ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ФИЛЬТРОВ


О вредном и неприятном воздействии пылей известно очень давно. Еще римские горняки пользовались примитивными респираторами из тканей или мешковины. В XIX в. с развитием промышленности интерес к этой проблеме возрос, так как опасность некоторых видов пылей стала очевидной, а имеющиеся респираторы были очень неудобными и редко применялись рабочими.
В 1914—1918 гг. было изготовлено очень много респираторов. Для защиты от основной опасности — газов — применялись угольные адсорбенты, некоторая защита обеспечивалась от ядовитых дымов. Например, в английских противогазах применялся слой хлопка. В период между войнами (1918—1939 гг.) были предприняты попытки применить в качестве аэрозольных фильтров различные материалы, включая целлюлозную вату и птичий пух, причем последний был более эффективным, чем вата. Было установлено, что введение в пух сажи улучшает его эффективность без значительной разницы в сопротивлении, поэтому последние модели специально подвергались «копчению» (обработке дымом). Для фильтрующих устройств бумажные фильтрующие материалы на основе эспарто или смеси эспарто с асбестом стали общепринятыми.
Фильтры на основе смеси шерсти с асбестом
В 1938 г. аэрозольные фильтры из смеси шерсти с асбестом были введены в противогазы, а позже под маркой IV были введены в качестве фильтрующей среды в противопыльные респираторы. Смесь шерсти с асбестом изготовлялась путем дробления кусочков природного голубого асбеста на тонкие волокна с последующим перемешиванием их с мериносовой шерстью и пропусканием смеси через кардную (чесальную) машину. Качество фильтра зависело в основном от эффективности дробления, смешения и расчесывания, так как в фильтрах, изготовленных из смеси грубых волокон с тонкими, филь-
5 Высокоэффективная очистка воздуха              113
трующее действие почти целиком зависит от степени расщепления асбеста на тонкие волокна и равномерности их распределения между грубыми волокнами, которые выполняют роль носителей для тонких волокон.
Фильтры на основе смеси шерсти со смолой
В 1939—1945 гг. фильтры на основе смеси шерсти с твердыми частицами смол были введены в противогазы и позже были использованы в фильтрующих установках. Смеси шерсти с частицами смол
изготовлялись путем расчесывания обезжиренной шерсти с модифицированной фенол- формальдегидной смолой, составляющей 20 вес. %.
В процессе расчесывания слоя толщиной около 150 мм частицы смолы приобретают отрицательный, а шерсть— положительный заряды. Для респираторов фильтры вырезаются круглыми, а оставшийся слой расчесывают снова со свежей смесью шерсти и частиц смол, так что отходы бывают очень незначительны.
В настоящее время содержание смолы снижено до 10—15%, так как начальная эффективность при этом выше, чем при 20%-ном содержании. Большим преимуществом фильтров на основе смеси шерсти и смолы являются малые величины AP и K1 легкость размещения таких фильтрующих материалов в корпусах и малая опасность утечек по стенкам при сжатии слоя. Эластичность волокнистого слоя позволяет ему принимать любую новую форму, например при образовании вмятин на корпусе. В аналогичных случаях фильтры, снаряженные бумагой, практически становятся непригодными. В ряде образцов такие слои обычно накладываются на полые перфорированные цилиндры, а воздух пропускается от периферии к центру.
К сожалению, материал, обеспечивающий высокую начальную эффективность, подвержен неблагоприятному воздействию многих факторов. Пары и частицы органических веществ (особенно масла)
в значительных концентрациях вызывают увеличение коэффициента проскока; постепенная потеря эффективности происходит при длительном хранении; разрушение ускоряется с увеличением температуры и при высокой относительной влажности воздуха. Эффективность также падает после пропускания через фильтр больших количеств воздуха и после воздействия ионизирующего излучения; например, слой с коэффициентом проскока 0,01% после воздействия дозой 1000 р от промышленного рентгеновского аппарата имел К = 0,05%. Тем не менее фильтрующие материалы на основе шерсти и смолы находят применение, например в индивидуальных рес-

Рис. 4.9. Зависимость коэффициента проскока и перепада давления от пылеемкости для шерстяно-асбестового слоя (площадь поверхности 58 см2; скорость 8 см!сек, толщина слоя 1,27 см, вес слоя 10 г). clear="all" />

пираторах для военных и промышленных целей, хотя в установках высокоэффективной фильтрации масштабы их применения уменьшаются.
На рис. 4.8 и 4.9 приведены характеристики шерстяно-смоляных слоев среднего качества.
Хлопко-асбестовые слои
Высокоэффективный материал, состоящий из смеси хлопка с асбестом, был описан Грином и Томасом [I]. Смесь из 50% хлопка и 50% асбеста расчесывается подобно шерстяно-смоляному материалу. Качество материала также зависит от степени расщепления асбеста на очень тонкие волокна и от равномерности их распределения. Увеличение содержания асбеста улучшает фильтрующие свойства, но при этом возрастает сопротивление, так что коэффициент фильтрующего действия Q [см. уравнение (4.4)] ухудшается; однако если содержание асбеста значительно снижается, то слой становится неоднородным. Вес слоя можно изменять, что позволяет изготовлять
материалы с различным коэффициентом проскока. В стандартном складчатом фильтре слой весит 484 г/ж2, при скорости 1,25 см/сек сопротивление достигает 25,4 мм вод. cm., а коэффициент проскока — 0,001 %.
При значительном снижении веса слоя получаются фильтры с низким сопротивлением, но коэффициент проскока увеличивается.

Вес, г/100 см1
Рис. 4.10. Характеристики хлопко-асбестового слоя (скорость фильтрации 10 см/сек. Цифры на кривых — толщина слоя).


Если применять слои с большим весом, чем при стандартном снаряжении, то увеличение толщины материала и снижение площади поверхности вызывают недопустимо высокое сопротивление. Использование хлопка в смеси ограничивает применение материала при высоких температурах, а также в тех случаях, когда есть возможность появления искр. И хотя пропускание воздуха с температурой 150° С в течение нескольких дней не вызывает снижения эффективности, применять более высокие температуры не рекомендуется.
На рис. 4.10—4.12 приведены рабочие характеристики фильтра с хлопко-асбестовым материалом. На рис. 4.13 дана микрофотография хлопко-асбестового материала, из которой видно, что много асбестовых волокон еще осталось в пучках (хотя предполагалось,

что асбест хорошо диспергирован). К сожалению, более полное использование тонких волокон (0,1 мкм и меньше) не может быть достигнуто вследствие последующего группирования волокон в пуч-

Рис. 4.11. Зависимость перепада давления хлопкоасбестового слоя от пылеемкости (скорость фильтрации 2,54 см/сек; толщина слоя 0,48 см, вес слоя 5,4 г!100 см2).


ки. Недостаточная степень расщепления частично является следствием большого различия в размерах хлопковых и асбестовых во-

Пыпеепкость (смI) на 100см2
Рис. 4.12. Зависимость коэффициента проскока от пылеемкости хлопко-асбестового слоя (толщина слоя 0,64 см; вес для двух верхних кривых 6,6 г! 100 см2, для нижней кривой — 8,6 г/100 см2. Цифры на кривых — скорость фильтрации).


локон. Иными словами, при равных условиях, чем ближе размеры волокон между собой, тем меньше вероятность сбивания их в пучки. Особенно тонкие асбестовые волокна показаны на рис. 4.14.


Рис. 4.13. Хлопко-асбестовый слой (оптический микроскоп).



Рис. 4.14. Волокна голубого асбеста (электронный микроскоп).



Состав этих бумаг меняется в производстве, но в основном они содержат 50% волокна эспарто, 20% голубого асбеста, 25% хлопка и немного пеньки. Для получения бумаги высокого качества необходимо хорошо распределять тонкорасщепленные асбестовые волокна во всем материале. Наиболее высококачественные сорта требуют большого внимания в производстве.
Основные фильтрующие характеристики таких бумаг следующие. Коэффициент проскока и сопротивление. При скорости 4 см!сек AP = 33 мм вод. ст. Коэффициент проскока по аэрозолю хлористого натрия —0,01% для материала немного выше среднего количества.
Термостойкость. Материал непригоден к длительной непрерывной работе при температуре свыше 120° С. При 170° С срок службы I ч. Целлюлоза горюча и, кроме потери эффективности фильтрации, фильтр может загореться. Влагостойкость. Устойчивость к увлажнению только удовлетворительная. Толщина. Результаты, проведенные в пункте I, получены на бумаге толщиной 1,5 мм, при весе 200 г/м2. Гофрирование. Материал достаточно легко складывается, но надо следить за тем, чтобы не происходило ломки при сгибании.
Характеристики фильтрующего картона среднего качества приведены на рис. 4.15 и 4.16.
Стеклянное волокно [1]
Стеклянное волокно получается при плавлении стеклянных шариков в электрической печи: расплавленное стекло вытекает через тонкие отверстия в основании плавильной камеры и растягивается в волокна высокоскоростным потоком воздуха. Волокна попадают на ленточный конвейер и формируются в слои любой желаемой толщины. При необходимости на волокна сразу же напыляются связующие смолы. Технологический процесс может изменяться, обеспечивая изготовление грубых или тонких волокон, но все слои, полученные этим способом, содержат волокна в относительно широком диапазоне размеров: в фильтрующем материале типа 2 имеются волокна менее I мкм и более 10 мкм\ волокон диаметром менее мкм содержится до 50% (в расчете на общую длину волокон), в то время как слои из более тонких волокон (фильтрующий материал типа 3) содержат около 95% волокон диаметром менее мкм и 50% — менее I мкм. Эти цифры сугубо ориентировочные. Качество материалов различных партий, поставляемых неко-

alt="" />
Рис. 4.15. Зависимость коэффициента проскока от пылеемкости целлюлозно-асбестовой бумаги (цифры на кривых — скорость фильтрации).




Рис. 4.16. Зависимость перепада давления от пылеемкости для целлюлозно-асбестовой бумаги (цифры на кривых — скорость фильтрации; при 5,0 см/сек начальное сопротивление равно 35 мм вод. ст.).



торыми фирмами под одним и тем же обозначением, часто существенно отличается.
На рис. 4.17 показаны характеристики слоев с различным весом единицы площади при их уплотнении до 3,2 мм (испытаны при скорости 10 см/сек). Кривые относятся к материалам типов 2 и 3, а также к более грубым материалам, содержащим волокна с максимальным диаметром 14 мкм и 50% волокон диаметром менее 6 мкм (тип I).

Рис. 4.17. Зависимость коэффициента проскока от веса и сопротивления для стекловолокнистых материалов.


Волокна, относящиеся к фильтрующим материалам типа 3, обеспечивают высокую эффективность. Особенно они пригодны для небольших фильтров, когда материалы находятся в корпусе в виде плоских, слегка поджатых слоев или когда применяются три или четыре слоя (например, при обертывании цилиндрического сетчатого каркаса) (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Характеристики волокнистых материалов типа 3 в форме плоских листов (ДР и К измерены при скорости 10 см/сек)




Глубина

СЛОЯ, MM




1.6

3, 2

6, 4

Вес, г/м2








А Р,


А P1


А Р,



мм вод. ст.

К, %

мм вод. ст.

к, %

мм вод. ст.

К, %

200

48

0,2

36

0,3

28

0,4

250

62

0,07

44

0,1

35

0,15

300

79

0,015

53

0,035

43

0,045

350

100

0,002

62

0,01

50

0,015

5В. Высокоэффективная очистка воздуха              121


Четыре слоя волокон типа 3, навернутые плотно на каркас, показали следующие данные: вес I м2— 320 г, AP = 15 мм вод. ст. и K = = 0,0001% при V = 15 см/сек (рис. 4.18, 4.19).
Волокнистый материал типа 3 использовался для очистки от бактерий или вирусов при низкой скорости потока. Из этого материала можно изготовлять фильтры в условиях лаборатории. Стерилизация таких фильтров паром лишь незначительно влияет на эффективность. Этот материал мягкий, поэтому с ним легко обращаться, но в него входят и достаточно грубые волокна, что обеспечивает его прочность и упругость. После складывания он может уплотняться в корпусе аналогично асбесто-хлопковому слою.
Многие типы стекловолокон, значительно более тонких, чем в материале типа 3, изготовляются путем раздувания струей воздуха нитей расплавленного стекла. Иногда рекламируют получение этим методом смесей волокон с максимальным диаметром 0,1 мкм, но

Рис. 4.19. Стеклянные волокна типа 3 (электронный микроскоп).





более тонкие сорта имеют малую упругость и используются в основном для изготовления бумаги.
Волокна производятся также методом вытягивания, по технологии, аналогичной производству синтетических текстильных волокон. Степень полидисперсности волокон при этом меньше, чем при раздувании, но даже наиболее тонкие волокна сравнительно грубы, их диаметр около 3 мкм.
Бумага из стекловолокна
С получением субмикронных стеклянных волокон появилась возможность изготовлять бумаги, которые могут конкурировать с целлюлозно-асбестовыми по своим фильтрующим качествам. В по-
alt="" />
Рис. 4.20. Зависимость перепада давления от пы- леемкости для стекловолокнистой бумаги:
У —скорость фильтрации 13,3 см/сек, начальное сопротив ление 61 мм вод. ст.; 2 — скорость фильтрации 5 OMjceKx начальное сопротивление 23 мм end. cm


следние годы много усилий было затрачено на получение таких материалов. Производство бумаги из стекловолокна, как и бумаги, содержащей асбест, — довольно сложный процесс.
Стеклянные волокна не подвергаются фибриллированию, они хрупки, ломаются при обычных бумагоделательных операциях. Длительность операции размола снижена настолько, что онадоста- точна только для выделения волокон при низком pH (^3). Это способствует разделению волокон и улучшает прочность за счет связывания их между собой. Для увеличения прочности добавляют небольшое количество связующего, но в основном прочность бумаг обязана переплетению волокон и трению между ними.

Важнейшие свойства бумаги из стекловолокна следующие: Коэффициент проскока и сопротивление. Бумаги из стекловолокна имеют высокий коэффициент фильтрующего действия Q (рис. 4.20, 4.21). Термостойкость. Они могут применяться при температуре до 500° С и негорючи, хотя искры могут расплавить волокна и привести к серьезной потере эффективности фильтрации; сами по себе фильтры неогне-
опасны. Влагостойкость. Бумаги из стекловолокна сохраняют свою эффективность даже в условиях высокой влажности. Химическая устойчивость. Они имеют хорошую устойчивость к воздействию большинства химических веществ, а также к микробиологическим и инсектицидным воздействиям. Толщина. В корпусе определенного размера могут быть размещены значительно большие площади фильтрующей поверхности, чем в случае применения материалов более рыхлого строения. Гофрирование. Складки из такой бумаги должны вы
полняться осторожно для предотвращения ее ломки в местах перегиба, что' часто служит источником увеличения коэффициента проскока аэрозолей.
В США и в Англии изготовляются бумаги на основе смеси стеклянных и асбестовых волокон, но они не обладают преимуществами по сравнению со стеклянной бумагой.
<< | >>
Источник: Уайт П., Смит С.. Высокоэффективная очистка воздуха. 1967

Еще по теме ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ФИЛЬТРОВ:

  1. 1. Историческая справка
  2. 1. Историческая справка
  3. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
  4. Историческая справка
  5. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА: ФОРМИРОВАНИЕ В ЯПОНИИ ФПГ С НЕИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
  6. ЭКОНОМИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФИЛЬТРОВ
  7. § 74. Историческое развитие
  8. Массовые настроения в историческом развитии
  9. 8. Особенности исторического развития российской социологии
  10. § 186. Историческое развитие
  11. § 335. Историческое развитие
  12. Исторические аспекты развития педагогической психологии
  13. Человеческое развитие в исторической перспективе