Способ изготовления химического адсорбента диоксида углерода

Способ изготовления химического адсорбента диоксида углерода

Реферат

Изобретение относится к способам получения адсорбента диоксида углерода на основе гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, предназначенного для использования в средствах защиты органов дыхания.

Известен способ изготовления поглотителя диоксида углерода на основе гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов для дыхательных систем (патент США №5964221, НКИ 128/205.12, 1999 г.), по которому порошок адсорбента диоксида углерода, в частности Sodasorb, выпускаемого фирмой W.R.Grace and Co. и состоящего из смеси гидроксида кальция, гидроксида натрия и гидроксида калия, смешивают с порошком полимера, в частности полиэтилена с высоким молекулярным весом. Смешение осуществляют в экструдере, при этом в смесь инжектируют смазочный материал (минеральное масло). Смешение осуществляют при нагревании, при этом полимер растворяется в смазочном материале, что обеспечивает однородное смешение полимера с адсорбентом. Полученную смесь экструдируют в композитный лист или иную форму. При необходимости лист каландруют, пропуская его между двумя валками. После охлаждения листа удаляют смазочный материал обработкой листа растворителем, в частности гексаном, после чего удаляют растворитель продувкой сухим азотом. Дополнительно проводится операция термоусадки полимера.

Полученные листы поглотителя диоксида углерода сворачивают в рулон и в виде картриджа устанавливают в патроне дыхательной системы, при этом листы могут быть размещены между проницаемыми мембранами. Либо возможно отлить под давлением этот материал с любым заданным контуром, например, в виде ребер на листе. Все варианты конструкции листа адсорбирующего вещества имеют гидрофобную поверхность. Содержание необходимого количества влаги обеспечивается нанесением водно-спиртовой смеси.

Однако этот способ изготовления адсорбента СO₂ является также технологически сложным. Ко всем недостаткам по вышеуказанному способу следует отнести дополнительные операции термоусадки адсорбента и продувки сухим азотом, что существенно повышает затраты на изготовление адсорбента и снижает качество адсорбента.

Известен способ изготовления поглотителя диоксида углерода на основе гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов для дыхательных систем (патент США №5165399, НКИ 128/205.12, 1992 г.), по которому адсорбент диоксида углерода на основе гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов соединяют с волокнистым материалом путем смешения порошкообразного адсорбента с волокнистым материалом, например, в высокоскоростном смесителе и смесь формуют в виде листа. Для формования смесь диспергируют в жидкость, в качестве которой используется любая жидкость, которая не растворяет адсорбент и волокнистый материал, и полученную дисперсию отливают в форме листа обычным способом изготовления бумаги. Лист подвергают сушке.

Для повышения прочности адсорбента лист размещают между двумя слоями мембраны или проницаемой ткани и соединяют полученные слои в форме «сэндвича», например, ультразвуком или способом прошивного или иглопробивного скрепления многослойного материала, применяющихся в технологии получения нетканых материалов.

Полученные листы компонуют соответствующим образом для использования в дыхательной системе.

Альтернативно смесь волокнистого материала и гидроксида металла может гранулироваться. Гранулы могут включаться в структуру листа сухим способом. Например, гранулированный адсорбент распределяют между двумя листами проницаемой мембраны и осуществляют их соединение иглопробивным способом.

Мембрана или ткань могут компоноваться с адсорбентом до или после образования листа (пластины). В этом случае диспергированную в соответствующем растворителе смесь компонентов выливают на слой проницаемой ткани типа, например Nomex, используя технику бумажного производства. Лист высушивают и накладывают сверху второй лист из проницаемой ткани. Двухслойная структура механически обрабатывается, например, на иглопробивных станках.

Однако этот способ не позволяет получить адсорбент с достаточной реакционной способностью к диоксиду углерода, поскольку, во-первых, происходит капсулирование полимером частиц активного компонента адсорбента, что снижает его реакционную способность к диоксиду углерода. Во-вторых, обработка адсорбента на иглопробивных станках нарушает и уплотняет его структуру, снижает порозность слоя, а следовательно, газопроницаемость адсорбента, что в результате снижает реакционную способность к диоксиду углерода.

В-третьих, использование в процессе изготовления адсорбента гидрофобных материалов приводит к снижению содержания воды в составе адсорбента и, соответственно, к снижению реакционной способности.

Кроме того, этот способ является сложным и периодическим, при этом лимитирующими стадиями технологического процесса является диспергирование смеси в жидкость и отделение твердой фазы. При этом применение в известном способе органических компонентов создает угрозу выделения токсичных примесей в газовоздушную смесь в процессе эксплуатации дыхательного аппарата пользователем.

Известен способ изготовления адсорбента диоксида углерода на основе гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов для дыхательных систем (патент США №7326280, МПК В01Д 53/02, 2008 г.), по которому осуществляют экструдирование смеси порошков гидроксида металла, в частности безводного гидроксида лития, и полиэтилена с добавлением смазочного материала (минерального масла) с образованием листа. Для экструдирования материала в плоский лист может использоваться нагретая матрица. Экструдированный материал может быть поджат между двумя валками каландра, один из которых гладкий, а второй снабжен канавками, за счет которых на листе материала формируются выступы. Лист приобретает ребристую форму, что обеспечивает создание необходимых каналов для потока газа при эксплуатации поглотителя.

Ребристый лист можно охладить до температуры ниже точки плавления полиэтилена и затем смотать в рулон. Один из примеров экструдированного состава включает (в % мас.): гидроксид лития 65,3; смазка 33; полиэтилен 1,7.

Далее осуществляют процесс экстракции с целью удаления смазки в рулоне. Для этого рулоны насыщаются гексаном, затем нагреваются и высушиваются в вакууме до полного удаления гексана. После охлаждения рулоны хранятся при температуре окружающей среды в атмосфере свободной от диоксида углерода.

Для эффективного удаления диоксида углерода осуществляют гидратацию адсорбента перед использованием. Гидратация ребристых листов осуществляется путем равномерного нанесения жидкой воды на поверхность листа.

Однако применение органического полимерного материала снижает газопроницаемость адсорбента и доступ диоксида углерода к активному компоненту - гидроксиду металла. В итоге снижается реакционная способность адсорбента к диоксиду углерода.

Кроме того, этот способ изготовления адсорбента СO₂ является технологически сложным и включает много стадий: смешение исходных компонентов порошков безводного гидроксида лития и полиэтилена с добавлением смазочного материала, экструзию полученной смеси, удаление органического компонента экстракцией полученного адсорбента гексаном с последующим его испарением путем термической обработки в вакууме и гидратацию безводного адсорбента.

Способ изготовления адсорбента лимитируется использованием низкопроизводительной вакуумной обработки, а операция увлажнения адсорбента не обеспечивает равномерного распределения влаги по всему объему листового адсорбента, что отрицательно влияет на сорбционную активность адсорбента к диоксиду углерода.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик адсорбента.

Техническим результатом изобретения является повышение реакционной способности адсорбента к диоксиду углерода.

Дополнительный технический результат заключается в упрощении технологии изготовления адсорбента диоксида углерода.

Технический результат достигается изобретением, согласно которому в способе изготовления адсорбента диоксида углерода для дыхательных систем, включающем размещение адсорбционных частиц гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов в пористом волокнистом материале, формование адсорбента в виде листа и сушку, размещение адсорбционных частиц осуществляют путем нанесения водной дисперсии гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов в виде пасты или суспензии, не содержащей связующего, на слой тканого или нетканого волокнистого щелочестойкого материала с последующим нанесением поверх дисперсии второго слоя волокнистого щелочестойкого материала, формование осуществляют путем прокатывания полученной структуры между валками, а сушку проводят при 100-140°С до содержания остаточной влаги 15-22%.

Использование гидроксидов в виде водной дисперсии, размещаемой между слоями волокнистого материала, обеспечивает при последующем формовании листа полное и равномерное заполнение пор волокнистого материала активным компонентом адсорбента (гидроксидом металла), что дает возможность создания равномерной толщины слоя адсорбента в форме листа, а отсутствие полимерного связующего позволяет обеспечить высокую газопроницаемость листа адсорбента, что в итоге приводит к увеличению кинетики поглощения диоксида углерода за счет увеличения поверхности контакта адсорбента с диоксидом углерода и исключения уноса влаги из адсорбента.

Волокнистый материал несет функцию армирующего компонента и обеспечивает структуру адсорбента с определенной механической прочностью.

Также отсутствие полимерного связующего в составе адсорбента полностью исключает возможность внесения в очищаемый воздух каких-либо вредных примесей. При этом исключается многостадийность процесса и обеспечивается его непрерывность.

Способ получения адсорбента осуществляется следующим образом.

Исходные компоненты гидроксид щелочного и/или щелочноземельного металла смешивают с водой до образования водной дисперсии, которая может иметь консистенцию пасты или суспензии. Водную дисперсию наносят на слой пористого волокнистого материала (тканого или нетканого), в качестве которого могут быть использованы любые материалы, например стеклобумага, стекломат, термостойкие материалы типа Nomex, Kevlar (фирмы Du Pont, США), Русар, Арселон (Россия) или любые другие щелочестойкие материалы с низкой удельной плотностью.

В качестве гидроксидов металлов могут быть использованы гидроксиды щелочных и/или щелочноземельных металлов, такие как гидроксид калия, гидроксид натрия, гидроксид лития, гидроксид кальция, гидроксид магния и другие, обладающие химической активностью к диоксиду углерода.

На полученный на предыдущей стадии слой волокнистого материала с водной дисперсией, в свою очередь, накладывают второй слой пористого волокнистого материала и осуществляют формование полученной структуры (композиции) в виде листа обычным способом, например прокаткой валками.

Полученный лист адсорбента подвергают сушке обычным способом, например сушке в лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом. При этом параметры сушки устанавливают в зависимости от заданного содержания остаточной влаги в адсорбенте.

Далее листы адсорбента, в зависимости от назначения, сворачивают в рулон и помещают в картридж, получая тем самым переснаряжаемый патрон для очистки выдыхаемого воздуха от диоксида углерода для аппарата индивидуального пользования или адсорбент применяют в виде изготовленных листов, размещая в соответствующее приспособление (устройство, конструкцию) в системах очистки воздуха замкнутых объемов.

Пример 1

Готовят водную дисперсию, для чего 7,5 г гидроксида калия КОН растворяют в 90 мл воды H₂O, после чего в полученный раствор вносят 150 г твердого гидроксида кальция Са(ОН)₂. Смесь тщательно перемешивают. Полученная водная дисперсия имеет консистенцию пасты. На двойной слой стеклобумаги размером 14×35 см (БМД-Ф, плотность 11,2 г/см², ТУ 6-11-529-80 или БМД-К, ТУ 6-48-93-92) наносят полученную водную дисперсию в виде пасты толщиной 1,5-2 мм и сверху настилают еще один слой стеклобумаги марки БМД-Ф или БМД-К. Полученную структуру (композицию) прокатывают валками.

Сформованный лист адсорбента сушат в обычном лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-140°С в течение 20-30 мин. Полученный адсорбент содержит 15-17% остаточной влаги.

Пример 2

Готовят водную дисперсию, для чего 12 г гидроксида натрия NaOH растворяют в 100 мл воды Н₂О, после чего в полученный раствор вносят 120 г твердого гидроксида кальция Ca(ОН)₂ и 30 г гидроксида магния Mg(OH)₂. Смесь тщательно перемешивают. Полученная водная дисперсия имеет консистенцию пасты. На слой ткани Nomex размером 14×45 см наносят полученную водную дисперсию в виде пасты толщиной 1,5-2 мм и сверху настилают слой стеклобумаги марки БМД-К или БМД-Ф. Полученную структуру (композицию) прокатывают валками.

Сформованный лист адсорбента сушат в обычном лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-140°С в течение 20-30 мин. Полученный адсорбент содержит 15-17% остаточной влаги.

Пример 3

Готовят водную дисперсию, для чего 7,5 г гидроксида калия КОН растворяют в 90 мл воды Н₂О, после чего в полученный раствор вносят 100 г твердого гидроксида кальция Ca(ОН)₂ и 50 г твердого гидроксида магния Mg(OH)₂. Смесь тщательно перемешивают. Полученная водная дисперсия имеет консистенцию пасты. На двойной слой стеклобумаги размером 12×30 см (БМД-Ф, плотность 11,2 г/см², ТУ 6-11-529-80 или БМД-К, ТУ 6-48-93-92) толщиной 1,5-2 мм наносят полученную водную дисперсию в виде пасты и сверху настилают тонкий слой стекломата марки МСТВ-2 ТУ 21-6328981-03-92 производства ОАО «Ивотстекло». Полученную структуру (композицию) прокатывают валками.

Сформованный лист адсорбента сушат в обычном лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-140°С в течение 20-30 мин. Полученный адсорбент содержит примерно 15-17% остаточной влаги.

Пример 4

Готовят водную дисперсию, для чего 7,5 г гидроксида калия NaOH растворяют в 100 мл воды H₂O, после чего в полученный раствор вносят 75 г твердого гидроксида кальция Ca(ОН)₂ и 10 г твердого гидроксида лития LiOH. Смесь тщательно перемешивают. Полученная водная дисперсия имеет консистенцию суспензии. На слой ткани Русар размером 14×35 см наносят полученную водную дисперсию в виде суспензии толщиной 1,5-2 мм и сверху настилают один слой стеклобумаги марки БМД-Ф или БМД-К. Полученную структуру (композицию) прокатывают валками.

Сформованный лист адсорбента сушат в обычном лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-140°С в течение 15-25 мин. Полученный адсорбент содержит 16-18% остаточной влаги.

Пример 5

Готовят водную дисперсию, для чего 9 г гидроксида калия КОН растворяют в 100 мл воды Н₂О, после чего в полученный раствор вносят 70 г твердого гидроксида кальция Са(ОН)₂ и 10 г твердого гидроксида лития LiOH. Смесь тщательно перемешивают. Полученная водная дисперсия имеет консистенцию суспензии. На слой ткани Арселон размером 16×30 см наносят полученную водную дисперсию в виде суспензии толщиной 1,5-2 мм и сверху настилают тонкий слой стекломата марки МСТВ-2 ТУ 21-6328981-03-92 производства ОАО «Ивотстекло». Полученную структуру (композицию) прокатывают валками.

Сформованный лист адсорбента сушат в обычном лабораторном или промышленном электрошкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-140°С в течение 15-20 мин. Полученный адсорбент содержит 20-22% остаточной влаги.

Оценка реакционной способности адсорбента к диоксиду углерода проведена на динамической установке путем определения динамической активности, характеризующей способность адсорбента поглощать диоксид углерода из проходящего через него потока газовоздушной смеси и выражающейся в единицах - л/кг (количество литров поглощенного диоксида углерода на 1 кг адсорбента).

Испытания адсорбента проведены при следующих условиях:

- диаметр динамической трубки - 39±0,5 мм;

- площадь поперечного сечения динамической трубки - 11,6÷12,25 см²;

- высота динамической трубки - 22 см;

- высота слоя адсорбента в трубке - 14 см;

- объемная скорость воздуха, подаваемого в трубку, - 6,72÷7,05 л/мин;

- объемная скорость диоксида углерода (соответствующая концентрации его в газовоздушной смеси 4% по объему) - 0,28÷0,29 л/мин;

- объемная скорость газовоздушной смеси - 7,0÷7,35 л/мин;

- удельная скорость газовоздушной смеси - 0,6 л/см² мин;

- температура газовоздушной смеси - 23±0,5°С;

- относительная влажность газовоздушной смеси при температуре 23±0,5°С - 93-98%.

- масса адсорбента в динамической трубке - 110-140 г.

Испытания адсорбента проводили до достижения концентрации в газовоздушной смеси за слоем адсорбента, равной 3,0% диоксида углерода.

В аналогичных условиях проведены сравнительные испытания адсорбента, изготовленного по патенту США №7326280.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Таблица
Номер примера	Количество поглощенного диоксида углерода, л/кг
1	115,3
2	125,1
3	118,5
4	119,2
5	122,3
6	130,7
Для сравнения, адсорбент по патенту США №7326280	90,4

Как видно из представленных данных, заявляемое изобретение позволяет повысить реакционную способность адсорбента на 20-40%, что расширяет возможность его применения в системах очистки воздуха от диоксида углерода, при этом способ изготовления адсорбента технологически прост.

Способ изготовления адсорбента диоксида углерода для дыхательных систем, включающий размещение адсорбционных частиц гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов в пористом волокнистом материале, формование адсорбента в виде листа и сушку, отличающийся тем, что размещение адсорбционных частиц осуществляют путем нанесения водной дисперсии гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов в виде пасты или суспензии, не содержащей связующего, на слой тканого или нетканого волокнистого щелочестойкого материала с последующим нанесением поверх дисперсии второго слоя волокнистого щелочестойкого материала, формование осуществляют путем прокатывания полученной структуры между валками, а сушку проводят при 100-140°С до содержания остаточной влаги 15-22%.