Перспективные полимерные волокнистые материалы для очистки воздуха

with activation energy 103,89+0,10 kJ/mol. Described the kinetic equation of Tc02 reducing by hydrogen at the temperature spacing 700-790 °C.

УДК 697.942.001.2

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

В.В. Бордунов, C.B. Бордунов, A.C. Ситников*, И.А. Соболев

Институт химии нефти СО РАН (г. Томск), Томский государственный педагогический университет

В работе представлены экспериментальные исследования очистки воздуха волокнистыми материалами, полученными из отходов термопластов на установке безфильерного формования волокон. Экспериментальные исследования показали, что волокнистый филыр способен работать в широком диапазоне скоростей фильтрации. Предлагаемые волокнистые материалы по своим физико-химическим характеристикам выгодно отличаются от традиционно применяемых материалов и поэтому могут быть рекомендованы для использования в системах очистки воздуха от широкого круга загрязнителей природного и антропогенного происхождения.

Одной из важных задач в обеспечении радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды предприятий атомной промышленности является очистка воздуха производственных, помещений и вентиляционных систем. В настоящее время широкое применение на предприятиях атомной промышленности нашли волокнистые полимерные фильтрующие материалы для очистки воздуха от дисперсных частиц и аэрозолей. Фильтрующие полимерные материалы применяются в системах газоочистки перед выбросом газов в атмосферу и в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД).

Фильтрация - один из наиболее широко применяемых методов очистки загрязненных газовых выбросов при умеренных затратах. Данный метод остается вне конкуренции для обеспечения высокой эффективности улавливания очень мелких дисперсных частиц и аэрозолей, которые могут сорбировать на своей поверхности радионуклиды. Сравнительные данные по газоочистке приведены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика основного оборудования газоочистки

Вид газоочистного Скорость газа Эффективность очистки (%) Гидравличе-

п/п оборудования в активной частиц размером, мкм ское сопро-

зоне, м/с До 1 мкм 1 -3 мкм 3*10мкм тивление, КПа

1 Электрофильтр 0,3 И,5 75-95 90-99 98*99 0,1*0,3

2 Скруббер Вентури 504-150 90-97 95-100 98*100 5*20

3 Волокнистые фильтры:

-низконапорные 0,01-0,1 92-99 96-100 100 0,5*5,0

-высокоскоростные 1*10 50-85 85*97 95*100 1,5*8,0

4 Сетчатые пакеты 2,5-4,5 20-40 70-90 90*98 0,2*1,0

Из приведенных данных видно, что низконапорная фильтрация газовых смесей с помощью волокнистых полимерных материалов является наиболее эффективным способом газоочистки.

При фильтрации загрязненных газов через слой волокнистого материала улавливание дисперсных частиц и аэрозолей происходит вследствие эффекта касания, 222

инерционного и диффузионного осаждения, которые эффективны до появления на фильтрующей перегородке слоя осадка дисперсных частиц. При появлении на фильтрующей перегородке осадка доминирующим становится ситовой эффект. В этой ситуации определяющими факторами являются размеры дисперсных частиц и размеры пор осадка. По этой причине материалы для волокнистого фильтрующего слоя выбирают таким образом, чтобы они имели минимальную стоимость и допускали использование в интервале от минус 50 до плюс 90 °С.

В настоящее время в качестве фильтров чаще всего применяются полимерные волокнистые материалы, которые по сравнению с другими материалами на растительной основе обладают большей химической стойкостью и применяются в более широком интервале температур и рН среды, а также имеют низкую влагоемкость и высокую устойчивость к бактериальному воздействию.

Таблица 2

Ос н о в н ы е с во й ств а волокнистых нетканых материалов

Материал Влагопоглощение, % Температура Стойкость к Стойкость к

длительной кислотам щелочам

эксплуат., К

Полипропилен 0,02 346 Отличная Отличная

Полиэфир 3-5 393

Полиакрилат 4,5-6 399

Хлопок 60-125 341 Плохая Отличная

Полимерные волокна по своей внутренней структуре и физико-химическим свойствам отличаются от натуральных значительной ориентацией макромолекул вдоль оси волокна, гидрофобностью и сравнительно небольшим числом активных центров.

Для тонкой очистки вентиляционных выбросов используются ячейковые фильтры ФяУ. Между его рамками помещается объемный нетканый фильтрующий материал ФВНР и складчатые ячейковые фильтры ЛАИК, которые заполняются фильтрующим волокнистым материалом ФПП. Полимерный волокнистый материал ФВНР представляет собой нетканый материал из полиэтиленовых или полипропиленовых волокон диаметром 25-40 мкм. Фильтрующие материалы типа ФПП (фильтры Петрянова), изготовленные из материала ФПП-15-1,7 из волокон перхлорвинила диаметром от 1,5 до 2,5 мкм по ТУ 16-16-2813-84, используются в фильтрах тонкой очистки и для производства СИЗОД типа "Лепесток".

Производство фильтров и фильтрующих материалов после распада СССР осталось в странах Балтии и на Украине (г. Белгород-Днестровский), что вызвало проблему обеспечения российских предприятий экономически приемлемыми фильтрующими материалами и фильтрами.

Нами предложен способ получения волокнистого материала из исходных и вторичных термопластов. Суть его заключается в образовании пленки расплава термопласта внутри вращающегося реактора и формировании волокон из пленки расплава на кромке этого реактора. От известных способов он отличается тем, что нагревание расплава термопласта до необходимой вязкости обеспечивается пленочным режимом течения, осуществляемым внутри вращающегося реактора с линейной скоростью на кромке свыше 10 м/с, путем нагревания его стенок, а расплавленное волокно на выходе из реактора охлаждается потоком воздуха [1]. Предложенный нами центробежно-аэродинамический способ получения волокна обуславливает расположение слоев волокон параллельно поверхности формообразующей оправки. По глубине образца волокнистого материала также имеются переплетения. Такую структу-

ру по общепринятому мнению следует считать неориентированной [2]. При этом элементарные волокна характеризуются извилистостью и разновеликостью по толщине. В материале имеются поры сложной геометрии, размеры которых определяются множеством технологических, физико-химических и рядом других факторов. Материал отличается высокой механической прочностью за счет взаимодействия между волокнами.

Волокнистые материалы были получены при различной температуре расплава и различной скорости вращения реактора, что определяло различный средний диаметр волокна и другие физико-механические свойства получаемого сорбента.

Образцы волокон из термопластов в основном из полипропилена марок 21030-16 21060-16, отходов одноразовых шприцов, а также из полиэтилентерефта-лата (лавсановых бутылок) были получены на опытной установке с центробежно-аэродинамическим способом получения волокна (рис. 1).

Рис. 1. Схема производства волокнистых сорбентов из термопластов.

7-одношнековый экструдер; 2-волокноприемник;3-кольцевой воздуховод; 4 - нагреватель вращающейся чаши.

Гранулированные или предварительно измельченные отходы термопластов загружались в экструдер I, в котором нагревались и расплавлялись до температуры 250 - 270 °С и шнеком экструдера подавались во вращающийся реактор, снабженный нагревателями 4 для перегрева расплава до температуры, обеспечивающей необходимую для формования волокна вязкость расплава полимера.

В процессе получения волокна полимерный материал подвергался частичному окислению кислородом воздуха, что по данным ИК - спектрометрии приводило к появлению в спектре полос поглощения, характерных для карбонильных, карбоксильных и гидроксильных функциональных групп в области 1600 - 1850 см"1.

При достижении вращающимся реактором окружной скорости выше 10 м/с на кромке реактора происходит образование волокон из пленки расплава и последующее их охлаждение потоком воздуха из кольцевого воздуховода 3. Сформированное волокно под действием центробежных сил и воздушного потока осаждалось на во-локноприемнике 2.

Экспериментально установлено, что определяющими параметрами процесса получения волокна из отходов полипропилена являются окружная скорость на кромке вращающегося реактора, значение которой должно быть не менее 10 м/с, температура пленки расплава во вращающемся реакторе, значение которой составляет

217-237 °С и массовый расход полимера, обеспечивающий условия пленочного течения расплава во вращающемся реакторе.

Свойства получаемых волокон исследовались оптическим методом с помощью микроскопа типа ОБМ в проходящем свете при увеличении в 320 раз, методами термической дериватографии и И К - спектрометрии. Кроме того, определялись поглотительные свойства волокон по отношению к углеводородам и эффективность улавливания дисперсных частиц. Данные по насыпной плотности в состоянии поставки и другим характеристикам полипропиленового волокна приведены в табл. 3.

Таблица 3

Плотность и порочность волокон из полипропилена в

свободной укладке при 20 0 С_

Показатели № ОБРАЗЦА

1 2 3 4 5 6

Плотность материала, кг/м3 911 903 907 909 904 903

Насыпная плотность в свободной 109,5 170,5 119,5 128,5 114,5 109,5

укладке, кг/м3

Порозность, % 87,95 81,25 87,5 86,8 82,6 86,25

Диаметр волокна, мкм 5-20 50- 400 1-10 1-15 50-300 250-300

Отношение объема пор к объему

твердого материала 7,34 4,28 6,6 6,04 5,7 5,25

Для определения эффективности улавливания дисперсных частиц диоксида кремния использовались полимерные волокнистые фильтрационные материалы из полипропилена со средним диаметром волокна 3-5 мкм, толщиной фильтровального слоя 2 мм с плотностью упаковки волокон в слое 250 кг/м3. Определение эффективности работы фильтра осуществлялось весовым методом путём взвешивания фильтра и пробоотборника на аналитических весах. Данная методика наиболее точно позволяет установить эффективность фильтра. Дисперсный состав стеклянных частиц в загрязненном воздухе приведен в табл.4.

Таблица 4

Дисперсный состав частиц диоксида кремния в запыленном газе

Размер частиц фракций, мкм 0,01 -0,1 0,1-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0

Содержание фракции, % мае. 5,0 20,0 32,0 20,0 2,0 7,0 3,0

Таким образом, основная доля приходилась на частицы с размерами от 0,01 до 1,0 мкм, их доля составляла ~ 60 %.

В результате проведенных исследований было установлено, что волокнистый фильтр способен работать в широком диапазоне скоростей. Степень улавливания тонкодисперсных аэрозолей диоксида кремния при линейной скорости 0,01 м/с составила 99,6%. При увеличении скорости фильтрации до 0,06 м/с степень улавливания снизилась до 85%, что иллюстрируется данными, приведенными на рис.2.

Запылённость воздуха в ходе эксперимента колебалась от 3 до 5 г/нм3. Гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки при этом изменялась от 5 до 25 мм вод.ст. Фильтры Петрянова (например, ФПП-15-1,7) в принципе не способны работать при повышенных скоростях. Фильтры из стекловолокна, металлокерамиче-ские, керамические или зернистые фильтры эффективно работают в диапазоне скоростей от 0,01 до 0,02 м/с.

При повышении запылённости воздуха до 10-15 г/нм , при определённой скорости фильтрации степень улавливания оказалась выше на 2-3 %, что можно объяс-

нить образованием слоя задержанных частиц на поверхности и в объеме фильтрующего материала и повышением роли ситового эффекта в процессе задержки дисперсных частиц.

хг Характеристики фильтрацион-

100 \ " ных материалов, полученных из отхо-

дов полиэтилена и полипропилена, заметно выше, чем у волокон, полу-90 [ * чеиных из товарных полимеров, что,

вследствие высокотемпературного способа получения волокон на воздухе, может объясняться структурными _^_____ изменениями на молекулярном уровне. Это связано с увеличением удельной поверхности и поверхностной энергии получаемого полимерного

к" ^

и о Я S*

о

л х а С и н О

0,01

0,035 Линейная сюрсхль, м/с

0,06

Рис. 2. Влияние линейной скорости газа на эффективность очистки газовых выбросов от диоксида кремния при толщине слоя фильтрующей перегородки 2 мм, диаметре фильтра 50 мм, плотности укладки волокнистого материала в фильтре 250 г/м~'

волокна, а также появлением на его поверхности карбонильных и гидро-ксильных функциональных групп, которые придают волокну свойства ионообменников.

Предлагаемые волокнистые материалы по своим физико-химическим характеристикам выгодно отличаются от традиционно применяемых и поэтому могут быть рекомендованы для использования в системах субмикронной очистки воздуха от загрязнителей природного и антропогенного происхождения. Высокая стойкость этих волокнистых полимерных материалов ко всем видам ионизирующих излучений показывает прямую целесообразность их использования в атомной промышленности.

Литература

1. Патент РФ №2160332, МКИ 7 D 01. Установка для получения волокнистого материала из утиля и отходов термопластов / В.В. Бордунов, B.C. Дмитриев, Г.Н. Гладышев, И.А. Соболев, Н.С. Ин-даков. Опубл. 10.12.2000 в БИ, №> 34.

2. Теория формования химических волокон / Под ред. А.Т.Серкова. - М.: Химия, 1975. 280с.

УДК 661.15:022.402

СИНТЕЗ ГЕКСАФТОРИДА ТЕХНЕЦИЯ И.И. Жерин, Е.И. Сачкова, Ю.Б. Торгунаков*, В.Ф. Усов, А.Ю. Водянкин

Томский политехнический университет,

*

ФГУП "Сибирский химический комбинат"

Описана лабораторная схема синтеза х^ексафторида технеция из элементных фтора и технеция. Показано, что при температуре 400 °С при трехкратном избытке фтора в замкнутом объеме в течение трех часов получен гексафторид технеция. Выход продукта составил 66,5 % мае. от теоретического, что связано с образованием побочного продукта пентафторида технеция.

В тепловыделяющих элементах энергетических реакторов с глубоким выгоранием через год после разгрузки реактора содержится достаточно много продуктов