Фильтрующие нетканые материалы для очистки воды

435
Фото: Shutterstock
Фото: Shutterstock
Фильтрация — один из наиболее распространенных видов очистки воды. Для ее осуществления применяются различные фильтрационные среды. По мнению специалистов, рядом преимуществ обладают нетканые фильтрационные материалы.

М.П. Иванов, 
канд. хим. наук, зав. отделом ГУП «МНКЦ “Интермедбиофизхим”»


В этой статье вы прочитаете: 

  • Какие материалы для очистки воды наиболее актуальны в настоящее время
  • Преимущества и недостатки нетканых волоконных фильтров и фильтрующих материалов для очиски воды

Нетканый волоконный листовой материал для очистки воды имеет высокоразвитую поверхность. Это позволяет, с одной стороны, уменьшить сопротивление фильтрующего слоя потоку воды, а с другой — увеличить эффективность очистки за счет нанесения на поверхность волокон модифицирующих добавок. Помимо этого, фильтрационный материал должен быть устойчив к действию воды и используемых растворов, микроорганизмов, появляющихся во влажной среде, а также обладать высокой механической прочностью, чтобы выдерживать воздействие водяного напора и гидравлических ударов.

Материалы для очистки воды: методы получения волокон

Механическая прочность нетканых фильтровальных материалов во многом определяется природой и видом используемых волокон, а также методом их скрепления между собой. Для изготовления нетканых материалов применяются волокна на основе природных соединений, синтетических органических полимеров и веществ неорганической природы.

В значительном числе случаев при производстве нетканых фильтровальных материалов для очистки воды используются волокна из органических термопластичных полимеров — полиолефинов, полиамидов, сложных полиэфиров, полиакрилатов и полиуретанов. Другим распространенным видом сырья для получения нетканых фильтровальных материалов являются различные виды стекловолокна. В меньшей степени используются искусственные волокна, получаемые путем переработки природного сырья на основе нитроцеллюлозы, — ацетилцеллюлоза, этилцеллюлоза и ацетобутиратцеллюлоза.

Волокна из неорганических материалов в большинстве случаев получают либо методами экструзии, либо термической обработкой других соединений. Волокна же органической природы получают путем вытягивания нитей из расплава или раствора полимера.

Иногда для придания специфических свойств волокна модифицируют с таким расчетом, чтобы на их поверхности появлялись функциональные группы, как у ионообменных смол.

Пример

Первичные, вторичные и четвертичные амины на поверхности волокон приводят к образованию катионных функциональных групп, которые способны вступать во взаимодействие с примесями, находящимися в воде.

Анионные группы COOH, SO3H, PO3H придают волокнам анионообменные свойства.

Совместное присутствие катионных и анионных функциональных групп приводит к появлению у волокон амфотерных свойств.

В последнее время для производства нетканых фильтрационных материалов стало использоваться синтетическое полимерное волокно третьего поколения. Наряду с ионообменными свойствами оно обладает еще и достаточно высокой хемосорбцией. Это вызвано высокоразвитой наружной поверхностью в сочетании с высокой химической активностью.

Удельная боковая поверхность таких волокон в нетканом материале примерно в 10 раз превосходит аналогичный показатель многих гранулированных сорбентов, включая сильно измельченные ионообменные смолы. В результате при очистке воды такие фильтрационные материалы более полно извлекают из нее примеси.

К СВЕДЕНИЮ

Амфотерность — способность некоторых химических веществ и соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства.

Характеристики волокон материала для очистки воды

Помимо химической природы для характеристики волокна фильтрующих материалов для очистки воды учитывается и ряд других параметров. Так, волокна, которые используются для изготовления фильтровальных нетканых материалов, характеризуются по площади поперечного сечения, диаметру, а также по длине волокна.

Одной из характеристик размеров фильтрационного волокна является отношение его длины к диаметру. Для многих случаев такое отношение составляет от 10 до 1000. Однако непосредственное измерение этих параметров является делом весьма затруднительным. Поэтому на практике используют косвенную характеристику — линейную плотность.

При формальном рассмотрении линейная плотность представляет собой вес волокна длиной 1000 м. Поэтому она выражается в единицах с размерностью г/км. Однако наряду с этим принята в обращение и международная единица «текс», являющаяся производной от начальной части слова «текстильный».

Поскольку обычно волокна обладают малой толщиной, линейная плотность чаще всего выражается в милитексах — мг/км. Для толстых видов изделий — канатов, веревок и шнуров — используются килотексы — кг/км или же г/м.

Довольно часто линейная плотность волокна выражается в денье. Это вес волокна длиной 9000 м. Термин «денье» появился в шелковой промышленности довольно давно. В настоящее время единица применяется для выражения различных прочностных характеристик волокон, например прочности на разрыв. У очень прочных волокон эта величина может достигать 6–8 г/ден.

К СВЕДЕНИЮ

Хемосорбция — поглощение жидкостью или твердым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбцию рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твердого тела, т. е. как химическую адсорбцию.

Методы формирования фильтра и фильтрующего материала для очистки воды

Для изготовления фильтрующего материала для очиски виды может использоваться один или несколько видов волокон. Соединяться волокна между собой могут методами плетения, а фильтровальный материал может быть получен методом иглопрокалывания. Однако фильтровальный материал, полученный таким образом, чаще всего имеет значительное сопротивление водяному потоку, его поры быстро забиваются примесями. И срок службы у него непродолжительный.

Более перспективным считается формирование нетканого фильтровального материала, для соединения волокон в котором необходимо либо связующее, либо клеящий компонент. Во многих случаях в качестве связующего компонента используются полимерные смолы, имеющие высокую совместимость с волокнами. Эти связующие наносятся на волокна в виде водной суспензии либо в жидком виде.

Чаще всего применяются акриловые полимеры, сополимеры этилена и винилацетата, сополимеры на основе поливинилового спирта, поли-N-винилпирролидон и натуральные каучуки. При нанесении связующего в виде латекса используют суспензии, содержащие от 50 до 90% полимера.

Фильтрующие нетканые материалы для очистки воды

При производстве нетканых фильтровальных материалов суспензионным методом используют стекловолокна различного диаметра. Это позволяет изменять проницаемость фильтрационных материалов. Добавление к стекловолокну с диаметром 0,3–0,5 мкм других стекловолокон с большим диаметром увеличивает размер пор и приводит к повышению проницаемости.

Для получения фильтрационных сред также применяют метод термического склеивания из двухкомпонентных волокон — изготовленных из двух материалов с различными температурами плавления. Такие волокна могут быть построены по принципу «оболочка-сердцевина» или «бок-о-бок».

При производстве двухкомпонентных волокон структуры «оболочка-сердцевина» волокно с более высокой температурой плавления покрывают термопластичным полимером с более низкой температурой размягчения. Диаметр используемого волокна подбирают исходя из предполагаемой толщины нетканого материала. Довольно часто в качестве сердцевины двухкомпонентных волокон используют стекловолокно с диаметром от 0,1 до 10 мкм.

Для получения структуры «бок-о-бок» через фильеру одновременно продавливают вязкие расплавы двух различных полимеров. Образуется волокно, состоящее из двух соединенных между собой нитей. В этом случае волокна термопластичных полимеров могут иметь диаметр от 0,1 до 20 мкм.

Кроме основного волокна часто при производстве нетканых листовых фильтрационных материалов используют так называемые вспомогательные волокна. Обычно это термопластичные синтетические волокна, которые применяются для получения фильтровальных листов с требуемым размером пор и другими заданными характеристиками фильтра.

Пример

Для повышения механической устойчивости нетканого материала применяются вспомогательные стекловолокна с диаметром от 0,1 до 50 мкм и относительно малой длиной — от 0,1 до 5,0 см.

В ряде случаев используется углеродное, графитовое и керамическое волокно, а также тонкие металлические нити.

Помимо этого изменение свойств фильтровального нетканого материала достигается путем соединения нескольких листов с различными или одинаковыми характеристиками. В этом случае получаются многослойные фильтровальные материалы. Листы либо склеиваются, либо подвергаются термической обработке. В результате фильтровальный материал приобретает комплекс новых полезных свойств. В частности, увеличиваются термическая устойчивость и противодействие повышенным механическим нагрузкам.

Многослойный фильтрационный лист может быть сформирован из 2–3 слоев, а в некоторых случаях даже из 100 слоев нетканого материала. Эти слои могут различаться по структуре и размерам волокон, размерам пор.

Слои, которые расположены на внешней поверхности фильтра, предназначены для первичной фильтрации воды. Обычно они имеют более крупный размер пор и предназначены для задержки относительно крупных частичек загрязнений. Под ними располагаются слои для вторичной, а затем и тонкой фильтрации воды. В них размеры пор меньше, и они задерживают более мелкие примеси. Такие фильтровальные материалы называют фильтрами с градиентной структурой. Они способны задерживать большее количество загрязнений без резкого снижения скорости очищаемого потока воды.

При большом числе слоев фильтрационного материала между ними обычно располагают несущие элементы фильтра. Их изготовляют из дырчатых перфорированных листов, сеток, проволочных конструкций и других элементов с высокой механической прочностью, достаточной проницаемостью и низким гидравлическим сопротивлением.

При производстве модифицированных нетканых фильтровальных сред в ряде случаев используют материалы, полученные из волокон нескольких видов.

Пример

Часто листы из полиэфирных волокон склеивают с листами нетканого материала на основе хелатного ионообменного волокна.

Такое сочетание позволяет получать фильтрационный нетканый листовой материал с двойным действием: он способен задерживать механические примеси за счет малого размера пор листов из полиэфирных волокон и умягчать воду, удалять ионы тяжелых металлов за счет фильтрации через листы с ионообменными волокнами.

Свойства материалов для очистки воды

Специалисты считают нетканые материалы для очистки воды с ионообменными свойствами более перспективными фильтровальными средами, чем гранулированные ионообменные смолы или природные материалы на основе шунгита или цеолита.

Листовые материалы из волокон обладают более высокой скоростью сорбции по сравнению с аналогичным показателем на основе гранулированных фильтровальных сред. Вероятность проскока примесей через такой волоконный ионообменный фильтрационный материал понижается.

Пример

Насыщение ионообменной емкости волокна происходит в 6–10 раз быстрее, чем на гранулированном материале. Причина — большая доступность функциональных групп.

Основываясь на отмеченных преимуществах, ионообменные нетканые листовые фильтрационные материалы используют для удаления из воды вредных примесей с концентрацией до 40 мг/л. При этом необходимо отметить, что фильтрация через волоконный ионообменный материал не исключает применение для очистки воды гранулированных ионообменных смол. Их совместное применение выгодно дополняет друг друга, делая очистку воды более эффективной.

Помимо создания градиентной структуры, многослойные материалы применяются для производства фильтров с модифицированной поверхностью. Это достигается либо обработкой поверхности нетканого материала специальными реагентами, либо введением в его рыхлую структуру активных веществ, придающих фильтрам при очистке воды дополнительные свойства.

Совместное применение волоконного ионообменного материала и гранулированных ионообменных смол делает очистку воды более эффективной.

Например, в некоторых случаях в качестве фильтровальной среды используется нетканый фильтровальный материал, между слоями которого находится слой мелкодисперсного активированного угля или ионообменной смолы тонкого помола. Такие многослойные фильтрационные материалы кроме удаления механических примесей способны также осуществлять дополнительно хемосорбционную или ионообменную фильтрацию. Чаще всего этот вид многослойных фильтровальных сред используется в бытовых фильтрах-кувшинах.

В некоторых случаях нетканые фильтрационные материалы могут подвергаться модификации путем специальной обработки поверхности коллоидным серебром. При этом появляются антимикробные свойства. Такие фильтрационные среды чаще всего применяют в бытовых установках доочистки питьевой воды.

Таким образом, путем подбора материала волокон, их диаметра, длины и методов склеивания, а также с помощью соединения нетканых фильтровальных листов из различного материала можно получить фильтровальные среды с требуемым набором параметров.

Обычно при оценке свойств нетканых фильтровальных полотен учитываются их химические и физические свойства.

К химическим свойствам чаще всего относят:

  • водостойкость;
  • устойчивость к действию растворов кислот и щелочей.

В большинстве случаев создание нетканых фильтрующих материалов для очистки воды, устойчивых к действию таких химических реагентов, не представляет значительной сложности. А вот придание устойчивости к различным видам физического воздействия вызывает определенные трудности.

К физическим свойствам в первую очередь относится средняя поверхностная плотность нетканого фильтрационного материала, которая выражается в г/кв. м. В зависимости от этого параметра может меняться такая важная характеристика фильтрационного материала, как проницаемость — величина объема воды, проходящего через единицу площади фильтра в единицу времени. Обычно она выражается в куб. м/кв. м ∙ с. Этот параметр напрямую связан с размерами пор. Однако в фильтрах, где применяются нетканые материалы, обычно указывается не проницаемость фильтрационного материала, а производительность данного устройства, выраженная в куб. м/ч. В этом случае не указывается площадь фильтрующей поверхности.

В отдельных случаях фильтрационный материал обладает относительно невысокой проницаемостью, а высокое значение производительности фильтра достигается за счет увеличения площади фильтрующей поверхности. Чтобы увеличить площадь фильтрации, нетканый материал гофрируют, складывают определенным образом и скручивают в рулоны. Для этого он должен обладать высокой механической устойчивостью, в частности прочностью при разрыве, обратимой эластичностью, устойчивостью без потери фильтрационных свойств при сжатии, изгибе и кручении.

Поскольку в ряде случаев фильтруется нагретая вода, от нетканых материалов требуется и определенная термическая устойчивость.

Помимо проницаемости поверхностная плотность нетканого фильтрационного материала связана с коэффициентом заполнения. Он рассчитывается как математическое отношение объема, занимаемого непосредственно волокном, к величине объема фильтрационного материала. Эта величина часто выражается в процентах и характеризует рыхлость материала.

В большинстве случаев более рыхлые материалы с низким коэффициентом заполнения имеют больший эффективный размер пор, что приводит к возрастанию производительности по фильтруемой воде и увеличению размера задерживаемых загрязнений. Одновременно с этим такие материалы обладают меньшей механической прочностью — они менее устойчивы к гидравлическим ударам. Более рыхлые нетканые материалы под действием гидравлического давления сильно сжимаются, что приводит к значительному изменению их свойств. Значение коэффициента заполнения определяется диаметром волокон: чем больше диаметр волокна, тем больше рыхлость нетканого материала.

К СВЕДЕНИЮ

Листовые нетканые фильтрующие материалы применяются в фильтрах на стадии предварительной очистки воды, в различных проточных системах, после тех операций водоподготовки, где возможно образование относительно небольшого количества нерастворимых осадков, а также в магистральных фильтрах для механического способа очистки воды. Однако основным их применением считается использование в сменных картриджах.

По мнению специалистов, нетканые фильтрационные материалы по сравнению с другими фильтрационными средами имеют ряд преимуществ:

  • фильтры из нетканых материалов обладают долгим сроком использования;

  • в них полностью отсутствуют канальные эффекты — образование сквозных каналов, через которые проникает вода, минуя стадию очистки. Этим они отличаются от гранулированных и сыпучих материалов;

  • у фильтров с неткаными материалами более низкое значение гидравлического сопротивления в проточных системах очистки.



Мероприятия

Школа

Проверь свои знания и приобрети новые

Посмотреть

Самое выгодное предложение

Самое выгодное предложение

Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

Живое общение с редакцией





Электронная система

Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

Получить доступ
ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

Рассылка




© МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
Москва: 8 (495) 775-48-44 
Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

Получите техническую поддержку: 
по телефону: +7 (495)-937-90-82 
e-mail: sd@mcfr.ru 


  • Мы в соцсетях
Вы - работник сферы ЖКХ? Зарегистрируйтесь!

Регистрация бесплатная и займет всего 1 минуту!
После регистрации вы сможете:

  • читать любые статьи сферы ЖКХ на нашем сайте!
  • бесплатно подписаться на ежедневные новости по жилищно-коммунальному и городскому хозяйству
  • оставлять комментарии к материалам
  • задавать вопросы экспертам

Оставайтесь с нами!
с заботой о Вас, портал Городское хозяйство и ЖКХ

У меня есть пароль
напомнить
Пароль отправлен на почту
Ввести
Я тут впервые
И получить доступ на сайт
Займет минуту!
Введите эл. почту или логин
Неверный логин или пароль
Неверный пароль
Введите пароль