СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЛИСТОВОГО СОРБЕНТА
METHOD FOR MAKING COMPOSITE SHEET SORBENT

Изобретение относится к технологии производства сорбционных фильтрующих материалов.
Известен способ получения электроположительного сорбента [US 6838005 В1, 2005], в котором несферические частицы оксида алюминия, полученные методом электрического взрыва проволоки смешивают со вторым твердым компонентом - частицами волокнистого материала и затем осуществляют реакцию смеси с водным раствором с образованием несферических частиц оксида алюминия и из полученной после гидролиза смеси по «бумажной» технологии формируют листовой фильтровальный материал с сорбционными свойствами.
К недостаткам полученного таким способом фильтровального материала можно отнести неравномерность и нестабильность свойств, обусловленных технологическими факторами, что отрицательно влияет на процесс очистки воды в целом.
Недостатком «бумажной» технологии изготовления фильтровальных материалов является невозможность получения абсолютно однородного по плотности материала без сквозных пор или отверстий достаточно большого диаметра. При этом увеличивается вероятность проскока загрязнений через эти поры, что приводит к снижению эффективности материала. При смешивании же частиц значительно различающихся размеров, например нанопорошка и других крупных волокон, чрезвычайно трудно получить однородный по составу слой.
Наиболее близким техническим решением является способ получения фильтровального материала [RU 2317843 С1, 2008], который включает нанесение на основу из нетканого полимерного волокнистого материала частиц материала на основе алюминия путем погружения его в водную или водно-спиртовую суспензию вышеуказанных частиц, осуществление гидролиза частиц материала на основе алюминия с образованием на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия, при этом в качестве основы используют нетканый полимерный волокнистый материал, полученный методом электроформования, гидролиз осуществляют путем нагревания пропитанного суспензией материала, а после окончания гидролиза фильтрующий материал промывают водой для удаления не закрепившихся на волокна основы частиц гидрата окиси алюминия. Окончательно фильтровальный материал получают путем сложения нескольких листов до получения необходимой толщины.
Данный способ свободен от вышеприведенных недостатков аналога, однако пропитывание путем погружения приводит к впитыванию большого количества жидкости нетканым полимерным полотном, увеличению его массы до критических значений, превышающих величину разрывной длины. Это затрудняет манипуляции с фильтровальным материалом, может приводить к деформации и даже разрыву полотна при его перемещении. При пропитке путем погружения происходит фильтрация суспензии: внутренние слои нетканого материала насыщаются дисперсионной средой - водой, а дисперсная фаза - порошок, в избытке локализуется в верхних слоях материала. В результате получается заготовка с неоднородной пропиткой суспензией по объему.
Присутствующая в прототипе операция отмыва водой для удаления не закрепившихся частиц обусловлена методом пропитки и приводит к дополнительной деформации.
Кроме того, в прототипе отжим осуществляют одного слоя полотна, который затем высушивают и складывают в несколько слоев для получения многослойного листа, пригодного для использования в качестве фильтрующего материала При таком способе мы не получаем однородного монолитного листа фильтрующего материала. Отжим каждого отдельного листа перед высушиванием полотна приводит к появлению сдвиговых деформаций в материале и к неравномерному формированию плотности материала, что в конечном итоге приводит к ухудшению эксплуатационных свойств композиционного листового сорбента.
Задачей изобретения является формирование композиционного листового сорбента с равномерным распределением по всему объему полотна пористых частиц оксидно-гидроксидных фаз алюминия, а также формирование полотна листового сорбента равномерной толщины и плотности.
Технический результат - улучшение эксплуатационных свойств сорбента.
Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, предлагаемый способ изготовления композиционного листового сорбента включает пропитывание полотна из нетканого полимерного волокнистого материала, полученного методом электроформования, водной или водно-спиртовой суспензией частиц материала на основе алюминия, и осуществление гидролиза частиц материала на основе алюминия путем нагревания пропитанного суспензией полотна.
Новым является то, что пропитывание полотна из нетканого полимерного волокнистого материала, полученного методом электроформования, осуществляют распылением суспензии по поверхности полотна, при этом нагревание производят на воздухе при относительной влажности не менее 70%, предпочтительно 95-100%, по меньшей мере, двух сложенных стопкой пропитанных суспензией полотен, и после окончания гидролиза осуществляют их плоско-параллельный отжим.
2
2
Кроме того, в качестве частиц материала на основе алюминия используют порошок состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением Al/A1N от 95:5 до 5:95, предпочтительно 60%:40% и с удельной поверхностью не менее 8 м/г, предпочтительно 19-27 м/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.
Целесообразно, что распыление суспензии осуществляют при температуре не выше 20°С.
Предпочтительно, что содержание порошка состава алюминий-нитрид алюминия в воде составляет 0,8-1,2 мас.%
Желательно, что нагревание пропитанного суспензией полотна осуществляют в печи или в сушильном шкафу при температуре 80-120°С.
Кроме того, плоско-параллельный отжим сложенных стопкой полотен осуществляют в условиях вакуума.
Предпочтительно, что вакуумирование проводят до значения -0,8 атм в течение не менее 2-х минут.
При пропитывании полотна из нетканого полимерного волокнистого материала методом распыления водной или водно-спиртовой суспензии наноразмерных частиц порошка на основе алюминия с использованием, например, форсунок решаются две задачи: во-первых, регулируется расход наноразмерного порошка на основе алюминия, чтобы получить оптимальное количество сорбента (пористых частиц, образованных из нановолокон оксидно-гидроксидных фаз алюминия) на волокнах основы; во вторых, регулируется расход жидкости (воды или водно-спиртового раствора), чтобы обеспечить необходимый уровень влажности при гидролизе в печи не менее 70%, но недостаточный, чтобы вызвать деформацию и снижение прочности листа основы - нетканого материала из тонких полимерных волокон, полученных методом электроформования, так называемой ткани (фильтры) Петрянова.
Одновременное равномерное распыление суспензии по поверхности полотна достигается использованием ряда форсунок. Использование форсунок позволяет осуществить хорошую принудительную пропитку материала по площади и по объему. При окунании (погружении) этого не достигается по причине того, что суспензию надо постоянно интенсивно перемешивать для поддерживания ее однородности (гомогенности).
Поскольку количество воды в полотне ограничено за счет использования форсунок, влажность воздуха в печи гидролиза приобретает первостепенное значение. Если скорость процесса сушки будет выше скорости процесса гидролиза, то гидролиз не успеет пройти и наноразмерный порошок алюминия необратимо окислится на воздухе без образования нановолокон оксидно-гидроксидных фаз алюминия и, соответственно, не приобретет сорбционных свойств. При влажности менее 70% гидролиз практически не идет [Пористые композиты на основе оксид-алюминиевых керметов (синтез и свойства) / С.Ф.Тихов и др. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004, с.56-57]. Влажность в печи гидролиза обеспечивается соблюдением соотношения между объемом камеры печи и объемом загружаемого материала определенной влажности, а также отсутствием сообщения внутреннего объема печи с атмосферой.
При напылении суспензии через форсунки регулируется расход нанопорошка алюминия таким образом, что не образуется лишних частиц, которые затем необходимо удалять промыванием.
Использование операции плоско-параллельного отжима позволяет формировать композиционный многослойный листовой фильтрующий материал (сорбент) с равномерной толщиной по всей площади листа и равномерной плотностью и отсутствием сдвиговых деформаций в структуре материала.
Под плоско-параллельным отжимом в данном случае понимается механическое обезвоживание (отжим) полотен с использованием двух параллельных плоских поверхностей, соответствующих размеру полотна, обеспечивающих равномерное усилие по всей площади полотна.
В обычных способах получения плоских слоистых материалов - ламинировании и каландрировании происходит протягивание листа материала через нагретые валки. Тонкие микроволокнистые материалы, такие как материалы, полученные методом электроформования (фильтры Петрянова), способны к значительному удлинению при нагрузке, особенно во влажном состоянии. При поступательном движении формируемого слоистого материала между валками неизбежно образуются воздушные полости между слоями материала, из которых затем образуются складки, заломы и т.д., что приводит к неравномерной плотности полученного слоистого материала.
При плоско-параллельном отжиме, во-первых, происходит отжим по всей плоскости материала одновременно и, во-вторых, через весь объем многослойной заготовки. Более того, появляется возможность регулировать скорость нагрузки. Экспериментально было установлено, что оптимальным для многослойной заготовки из полотен нетканого полимерного волокнистого материала, полученного методом электроформования, будет постепенное нагружение (вакуумирование) отжимаемого материала до -0,8 атм в течение не менее 2-х минут. При больших скоростях вакуумирования увеличивается вероятность получения некачественного материала: образование крупных пор, перекрывающих материал по его толщине, неоднородность распределения оксидно-гидроксидных фаз алюминия по площади и по объему листа.
При отжиме валками (два валка или валок по подложке) будет наблюдаться поток (вал) суспензии, текущий впереди валков (валка). Заметная часть суспензии «проскальзывает» между слоями, увеличивая неоднородность распределения частиц оксидно-гидроксидных фаз алюминия алюминиевого порошка по площади и объему заготовки.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример. 1
2
Предварительно подготавливают суспензию из 20 литров дистиллированной воды и 200 г порошка состава Al/AlN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 м/г. В емкость с полученной суспензией помещают (окунают) 16 полотен размером 900-1500 мм фильтра Петрянова марки ФПА - 15-2,0 и оставляют на 30 мин для пропитывания. Пропитанные суспензией полотна размещают на 8 поддонах, укладывая по два друг на друга, и помещают в сушильный шкаф (в печь), в котором поддерживают влажность 100% и температуру 110°С. При нагревании заготовки до температуры 57°С начинается реакция гидролиза, сопровождающаяся выделением небольших количеств аммиака и водорода и изменением цвета заготовки с черного на белый в результате превращения Al/AlN в гидрат оксида алюминия белого цвета. По окончании гидролиза поддоны вынимаем из печи, снимаем с них полотна и осуществляем отжим с помощью валков. В процессе отжима происходит обезвоживание и спрессовывание полотен. В результате получается 8 листов композиционного двухслойного материала. Данные по поверхностной плотности и содержанию пористых частиц оксидно-гидроксидных фаз алюминия приведены в таблице.
Пример 2.
2
Предварительно подготовленную суспензию из 20 литров дистиллированной воды и 200 г порошка состава Al/AlN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 м/г подают в систему распыления - ряд форсунок, равномерно расположенных над ФПА - 15-2,0 - полотно фильтра Петрянова размером 900-1500 мм. Распыление осуществляют при повышенном давлении и температуре в системе распыления 20°С. Получают 16 пропитанных суспензией полотен, которые размещают на поддонах, укладывая по два полотна друг на друга, и помещают в печь, в которой поддерживают 100% влажность при температуре 110°С. При нагревании заготовки до температуры 57°С начинается реакция гидролиза, сопровождающаяся выделением небольших количеств аммиака и водорода и изменением цвета заготовки с черного на белый в результате превращения Al/AlN в гидрат оксида алюминия белого цвета. По окончании гидролиза поддоны вынимаем из печи, снимаем с них полотна и осуществляем плоско-параллельный отжим полотен при постепенном понижении давлении до (-0,8) атм в течение не менее 2-х минут с использованием специального разработанного оборудования - вакуумно-отжимного стола. В процессе отжима происходит обезвоживание и спрессовывание полотен. В результате получается 8 листов композиционного двухслойного материала. Данные по поверхностной плотности и содержанию пористых частиц оксидно-гидроксидных фаз алюминия приведены в таблице.
2
3
В таблице приведено содержание частиц гидрата окиси алюминия (в виде AlO) и поверхностная плотность различных участков листа фильтровального материала, полученного по примерам 1 и 2.
Место отбора пробы из листа материала
Содержание Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, % мас.
Поверхностная плотность, г/м
По примеру 1
По примеру 2
По примеру 1
По примеру 2
Левый верхний край
18,7
24,8
375
375
Правый верхний край
26,3
25,1
375
377
Середина слева
27,2
25,0
411
378
Середина справа
25,8
24,8
382
375
Левый нижний край
19,5
24,9
373
375
Правый нижний край
26,5
25,2
369
376
Из таблицы видно, что более равномерное распределение поверхностной плотности и содержания достигается при использовании режимов по примеру 2.