Повышение фильтрующей способности материалов из натуральных и синтетических волокон

УДК 66.067.3.:677.14

Р. Н. Сабирзянова, И. В. Красина

ПОВЫШЕНИЕ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

ИЗ НАТУРАЛЬНЫХ И СИНТЕТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: натуральные и синтетические волокна, тканые и нетканые материалы, фильтрующие свойства, низкотемпературная плазма, гидрофильность, скорость фильтрации.

В работе представлен обзор ассортимента текстильных материалов для фильтров в нефтяной промышленности. Проведена модификация текстильных материалов натурального и синтетического состава, сделаны эксперименты по повышению фильтрующей способности текстильных материалов, исследованы эксплуатационные характеристики.

Keywords: Keywords: natural and synthetic fibers, woven and nonwoven fabrics, filtration properties, low-temperature plasma,

hydrophilicity, rate of filtration.

This paper presents an overview of the range of textile materials for filters in the oil industry. Modification of textile materials of natural and synthetic composition, made experiments to improve the filtering ability of textile materials, studied performance.

Текстильные материалы, имеющие огромное значение в народном хозяйстве, чрезвычайно разнообразны. Прежде всего, текстильные материалы используются в быту; это белье, одежда, швейные нитки, декоративные ткани, ковры, занавеси и т.д. Кроме того, их широко применяют в технике в виде канатов и веревок, транспортерных лент, приводных ремней, изоляционных материалов, корда для автомобильных и авиационных шин, сит, фильтров, рыболовных снастей, прокладок и т.д. [1].

В области фильтрации жидкостей, особенно в промышленных масштабах, чрезвычайно важны экономичность и универсальность фильтров, поскольку они должны подходить для различных конструкций фильтровальных установок. Используемые при этом нетканые материалы служат, преимущественно для осаждения твердых веществ при очистке от производственных отработок, таких как, например, охлаждающие жидкости или смазочные масла [2].

Фильтрационные свойства нетканых материалов различной химической природы широко применяются в горнодобывающей,

нефтеперерабатывающей, пищевой

промышленности, а также в строительстве и в области охраны окружающей среды. На предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса при депарафинезации средневязкого рафината используются нетканые фильтры из полипропиленовой нити, а также фильтры из хлопчатобумажной ткани «фильтр-диагональ».

Однако традиционные технологии не всегда позволяют получить нетканые материалы и изделия из них, удовлетворяющие требованиям потребителя. Поэтому необходима их модификация физико-механическими, физико- химическими или другими методами. Перспективным направлением изменения свойств синтетических и натуральных нетканых материалов является использование

высокочастотной (ВЧ) плазменной обработки. Плазменная обработка включает ряд процессов, приводящих к изменению не только физических и

физико-химических свойств материалов, но и к изменению химического состава и структуры поверхностного слоя полимера.

Плазменная обработка имеет важное преимущество по сравнению с другими способами модификации полимерных материалов - в определенных режимах она не влияет на внутреннее строение. Кроме того, обработка неравновесной низкотемпературной плазмой (НТП) является экологически безвредной, высокоэффективной и менее затратной по сравнению с традиционными методами химической и физической модификации полимерных материалов [3].

Известно, что при воздействии на капиллярно-пористые (в том числе текстильные) материалы потока неравновесной

низкотемпературной плазмы пониженного давления высокочастотного разряда происходит направленное изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала. Поэтому на первом этапе нашей работы проводился поиск режимов плазменной обработки, при которых наблюдается наибольшее увеличение фильтрующей способности с одновременным увлечением прочностных характеристик.

Технологические параметры ВЧЕ разряда пониженного давления изменялись в следующих пределах: напряжение на аноде иа от 1 до 7,5 кВ; сила тока на аноде 1а от 0,3 до 0,7 А; продолжительность обработки т от 1 до 5 минут; расход плазмообразующего газа в от 0,04 г/с; давление в рабочей камере Р 26,6 Па; вид плазмообразующего газа - аргон, воздух.

Время фильтрации

Рис. 1 - Изменение времени фильтрации при обработке в аргоне

На рис. 1 представлены следующие режимы:

1 - контрольный образец;

2 - Ш = 1,0 кВ, Jа = 0,3А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин;

3 - Ш = 1,0 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин;

4 - Ш = 1,0 кВ, Jа = 0,6 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин,

5 - Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,7 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин,

6 - Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,3 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин

7 - Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин

8 - Uа = 3,5 кВ, Jа = 0,6 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин

9 - Uа = 3,5 кВ, Jа = 0,7 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин

В целях снижения себестоимости процесса модификации полипропиленовых фильтров в качестве плазмообразующего газа предлагался воздух или его смесь с аргоном, однако ожидаемые результаты уменьшения скорости фильтрации не были достигнуты. проведенные исследования показали, что скорость фильтрации модифицированных образцов изменяется

незначительно и, как правило, не превышает время фильтрации рафината через контрольный (необработанный) образец. Увеличение напряжения приводит к лиофобизации фильтра как на поверхности, так и в его общем рабочем объеме, и как следствие, значительному повышению времени фильтрации.

Время фильтрации

связанными с перераспределением межволоконного пространства во всем объеме нетканого материала. Время фильтрации

70 60 50 40 30 20 10 0

В

12 3 4 Режим

Рис. 2 - Изменение времени фильтрации при обработке в смеси аргон : воздух

На рис. 2 представлены следующие режимы:

1 - контрольный образец;

2 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,5 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 1 мин;

3 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,5 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин;

4 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,5 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 7 мин

Таким образом, установлено, что наибольшее изменение степени лиофильности полипропиленового фильтра, приводящей к уменьшению скорости фильтрации нефтепродукта, достигается при обработке материала в плазмообразующем газе аргон в режиме Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин. Это обусловлено структурными изменениями,

3 4 5 6 7 Режим Рис. 3 - Изменение времени фильтрации при обработке в воздухе

На рис. 3 представлены следующие режимы:

1 - контрольный образец;

2 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 1 мин;

3 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 3 мин;

4 - Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 5 мин;

5 - Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,4 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин;

6 - Ш = 3,5 кВ, Jа = 0,7 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 4 мин;

7 - Ш = 7,5 кВ, Jа = 0,7 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 7 мин.

Использование в качестве

плазмообразующего газа воздуха или его смеси с аргоном, несмотря на кажущуюся экономичность, является нецелесообразным, поскольку

полипропиленовые фильтры, обработанные в атмосфере воздуха или его смеси с инертным газом, не обладают необходимыми фильтрующими свойствами.

Проводимые ранее исследования по приданию текстильным материалам различной природы лиофильных свойств позволили получить режимы плазменной обработки, приводящие к максимальному увеличению степени

гидрофильности [4]. Поэтому обработка фильтров, изготовленных из хлопчатобумажной ткани типа «диагональ», проводилась в заранее известных режимах (Ш = 3,0 кВ, Jа = 0,5 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04г/с, т = 1-5 мин).

50 40 30 20 10 0

Время фильтрации

¡III

1 2 3 4 Режим

Рис. 4 - Изменения времени фильтрования через тканевый хлопчатобумажный фильтр

На рис. 4 представлены следующие режимы:

1 - контрольный образец;

2 - иа = 3,0 кВ, 1а = 0,5 А, Р = 26,6 Па, в = 0,04г/с, т = 1мин;

3 - Иа = 3,0 кВ, 1а = 0,5 А, Р = 26,6 Па, в = 0,04г/с, т = 3 мин;

4 - Иа = 3,0 кВ, 1а = 0,5 А, Р = 26,6 Па, в = 0,04г/с, т = 5 мин

Как видно из диаграммы, время фильтрации через модифицированный тканевый фильтр уменьшается примерно 1,45 раз. Вероятно, это связано с происходящим под воздействием ионов плазмообразующего газа упорядочением структуры нитеобразующих волокон, усреднением

межволоконного расстояния.

Результаты испытаний показали, что, несмотря на большую скорость фильтрации при использовании ткани «фильтр-диагонали», лучшие результаты (высокий отбор депарафинизированного масла, низкое содержание масла в гаче и др.) получены при использовании модифицированного нетканого полипропиленового фильтра. Это связано с тем, что традиционные тканевые фильтры осуществляют фильтрацию только поверхностью, в то время как нетканые материалы кроме поверхности используют весь свой объем.

На втором этапе работы проводились исследования по использованию в качестве фильтров для парафиносодержащих фракций альтернативных материалов. Одним из таких материалов является войлок технический, представляющий собой нетканый материал на базе кератинсодержащих отходов мехового

производства.

Шерстяной войлок широко применяется в машиностроении для изготовления фильтров для очистки масел и воздуха, прокладок и сальников. При этом изделия из войлока, работающие в условиях повышенного износа, должны обладать высокой стойкостью к истиранию, прочностью и упругостью [5].

Проведенные ранее исследования [6] показали, что обработка шерстяного грубошерстного и полугрубошерстного войлока в ВЧ емкостном разряде неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления позволяет существенно увеличить основные прочностные характеристики изделий.

Целью наших исследований явилось изучения возможности повышения фильтрующей способности войлочных фильтров при сохранении его прочностных характеристик.

Образцы шерстяного войлока

предварительно обрабатывались в ВЧ емкостном разряде при следующих варьируемых параметрах: И = 2-8 кВ, I =0,3-0,9 А, г = 1-15 мин, в качестве плазмообразующего газа применяли аргон или пропан.

Результаты физико-механических

испытаний образцов нетканых материалов, прошедших плазменную обработку, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость физико-механических характеристик шерстяного войлока от режима обработки

Образец Войлок, 5 мм Войлок, 3 мм

Разрывная нагрузка, кН Относите ль-ное удлинение Разрывная нагрузка, кН Относите ль-ное удлинение

Контрольный образец 2,0 28,5 0,97 26,5

И =2кВ;I =0,5 А; г = 5мин; аргон 1,75 27,5 1,09 26,0

И =7,5кВ; I =0,8 А; г = 10мин; пропан 2,2 29,5 1,25 32,5

И =5кВ;I =0,5 А; г = 5мин; аргон 1,76 20,0 1,125 22,5

Как следует из таблицы, наибольшее значение разрывной нагрузки и относительного удлинения наблюдается при обработке образцов войлока в атмосфере пропана. Вероятно, пропан, благодаря наличию двух концевых метильных групп в составе молекулы, выступает в качестве потенциального сшивающего агента, приводящего к взаимодействию реакционноспособных центров на поверхности соседних волокон, что приводит к увеличению прочности образца [7].

Далее на поверхность образцов войлока методом ионно-плазменной конденсации напылялись частицы титана и вновь проводились физико-механические испытания образцов. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты физико-механических испытаний нетканых материалов после напыления титана

Образец Войлок, 5 мм Войлок, 3 мм

Разрывная нагрузка, кН Относите льное удлинение % Разрывная нагрузка, кН Относите льное удлинение , %

контрольный 2,0 28,5 0,97 26,5

И = 2кВ; I =0,5 А; г = 5мин; аргон + Т1 1,55 27,5 1,08 27,25

И =7,5кВ; I =0,8 А; г =10мин + Т1 2,2 28,5 1,18 30

И = 5кВ; I =0,5 А; г = 5мин + Т1 1,3 17 1,35 27

Результаты испытаний показали, что металлизация нетканых материалов, вопреки ожиданиям, не приводит к увеличению

прочностных показателей, а в ряде случаев даже значительно снижает прочность образцов. Это может быть объяснено недостаточным сцеплением волокон между собой из-за нанесенного на их поверхность слоя титана.

Представленные исследования

фильтрующей способности нетканых материалов показали, что обработка образцов в ВЧЕ-разряде плазмы пониженного давления позволяет существенно увеличить скорость фильтрации. Поэтому исследовали фильтрующую способность войлочных фильтров, обработанных в различных режимах, в том числе и с титановым напылением.

Проведенные эксперименты показали, что металлизированные войлочные фильтры обладают повышенной скоростью фильтрации в сравнении с контрольным образцом и образцами, обработанными плазмой. Однако необходимые качественные показатели депарафинизированного масла не были достигнуты. В связи с этим испытаний войлочных фильтров в условиях ЦЗЛ не проводили.

Исследование фильтрующей способности фильтров из натуральных и синтетических волокон для нефтехимии и машиностроения показало, что модификация фильтров за счет плазменной обработки в инертных газах с формированием заданной степени лиофильности поверхности, а также за счет нанесения на рабочую поверхность фильтров наночастиц металлов приводит к существенному увеличению скорости фильтрации.

Установлено, что использование метода ионно-плазменного напыления в сочетании с обработкой в ВЧЕ плазме пониженного давления позволяет повысить эксплуатационные

характеристики шерстяных нетканых материалов без ухудшения их прочностных свойств, а также

увеличитьпродолжительности работы фильтров в среднем в 1,5 раза.

Показано, что в результате воздействия ВЧ плазмы пониженного давления происходят структурные изменения, связанные с перераспределением межволоконного пространства во всем объеме нетканого материала, которые приводят к получению фильтров с заданными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Использование на предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса

модифицированных фильтров с повышенной фильтрующей способностью позволит повысить эффективность производства и получить продукт высокой степени очистки.

Литература

1 Садыкова Ф.Х. Текстильное материаловедение и основы текстильного производства / Ф.Х.Садыкова.-М.: Легкая индустрия, 1967.- 3 с.

2 Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожижжаемом слое / С.С.Забродский.-М.: Госэнергоиздат, 1963.- 295 с.

3 Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин, Н.Ф.Кашапов.- Казань: КГТУ, 2000.- 420 с.

4 Сабирзянова Р.Н., Джанбекова Л.Р. Влияние плазменной обработки на полипропиленовые нетканые материалы / Р.Н. Сабирзянова, Л. Р. Джанбекова // Вестник Казанского технологического университета. №2. - 2010. - С.275.

5 Жужиков В.А. Фильтрование / В.А. Жужиков.-М.: Химия, 1971.- 163с.

6 Абдуллин И.Ш. Химия и физика Высокомолекулярных соединений / И.Ш. Абдуллин.-Казань: КГТУ, 2009.- 52 с.

7 Сабирзянова Р.Н., Джанбекова Л.Р. Исследование свойств модифицированных шерстяных войлоков / Р.Н. Сабирзянова, Л.Р.Джанбекова // Вестник Казанского технологического университета. №3. - 2011. - С.24-25.

© Р. Н. Сабирзянова - аспирант, лаборант каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, ramfar@mail.ru; И. В. Красина - д.т.н., профессор, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, irina_krasina@mail.ru.

© R. N. Sabirzyanova - graduate, assistant of Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Kazan National Research Technological University, ramfar@mail.ru; 1 V. Krasina - doctor of technical Sciences, Professor, head of department Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Kazan National Research Technological University, irina_krasina@mail.ru.