Многослойный высокопористый ячеистый фильтр

Настоящая полезная модель относится к области очистки газа от аэрозольных частиц и сточных вод от загрязняющих веществ, и может быть использована в промышленности и хозяйственно-бытовой деятельности людей.
Известен сорбционный фильтр для очистки сточных вод от загрязняющих веществ, включающий цилиндрический корпус с крышкой и вспомогательными патрубками, заполненный сорбентом, а также электроды, создающие разность потенциалов и расположенные в корпусе вертикально, причем электрод, имеющий положительный потенциал, имеет цилиндрическую форму, размещен в центральной части корпуса и выполнен из прессованного металлографита, а электрод, имеющий отрицательный потенциал, выполнен в виде вставленного в корпус цилиндра из тонколистовой высоколегированной коррозионностойкой стали, при этом сорбент выполнен в виде многослойной конструкции [Патент RU 169004, B01D 25/00, C02F 1/46, от 01.03.2017]. Многослойный сорбент включает 6 слоев загрузки: 1 слой - синтетический цеолит; 2 слой - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанный при температуре 550°С при постепенном повышении температуры; 3 слой - органобентонит ТУ 952752-2000; 4 слой - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанным при температуре 550°С; 5 слой - силикагель марки АСКГ; 6 слой - бентонит термически обработанный при температуре 800°С.
Известен адсорбционный фильтр для очистки сточных вод от загрязняющих веществ, преимущественно ароматических и алициклических аминов, ионов тяжелых металлов [Патент RU 182056, МПК C02F 1/46, B01D 35/06, от 01.08.2018]. Адсорбционный фильтр для очистки воды включает цилиндрический пластиковый корпус с пластиковой крышкой и вспомогательными патрубками, заполненный сорбентом, а также вертикально расположенные в корпусе электроды, создающие электрохимические источники тока, причем электрод, имеющий отрицательный потенциал, выполнен в виде стальных пластинок из высоколегированной коррозионностойкой стали, соединенных между собой стальными кольцами в единый цилиндр, вставленный в пластиковый корпус, а электрод, имеющий положительный потенциал, выполнен в виде цилиндра из прессованного металлографита. Сорбент представляет собой многослойную конструкцию, включающую 3 слоя загрузки: первый слой - силикагель марки АСКГ; второй слой - анионит марки АВ-17-8; третий слой - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками, термически обработанный при температуре 550°С.
Кроме того, известны сорбционно-фильтрующий многослойный материал и содержащий его фильтр, относящиеся к области волокнистых сорбционно-фильтрующих материалов, используемых для очистки от аэрозолей и радиоактивных форм йода [Патент RU 2487745, МПК B01D 39/00, B01J 20/28, G21F 9/02, В82В 3/00, от 20.07.2013]. Материал содержит последовательно следующие слои: слой, выполненный из высокопористого стекловолокнистого нетканого материала с диаметром волокон 5-10 мкм, слой волокнистого активированного углеродного материала, слой волокнистого углеродного материала, импрегнированного соединением амина и йодидом металла и слой из тонковолокнистой стеклобумаги или из нетканого волокнистого полиамидного материала с диаметром волокон 100-300 нм. Материал гофрируют и размещают в фильтре в виде двух модулей. Первый модуль содержит три слоя материала. Второй модуль содержит слой тонковолокнистого материала, выполненного из стеклобумаги или полиамида.
Недостатками перечисленных аналогов являются сложность конструкции фильтров и их неспособность улавливания частиц субмикронного размера.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для стерилизации, дезодорации и очистки воздуха от вирусов, бактерий, паров и аэрозолей органических и неорганических соединений, в том числе диоксинов, бензпиренов, фуранов, оксида углерода, аммиака и озона [Патент RU 2480244, МПК A61L 9/00, В82В 3/00, от 27.04.2013]. Устройство очистки воздуха включает механический фильтр, источник УФ-облучения, металлические электростатический и фотокаталитический фильтры, осадитель электростатического фильтра из диэлектрического материала, адсорбционно-каталитический фильтр, дополнительно содержит сорбционный фильтр, осадитель электростатического фильтра, электростатический и фотокаталитический фильтры собраны между собой в единый комбинированный многослойный элемент, каждый слой которого изготовлен из высокопористого материала с нанесенным на его поверхность фотокаталитическим наноструктурированным покрытием, при этом электростатический и фотокаталитический фильтры, между которыми размещен осадитель, выполнены из пенометалла, а источник УФ-облучения расположен непосредственно вблизи электростатического фильтра.
Недостатками данного изобретения являются вынужденная работа от электроэнергии, неспособность улавливания частиц субмикронного размера, сложность конструкции.
Задачей полезной модели является разработка многослойного высокопористого ячеистого фильтра, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является уменьшение общего сопротивления фильтра, при этом частицы больших размеров должны осаждаться в первом слое, а частицы меньших размеров - в последующих слоях; повышение коэффициента качества фильтра за счет снижения перепада давления при сохранении эффективности осаждения частиц.
Технический результат достигается тем, что многослойный высокопористый ячеистый фильтр содержит цилиндрический корпус со вспомогательными патрубками, заполненный трехслойным фильтрующим материалом, согласно предлагаемой полезной модели, фильтрующий материал представляет собой пористую вставку из керамики, полиактида или карбона с переменным диаметром ячейки в слоях, при этом ячейки в первом слое имеют диаметр 4 мм, во втором слое - 5 мм, в третьем слое диаметр ячеек составляет 6 мм; каждый слой равен 2 см, общая длина пористой вставки составляет 6 см; длина вспомогательных патрубков составляет 4 см каждый, при этом входной патрубок расположен ближе к слою, содержащему наибольший размер ячеек пористой вставки. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана.
На фиг. 1 (а, б) показан многослойный высокопористый ячеистый фильтр в разборном виде, распечатанный на 3D-принтере и использовавшийся для экспериментальных исследований. На фиг. 2 изображена геометрия пористой среды: а - модель пористой среды с разными диаметрами ячеек в слоях, б - центральная часть модели с различными размерами ячеек в слоях.
Предлагаемый многослойный высокопористый ячеистый фильтр работает следующим образом. Поток газа с аэрозольными частицами или сточные воды с загрязняющими веществами по патрубку поступают в цилиндрический корпус предлагаемого механического фильтра для очистки газов и воды. За счет правильной аэродинамики частицы оседают в порах расположенного внутри корпуса многослойного материала с переменным диаметром ячейки слоя: ячейки в первом слое имеют диаметр 4 мм, во втором слое 5 мм, в третьем слое диаметр ячеек составляет 6 мм. Такой размер ячеек каждого слоя обеспечивает высокую эффективность осаждения частиц. Каждый слой равен 2 см, общая длина пористой вставки составляет 6 см. Длина входного и выходного патрубка 4 см каждый. Входной патрубок расположен ближе к слою, содержащему наибольший размер ячеек пористой вставки.
Численные параметрические расчеты показали, что данные длины слоев и патрубков являются наиболее оптимальными. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана. Пористая вставка может быть изготовлена из керамики, полиактида или карбона.
Многослойный высокопористый ячеистый фильтр с переменным диаметром ячейки в слоях при сохранении низкой пористости среды и высокой извилистости порового пространства обеспечивает наибольшую эффективность осаждения при малых диаметрах частиц, что можно объяснить особенностью гидродинамики потока воздуха при пониженном сопротивлении на первых двух слоях.
При данной фиксированной пористости среды (ε=0,6) фильтр с изменением ячеек в диаметре по слоям обеспечивает меньшее значение перепада давления. Низкий перепад давления приводит к росту коэффициента качества фильтра.
Значение пористости фильтрующего материала определялось по формуле [Heidig Т., Zeiser Т., Freund Н. Influence of resolution of rasterized geometries on porosity and specific surface area exemplified for model geometries of porous media // Transport in Porous Media. - 2017. - T. 120. - №. 1. - C. 207-225.]:
1
tot
где V - объем пустотности кубика единичного размера, V - общий объем кубика, h - размер взаимопроникновения ячеек, R - радиус сферы.
Достоинствами предлагаемой полезной модели являются отсутствие затрат на электроэнергию, легкая замена и очищение промыванием водой, возможность изготовления посредством печати на 3D-принтере, способность улавливания частиц субмикронного размера.
c
c
c
Таким образом, можно сделать вывод, что такой размер ячеек каждого слоя (ячейки в первом слое имеют диаметр d=4 мм, во втором - d=5 мм, в третьем - d=6 мм) обеспечивает высокую эффективность осаждения при малых диаметрах частиц, уменьшает общее сопротивление фильтра. Многослойный высокопористый ячеистый фильтр с переменным диаметром ячейки в слоях обеспечивает повышенный коэффициент качества фильтра за счет снижения перепада давления при сохранении эффективности осаждения.