Исследования в области методов изготовления и свойств полимерных фильтров

Г. В. Ширяева
«ФГУП НИФХИ»

Этот процесс можно определить как разделение системы твердые частицы — жидкость или газ пропусканием ее через перегородку из пористого, волокнистого или гранулированного материала. По размерам частиц, выделяемым из жидкости или газа, процессы фильтрации можно разделить на следующие: фильтрация — размер частиц 10 — 1000 мкм; микрофильтрация — размер частиц 0,1-100 мкм; ультрафильтрация — размер частиц 0,001 — 1 мкм; диализ, обратный осмос — размер частиц 0,0001 — 0,01 мкм.

Наиболее широкое применение в промышленности находят методы микрофильтрации. Кроме очистки воды от механических примесей, микрофильтрация используется в авиационной, автотракторной промышленности для очистки топлива, авиационных и дизельных масел, жидкостей для гидравлических систем; в электронной, лакокрасочной промышленности и т. д. Размеры загрязняющих частиц в топливе обычно не превышают 30 —50 мкм, а основная масса частиц имеет размеры около 5 мкм и менее. Основной размер частиц, загрязняющих масла, составляет 0,5-2 мкм. Следует отметить, что наибольший вред приносят частицы размером 5 мкм.

В последние годы микрофильтрацию все шире используют в пищевой промышленности, в частности, при производстве виноградных вин, плодовоягодных соков, ликеро-наливочных изделий и пива. Путем резкого уменьшения содержания в напитках дрожжевых клеток, бактерий, белковых и дубильных веществ удается повысить их прозрачность, продолжительность хранения и снизить расходы на хранение в специальных условиях. Микрофильтрацию используют также в медицине и биологии, при очистке воздуха и газов от мельчайших частиц.

Микрофильтры изготавливают из стекла, керамики, металлических сеток, бумаги, полимеров, которые в последние годы получили наибольшее распространение. Для получения микрофильтров используют полимеры различной химической природы: триацетат целлюлозы, поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен (ПП), политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиамид, полиэтилен (ПЭ). Исходная полимерная система может находиться в жидком или твердом агрегатном состоянии в виде раствора, расплава, водной или органической дисперсии, порошка, макромонолитной пленки и т. д. Выбор способа производства определяется природой полимера, влияющей на способность его к переработке, требованиями к качеству микрофильтров и технико-экономическими показателями процесса.

Основные требования к полимерным микрофильтрам следующие:

1) высокая удельная проницаемость по фильтрату при малом аэро (гидро) динамическом сопротивлении;
2) способность обеспечить требуемую эффективность разделения (тонкость и полноту фильтрования);
3) большой ресурс работы при сохранении заданного уровня свойств;
4) химическая стойкость к очищаемой системе;
5) механическая прочность, достаточная для надежной эксплуатации, в том числе при изменении температуры в заданном рабочем интервале температур;
6) технологичность применения, простота замены, возможность герметизации;
7) доступность при массовом использовании, недефицитные сырье и материалы, невысокая стоимость и т. п.;
8) воспроизводимость свойств в заданном диапазоне при серийном выпуске продукции.

Экономичность применения микрофильтров в различных процессах разделения зависит от возможности регенерации фильтра после исчерпания ресурса работы, а при однократном использовании — от целесообразности утилизации. Среди широкого ассортимента микрофильтров минимальную стоимость имеют материалы, полученные на основе целлюлозосодержащего сырья и обеспечивающие очистку от частиц размером 5-10 мкм. Наибольшую стоимость имеют фильтры субмикронной очистки (<1,0 мкм), изготовляемые путем переработки растворов или порошков полимеров.

Существует несколько способов получения микрофильтров: из растворов полимеров, из порошков полимеров и порошковых композиций, из волокон и волокнистых дисперсий полимеров, из макромонолитных пленок.

Микрофильтры из растворов полимеров получают одним из трех способов: сухим, мокрым или сухо-мокрым. При сухом способе растворитель удаляют путем испарения. Мокрый способ предполагает использование так называемого осадителя, который, не взаимодействуя с молекулами полимера, хорошо смешивается с растворителем, что приводит к осаждению полимера. Сухо-мокрый способ является комбинацией двух способов, т. е. на первой стадии растворитель частично удаляют испарением, а затем воздействуют на систему осадителем.

Пористые структуры могут быть получены из растворов полимеров различными путями. Один из них — это введение в раствор специальных добавок — порофоров, которые при изменении условий (термическое или химическое воздействие на систему) разлагаются с образованием газообразных продуктов, вызывающих вспенивание раствора, и проблема сводится к фиксации пены с последующим удалением из системы растворителя. Другим путем получения пористых структур является введение в раствор наполнителей (в твердом или жидком агрегатном состоянии) с последующим переводом системы в твердое состояние и удалением (растворением, вымыванием) наполнителя.

Для получения пористых проницаемых структур пригодны полимеры, обычно применяемые при производстве химических волокон или полимерных пленок —полиамиды, полиэфиры, ПВХ, ПП, ПТФЭ, ПЭ и др.

Получение пористых проницаемых пленок из порошковых полимеров ведут в тонком слое, нередко при атмосферном давлении и значительном контакте с твердой поверхностью подложки. Для аморфных полимеров температура спекания выше температуры стеклования, для кристаллических — выше температуры плавления.

Исследование процесса спекания порошков показало, что по мере нагрева частиц полимеров и перехода их в вязко-текучее состояние создаются условия для перемещения макромолекул и миграции вещества в приконтактную область. Происходит рост контактных мостиков между частицами, в результате чего увеличивается площадь контакта. Эффективность этого процесса зависит от величины капиллярного давления и подвижности макромолекулярных цепей, характеризуемой текучестью полимера. Увеличение поверхности соприкосновения между соседними частицами происходит до тех пор, пока промежутки между ними не «заплывают» настолько, что остающиеся поры оказываются разобщенными.

Способом спекания порошкообразных полимеров (ПВХ, ПТФЭ, ПЭНД и др. ) можно формовать пористые изделия в виде листов толщиной ~1 мм, плит толщиной до 30 мм, труб, цилиндрических изделий и др. Технологический процесс получения пористых формованных изделий в общем виде состоит из следующих стадий:

• холодное дробление полимерного материала;
  
• рассев получаемого порошка;
  
• заполнение формы порошком с требуемой гранулометрией;
  
• спекание порошка при высокой температуре;
  
• выемка охлажденного готового изделия из формы.

Стадия измельчения при низких температурах не является обязательной, необходимость ее применение определяется структурой используемого полимера. Для получения изделия с заданной пористостью при рассеве порошка отбирают фракцию с требуемой гранулометрией.

При заполнении формы полимерным порошком с целью повышения плотности его упаковки применяют вибрацию, что позволяет повысить физико-механические характеристики готового изделия и регулировать пористость получаемого микрофильтра.

Схемы производства микрофильтров на основе волокон и волокнисто-пленочных материалов весьма разнообразны и зависят от вида используемого сырья и состава композиции. Это могут быть целлюлозные материалы, материалы из химических волокон или волокнисто-пленочных полимерных связующих, в которых используются анизометричные частицы только одного типа. Композиционные материалы могут представлять собой смеси волокнистых (волокнисто-пленочных) частиц различной природы и смеси волокнистых частиц или слоистые структуры. В работе «Волокнисто-пленочные полимерные связующие и изделия на их основе» (О. И. Начинкин, Э. Б. Дьяконова, И. Г. Рубан., Л., Химия, 1982г.) описан способ получения фильтровального материала для ультратонкой очистки жидкостей и газов из смеси волокнисто-пленочных связующих и сорбционно-активных углеродных волокон. Композиция включает 50-70% связующих с длиной частиц 0,1 — 1,0 мм и 30-50% углеродных волокон (длина волокон 2-4 мм). Получаемый материал имеет пористость 75-85% и средний размер пор 3-4 мкм.

Разработана электроаэродинамическая технология производства фильтрующих волокнистых материалов типа фильтров Петрянова (ФП) различных марок из волокон полимеров полистирола, сополимеров полистирола, сополимеров винилхлорида, применяемых для производства респираторов и фильтров тонкой очистки воздуха. Метод позволяет получать волокна из различных полимеров в широком диапазоне их диаметров (от 1 до 10 мкм) и получать все марки фильтрующих материалов, обладающих высокой производительностью.

Регулирование эффективности разделения и проницаемости по фильтрату при получении микрофильтров из волокнистых частиц возможно различными путями: изменением диаметра используемых волокон и плотности их укладки относительно друг друга; изменением толщины материала, включая способ конструирования многослойных структур; обработкой первоначально полученного рыхлого материала термическим, механическим или химическим методом.

Получение волокнистого холста (полотна) возможно, несколькими способами, среди которых наибольшее распространение имеет так называемый «бумагоделательный» способ, в котором в качестве исходной системы для переработки используют суспензии коротких волокон или иных анизометричных полимерных частиц. Размер частиц по длине составляет 0,1 — 10мм, но чаще всего не превышает 1 —2 мм, а диаметр (толщина, ширина) равен нескольким микронам или долям микрона. От характеристик частиц, состава суспензии и ее свойств зависит пористость материала, а следовательно, проницаемость по фильтрату и эффективность разделения в процессе фильтрования. Широкое распространение имеет способ получения пористых мембранных материалов на основе макромонолитных пленок. Сквозные поры в пленках могут быть получены разными путями, но наибольшее распространение получил способ радиационной обработки. Суть его состоит в радиационном облучении пленки с последующим удалением продуктов деструкции «следовым» химическим травлением. Для получения фильтрующих мембран используют пленки толщиной 5-10 мкм из полиэфиров, например, поликарбоната, полипропилена или полиэтилентерефталата.

Ядерные микрофильтры (или нуклепор) получают облучением пленки пучком ионов с последующим травлением. Поток ионов, проходя сквозь пленку, воздействует на макромолекулы, разрывая химические связи в цепи, вследствие чего образуется зона радиационного повреждения.

Под действием окислителей и травления в этих зонах образуются легкорастворимые соли. После удаления солей в пленке возникают сквозные отверстия. На характеристики полученных микрофильтров существенное влияние оказывают тип заряженных частиц, энергия ионов и интенсивность пучка, вид и продолжительность последующего облучения, окисления и травления.

Ядерные фильтры обладают малым разбросом размеров пор (до ±2%), могут быть получены практически из любого пленочного материала. Интервал размеров пор ядерных фильтров — от сотых долей микрона (мембраны) до сотен микрон (фильтры, сита).

Радиационная прививочная полимеризация температурочувствительных полимеров типа поли-N-изопропилакриламида к полимерным трековым мембранам на основе ПЭТФ и ПП позволила получить мембраны с регулируемой проницаемостью. Принцип действия модифицированной поли-NIPAAm мембраны заключается в том, что полимерные молекулы, иммобилизованные на поверхности мембраны и стенках пор, способные при определенных условиях переходить из одного конформационного состояния в другое, увеличивают или уменьшают размер пор при незначительных изменениях свойств среды . Мембраны на основе привитых гидрофильных полимеров интересны тем, что они могут имитировать биологические мембраны или использоваться для создания различных систем с обратной связью.

Микрофильтры являются гетерогенными системами, состоящими из двух фаз — твердой полимерной матрицы и совокупности пор, т. е. «пустоты». При контакте материала с воздухом, газовыми смесями или жидкостями система из квазидвухфазной превращается в истинно двухфазную типа твердое тело — газ или твердое тело —жидкость.

Твердая полимерная матрица отличается неоднородностью как по фазовому состоянию (кристаллическое, аморфное, аморфно-кристаллическое), так и по типу элементов на разных уровнях структурной организации (пачки, фибриллы, глобулы, сферолиты и т. д. ). Пора как локальная трехмерная несплошность в объеме твердой фазы характеризуется определенными формой (цилиндрические, конусообразные), размерами и ориентацией ее длинной оси по отношению к плоскости материала. Поры могут быть сквозными, т. е. пронизывающими всю толщу материала, или замкнутыми. В микрофильтрах работающими являются лишь сквозные поры с эффективными диаметрами в заданном интервале.

Поры в волоконных и порошковых микрофильтрах представляют собой систему связанных извилистых капилляров различной формы и переменного эффективного диаметра. Общая пористость определяется как отношение объема пор в материале к общему объему материала. Она может быть рассчитана по формуле : P = (l-D/D0)*100%, где D — кажущаяся плотность пористого материала, кг/м³, Do — плотность исходного полимера, кг/м³.

Пористость изделий из поропластов определяется способом их получения и находится в пределах 30-90%. Коэффициент извилистости определяется длиной и формой сквозных трещин. Вследствие извилистости пор и их неоднородности по размерам полимерные фильтрующие материалы способны задерживать значительный процент частиц с размерами, меньшими номинального размера пор.

Эффективность разделения характеризуется полнотой и тонкостью фильтрования. Полнота фильтрования является показателем, по которому оценивают долю задержанных фильтром загрязнений от общего содержания загрязнений в фильтруемой среде. Тонкость фильтрования характеризует качественный эффект процесса очистки — способность задерживать частицы определенного размера.

Тонкость фильтрования обычно описывается следующими показателями: абсолютной тонкостью фильтрования, величина которой численно равна минимальному размеру частиц, полностью задерживаемых фильтром; номинальной тонкостью фильтрования, численно равной заданному размеру частиц, задерживаемых материалом; коэффициентом отсева, который равен отношению числа задерживаемых фильтровальным материалом частиц ко всему числу частиц этого размера, имеющихся в жидкости до фильтрования.

Наибольшей проницаемостью по фильтрату обладают трековые мембраны (нуклепор). Пленочные, порошковые и волоконные микрофильтры отличаются лабиринтной взаимосвязанной сеткой каналов неправильной формы и переменного сечения. В реальном процессе разделения смесей закупорка каждого канала при использовании трековых мембран приводит к значительно большей удельной потере проницаемости, чем при применении других типов микрофильтров.

Микрофильтры выпускают в виде плоских дисков, прямоугольных листов, рукавов или рулонов заданной длины и ширины. Иногда материал поставляют в виде снаряженного фильтровального элемента, например, фильтровального патрона. Толщина материала составляет: для трековых мембран — 5-10 мкм; для пленочных фильтров — 50-200 мкм; для волоконных и порошковых микрофильтров — от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Области применения полимерных пористых материалов для фильтрации весьма разнообразны. Они используются для очистки воздуха, воды, технологических жидкостей, топлива и масел, лакокрасочных материалов и др. Особенно широкое применение нашли мембранные фильтры в медицине, биологии. Наблюдается рост числа фирм, производящих продукцию из пористых полимерных материалов для фильтрации, происходит постоянное расширение ассортимента предлагаемой продукции. Наиболее известные зарубежные фирмы Millipore Corp., Gelman, Nuclepore Corp., Sartorius Filters Inc., US Filter, Pall, Kanebo Synthetic Chem. Co. и другие. В России также существует большое количество фирм, выпускающих мембранные пленочные и патронные фильтрующие элементы, а также фильтры из волокнистых и порошковых полимерных материалов для очистки питьевой и технологической воды, других жидких сред, воздуха от механических примесей и коллоидных взвесей, а также от бактерий и вирусов. Это фирмы Аквафор Продакш., Гейзер, ООО Промфильтр, ЗАО «Мембраны», ЗАО «Фильтр», НПП «Технофильтр», ЗАО «Владипор», ППП «Экспресс-Эко», ООО «Воронеж-Аква» и целый ряд других.

В филиале ФГУП НИФХИ им. Л. Я. Карпова в течение многих лет велись разработки технологий получения фильтрующих материалов для очистки воды и воздуха. Проводились работы по созданию трековых мембран на основе полимерных пленок ( ПТФЭ, ПП и др. ) облучением их многозарядными тяжелыми ионами. Разработаны прецизионные полимерные мембраны (ППМ) на основе полиэтилентерефталатной пленки толщиной 8-12 мкм, имеющие цилиндрические сквозные поры диаметром от 0,05 до 2,0 мкм с плотностью пор от 10⁶ до 10⁹ на см². Они характеризуются высокой прочностью, гибкостью, стойкостью к растрескиванию, устойчивостью к кислотам, щелочам, органическим растворителям; имеют рабочую температуру до 120°С и допускают стерилизацию в автоклавах.

Области применения таких мембран — микробиологическая промышленность, медицина и медицинская промышленность и др. для тонкой очистки жидких и газообразных сред. Разрабатывалась технология получения трековых мембран на основе полимерных пленок, облученных «легкими» ускоренными ионами для улучшения механических свойств мембран, получения мембран с различной геометрией пор (конусообразных, пор «бутылочной» формы и др. ) с целью повышения производительности и селективности фильтрации.

В опытно-промышленном масштабе был освоен выпуск пространственно-сшитых полимерных мембран, получаемых методом радиационной осадительной полимеризации ненасыщенных олигомеров под действием ускоренных электронов или УФ-света и отличающихся от мембранных материалов, получаемых другими методами, высокой равномерностью пор по размерам в заданном интервале. Радиационно-химическая технология позволяет регулировать пористость от 15 до 85% и размер пор от 0,05 до 2,0 мкм. Пространственная сшивка придает мембранам ценные свойства, а именно: повышает рабочие температуры до 150°С, придает устойчивость ко всем органическим растворителям, кислым и слабощелочным средам. Мембраны с размером пор <0,2 мкм позволяют использовать их для стерилизующей фильтрации воды, вина и пива, газов.

В филиале ФГУП НИФХИ им. Л. Я. Карпова была разработана технология получения нового, высокоэффективного фильтрующего материала, относящегося к классу ФП (фильтры Петрянова). Материал изготавливается на основе сополимеров стирола с добавками сверхвысокомолекулярных полимеров, получаемых эмульсионной радиационной пост-полимеризацией. Фильтрующие материалы предназначены для изготовления легких фильтрующих респираторов типа «Лепесток» и фильтров высокоэффективной очистки воздуха. Фильтры предназначены для очистки промышленных газов от аэрозолей, для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Повышенная пылеемкость ФП имеет большое значение при изготовлении регенерируемых высокоэффективных фильтроэлементов фильтрующих устройств, предназначенных для очистки сильно запыленного воздуха в цементной, асбестовой, металлургической промышленности, а также защите органов дыхания от радиоактивной пыли.

В филиале ФГУП НИФХИ им. Л. Я. Карпова разработаны и выпускаются в опытно-промышленном масштабе пористые фильтрующие элементы (ФЭЛ) на основе радиационно-модифицированного порошкообразного полиэтилена низкого давления (ПЭНД). Фильтрующие элементы используются для очистки от механических примесей воды, воздуха, спиртосодержащих жидкостей, топлива, машинных и гидравлических масел, смазочно-охлаждающих жидкостей и т. д. Номинальная тонкость фильтрации составляет 1, 5, 10, 20, 50 мкм; максимальный перепад давления при 20°С 2 МПа; максимальная рабочая температура 80°С. Фильтрующие элементы представляют собой цилиндры с толщиной фильтрующей перегородки от 5 до 20 мм и длиной до 1000 мм. ФЭЛ могут быть снабжены адаптерами (глухой и резьбовой ¾»), что позволяет использовать их практически во всех типах фильтрационных аппаратов. Фильтрующие элементы из ПЭНД обладают следующими достоинствами: жесткость и устойчивость конструкции; отсутствие осыпи или других выделений в фильтрат: исключена вероятность неравномерной фильтрации; — ФЭЛ изготовлены из чистого ПЭНД и не содержат каких —либо добавок или включений, химически инертны; — сочетание незначительной потери давления при фильтрации и уникальной для полимерных фильтров сопротивляемости давлению позволяет значительно увеличить срок службы; ФЭЛ легко регенерируются.

Фильтрующие элементы получают путем спекания частиц порошкообразного ПЭНД определенного гранулометрического состава при высоких температурах (165-185°С), при этом происходит сплавление частиц друг с другом, а пространство между ними образует поры, размеры которых определяются глубиной спекания и размером частиц порошка. С целью повышения термомеханических характеристик порошка ПЭНД и обеспечения необходимой пористости ФЭЛ порошок облучают у-лучами Со или ускоренными электронами. Облучение на гамма-установках проводят в инертной среде дозой 50 кГр, на ускорителе электронов — дозой ~ 140 кГр (увлажненный порошок).

Методом электронной микроскопии исследована структура пористого материала, полученного из порошка с размером частиц 100-150мкм. Как следует из анализа микрофотографий, торцевая часть образца представляет собой губчатую массу из частиц порошка ПЭНД, пронизанную многочисленными микропорами с размером 1-3 мкм и отдельными макропорами до 30 мкм. Срезы и сколы образцов практически идентичны, по всей глубине образца сохраняется относительная изотропность структуры.

Характеризовать такие структуры размером пор практически невозможно, особенно для глубинных фильтров. Гораздо более целесообразно такие фильтры характеризовать минимальным размером частиц, полностью задерживаемых фильтрующей перегородкой. Были исследованы тонкость и эффективность очистки воды фильтрующим элементом путем анализа деионизованной воды и фильтрата на лазерном анализаторе микрочастиц марки ЛАМ-1А. Для сравнения были изготовлены ФЭЛ из порошка фракции <250 мкм с толщиной фильтрующей перегородки 15 и 22 мм. По результатам опытов можно было увидеть, что при увеличении толщины фильтрующей перегородки значительно увеличиваются эффективность очистки и тонкость фильтрации.

Разработанные фильтрующие элементы обеспечивают глубокую очистку питьевой воды от твердых взвешенных частиц различного происхождения: соединений трехвалентного железа, песка и т. д. до прозрачности двойного дистиллата, а также частичную очистку от ионов металлов (кадмия, свинца, хрома), нефтепродуктов и др. ФЭЛ предназначены для очистки водопроводной воды, используемой в пищевых целях и подаваемой к сложной бытовой технике; для очистки и осветления виноматериалов, пива, минеральных вод, для подготовки воды для ликероводочного производства и пивоварения. ФЭЛ обладают малым гидродинамическим сопротивлением и высокой производительностью. С уменьшением толщины фильтрующей перегородки и ростом длины ФЭЛ производительность фильтрации возрастает. Разработанные ФЭЛ имеют гигиенический сертификат и сертификат соответствия, позволяющие использовать их для очистки питьевой воды.

К недостаткам этих фильтрующих материалов можно отнести то, что при длительной эксплуатации и в статическом режиме на материале развиваются колонии патогенных микроорганизмов, что может привести к заражению питьевой воды.

В последнее время усилился интерес к особым состояниям материалов, так называемым металлическим агрегатам. Агрегаты представляют собой коллоидные частицы металлов наноструктурных размеров и обладают особыми свойствами, отличными как от свойств изолированных атомов, так и от массивного металла. Стабильные наноструктурные частицы серебра обладают высокой бактерицидной активностью и представляют интерес для создания на их основе эффективных бактерицидных фильтрующих элементов для очистки воды.

В Институте физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина проф. Ревиной А. А. был разработан радиационно-химический метод синтеза наночастиц серебра и способ модифицирования различных материалов. Было показано, что наночастицы серебра, стабильные в жидкой фазе и в адсорбированном состоянии на поверхности различных материалов (уголь, углеродные ткани, керамика, силикагель и др. ), представляют большой интерес в качестве более активной и, что очень важно, устойчивой формы серебра для очистки воды от микробиологических примесей.

Совместно с ЗАО «Живой родник» и филиалом НИФХИ им. Л. Я. Карпова была разработана технология модифицирования фильтрующих элементов из порошкообразного ПЭНД с целью придания им биоцидных и бактерицидных свойств.

Фильтрующие элементы из объемно-пористого порошкообразного ПЭНД выдерживали в водно-органическом растворе наноструктурных частиц серебра, измеряли оптическую плотность раствора, изменяющуюся при адсорбции частиц из раствора фильтровальным элементом. Результаты адсорбции/десорбции наночастиц серебра показали значительное увеличение адсорбционной емкости ФЭЛ (до 45-50%) за счет введения активированного угля марки ОУА в количестве 4%.

В Институте экологии человека и защиты окружающей среды им. А. Н. Сысина были проведены микробиологические исследования и оценка бактерицидной активности модифицированных наночастицами серебра образцов ФЭЛ из ПЭНД при фильтрации обычной водопроводной воды, содержащей тест-микроорганизмы E.coli, Enterococcus faecalis. Инактивация микроорганизмов в условиях данного эксперимента наблюдалась только при прохождении воды через ФЭЛ, модифицированные нанокластерами серебра, и отсутствовала при прохождении воды через контрольные ФЭЛ.

В Институте медико-биологических проблем РАН были проведены испытания микробиологической стойкости ФЭЛ из ПЭНД с нанокластерами серебра. Исследуемые образцы заражали ассоциацией тест-бактерий, выдерживали в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов, и оценивали их количество в процессе эксперимента. Для оценки микробиологической стойкости использовали бактериальные культуры Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Bacillus licheniformis, Pseudomonas aeruginosa. Модифицированные и контрольные образцы ФЭЛ (тонкость фильтрации 3-5 мкм, содержание ОУА 4% вес. ) инфицировали тест-микроорганизмами и выдерживали в условиях, благоприятных для развития бактерий. На пятые и десятые сутки эксперимента оценивали содержание бактерий на образцах.

Для оценки возможности пролонгированного сохранения бактерицидной активности фильтроэлементов с наночастицами серебра опытные и контрольные образцы подвергали ускоренным климатическим испытаниям (УКИ), имитирующим их ускоренное старение (2 и 5 лет).

Как следует из полученных результатов, на всех образцах ФЭЛ, модифицированных наночастицами серебра, как исходных, так и подвергнутых ускоренному климатическому старению, все тест-культуры бактерий полностью отмирали. В то же время они сохранялись на контрольных образцах, причем по мере возрастания сроков ускоренного старения численность жизнеспособных микроорганизмов на контрольных образцах увеличивалась.

На фильтрующие элементы из порошкообразного радиационно-модифицированного полиэтилена низкого давления, модифицированные нанокластерами серебра (торговая марка БИ-МАРШ) получены санитарно-гигиенический сертификат и сертификат соответствия, позволяющие использовать их для бактерицидной очистки питьевой воды.

Разработанные фильтрующие элементы из ПЭНД могут использоваться для очистки воздуха, отходящих газов, компрессорного воздуха от следов влаги, масел и различного рода твердых частиц. Они обладают высокой производительностью при незначительном аэродинамическом сопротивлении.

Исследованы фильтрационные характеристики фильтрующих элементов из ПЭНД по светлым нефтепродуктам. Было показано, что они стойки к воздействию фильтруемой среды, не обнаружено выделений в фильтрат составляющих компонентов из объема ФЭЛ. Свойства топлива также не изменяются после прохождения через фильтроэлемент или после выдерживания элемента в топливе в течение 7 и 14 суток. Следовательно, фильтрующие элементы из порошкообразного полиэтилена могут использоваться для фильтрационной очистки светлых нефтепродуктов, дизельного топлива, рециркуляционной очистки смазочных жидкостей.

Одним из перспективных направлений использования фильтрующих элементов из порошкообразного ПЭНД является применение их в процессах биологической очистки сточных вод в качестве диспергаторов воздуха. В настоящее время аэробный процесс биологической очистки сточных вод является самым распространенным. Для эффективной очистки и рекультивирования микроорганизмов требуется насыщение аэротенков кислородом путем мелкопузырчатой системы аэрации. Диспергаторы воздуха из ПЭНД не подвержены коррозии, устойчивы к гидравлическим ударам при запуске в работу, обеспечивают устойчивую, без вибраций работу воздуховодов. Подбором гранулометрического состава частиц порошка ПЭНД можно регулировать размер пор и, следовательно, величину пузырьков воздуха, что позволяет повысить эффективность использования кислорода и снизить эксплуатационные расходы. Применение цилиндрических аэраторов на секции аэротенков МП «Водоканал» (г. Обнинск) обеспечивало следующие параметры технологического процесса:

— производительность по воздуху, м³/час 25
— потери напора, мм рт. ст. 100-150
— эффективность использования кислорода воздуха. % 15-20
— размер пузырька, мкм 1 —3

Совместно с Институтом коммунального водоснабжения и очистки воды разработаны тарельчатые диспергаторы на основе двухслойных пластин из ПЭНД. Выпущены опытные партии для оснащения ряда промышленных предприятий по биологической очистке сточных вод.

Были проведены исследования по использованию фильтрующих элементов из ПЭНД для очистки поверхности водоемов от нефтепродуктов, поглощения масел из сточных вод, которые показали перспективность применения материалов в этих направлениях.

Рассмотрены методы изготовления и области применения полимерных микрофильтров. Полимерные пористые материалы становятся конкурентами традиционным фильтрующим материалам, таким как керамика и металлокерамика, фильтровальные ткани, бумага и др. Это обусловлено рядом преимуществ, которые присущи пористым полимерным материалам: дешевизной (по сравнению с керамикой или металлокерамикой), возможностью достижения более высокой производительности, возможностью довольно точного регулирования размеров пор. Кроме того, полимерные фильтры можно формовать, придавая им практически любую форму. Разработка разнообразных методов получения пористых полимерных материалов на основе широкого ассортимента полимеров, наличие у них комплекса ценных свойств определяют широкое применение полимерных фильтров в промышленности, в системах водоподготовки и водоочистки, в медицинской и микробиологической промышленности.

Автор Г. В. Ширяева, начальник производственного участка фильтрующих материалов ФГУП НИФХИ
Источник: «ФГУП НИФХИ»