Фильтрующий материал и средство индивидуальной защиты на его основе
FILTER MATERIAL AND PERSONAL PROTECTIVE EQUIPMENT BASED ON IT

Группа изобретений относится к многослойным фильтрующим материалам для очистки жидкости или газа, которые могут применяться в системах очистки жидкости, например воды из различных источников, в том числе питьевой воды, системах вентиляции или очистки воздуха или для изготовления средств индивидуальной и коллективной защиты, и к средствам индивидуальной защиты, в том числе средствам индивидуальной защиты органов дыхания, изготовленным на основе фильтрующих материалов.
Фильтрующие материалы для очистки различных жидкостей, например воды или масла, и/или газов, например воздуха, а также средства индивидуальной защиты на основе их известны из уровня техники. Основными требованиями к фильтрующим материалам являются высокая эффективность (материал должен сорбировать максимальное количество примесей) и длительный срок службы (ресурс). Из уровня техники известны фильтрующие материалы с длительным сроком службы при низкой эффективности и высокоэффективные материалы, срок службы которых ограничен, так как материал относительно быстро забивается примесями и перестает работать.
Из уровня техники известен многослойный фильтрующий материал для очистки жидкости по патенту US 3780872 (заявитель Pall Corp, приоритет 27.05.1968, МПК B01D 27/06). Материал по патенту US 3780872 представляет собой полотно из нескольких слоев, где каждый слой выполнен из рядов волокон, переплетенных между собой. Волокно каждого последующего ряда в полотне зацепляется за волокно предыдущего ряда, при этом в патенте заявлены два вида переплетения – внахлест и в обхват, последнее крепче плетения внахлест в 4 раза. Для получения фильтрующего материала слои укладывают друг на друга, чередуя слои с разным плетением, и помещают под пресс, при этом происходит смещение слоев друг относительно друга. Поскольку слои пористые, то и каналы внутри них смещаются также, формируя извилистые пути для прохождения жидкости. При этом их размеры при сжатии уменьшаются и становятся равными примерно 50 мкм. В качестве материала для получения волокна может быть использована проволока из металлов, устойчивых к коррозии и инертных для фильтруемой среды. В рамках отличительных признаков материал по патенту работает следующим образом: очищаемая жидкость последовательно проходит слои материала, при этом происходит очистка жидкостей от механических примесей, размер которых больше, чем поры слоев. Недостатком материала по патенту US 3780872 является высокая себестоимость (так как использованы металлические волокна) при низкой эффективности очистки (материал позволяет удалять только относительно крупные механические примеси, сорбированные примеси указанный материал не удаляет). Кроме этого, отсутствует возможность наполнения таких слоев сорбентами, так как при прессовании их структура будет повреждена, а поскольку металлическая проволока инертна, то крепление к волокнам сорбента практически невозможно и будет происходить вымывание сорбента в процессе фильтрации.
Из уровня техники известен фильтрующий материал для очистки воздуха по патенту US 7691168 (заявитель 3M Innovative Properties Company, приоритет 10.10.2006, МПК B01D 24/00, D01D 5/20, H05H 1/26, A62B 7/10, B03C 3/00). Фильтрующий материал состоит из двух слоев – тонкофильтрующего гидрозаряженного волокнистого слоя, способного улавливать частицы размерами до нескольких мкм, и грубофильтрующей подложки из крупнопористого материала. Тонкофильтрующий гидрозаряженный волокнистый слой состоит из переплетенных волокон размером от 12 до 300 мкм, от 25 до 200 мкм, от 50 до 150 мкм, которые предварительно помещают в полярную жидкость, например воду, спирты, кетоны или их смеси, и высушивают в условиях, обеспечивающих зарядку поверхности волокон. В рамках отличительных признаков фильтрующий материал работает следующим образом: воздух последовательно проходит через подложку, которая механически удаляет крупные примеси, после чего воздух проходит через тонкофильтрующий гидрозаряженный волокнистый материал, который механически и за счет электростатических сил удаляет мелкие примеси из воздуха. Фильтрующий материал по патенту US 7691168 может быть использован для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания, например в респираторах. Фильтрующий материал по патенту US 7691168 имеет недостаток, а именно заряженную поверхность, так как с течением времени заряд может утратить свою силу и фильтрующий материал потеряет свою эффективность. Также существенным недостатком указанного материала является то, что он неэффективен в отношении мелких примесей, которые не имеют поверхностного заряда. Таким образом, основным недостатком данного материала является низкая эффективность.
Из уровня техники известен фильтрующий материал Ahlstrom Disruptor 5283 (производитель Ahlstrom-Munksjo, Швеция, https://www.wasser-primus.com/wp-content/uploads/Grayl-Filtration-Alstrom-Disruptor-Presentation-2011-1.pdf), выбранный заявителем в качестве наиболее близкого аналога для фильтрующего материала. Этот фильтрующий материал состоит из макроволокон, например стеклянных, покрытых слоем бемита (оксогидроксида алюминия), которые вводят в композицию волокнистого материала при изготовлении нетканого полотна. Полученный материал прокладывают между слоями спанбонда для увеличения прочности. Длина макроволокон, покрытых бемитом, варьируется от 2 до 250 нм. Кристаллическая структура бемита создает электрокинетический потенциал на поверхности волокон. Материал Ahlstrom Disruptor 5283  представляет собой многослойную пористую структуру. В рамках заявляемых признаков указанный фильтрующий материал работает следующим образом: очищаемая жидкость проходит через слой материала, при этом происходит очистка жидкости от примесей. Основным недостатком указанного материала является то, что эффективность материала связана с электрокинетическим потенциалом на поверхности волокон, в процессе сорбции примесей на материале потенциал меняется, то есть материал перестает сорбировать примеси, таким образом, указанный материал имеет низкий срок службы.
Из уровня техники известен фильтрующий материал по патенту US 4976858 (заявитель Toyo Roki Kabushiki Kaisha, приоритет 01.02.1990, МПК B01D39/14), выбранный заявителем в качестве наиболее близкого аналога фильтрующего материала. Фильтрующий материал по патенту US 4976858 состоит из по меньше мере двух приплавленных друг к другу слоев различной плотности, которые жидкость или газ проходят последовательно. Первый слой изготовлен из нетканого волокнистого материала и является грубофильтрующим и более плотным, чем второй. Второй слой изготовлен из фильтровальной бумаги и является тонкофильтрующим. Между слоями могут дополнительно располагаться вспомогательные слои различной плотности. Фильтрующий материал предназначен для механической фильтрации жидкостей, в рамках отличительных признаков указанный многослойный фильтрующий материал работает следующим образом: очищаемая жидкость последовательно проходит указанные слои, при этом при прохождении первого слоя механически удаляются крупные примеси, а при прохождении второго слоя – мелкие примеси. Фильтрующий материал по патенту US 4976858 имеет существенный недостаток, так как может только механически очищать жидкость, растворенные примеси указанный материал не удаляет. Кроме этого, недостатком указанного материала является то, что отсутствует возможность наполнения таких слоев какими-либо сорбентами; так как сорбент может быть закреплен на слоях только за счет механических сил (шероховатости поверхности сорбента и слоев), то в процессе фильтрации сорбент будет вымываться потоком жидкости. Таким образом, основным недостатком данного материала является низкая эффективность.
Из уровня техники известно средство индивидуальной защиты по патенту EP 2376168 (заявитель Intersurgical S.P.A., приоритет 03.12.2008, МПК A61M 16/06, A 62B 17/04), которое выполнено в виде шлема, состоящего из корпуса из преимущественно прозрачного полимерного материала с отверстиями для входа и выхода воздуха, воротника из эластичного полимерного материала и жесткого воротника – подложки. Вход для воздуха может быть подключен к стационарному или переносному источнику кислорода, что является недостатком данного средства индивидуальной защиты, так как существенно органичивает область его применения.
Из уровня техники известно средство индивидуальной защиты по патенту на полезную модель RU65385 (заявитель Закрытое акционерное общество "Северо-Западный научно-технический центр "Портативные средства индивидуальной защиты" имени А.А. Гуняева", приоритет 28.03.2007, МПК A62B 15/00, A62B 17/04). Средство индивидуальной защиты представляет собой шлем, состоящий из корпуса из преимущественно прозрачного полимерного материала и юбки, герметично присоединенной своей верхней кромкой к кромке горловины шлема. В области расположения органов дыхания пользователя в юбке выполнено отверстие,  в котором установлен клапан выдоха. Юбка может быть выполнена из волокнистого полимерного фильтрующего материала или из волокнистого полимерного фильтрующего материала типа фильтра Петрянова, наполненного порошкообразными сорбентами, а также из ионообменного волокнистого фильтрующего материала или из активированного углеродного волокнистого материала, обладающего сорбирующими свойствами. Дополнительно средство индивидуальной защиты может быть снабжено защитной полумаской из сорбционно-фильтрующего материала, присоединенной к юбке с помощью клапана выдоха. В рамках отличительных признаков указанное средство индивидуальной защиты работает следующим образом. При выполнении пользователем вдоха клапан выдоха закрыт и в пространстве под защитным капюшоном возникает разрежение. Под действием разрежения под юбкой загрязненный воздух проходит через фильтрующий материал юбки, очищаясь в нем только от аэрозолей или от аэрозолей и газов и паров, и попадает в пространство под юбкой. Под действием разрежения под полумаской воздух, предварительно очищенный материалом юбки, проходит через фильтрующий материал полумаски, дополнительно очищаясь, попадает в пространство под полумаской и поступает к органам дыхания пользователя. При выполнении пользователем выдоха под действием избыточного давления в пространстве под полумаской открывается клапан выдоха, и выдыхаемый воздух через клапан выдоха удаляется наружу. Средство индивидуальной защиты по патенту на полезную модель RU65385 имеет следующие недостатки. Первый из них то, что в процессе фильтрации капли влаги, содержащие микроорганизмы, механически удерживаются фильтрующим материалом, и далее микроорганизмы могут существовать и развиваться внутри материала, в этом случае, средство индивидуальной защиты становиться потенциальным источником заражения для пользователя. Во-вторых, фильтрующий материал имеет низкий срок службы, то есть требуется частая замена фильтрующих элементов средства индивидуальной защиты. Также недостатком наиболее близкого аналога является то, что выдыхаемый воздух возвращается в окружающую среду без очистки, то есть если пользователь может быть источником микробиологического загрязнения, то средство индивидуальной защиты не препятствует попаданию этого загрязнения от пользователя в окружающую среду.
Из уровня техники известно средство индивидуальной защиты по патенту US 4620538 (заявитель The United States of America as represented by Secretary of Air Force, приоритет 19.03.1985, МКП А61Н 31/00), выбранное заявителем в качестве наиболее близкого аналога для средства индивидуальной защиты. Средство индивидуальной защиты по патенту US 4620538 выполнено в виде шлема, состоящего из корпуса из преимущественно прозрачного полимерного материала с отверстиями для входа кислорода и выхода для выдуваемого воздуха, эластичного раздуваемого воротника и двух регулировочных колец. Выход воздуха снабжен невозвратным клапаном, который предохраняет внутреннее пространство шлема от попадания туда воздуха из окружающей среды. В рамках отличительных признаков указанное средство индивидуальной защиты работает следующим образом: пользователь надевает шлем и регулирует размер раздувного воротника, обеспечивая герметичное прилегание воротника к шее. В момент вдоха кислород поступает внутрь шлема через отверстие для входа, а выдыхаемый воздух выводится из внутреннего пространства шлема через клапан выходного отверстия в окружающую среду. Основными недостатками данного изобретения являются отсутствие фильтрующих материалов и зависимость изобретения, а значит, и пользователя от наличия доступа к источникам кислорода. Кроме того, данное изобретение не очищает выдыхаемый пользователем воздух, перед возвратом в окружающую среду.
Задачей группы изобретений и техническим результатом, достигаемым за счет решения задачи, является разработка нового фильтрующего материала для очистки жидкости и газа, обладающего высокой эффективностью поглощения примесей и одновременно длительным сроком службы, и средства индивидуальной защиты на его основе, одновременно защищающего как пользователя от окружающей среды, так и окружающую среду от пользователя.
Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что фильтрующий материал для очистки жидкости или газа, состоящий из по меньшей мере двух слоев, которые жидкость или газ последовательно проходят, где первый грубофильтрующий слой изготовлен на основе нетканого волокнистого материала, а второй – тонкофильтрующий слой изготовлен на основе фильтровальной бумаги и/или фильтровального картона, выполнен с возможностью сорбционной очистки жидкости или газа, при этом первый грубофильтрующий слой содержит частицы размером от 2 до 500 мкм, предпочтительно от 5 до 200 мкм, по меньшей мере одного вида сорбента, удерживаемые в структуре нетканого волокнистого материала преимущественно за счет механических сил, а второй тонкофильтрующий слой содержит частицы размером от 0,05 до 20 мкм, предпочтительно от 0,2 до 5 мкм, по меньшей мере одного мелкодисперсного сорбента, удерживаемые в структуре фильтровальной бумаги и/или фильтровального картона преимущественно за счет адгезионных сил. При этом в качестве сорбентов для первого грубофильтрующего слоя применяются, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, активированные угли, активированные угольные волокна, волокнистые иониты, например, на основе полиакрилонитрила, природные ископаемые угли, силикагели, алюмогели, алюмосиликаты, диатомит, ионообменные смолы, хитин, хитозан, сорбенты на основе оксидов и гидроксидов металлов или смеси указанных сорбентов, а в качестве мелкодисперсных сорбентов для второго тонкофильтрующего слоя применяются, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, активированные угли, активированные угольные волокна, волокнистые иониты, например, на основе полиакрилонитрила, природные ископаемые угли, силикагели, алюмогели, алюмосиликаты, диатомит, сорбенты на основе оксидов и гидроксидов металлов или смеси указанных сорбентов. Кроме того, фильтровальная бумага и/или фильтровальный картон второго тонкофильтрующего слоя представляет собой композит, содержащий предпочтительно до 50% волокон на основе целлюлозы, может дополнительно содержать до 30% селективного волокнистого ионита и от 0,001 до 2%, предпочтительно от 0,004 до 0,1%, флокулянта, который может быть нейтральный, катионный, анионный или катионно-анионный, например, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, поливиниловый спирт, полиоксиэтилены, полиакриламиды, полиакрилаты, полиметакрилаты, частично гидролизованные полиакриламиды. При этом второй тонкофильтрующий слой имеет увеличенную поглощающую способность для удержания пылеобразных частиц сорбента, вымываемых или выветриваемых из первого слоя в начале процесса фильтрации, а поверхность первого грубофильтрующего слоя более шероховатая, чем поверхность второго тонкофильтрующего слоя, при этом обеспечивается преимущественно равномерное растекание жидкости при выходе из первого грубофильтрующего слоя и входе на второй тонкофильтрующий слой. Кроме того, по меньшей мере один из слоев может быть гофрированным, а также материал может дополнительно содержать один и более фильтрующих слоев, расположенных до или после первого слоя, или после второго слоя, выполненных из, например, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, спанбонда, углеродного нетканого волокна, сетчатого полимерного материала, например разделительной пористой полимерной сетки или фибрилированной пористой пленки, графеновой сетки. Также поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что фильтрующий материал для очистки жидкости или газа может применяться для изготовления средств индивидуальной защиты, в том числе, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, масок для защиты органов дыхания различной конфигурации, а средство индивидуальной защиты на его основе выполнено в виде шлема, состоящего из корпуса из преимущественно прозрачного полимерного материала с отверстиями для входа и выхода воздуха, воротника из эластичного полимерного материала, и содержит по меньшей мере одно средство циркуляции воздуха, при этом отверстия для входа и выхода воздуха снабжены фильтрами, выполненными из заявленного фильтрующего материала, при этом входной фильтр направлен в окружающую среду первым грубофильтрационным слоем фильтрующего материала, а выходной фильтр – вторым тонкофильтрующим слоем фильтрующего материала. При этом средство цикруляции воздуха выполнено в виде, например, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, компрессора, насоса или вентилятора. Кроме того, средство индивидуальной защиты может дополнительно содержать мембранный клапан, выполненный с возможностью потребления воды и жидкой пищи без снятия средства индивидуальной защиты, а воротник из эластичного полимерного материала выполнен с возможностью регулировки размера путем подачи воздуха во внутреннюю полость указанного воротника.
Раскрытие сущности группы изобретения поясняется чертежами:
На фигуре 1 представлено схематичное изображение структуры фильтрующего материала.
На фигурах 2–4 представлен пример внешнего вида средства индивидуальной защиты с разных ракурсов.
На фигуре 5 представлена фотография внешнего вида грубофильтрующего и тонкофильтрующего слоев после испытаний по фильтрации коллоида железа.
На фигуре 6 (6-1, 6-2) представлены экспериментальные данные, где 6-1 – график зависимости перепада давления от массы поглощенного коллоидного железа на единицу площади материала; 6-2 – график зависимости эффективности отсечения коллоидного железа от объема пропущенного модельного раствора на единицу площади материала.
Фильтрующий материал для очистки жидкости или газа состоит, предпочтительно, из двух обязательных слоев, которые последовательно проходят очищаемые жидкость или газ. При этом по меньшей мере один из слоев может быть гофрированным.
Первый слой – грубофильтрационный – изготовлен на основе нетканого волокнистого материала, например гидрофобных полиолефиновых волокон с диаметром волокна от 5 до 30 мкм, и наполнен частицами размером от 2 до 500 мкм, предпочтительно от 5 до 200 мкм, по меньшей мере одного вида сорбента. Материал первого слоя получают методом аэроформования из волокон, полученных выдавливанием через фильеру расплава полимера в поток транспортируемого газа при одновременной подаче гранулированного или порошкообразного сорбента. При этом частицы сорбента не только цепляются за поверхность волокон, но и под действием высоких температур частично сплавляются с волокнами и таким образом механически прикрепляются к ним. В качестве сорбентов для первого грубофильтрующего слоя применяются, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, активированные угли, активированные угольные волокна, волокнистые иониты, например, на основе полиакрилонитрила, природные ископаемые угли, силикагели, алюмогели, алюмосиликаты, диатомит, ионообменные смолы, хитин, хитозан, сорбенты на основе оксидов и гидроксидов металлов или смеси указанных сорбентов. Указанные сорбенты могут быть дополнительно обработаны бактерицидной добавкой, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, соединения серебра.
Второй слой – тонкофильтрующий – представляет собой композитный материал, до 50% состоящий из целлюлозных волокон с длиной волокна от 0,5 до 3 мм, диаметром от 5 до 30 мкм, предпочтительно от 5 до 25 мкм, из селективного волокнистого сорбента (доля не более 30% от общей массы), ультрадисперсных частиц сорбента размером от 1 до 25 мкм, предпочтительно 2 до 20 мкм, а также флокулянта в количестве от 0,001 до 2%, предпочтительно от 0,004 до 0,1 %. В качестве ультрадисперсных частиц сорбента для второго тонкофильтрующего слоя применяются, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, активированные угли, активированные угольные волокна, волокнистые иониты, например, на основе полиакрилонитрила, природные ископаемые угли, силикагели, алюмогели, алюмосиликаты, диатомит, сорбенты на основе оксидов и гидроксидов металлов или смеси указанных сорбентов. Указанные сорбенты могут быть дополнительно обработаны бактерицидной добавкой, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, соединения серебра. Флокулянт может быть нейтральный, катионный, анионный или катионно-анионный, например, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, поливиниловый спирт, полиоксиэтилены, полиакриламиды, полиакрилаты, полиметакрилаты, частично гидролизованные полиакриламиды. Поскольку материал второго слоя состоит по большей части из целлюлозных волокон, то его получают методом отливки с последующей сушкой и прессованием. Ультрадисперсные частицы закрепляются на волокнах за счет по большей части адгезионных сил. Помимо всего вышеперечисленного, материал второго слоя способен сорбировать пылеобразные частицы сорбента, вымывающиеся или выветривающиеся из первого слоя в процессе фильтрации.
Полученный фильтрующий материал обладает гидрофильно-гидрофобными свойствами. В основном эти свойства обеспечиваются за счет волокон разного типа. В первом слое преобладают гидрофобные волокна, во втором слое – гидрофильные. Гидрофильно-гидрофобные свойства сорбента обеспечивают повышенную эффективность при очистке от гидрофильно-гидрофобных примесей, например вирусов, при этом заявляемый материал является предпочтительно бактериостатичным.
Первый слой имеет более шероховатую поверхность, чем второй слой. Степень шероховатости поверхности слоя определяется соотношением диаметра волокон и размера частиц сорбента. В первом слое диаметр волокон составляет от 5 до 30 мкм, а размер частиц от 2 до 500 мкм, предпочтительно от 5 до 200 мкм. Для второго слоя диаметр волокон от 5 до 30 мкм, предпочтительно от 5 до 25 мкм, а размер частиц сорбента от 1 до 25 мкм, предпочтительно 2 до 20 мкм. Таким образом, шероховатость поверхности первого слоя по меньше мере на порядок больше, чем шероховатость второго слоя, что обеспечивает распределение потока жидкости после выхода из первого слоя перед входом во второй, таким образом, даже в случае, когда крупными механическими загрязняющими примесями забита часть пор первого слоя, второй слой полностью участвует в процессе фильтрации. В случае блокирования части материала первого слоя примесями все каналы второго слоя остаются открытыми для прохождения жидкости или газа. Таким образом, во время процесса очистки частично или полностью работает объем первого слоя и весь объем второго слоя фильтрующего материала, повышая степень и скорость очистки жидкости.
Кроме указанных двух обязательных слоев фильтрующий материал для очистки жидкости или газа может дополнительно содержать один и более вспомогательных фильтрующих слоев, расположенных до или после первого слоя, или после второго слоя, выполненных из, например, но не ограничиваясь только перечисленными вариантами, спанбонда, углеродного нетканого волокна, сетчатого полимерного материала, например разделительной пористой полимерной сетки или фибрилированной пористой пленки, графеновой сетки.
В рамках отличительных признаков указанный фильтрующий материал работает следующим образом. Очищаемые жидкость или газ поступают в первый слой, где происходит первая стадия очистки. Так как средний размер частиц сорбента первого слоя предпочтительно больше среднего диаметра волокон первого слоя, то первый слой имеет развитую поверхность (большое количество пор) и обладает высокой грязеемкостью и способностью медленно сорбировать растворенные примеси. После прохождения первого слоя очищаемые жидкость или газ перетекают во второй слой, при этом в случае очистки жидкости при выходе из первого слоя и входе во второй происходит равномерное растекание жидкости. Во втором слое происходит вторая стадия очистки жидкости или газа. Второй слой также имеет развитую поверхность (большое количество пор) и одновременно частицы сорбента второго слоя обладают высокой кинетической способностью сорбировать растворенные примеси. Кроме того, в случае, если потоком очищаемой жидкости или газа из первого слоя вымываются или выветриваются пылеобразные частички сорбента, второй слой блокирует прохождение этих частиц дальше к пользователю. Из второго слоя пользователю поступает очищенная жидкость или очищенный газ.
Указанная выше схема работы материала подтверждена в том числе экспериментальными данными. На фигуре 5 представлена фотография внешнего вида слоев материала после испытаний по фильтрации коллоида железа. Фильтрующий материал после окончания испытания был разделен на слои и сфотографирован послойно, при этом на фотографии (фигура 5) грубофильтрующий слой расположен сверху, а тонкофильтрующий снизу. На фотографии (фигура 5) видно, что превалирующее количество частиц гидроксида железа было поглощено первым грубофильтрующим слоем, в то время как вторым тонкофильтрующим слоем были задержаны самые мелкие частицы, миновавшие первый грубофильтрующий слой.
То, что второй слой материала улавливает пылеобразные частицы сорбента, вымываемые из первого слоя, является преимуществом материала по сравнению с вариантом использования материала наиболее близкого аналога, наполненного известным из уровня техники сорбентом. В случае наиболее близкого аналога удержание сорбента будет осуществляться только за счет механических сил, и сорбент будет вымываться в процессе фильтрации, что, во-первых, снизит эффективность такой комбинации, а во-вторых, ухудшит потребительские свойства, так как очищенные жидкость или газ будут содержать частички сорбента. В случае фильтрации газа наличие частичек сорбента в очищенном газе ограничивает применение материала в средствах индивидуальной защиты, таким образом, подтверждается, что указанный материал является именно новым материалом, а не комбинацией аналога с известными в уровне техники сорбентами.
2
Эффективность заявляемого фильтрующего материала при очистке жидкости подтверждена сравнительными испытаниями по отсечению коллоидного железа на экспериментальных модулях высотой 100 мм, выполненных в виде радиально фильтрующего модуля со стандартным карбонблоком в центре и гофрированной обмоткой из различных вариантов фильтрующих материалов, а именно: спанбонда с поверхностной плотностью 100 г/м (материал полипропилен, производитель ООО "Конгломерат", Россия) (указанный материал выбран в качестве известного из уровня техники и распространенного на рынке фильтрующего материала с длительным сроком службы), материал Ahlstrom Disruptor 5283 (производитель Ahlstrom-Munksjo, Швеция) (указанный материал выбран в качестве известного из уровня техники и распространенного на рынке фильтрующего материала с высокой эффективностью очистки), первый грубофильтрующий слой отдельно, второй тонкофильтрующий слой отдельно, заявляемый композиционный фильтрующий материал. Список протестированных образцов представлен в таблице 1.
Поскольку материал по патенту US 4976858 на рынке не представлен, то для подтверждения достижения технического результата заявленный фильтрующий материал был сопоставлен с известными из уровня техники материалами с высокой эффективностью очистки и длительным сроком службы.
3
3
Испытания проводились на испытательном стенде с автоматической подачей модельного раствора коллоидного гидроксида железа концентрации 60 ± 10 мг/дм (в пересчете на железо) и постоянным объемным расходом 1000 см/мин.
В ходе тестирования фиксировались перепад давления (до величины 400 кПа) и эффективность отсечения коллоидного железа. Определение общего железа производили спектрофотометрическим методом.
Для сравнительной оценки нарастания перепада давления для материалов, имеющих различную геометрию, производился пересчет в единицы объема пропущенного модельного раствора на единицу площади материала.
Эффективность поглощения коллоида железа проводили по формуле:
,
где E,% – эффективность поглощения коллоида железа, %; Сисх – концентрация модельного раствора коллоидного железа; Сфильтр – концентрация железа в фильтрате после очистки.
Результаты тестирования приведены в таблице 1 и на фигуре 6, где 6-1 – график зависимости перепада давления от массы поглощенного коллоидного железа на единицу площади материала, 6-2 – график зависимости эффективности отсечения коллоидного железа от объема пропущенного модельного раствора на единицу площади материала.
Сравнительные испытания продемонстрировали, что фильтрующий материал, состоящий из сочетания последовательных грубофильтрующего и тонкофильтрующего слоев, обладает по сравнению с традиционными предфильтрующими материалами и отдельными слоями сочетанием высокой эффективности отсечения примесей и низкого сопротивления потоку. Низкое сопротивление потоку жидкости означает, что фильтрующий материал забивается медленно, а значит, имеет длительный срок службы. Таким образом, заявленный материал одновременно обладает высокой эффективностью и длительным сроком службы, то есть экспериментальные данные подтверждают достижение технического результата.
Как было сказано ранее, заявляемый фильтрующий материал может быть использован в средствах индивидуальной защиты.
Средство индивидуальной защиты (фигура 2 – 4) выполнено в виде шлема и состоит из корпуса (1), изготовленного из преимущественно прозрачного полимерного материала, с отверстиями для входа (2) и выхода (3) воздуха, воротника (4) из эластичного полимерного материала, средства циркуляции воздуха (6). Дополнительно средство индивидуальной защиты может содержать блок питания (на фигурах не представлен) и блок управления (5). В отверстиях для входа (2) и выхода (3) воздуха размещены фильтры (7 и 8), выполненные из заявляемого фильтрующего материала. Входной фильтр (7) направлен в окружающую среду первым грубофильтрационным слоем фильтрующего материала, а выходной фильтр (8) – вторым тонкофильтрующим слоем фильтрующего материала. Средство циркуляции воздуха (6) может быть выполнено в виде, например, но не ограничиваясь перечисленными вариантами, компрессора, насоса или вентилятора.
Размер воротника (4), изготовленного из эластичного полимерного материала, регулируется путем подачи воздуха во внутреннюю полость указанного воротника (4).
Средство индивидуальной защиты органов дыхания работает следующим образом. Пользователь надевает средство на голову и накачивает воротник (4) до нужного размера, герметично закрепляя средство вокруг шеи. При включении пользователем заявляемого устройства средство циркуляции воздуха (6) начинает подавать воздух через входной фильтр (7). Фильтрующий материал при этом работает следующим образом. Воздух проходит последовательно первый, а затем второй слои материала, очищаясь от механических и других примесей. При вдыхании/выдыхании пользователем воздуха, который представляет собой аэрозоль, частицы аэрозоля попадают внутрь материала и благодаря его гидрофобно-гидрофильным свойствам удерживаются в нем. При этом влага высушивается за счет работы средства циркуляции воздуха, а загрязняющие вещества остаются на поверхности гранул сорбента. За счет перечисленных выше свойств фильтрующего материала очистка жидкости или, в описываемом случае, газа происходит быстрее и эффективнее, чем в фильтрующем материале ближайшего аналога. В процессе работы средства отработанный воздух выводится через выходное отверстие (3), оснащенное выходным фильтром (8) в окружающую среду.
Преимуществом заявляемого средства индивидуальной защиты является то, что фильтрующий материал обладает высокой эффективностью и способен сорбировать в том числе вирусы. Как было сказано ранее, заявляемый фильтрующий материал предпочтительно бактериостатичен, а значит, снижается риск развития микроорганизмов и вирусов на поверхности фильтрующего материала, таким образом, средство индивидуальной защиты на основе указанного фильтрующего материала является безопасным в обслуживании (нет опасности бактериологического заражения при замене фильтрующего материала в средстве индивидуальной защиты).
Поскольку заявленное средство защиты имеет как входной, так и выходной фильтр, а средство циркуляции воздуха обеспечивает однозначное движение потоков, то выдыхаемый пользователем воздух в обязательно порядке проходит через выходной фильтр, то есть средство индивидуальной защиты защищает не только пользователя от окружающей среды, но и окружающую среду от пользователя, таким образом, обеспечено достижение технического результата.
В настоящем описании изобретения представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения. В нем могут быть сделаны изменения в пределах заявляемой формулы, что дает возможность его широкого использования.