый углерод и другие. Очистку проводить при комнатной температуре преимущественно путем окунания. Пропитку целесообразно проводить путем окунания исходного гидратцеллюлозного волокна в ванну с раствором кремнийорганического соединения в растворителе лучше непрерывным способом.

Для получения на углеродном волокне или материале на его основе покрытия из диоксида кремния (SiO₂) с требуемыми параметрами исходный гидратцеллюлозный материал пропитывают раствором кремнийорганического полимера в органическом растворителе при концентрации этого соединения 0,8 - 4,2 мас.%.

Если концентрация кремнийорганического полимера меньше 0,8 мас.%, то кремнийорганическое покрытие на гидратцеллюлозном волокне не выполняет своей функции катализатора процесса гидролиза целлюлозы, соответственно свойства патентуемого материала оказываются заниженными. При концентрации кремнийорганического полимера в растворе свыше 4,2 мас.% на пропитываемом гидратцеллюлозном волокне образуется слишком толстая пленка этого соединения, которая при этом имеет низкую прочность сцепления с волокном. Поэтому качество активированного углеродного волокна и материала на его основе оказывается низким.

Пропитку проводят в течение 2,5 - 15 мин. Продолжительность пропитки в течение менее 2,5 мин не позволяет получить пленку кремнийорганического соединения на волокне необходимой толщины, а пропитка более 15 мин, наоборот, приводит к получению толстой и рыхлой пленки, слабо соединенной с волокном.

После пропитки гидратцеллюлозное волокно подлежит сушке при 105 - 140^oC в воздушной среде, например, путем обдува нагретым воздухом. Сушка волокна при температуре ниже 105^oC удлиняет процесс сушки и при этом снижается прочность пленки кремнийорганического соединения на волокне. При температуре сушки свыше 140^oC получается слишком жесткое и хрупкое покрытие кремнийорганического соединения на волокне, к тому же возможно самовозг