ФИЛЬТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
FILTER CATALYTIC MATERIAL

Изобретение относится к области очистки воздуха от аэрозолей и монооксида углерода при концентрациях до 5-10 норм ПДК р.з. и может быть использовано в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) - респираторах в виде фильтрующей полумаски из волокнистых материалов и малогабаритных динамических системах очистки воздуха.
Широкое применение в средствах защиты органов дыхания получили фильтровальные материалы Петрянова (ФП) (И.В.Петрянов, В.И.Козлов и др. «Волокнистые фильтрующие материалы». М.: Знание, 1968). Материалы представляют собой равномерные слои ультратонких полимерных волокон, нанесенных в процессе получения на тканевую подложку (марлю, бязь) или на основу из скрепленных между собой толстых полимерных волокон (нетканое полотно). Данные материалы широко применяются в средствах индивидуальной защиты для защиты органов дыхания от аэрозолей (И.В.Петрянов и др. «Лепесток» (Легкие респираторы). - М.: Наука, 1984). При низком аэродинамическом сопротивлении указанные материалы обладают высокой эффективностью защиты по аэрозолям, которая составляет в зависимости от марки 95- 99.9%, однако данные материалы не позволяют производить очистку воздуха от вредных газов и паров.
Для комплексной защиты от аэрозолей и газов используются сорбционно-фильтрующие (фильтросорбирующие) или фильтрокаталитические материалы (ФКМ).
Самой большой проблемой в этом случае является обеспечение необходимых защитных свойств волокнистыми материалами при допустимом сопротивлении воздушному потоку в тонком (толщиной 3 - не более 5 мм) слое. В этом случае используются только высокоактивные адсорбенты и хемосорбенты.
Данные требования обусловлены физиологическими возможностями человека и соответственно регламентируются стандартами на фильтрующие СИЗОД. Так, например, сопротивление фильтрующей полумаски класса FFP2 и FFP3 при объемной скорости постоянного потока 30 л/мин (ГОСТ Р 12.4.191-99) не должно превышать 70 и 100 Па соответственно.
Известны по патентам РФ RU №2068282, A62B 7/10, 1996, RU 2161338, G21F 9/02, 2000, RU 2185877, B01D 32/02, 2002, RU 2230610, B01J 20/20, 2004, RU 2281798, A62B 23/02, 2006 сорбирующие волокнистые материалы, применяемые для очистки воздуха при концентрациях до 5 норм предельно допустимой концентрации рабочей зоны (ПДК р.з.), внутри которых размещен порошкообразный сорбент: либо активированный уголь - для поглощения органических веществ, либо сода - для поглощения кислых газов, либо импрегнированный йодидом калия уголь - для поглощения радиоактивного йода. Недостатком известных материалов является то, что они не очищают воздух от монооксида углерода.
Известен по пат. RU 2153386, B01D 39/00, 2000, семислойный волокнистый сорбционно-фильтрующий защитный материал, содержащий слой, сорбирующий аэрозольные вещества, из перхлорвиниловых волокон и несколько газофильтрующих слоев из полимерных и/или углеродных волокнистых материалов. Данный материал не защищает от СО, обладая высоким сопротивлением, не может применяться в облегченных СИЗОД.
Известен фильтрующесорбирующий элемент для средств очистки воздуха вредных производств (пат. RU 2195993, B01D 39/14, 2003), обладающий способностью к защите от СО при концентрации 0.1 мг/л. Элемент выполнен из термопластичного полимера, в котором распределены частицы катализатора, скрепленные равномерно распределенными между ними частицами термопластичного полимера. Недостатком данного материала является то, что он изготавливается в форме таблеток или полых цилиндров и не может использоваться в системах сложной конфигурации, например в фильтрующих респираторах, имеющих чашеобразную форму.
3
2
Наиболее близким по техническому решению к предложенному материалу является сорбирующий материал фильтра по патенту RU №36238, A62B 23/02,2004, содержащий слой ионообменного волокнистого фильтрующего материала с воздухопроницаемостью 220-390 дм/(мс) и наполняющий его тонкоизмельченный катализатор окисления СО - гопкалит с размером частиц 20-40 мкм.
Недостатком данного фильтра является то, что данный сорбирующий материал фильтра с катализатором гопкалит:
а) неэффективен при использовании его во влажной атмосфере без дополнительного слоя осушителя, что приводит к ограничению его применения в объектах, имеющих малую толщину и ограничение по сопротивлению в динамических условиях, например, в фильтрующих полумасках массой до 50 г и толщиной не более 5 мм;
б) не способен прочно удерживать частицы катализатора размером 20-40 мкм в слое материала в динамических потоках, что приводит к их выдуванию в процессе использования, перераспределению частиц в слое при транспортировке и хранении, а это, в свою очередь, приведет к потерям катализатора и невозможности обеспечения высокого качества очистки и, как следствие, невозможности его использования, например, в респираторах.
Решаемой технической задачей и достигаемым техническим результатом является создание фильтрокаталитического материала, обладающего одновременно комплексом следующих полезных свойств:
- защита от монооксида углерода при концентрации 5-10 ПДК р.з. и аэрозолей,
- низкое аэродинамическое сопротивление, что позволяет использовать его, в частности, в респираторах в виде фильтрующей полумаски с сопротивлением воздушному потоку не более 100 Па при объемной скорости 30 л/мин (ГОСТ Р 12.4.191-99),
- способность удерживать частицы катализатора в слое фильтрокаталитического материала.
3
Технический результат достигается тем, что фильтрокаталитический материал содержит волокнистый каталитический слой (слой 1), состоящий из иглопробивного фильтровального материала (ИМ) поверхностной плотностью не более 220-250 г/м с равномерно распределенными в его объеме частицами порошкообразного (тонкоиз-мельченного) дисперсностью до 100 мкм палладийсодержащего катализатора низкотемпературного окисления монооксида углерода при повышенной влажности воздуха при отношении компонентов, мас.%:
катализатор -15-50,
ИМ - остальное,
который расположен между слоями из фильтрующего материала, выполненными из электростатически заряженных тонковолокнистых полимерных волокон (слои 2, 3).
Слои тонковолокнистого фильтрующего материала из электростатически заряженных полимерных волокон имеют одинаковое сопротивление или один слой имеет сопротивление 13-19 Па (слой 2), другой слой - 6-10 Па (слой 3) при линейной скорости воздушного потока 1 см/с. Слой фильтрующего материала из электростатически заряженных тонковолокнистых полимерных волокон с сопротивлением 6-10 Па может служить подложкой для каталитического слоя.
При концентрации катализатора в каталитическом слое ниже 15% происходит проскок монооксида углерода, при увеличении концентрации выше 50% фильтрующие слои должны обладать минимальным сопротивлением, что приводит к увеличению коэффициента проникновения аэрозоля.
Отличие и преимущество предложенного фильтрокаталитического материала (ФКМ) в сравнении с известным заключается в том, что используемый палладийсодержащий катализатор низкотемпературного окисления монооксида углерода показал достаточную активность при повышенной влажности воздуха, что позволяет использовать катализатор с частицами более крупной фракции (до 100 мкм, в прототипе 40-60 мкм), каталитический слой располагается между слоями тонковолокнистого фильтрующего материала, дополнительно удерживающими частицы катализатора при использовании материала в динамическом потоке воздуха. Слои тонковолокнистого фильтрующего материала обеспечивают также очистку воздуха от аэрозолей любой степени дисперсности.
Применение указанных признаков в предложенном материале позволяет достичь высокого качества очистки воздуха от монооксида углерода и аэрозолей при использовании этого материала для очистки воздуха в бытовых воздухоочистителях и в облегченных респираторах за счет полного исключения проскока аэрозолей и снижения концентрации монооксида углерода до допустимых норм и тем самым повысить надежность защиты.
Сущность изобретения подтверждается примерами 1-7, представленными в нижеследующей таблице.
2
Для испытаний брали катализатор по ТУ 2178-046-05784466-2007 (изготавливаемый по патенту RU 2267354, B01J 23/89, 2006), волокнистые материалы: для каталитического слоя - иглопробивной фильтровальный материал (например, материал из 100% полиэфирного волокна или волокнистый материл Геоком Д-160, материал арт. 073(200)-ФА-2,073(250), ФА-3) поверхностной плотностью 220-250 г/м, для фильтрующих слоев - материал из электростатически заряженных тонковолокнистых полимерных волокон с различным сопротивлением воздушному потоку (см. таблицу, примеры 1-7).
Коэффициент проникания (Кпр) по аэрозолю масляного тумана (МТ) с диаметром частиц 0.29-0.34 мкм и сопротивление материала определяли по ГОСТ 12.4.028-76.
3
3
Защитную эффективность по CO в динамических условиях оценивали по времени 50% снижения концентрации CO при влажности потока 70%, температуре 21+/-2°C, концентрации CO 200 мг/м. Испытания проводили на установке динамического типа "Динамика-4" при линейной скорости потока 2 см/с. Начальную и выходную, в мг/м, концентрацию оксида углерода определяли газоанализатором "Магнистор" (разработчик и изготовитель ООО «Мониторинг"). Допустимая основная погрешность ±20% с диапазоном измерений 0-50 РРМ.
Таблица
№ примера
Соотношение компонентов в слое 1, масс, %
Слои ФКМ
Сопротивление при скорости потока, Па
Кпр. МТ, %, не более
Защитная эффективность, мин
1 см/с
30 л/мин
1
катализатор - 15,4%,
Слой 1
-
Слой 2
15
ВМ - остальное
Слой 3
6
ФКМ
-
48+/-5
0.8
22+/-5
2
катализатор - 15,4%,
Слой 1
-
Слой 2
6
ВМ - остальное
Слой 3
6
ФКМ
-
38+/-5
1.0
20+/-5
3
катализатор - 27%,
Слой 1
-
Слой 2
15
ВМ - остальное
Слой 3
6
ФКМ
-
60+/-9
0.8
56+/-10
4
катализатор - 35%,
Слой 1
-
Слой 2
15
ВМ - остальное
Слой 3,
6
ФКМ
-
71+/-5
0.8
83+/-10
4
катализатор - 42%,
Слой 1
-
Слой 2
15
ВМ - остальное
Слой 3
6
ФКМ
-
79+/-5
0.8
112+/-15
5
катализатор - 46.6%,
Слой 1
-
-
Слой 2
15
-
ВМ - остальное
Слой 3
6
-
ФКМ
-
80+/-7
0.9
135+/-15
6
катализатор - 46.6%,
Слой 1
-
-
Слой 2
15
-
ВМ - остальное
Слой 3
15
-
ФКМ
-
99+/-5
0.8
133+/-15
7
катализатор - 52%
Слой 1
-
-
Слой 2
6
-
ВМ - остальное
Слой 3
6
-
ФКМ
-
89+/-5
2.8
139+/-15
Из данных таблицы видно, что увеличение времени защитного действия за счет введения большего количества катализатора увеличивает сопротивление, которое достигает предельного значения при содержании катализатора выше 50% (пример 7), уменьшение сопротивления слоев фильтрующего материалов до 6 Па (пример 7) приводит к увеличению коэффициента проникания тест-аэрозоля.
Таким образом предложен фильтрокаталитический материал, обеспечивающий защиту как от монооксида углерода, так и от аэрозолей, способный работать при повышенной влажности воздуха и обеспечивающий удовлетворительное удерживание катализатора в слое.
На основе предлагаемого фильтрокаталитического материала изготовлены респираторы. Проведены лабораторные и эксплуатационные испытания в и на рабочих местах сотрудников ДПС ГИБДД. Респираторы получили положительную оценку при их опытной носке.
Планируется дальнейшее производство материала и его использование.