RU2009693C1 - Method of manufacture of filter element for ion-exchange cleaning - Google Patents

Abstract

FIELD: ion-exchange cleaning. SUBSTANCE: method of manufacture of filter element for ion-exchange cleaning consists in aerodynamic spinning of polymer microfibers from polymer melt, arranging them in layers formed on revolving porous framework at polymer melting point followed by winding the ion-exchange material in spiral; after winding the ion-exchange material, microfibers are laid on formed layer of ion-exchange material; used as ion-exchange material are synthetic ion-exchange monofibers or material woven from carbon fibers. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl

Description

Изобретение относится к очистке фильтрованием от химических загрязнений, в частности к способам изготовления фильтровальных элементов для ионообменной очистки, и может быть использовано в производстве волокнистых патронных фильтровальных элементов, предназначенных для удаления ионов различных элементов при помощи сорбционного наполнителя, преимущественная область использования - медицинская, электронная и микробиологическая промышленности. The invention relates to cleaning by filtration from chemical contaminants, in particular to methods for manufacturing filter elements for ion exchange cleaning, and can be used in the manufacture of fibrous cartridge filter elements designed to remove ions of various elements using a sorption filler, the preferred area of use is medical, electronic and microbiological industry.

Известен способ изготовления фильтрующего элемента, в котором формируют чередование слоев фильтрующего материала и сорбента путем последовательного расположения одна в другой замкнутых и предварительно сформованных оболочек из термоскрепленных синтетических нитей и размещения сорбента из активированного угля внутри оболочек и герметизацию в фильтродержателе [1] . A known method of manufacturing a filter element in which an alternation of layers of filter material and sorbent is formed by sequentially placing closed and preformed shells of thermally bonded synthetic threads in one another and placing sorbent from activated carbon inside the shells and sealing in the filter holder [1].

Недостатком известного способа является низкая технологичность способа вследствие применения сложного оборудования для изготовления замкнутых оболочек и их термоскрепления при закруглении, что снижает его эффективность. The disadvantage of this method is the low adaptability of the method due to the use of sophisticated equipment for the manufacture of closed shells and their thermal bonding during rounding, which reduces its effectiveness.

Известен также способ изготовления патронных фильтров переменной плотности, в котором экструдируют волокнообразующий синтетический материал в виде потока волокна в жидкой фазе на вращающуюся оправку, взаимодействуют на поток волокна плоским потоком воздуха, вводят ионообменный наполнитель в поток микроволокон до укладки их на оправку или во время укладки микроволокон на оправку, а в качестве ионообменного наполнителя используют гранулированный активированный уголь, силикагель, или эмульсию углеродной сажи, которая наносится на элемент во время укладки микроволокон [2] . There is also a known method of manufacturing variable density cartridge filters, in which fiber-forming synthetic material is extruded in the form of a fiber stream in a liquid phase onto a rotating mandrel, interacting with a flat air stream in a fiber stream, an ion-exchange filler is introduced into the microfibre stream prior to laying them on the mandrel or during laying of microfibers on a mandrel, and granular activated carbon, silica gel, or an emulsion of carbon black, which is applied on an ele ent during stacking microfibers [2].

Недостатком известного способа являются значительные потери сыпучего ионообменного наполнителя, вводимого в движущийся под воздействием воздушного высокоскоростного потока факела микроволокна. Под воздействием потока воздуха часть гранулированных частиц не попадает на оправку, а распыляется в окружающее пространство, что снижает эффективность способа и требует дополнительные затраты на проведение определенных мероприятий по улавливанию частиц наполнителя. The disadvantage of this method is the significant loss of free-flowing ion-exchange filler introduced into a microfiber torch moving under the influence of an air high-speed torch stream. Under the influence of the air flow, part of the granular particles does not fall on the mandrel, but is sprayed into the surrounding space, which reduces the efficiency of the method and requires additional costs for certain measures to capture the filler particles.

Кроме того, формирование ионообменного слоя из ионообменного материала одновременно с укладкой микроволокон уменьшает количество ионообменного материала в слое, что снижает эффективность и качество очистки сред от химических загрязнений. In addition, the formation of an ion-exchange layer from an ion-exchange material simultaneously with the laying of microfibers reduces the amount of ion-exchange material in the layer, which reduces the efficiency and quality of cleaning media from chemical contaminants.

Цель изобретения - повышение эффективности способу путем снижения потерь ионообменного материала. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the method by reducing losses of ion-exchange material.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, согласно изобретению, введение ионообменного материала осуществляют раздельно от укладки микроволокон после формирования слоя на пористом каркасе, ионообменный материал наматывают по спирали на образованный слой полимерных микроволокон, а после намотки ионообменного материала производят повторную укладку микроволокон на сформированный слой из ионообменного материала. Кроме того, в качестве ионообменного материала используют синтетические ионообменные моноволокна или тканый материал из углеродных волокон. This goal is achieved by the fact that in the method according to the invention, the introduction of ion-exchange material is carried out separately from laying microfibers after the formation of the layer on a porous frame, the ion-exchange material is wound spirally on the formed layer of polymer microfibers, and after winding the ion-exchange material, microfibers are re-laid on the formed layer from ion exchange material. In addition, synthetic ion-exchange monofilaments or carbon fiber woven material are used as the ion-exchange material.

Введение в предложенный способ нового существенного отличительного признака - введение ионообменного материала осуществляют раздельно от укладки микроволокон после формирования слоя на пористом каркасе - позволяет увеличить процентное содержание ионообменного наполнителя в структуре фильтрующего слоя, что повышает качество фильтровального элемента и повышает эффективность способа в отличие от прототипа. Кроме того, раздельное введение ионообменного наполнителя исключает потери материала как в процессе изготовления элемента, так и в процессе эксплуатации этого элемента, а предварительное создание слоя из самосвязанных микроволокон препятствует проникновению частиц ионообменного материала в фильтрат, а также уменьшает технологические отходы производства. Введение второго существенного признака, а именно то, что ионообменный материал наматывают по спирали на образованный слой полимерных микроволокон позволяет исключить цикличность операций формования элементов, обеспечить поточность, что повышает технологичность изделия и эффективность предложенного способа. Намотка по спирали при непрерывном вращении пористого каркаса обеспечивает повышение коэффициента упаковки ионообменного материала в слой элемента, позволяет формовать указанный слой любой толщины и с заданными фильтровальными характеристиками, такими как гидравлическое сопротивление, проницаемость, объемный коэффициент заполнение и др. , что повышает эффективность способа и сокращает технологические отходы, исключает потери ионообменного материала. Introduction to the proposed method of a new significant distinguishing feature - the introduction of ion-exchange material is carried out separately from laying microfibers after the formation of the layer on a porous frame - allows you to increase the percentage of ion-exchange filler in the structure of the filter layer, which increases the quality of the filter element and increases the efficiency of the method, unlike the prototype. In addition, the separate introduction of an ion-exchange filler eliminates material loss both during the manufacturing process of the element and during the operation of this element, and the preliminary creation of a layer of self-bonded microfibers prevents the penetration of particles of ion-exchange material into the filtrate, and also reduces technological production waste. The introduction of the second essential feature, namely, that the ion-exchange material is wound in a spiral fashion on the formed layer of polymer microfibers, eliminates the cyclical nature of the operations of forming elements, ensures flow, which increases the manufacturability of the product and the effectiveness of the proposed method. Spiral winding during continuous rotation of the porous skeleton provides an increase in the packing coefficient of the ion-exchange material in the element layer, allows the specified layer to be formed of any thickness and with specified filter characteristics, such as hydraulic resistance, permeability, volumetric filling factor, etc., which increases the efficiency of the method and reduces technological waste eliminates the loss of ion exchange material.

Наличие третьего отличительного признака - после намотки ионообменного материала производят повторную укладку микроволокон на сформированный слой из ионообменного материала - позволяет не прерывая процесса сформовать защитный слой у самосвязанных полимерных микроволокон, который защищает слой ионообменного материала от механических повреждений и потерь указанного ионообменного материала при использовании элемента в других операциях способа, таких как герметизация торцов, установка в фильтродержатель и других. The presence of the third distinguishing feature - after winding the ion-exchange material, microfibers are re-laid on the formed layer of ion-exchange material - allows, without interrupting the process, to form a protective layer on self-bonded polymer microfibers, which protects the layer of ion-exchange material from mechanical damage and loss of the specified ion-exchange material when using the element in other method operations, such as end-face sealing, installation in a filter holder, and others.

Использование в способе синтетических ионообменных моноволокон позволяют автоматизировать процесс намотки известными простыми устройствами (шпулями, катушками и другими), что повышает эффективность способа, а также повысить общую обменную сорбционную емкость за счет развитой площади поверхности ионообменных моноволокон по сравнению с применяемыми в прототипе гранулированными частицами, площадь поверхности которых при одинаковом весе с мононитью на несколько порядков ниже. Такой же эффект создает и применение тканых материалов из углеродных волокон. The use of synthetic ion-exchange monofilaments in the method allows automating the winding process with known simple devices (spools, coils and others), which increases the efficiency of the method, as well as increasing the total exchange sorption capacity due to the developed surface area of ion-exchange monofilaments in comparison with granular particles used in the prototype, the area the surfaces of which at the same weight with monofilament are several orders of magnitude lower. The use of carbon fiber woven materials creates the same effect.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Полимерный волокнообразующий материал расплавляют до температуры текучести в плавильном устройстве, и полученный расплав экструдируют в волокнообразующую головку, в которую под давлением подается газ. После этого аэродинамическим методом выпрядают полимерные микроволокна из расплава полимера. Полученный поток микроволокон укладывают на вращающийся пористый каркас в слои при температуре плавления полимерного материала, при которой образуется самосвязанная структура фильтровального слоя с регулируемым размером пор. После достижения необходимой толщины слоя укладку микроволокон прекращают, а в вращающийся слой вводят ионообменный материал, для чего используют непрерывные синтетические ионообменные моноволокна, сматываемые с катушек или шпуль, или тканый материал из углеродных волокон. Введение ионообменного материала осуществляют наматыванием по спирали на образованный слой полимерных микроволокон. После намотки ионообменного материала и образования необходимой толщины рабочего слоя для эффективной очистки от химических загрязнений на сформированный слой из ионообменного материала производят повторяют укладку микроволокон с режимами, аналогичными при проведении операции укладки микроволокон на вращающийся каркас. После достижения необходимых геометрических размеров фильтровальный элемент герметизируют концевыми крышками по известному способу. The proposed method is as follows. The polymer fiber-forming material is melted to a pour point in a melting device, and the obtained melt is extruded into a fiber-forming head into which gas is supplied under pressure. After that, polymer microfibers are straightened out from the polymer melt by the aerodynamic method. The resulting microfiber stream is laid on a rotating porous frame in layers at the melting temperature of the polymer material, at which a self-linked structure of the filter layer with an adjustable pore size is formed. After reaching the required layer thickness, the microfibre laying is stopped, and ion-exchange material is introduced into the rotating layer, for which continuous synthetic ion-exchange monofilaments, wound from spools or spools, or woven carbon fiber material are used. The introduction of ion-exchange material is carried out by winding in a spiral on the formed layer of polymer microfibers. After winding the ion-exchange material and the formation of the required thickness of the working layer for effective cleaning from chemical contaminants on the formed layer of ion-exchange material, the microfibers are laid again with the same modes as during the microfibers laying operation on a rotating frame. After reaching the required geometric dimensions, the filter element is sealed with end caps according to a known method.

П р и м е р. Волокнообразующий полипропилен марки 21180-16 с индексом расплава 18 г/10 мин расплавляли в шнековом экструдере до температуры 250-260^оС. Полученный расплав экструдировали через фильеру волокнообразующей головки, после чего воздействовали высокоскоростным потоком сжатого воздуха в направлении экструдирования. При использовании указанного аэродинамического метода выпрядали полипропиленовые микроволокна диаметром 5 мкм, которые образовывали поток микроволокон, который направляли на вращающийся с частотой вращения 150 оборотов в минуту пористый каркая с наружным диаметром 32 мм. Полученный поток микроволокон укладывали в слои при температуре 165^оС, что соответствовало температуре плавления полипропилена. При этом образовывался слой на пористом каркасе, представляющий самосвязанную однородную структуру из полипропиленовых микроволокон. При достижении диаметра слоя 35 мм укладку микроволокон прекращали, а на полученный слой наматывали по спирали ионообменные синтетические моноволокна торговой марки ВИОН. Намотка осуществлялась в слой до диаметра 63 мм. После этого возобновляли укладку полипропиленовых микроволокон с аналогичными режимами укладки. После достижения наружного диаметра 64,5 мм получали готовое изделие. Лабораторные испытания показали высокую обменную емкость и регенеpируемость элемента при эксплуатации.PRI me R. Spinning grade polypropylene 21180-16 with a melt index of 18 g / 10 min was melted in a screw extruder to a temperature of 250-260 ^C. The resulting melt was extruded through a spinneret fiber-forming die, and then exposed to a high-speed stream of compressed air in the direction of extrusion. When using the specified aerodynamic method, polypropylene microfibers with a diameter of 5 μm were spun, which formed a microfiber stream that was directed to a porous croaking with an outer diameter of 32 mm rotating at a speed of 150 revolutions per minute. The resulting stream of microfibers stacked in layers at a temperature of 165 ^{° C,} which corresponded to the melting temperature of polypropylene. In this case, a layer was formed on the porous skeleton, which represents a self-bound homogeneous structure of polypropylene microfibers. When the layer diameter of 35 mm was reached, microfibre laying was stopped, and ion-exchange synthetic monofilaments of the VION trademark were wound on a spiral layer. Winding was carried out in a layer up to a diameter of 63 mm. After that, the laying of polypropylene microfibres with similar laying modes was resumed. After reaching an outer diameter of 64.5 mm, the finished product was obtained. Laboratory tests showed a high exchange capacity and the regenerability of the element during operation.

Изобретение разработано на стадии проведения НИР и ОКР при подготовке производства к серийному освоению фильтровальных элементов в 1993 году на приборном заводе "Тензор". (56) 1. Авторское свидетельство N 874121, кл. В 01 D 39/00, 1979. The invention was developed at the stage of research and development work in preparation for serial production of filter elements in 1993 at the Tensor instrument factory. (56) 1. Copyright certificate N 874121, cl. B 01 D 39/00, 1979.

2. Патент США N 3904798, кл. B 01 D 39/16, 1973. 2. US patent N 3904798, cl. B 01 D 39/16, 1973.

Claims (3)

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ИОНООБМЕННОЙ ОЧИСТКИ , включающий аэpодинамическое выпpядение полимеpных микpоволокон из pасплава полимеpа, укладку их в фоpмиpуемые на вpащающемся поpистом каpкасе слои пpи темпеpатуpе плавления полимеpа и введение в слои ионообменного матеpиала, отличающийся тем, что введение ионообменного матеpиала осуществляют отдельно путем pасположения его по спиpали на сфоpмиpованный на поpистом каpкасе слой полимеpных микpоволокон, затем пpоизводят повтоpную укладку микpовалокон на внешний слой спиpали. 1. METHOD FOR PRODUCING A FILTER ELEMENT FOR ION EXCHANGE CLEANING, including aerodynamic straightening of polymer microfibers from a polymer melt, laying them into layers formed at a rotating porous frame, introducing melt and ion exchangers it was spiraled onto a layer of polymer microfibers formed on a porous frame, then the microfibers were re-laid onto the outer layer of the coils. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ионообменного матеpиала используют синтетические ионообменные моноволокна. 2. The method according to p. 1, characterized in that synthetic ion-exchange monofilaments are used as the ion-exchange material. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ионообменного матеpиала используют тканый матеpиал из углеpодных волокон. 3. The method according to p. 1, characterized in that as the ion-exchange material used woven material made of carbon fibers.