Фильтр для очистки газовой среды

Полезная модель предназначена для очистки газовой среды и может быть использована для дополнительного оборудования фильтрами систем приточно-вытяжной вентиляции в бытовых и производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха.
Фильтр для очистки газовой среды состоит из каркаса и сменного фильтрующего материала, пропитанного дезинфицирующим составом, закрепленного между фильтрующим полотном. В качестве дезинфицирующего состава используется одноосновный спирт этиловый или спирт изопропиловый в концентрации 70-95%. Фильтрующий материал выполнен из пеньковой костры с размерами частиц 0,5-2,0 мм, а фильтрующее полотно выполнено из ткани, выполненной из льняной и пеньковой пряжи.
Для инактивации вируса COVID-19 и MERS-CoV Всемирной организацией здравоохранения рекомендованы дезинфицирующие составы, в которых содержание спиртов этанола или изопропанола составляет 30-75%, а время контакта 30 секунд при минимальной финальной концентрации (Руководство по лабораторной биобезопасности при распространении COVID-19 https://niioz.ru/covid-19/for-specialists/laboratoriyam/testovaya-informatsiya/) - далее «Руководство». В этом же «Руководстве» ВОЗ предлагает использовать гипохлорит натрия (например, 0,1% для общей дезинфекции поверхности и 1% для дезинфекции разливов крови); 62-71% этанола; 0,5% перекиси водорода; четвертичные аммониевые соединения; и фенольные соединения, если они используются в соответствии с рекомендациями производителя. Другие агенты, такие как 0,05-0,2% бензалкония хлорид или 0,02% хлоргексидина диглюконат, могут быть менее эффективными. Особое внимание следует уделять не только выбору дезинфицирующего средства, но и времени контакта (например, 10 минут), разведению (то есть концентрации действующего вещества) и сроку годности после приготовления рабочего раствора.
Известно, что коронавирусы человека в целом сохраняются на поверхностях, таких как металл, стекло или пластик, до 9 дней [Kampf G, Todt D, Pfaender S, Steinmann E. Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and its inactivation with biocidal agents. J Hosp Infect. 2020; Feb 6. Pii:s0195-6701(20)30046-3. doi:10.1016/j.jhin.2020.01.022 [epub ahead of print]].
Важным компонентом защиты от распространения вирусов и пылевидных частиц, на которых могут находиться вирусы и переносится по всему объему помещения, является вентиляция помещений как бытовых, так и производственных. Например, в медицинских учреждениях - это управляемая вентиляционная система, которая поддерживает направленный внутрь поток воздуха в лабораторное помещение (приточная вентиляция), а отработанный воздух из лабораторного помещения (вытяжная вентиляция) не рециркулируется в другие помещения внутри здания. В «Руководстве» ВОЗ рекомендует проводить фильтрацию воздуха через фильтр НЕРА (высокоэффективный фильтр очистки воздуха), если он восстановлен и рециркулирован в лаборатории. Когда отработанный воздух из лаборатории выбрасывается на улицу, он должен быть рассеян вдали от жилых зданий и воздухозаборников. Этот воздух должен быть выведен через фильтры НЕРА.
Известен фильтр НЕРА, который способствует удалению из воздуха всех посторонних примесей, как правило это твердые пылевидные частицы. НЕРА фильтры изготавливаются из хаотично расположенных микроволокон стекловолокна, спрессованного в многослойные (до 5-ти слоев) листы по типу фильтробумаги, затем их гофрируют для увеличения площади фильтрации, разделяют клеевыми сепараторами, чтобы предотвратить слипание.
За счет нелинейного расположения волокон и разницы в их длине и ширине воздух через выходной фильтр НЕРА проходит многократно. НЕРА фильтры задерживают мельчайшие частицы (от 0,3 мкм и выше), но при этом обязательно использование предварительных фильтров - грубой (класс G3-G4) и тонкой (класс F7-F9) очистки воздуха (https://www.generalfilter.ru/shop/hepa-firter/?vclid=2453645448200094664).
Фильтры типа НЕРА были изобретены в 40-х годах XX века во время развития ядерного проекта США и использовались для улавливания радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности. НЕРА (от англ. High Efficiency Particulate Air или High Efficiency Particulate Absorbing - высокоэффективное удержание частиц) [on-line: http://ru.wikipedia.org/wiki/HEPA]
К недостаткам применяемых фильтров НЕРА относится их высокая стоимость, импортные комплектующие (основное производство находится в Италии), частая замена предварительных фильтров, вред для экологии, т.к. стекловолокно, из которого изготовлен фильтр практически не разлагается в окружающей среде и необходимы дополнительные затраты на его переработку.
Известно устройство для очистки выхлопных газов, которое для тонкой очистки газовой среды дополнительно снабжено сменным фильтрующим патроном, выполненным из полимера пространственно-глобулярной структуры (ПГС), а именно из мочевиноформальдегидного полимера. [RU 46048, Заявка 2005103320/22, 10.02.2005].
Недостатком такого технического решения является то, что используется гранулированный фильтрующий материал с ограниченным ресурсом эксплуатации, занимающий значительный объем устройства. В связи с тем, что в таком исполнении не реализуется ситовый механизм фильтрации, достичь задержания субмикронных частиц крайне проблематично. А использование в составе мочевиноформальдегидного полимера создает дополнительную нагрузку на окружающую среду вследствие выделения токсичных аммиачных соединений и формальдегида в окружающую среду.
Наиболее близким по технической сущности является следующая полезная модель.
Известна «Фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды» (Патент RU 113166. Заявка: 2011140684/05, 2011.10.07). Полезная модель предназначена для очистки газовой среды и может быть использована для оборудования систем вентиляции в помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха, а также в системах подачи топлива газовых турбин. Фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды, состоящая из экрана с направляющими газовый поток прорезями и сменного гофрированного фильтрующего материала, закрепленного посредством склейки в каркасе габионной конструкции, в котором фронтальная часть выполнена прямоугольной, горизонтальные части каркаса выполнены в виде трапеций, меньшие основания которых снабжены направляющей гребенкой для придания фильтрующему полотну V-образной формы, а профильные части каркаса 5 исполнены в виде рамок прямоугольной конфигурации, при этом фильтрующий материал выполнен из полотна фильтроткани с нанесенным на нее полимером пространственно-глобулярной структуры (ПГС), а соединение экрана с фронтальной частью каркаса загерметизировано уплотнителем. В качестве полимера с пространственно-глобулярной структурой используется полимер класса олигоэтеркарбоната метакрилатов. В качестве фильтроткани используются либо нетканые материалы, либо сетчатые материалы на основе стекловолокна, или полиамидных, или полиэфирных нитей. Горизонтальные части каркаса снабжены стяжками для дополнительного закрепления фильтрующего полотна по V-образующему сгибу.
Использование такой фильтровальной кассеты для тонкой очистки газовой среды позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы фильтрации, в частности, вследствие уменьшения толщины фильтра, осуществлять регенерацию фильтрующего материала, при этом достигается высокая эффективность задержания субмикронных частиц.
К недостаткам фильтровальной кассеты относится ее сложное конструкционное исполнение, высокая стоимость, изготовление фильтрующего материала из плохо разлагаемых в окружающей среде компонентов, вред для экологии.
Как правило, слабым местом, где может произойти заражение вирусами, различными токсикантами, которые оседают (сорбируются) на поверхности пыли является приточно-вытяжная вентиляция в домах, производственных помещениях. Поэтому использование фильтров, которые легко монтируются (устанавливаются) и их можно использовать как накладку на вентиляционные отверстия (выходы-входы) в квартирах, производственных помещениях и зданиях, позволит снизить проникновение вирусов и токсикантов внутрь помещения и выход чистого воздуха за пределы квартиры, помещения и здания.
Проведя анализ существующего уровня техники, было выявлено, что технической проблемой в данной области является недостаточный ассортимент фильтров для очистки газовой среды.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик системы фильтрации воздуха за счет высокой эффективности задержания малых по размеру частиц.
Технический результат предлагаемого технического решения по удалению пылевидных частиц, на которых возможна сорбция вирусов и токсичных веществ, достигается тем, что фильтр для очистки газовой среды, состоящей из каркаса и сменного фильтрующего материала, пропитанного дезинфицирующим составом, закрепленным между фильтрующим полотном в каркасе, при этом сменный фильтрующий материал, выполнен из пеньковой костры с размером частиц 0,5-2 мм, а фильтрующее полотно выполнено из ткани, изготовленной из пеньковой пряжи.
Уникальные свойства натуральных природных материалов в виде волокон льна и конопли, ткани из натуральных волокон позволяют получить технологические преимущества фильтрации при высоком качестве очистки.
На рисунке представлен фильтр, который включает каркас с фильтрующим полотном 1, между которым закреплен фильтрующий материал 2.
Фильтр для очистки газовой среды работает следующим образом: газовый поток под действием перепада давления проходит через фильтр, который предварительно размещен у входного (выходного) канала трубопровода. Сменный фильтрующий материал 2, пропитанный дезинфицирующим составом, закреплен между фильтрующим полотном. В качестве дезинфицирующего состава используется одноосновный спирт этиловый или спирт изопропиловый в концентрации 70-95%. Фильтрующий материал выполнен из пеньковой костры с размерами частиц 0,5-2,0 мм, а фильтрующее полотно выполнено из ткани, выполненной из льняной и пеньковой пряжи, в соответствии с патентом (Полезная модель, Ткань RU 187691).
Пеньковая костра представляет собой крупнотоннажный отход, образующийся на пенькозаводах после выделения из стебля технической конопли волокна. В среднем масса костры после переработки составляет от 3 до 8 тонн с 1 га. Линейный размер частиц костры составляет от 0,02 мм до 2-3 см. Методом отсева необходимо отобрать фракцию с размером частиц костры 0,5-2,0 мм. Размер частиц костры менее 0,5 мм будет снижать пропускную способность фильтра, а больше 2,0 мм будет снижать эффективность фильтрации. Такая фракция костры по линейным размерам обладает оптимальными сорбционными свойствами и 1 грамм костры сорбирует на поверхности костры до 6 граммов этилового и изопропилового спирта, время удерживания не менее 50% от массы сорбированного спирта на поверхности костры при температуре 20°С не менее 4 часов. Фильтрующийся воздух будет проходить через разупорядоченные частицы костры, на поверхности которой находится дезактивирующий раствор, при этом вирус, различные бактерии и микроорганизмы будет инактивироваться. За счет образования донорно-акцепторных связей между молекулами спирта и карбонильными, гидроксильными и другими группами химических компонентов костры, молекулы спирта удерживаются на поверхности костры достаточно длительное время. Ранее было установлено, что растворы спиртов эффективно уничтожали жизнеспособные вирусные частицы за 30 секунд при концентрации спирта более 30%) (https://nauka.tass.ru/nauka/8012849). Тогда, применяемые нами и рекомендованные ВОЗ, концентрации дезактивирующих растворов спиртов 75-95%) за время диффузии частиц воздуха через фильтрующее полотно и фильтрующий материал будут инактивировать основную массу вредных компонентов.
Ниже приведен пример достижения технического результата при использовании заявляемого фильтра для очистки газовой среды. Пример иллюстрирует, но не ограничивают применение предложенного фильтра.
Пример 1.
3
Загрязненность пробы воздуха взвешенными частицами - 50 мг/м.
Линейная скорость потока воздуха - 1,0 см/сек.
2
3
2
Фильтрующий материал изготовляют из пеньковой костры технической конопли сорта Гляна, которая предварительно разделена на фракции путем отсева через сита с диаметром 0,5; 1,0; 2,0 мм. Затем фракции смешаны в соотношении 1:1:1. Затем к 10 граммам костры добавили 50 мл этилового спирта концентрации 70%, при этом достигается полное впитывание спирта кострой в течение 10 секунд, после чего необходимо механически тщательно перемешать смесь костры и спирта. Из фильтрующего полотна из льняной ткани полотняного переплетения толщиной 1000 мкм, плотностью 370 г/м, воздухопроницаемостью 5 дм/м изготовлены 2 каркаса прямоугольной формы размером 150×150 мм. По краям каркаса размещены ленты-липучки шириной 1 см. Три стороны каркаса скрепляются между собой через липучки, через четвертую сторону внутрь насыпают фильтрующий материал и равномерно распределяют по всей поверхности, после чего скрепляют четвертую сторону через липучку. На внешнюю сторону одного из полотен каркаса крепят липучку (или двухсторонний сверхсильный монтажный скотч) и крепят на решетку выхода/входа вентиляционного отверстия (вентиляционной трубы).
Эффективность удержания частиц составляет для частиц 0,5 мкм 60%, 0,7 мкм - 65%, 1,0 мкм - 80%, 3 мкм 90%, 5,0 мкм - 95%, 10 мкм - 100%.
Пример 2.
3
Загрязненность пробы воздуха взвешенными частицами - 50 мг/м.
Линейная скорость потока воздуха - 1,0 см/сек.
3
2
Фильтрующий материал изготовляют из пеньковой костры технической конопли сорта Сурская, которая предварительно разделена на фракции путем отсева через сита с диаметром 0,5; 1,0; 2,0 мм. Затем фракции смешаны в соотношении 1:1:1. После этого к 10 граммам костры добавили 50 мл этилового спирта концентрации 95%, при этом достигается полное впитывание спирта кострой в течение 10 секунд, после чего необходимо механически тщательно перемешать смесь костры и спирта. Из фильтрующего полотна из конопляной ткани полотняного переплетения толщиной 1000 мкм, плотностью 400 г/м, воздухопроницаемостью 5 дм/м изготовлены 2 каркаса прямоугольной формы размером 150×150 мм. По краям каркаса размещены ленты-липучки шириной 1 см. Три стороны каркаса скрепляются между собой через липучки, через четвертую сторону внутрь насыпают фильтрующий материал и равномерно распределяют по всей поверхности, после чего скрепляют четвертую сторону через липучку. На внешнюю сторону одного из полотен каркаса крепят липучку (или двухсторонний сверхсильный монтажный скотч) и крепят на решетку выхода/входа вентиляционного отверстия (вентиляционной трубы). Эффективность удержания частиц составляет: для частиц 0,5 мкм 62%, 0,7 мкм - 68%, 1,0 мкм - 83%, 3 мкм 92%, 5,0 мкм - 97%, 10 мкм - 100%.
Заявляемый в качестве полезной модели фильтр для очистки газовой среды позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы фильтрации воздуха, при этом достигается высокая эффективность задержания малых по размеру частиц. Материал фильтра и фильтрующее полотно после использования может быть легко утилизировано, быстро разлагается в почве, поскольку состоит из целлюлозосодержащих и других нетоксичных органических компонентов.