ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области фильтрации жидкостей, а именно к конструкциям фильтрующих элементов и способам их изготовления, и может быть использовано для очистки технических, пищевых жидкостей и воды.

Известны фильтрующие элементы из полиэтилена ФЭЛ-1, предназначенные для предварительной фильтрации воды в системах хозяйственного и питьевого водоснабжения, а также технических растворов при температуре до плюс 70^oC, номинальная тонкость фильтрации которых составляет 1,0 мкм [1].

Это фильтрующие элементы объемного фильтрования, допускающие всего 10-15 регенераций химическим путем.

Известны также титановые фильтрующие элементы [2], предназначенные для доочистки питьевой воды до нормативных значений по ГОСТ 2874-84 "Вода питьевая". Размер пор фильтроэлемента составляет 8-18 мкм.

Титановые фильтрующие элементы имеют большой диаметр пор и обеспечивают лишь микрофильтрацию и, хотя они имеют большой срок службы, они дороги, так как из-за высокой температуры спекания титана - выше 1000^oC - технология их изготовления является дорогостоящей. Очистка титановых фильтрующих элементов от загрязнения осуществляется вручную и сопровождается полной разборкой фильтра.

Известен способ изготовления фильтрующего материала для очистки технологических сред, включающий формирование пористой подложки из порошка, заполнение пор подложки ультрадисперсионным порошком и последующее припекание его к подложке [3].

Этот способ не позволяет получить фильтрующий материал из ультрадисперсного порошка на органических пористых подложках, так как до припекания должно быть выполнено условие спекания ультрадисперсного порошка, а температура плавления органической пористой подложки значительно ниже температуры спекания ультрадисперсного порошка.

Известен также способ нанесения на поверхность полимерного композиционного материала металла (алюминия) с помощью электродугового металлизатора в среде сжатого воздуха [4]. При этом способе имеет место большое количество крупной фракции жидкого металла, сдуваемой струей сжатого воздуха с проволок-электродов. Крупные расплавленные частицы, осаждаясь на полимерную пористую подложку, остывая, заплавляют ее сквозные поры.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является способ нанесения покрытия в вакууме методом катодно-ионной бомбардировки (КИБ), при котором изделия размещают на приспособлении в вакуумной камере и зажигают электрическую дугу с образованием потока металлической плазмы. Покрытие формируют путем осаждения металлической плазмы на поверхности изделия либо в вакууме, либо в среде рабочего газа, осуществляя при этом плазмохимический синтез компонентов эрозионной плазмы с поступающим в рабочую камеру газом [5] . Перед электродуговым испарением катода в камеру вводят азот при давлении 10^-2 - 10^-3 мм рт. ст., создают поток нейтральных частиц с энергией 0,5-5,0 кэВ, которым активируют и нагревают поверхность изделия в течение 0,2-15,0 мин. Формирование слоя покрытия ведут в течение 0,1-10 мин при скорости роста слоя 5-40 /с.

В сравнении с электродуговой металлизацией поверхностей любая самая крупная микрочастица эрозионной плазмы, получаемой по способу КИБ, намного меньше микрочастиц, получаемых по способу газового распыления жидкого металла или сплава, расплавляемых электрической дугой.

Однако при этом способе длительное напыление на пористую поверхность органической подложки приводит к блистерингу, т.е. к локальному вспучиванию подложки и шелушению напыляемого материала. Кроме этого, при перегреве изделие начинает "газить" и напыляемый материал не осаждается на поверхность пористой органической подложки. Давление в рабочей камере возрастает, плазмохимического синтеза напыляемого материала на поверхности пористой органической подложки не происходит.

Целью изобретения является создание фильтрующего элемента с металлической фильтрующей мембраной заданной пористости, обеспечивающей микро-, ультра- или нанофильтрацию, выдерживающего до 10 000 циклов регенераций.

В соответствии с изобретением предложен фильтрующий элемент, состоящий из пористой органической подложки и нанесенной на нее пористой металлической фильтрующей мембраны, выполненной из одного из металлов Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni, нержавеющей стали, либо одного из оксинитридов этих металлов, либо одного из нитридов этих металлов. Толщина пористой фильтрующей мембраны составляет 3-10 мкм. При этом средний диаметр пор пористой органической подложки больше среднего диаметра пор фильтрующей мембраны, средний диаметр пор переходного слоя в 2-3 раза больше среднего диаметра пор фильтрующей мембраны, а толщина переходного слоя в 4-5 раз больше толщины фильтрующей мембраны. В качестве органической пористой подложки может быть выбрана подложка из пористого полиэтилена, пористого поливинилхлорида или пористого полифторэтилена и др.

Предложен способ изготовления фильтрующего элемента, заключающейся в нанесении фильтрующего материала на пористую органическую, например полиэтиленовую, подложку методом плазмохимического напыления. В соответствии с заявляемым способом пористая полимерная подложка в виде изделия цилиндрической формы размещается на металлическом поворотном приспособлении в рабочей камере при нулевом электрическом потенциале между изделием и корпусом рабочей камеры. Процесс ведут при непрерывном контроле температуры подложки и давления рабочего газа в камере. Рабочую камеру откачивают до давления (4,5-8,2)•10^-2 мм рт.ст., включают вращение механизма с установленной на нем подложкой с заданной скоростью, после чего зажигают дуги на расходуемых катодах, выполненных из одного из металлов Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni, нержавеющей стали. При достижении температуры подложки, равной 82-90^oC, и давления рабочего газа в камере, равного (1,6-6,3)•10^-2 мм pт.ст., процесс электродугового испарения катодов прерывают гашением дуги. При остывании пористой полимерной подложки до температуры 26-27^oC и снижения давления в рабочей камере до начального начинают новый цикл напыления. Количество циклов определяется заданной толщиной фильтрующей мембраны и составляет не менее 5 циклов.

Способ осуществляют либо в воздушной среде, либо в среде азота, либо в среде нейтрального газа, например аргона, в зависимости от чего фильтрующая мембрана будет образована либо из оксинитридов, либо из нитридов, либо из металлов расходуемых катодов.

Отношение площади поверхности пористых органических подложек, установленных в рабочей камере, на которые наносят фильтрующий материал, к удвоенной площади поперечного сечения рабочей камеры составляет 0,3-0,8. При этом нижний предел относится к минимальной загрузке рабочей камеры, т.е. при загрузке в камеру одного изделия. Верхний предел касается максимальной загрузки рабочей камеры, при котором удается избежать эффекта самоэкранирования, т.е. мертвых зон и возможно реализовать данный способ напыления материалов. Если пористую полиэтиленовую подложку разогревать так, чтобы диаметр пор в переходном слое был сопоставим с диаметром пор фильтрующей мембраны, то в этом случае срабатывает эффект схлопывания сквозных каналов и вместо пористой структуры образуется запирающий (беспористый) слой.

В случае, когда отношение диаметра пор переходного слоя подложки к диаметру пор фильтрующей мембраны больше 3, процесс формирования фильтрующей мембраны плазмохимическим осаждением становится длительным (несколько часов), то есть непроизводительным. Толщина переходного слоя не должна превосходить толщину фильтрующей мембраны в 5 раз, так как в противном случае резко уменьшается общее сечение сквозных каналов. Возникают тупиковые каналы, что приводит к уменьшению скорости фильтрации жидкости. Если отношение толщины переходного слоя к толщине фильтрующей мембраны меньше 4, то в этом случае не достигается условие сужения среднего диаметра пор, то есть возникает переходный слой, в котором отношение диаметра пор подложки к диаметру пор фильтрующей мембраны больше 3.

Фильтрующие элементы, содержащие фильтрующие мембраны, нанесенные на пористые органические подложки, полученные методом плазмохимического синтеза с заданной сквозной пористостью при диаметре пор, равном 1 мкм, 0,1 мкм, 0,05 мкм обеспечивают очистку жидкости в заданном режиме микро-, ультра- или нанофильтрации. При этом пористость фильтрующих элементов составляет 10-15%.

Плазмохимическая мембрана обладает высокой адгезией, механической прочностью и выдерживает многократные интенсивные циклы (до 10 000 и более) регенерации: обратный ток фильтрата, гидромеханическую обработку двухфазным потоком, кипячение при высоких температурах в растворах ПАВ, механическую чистку, ультразвуковую мойку и др. Срок службы фильтроэлемента - до 10 лет.

Пористая полимерная подложка имеет низкую температуру размягчения (140-180)^oC и низкую теплопроводность ( λ = 0,105 Вт/(м•град)), а формируемая мембрана является высокотемпературным материалом T_пл. 3000-3250^oC с коэффициентом теплопроводности λ = 15-25 Вт/(м•град). С этим связан выбор параметров технологии, времени напыления, обеспечивающие с одной стороны отсутствие блистеринга и газовыделения, и с другой стороны качественное сцепление материала фильтрующей мембраны с пористой полимерной подложкой.

Таким образом, технический результат, который может быть достигнут при осуществлении способа, обладающего заявленной совокупностью существенных признаков, - это устранение блистеринга в процессе нанесения фильтрующего материала на поверхности изделия, создание условий плазмохимического синтеза фильтрующего материала на поверхности изделия, устранение эффекта газовыделения, при котором невозможно проводить осаждение фильтрующего материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен фильтрующий элемент, общий вид в разрезе; на фиг. 2 представлен график изменения температуры пористой полиэтиленовой подложки и давления в рабочей камере в зависимости от времени в течение одного цикла напыления покрытия.

Фильтрующий элемент патронного типа состоит из пористой органической подложки 1 и фильтрующей мембраны 2, имеющий в зоне контакта адгезионную связь с органической подложкой. В качестве материала фильтрующей мембраны использованы Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni и нержавеющая сталь, или их нитриды, или их оксинитриды. Толщина фильтрующей мембраны 2 составляет 3-10 мкм.

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1.

В рабочую камеру, в которой установлены два катода из титана, на планетарном приспособлении размещают изделие-подложку фильтрующего элемента, выполненное в виде пористого полиэтиленового патрона с размерами: высота = 300 мм, диаметр внешний = 70 мм, диаметр внутренний = 40 мм. Процесс ведут при нулевом электрическом потенциале между изделиями и корпусом рабочей камеры при непрерывном контроле температуры подложки и давления в рабочей камере.

Рабочую камеру откачивают до давления P₀ = 5,4•10^-2 мм.рт.ст. Скорость откачки воздуха составляет 0,5 л/с для остаточного давления воздуха 1 мм.рт. ст. Перед зажиганием дуги включают поворотное планетарное приспособление со скоростью 8 об/мин. После чего зажигают одновременно две дуги на титановых расходуемых катодах. Скорость расхода цилиндрического титанового катода составляет по высоте 10 мкм/мин.

Давление воздуха в рабочей камере в первые 1-2 минуты растет до P_1max = 5,0•10^-1 мм.рт.ст. При этом эрозионная плазма в рабочей камере не возникает, т.к. горение происходит на поверхности катодов.

Начиная с давления P₁ = 2,8•10^-1 мм.рт.ст. происходит осаждение фильтрующего материала на поверхность подложки, температура которой возрастает до 28-30^oC. В течение интервала времени до 5 мин от начала процесса давление в камере падает до 7•10^-4 мм рт.ст., а температура подложки растет до 36^oC.

Через 7 мин от начала процесса температура подложки поднимается до 85^oC, а давление в рабочей камере повышается до P₂ = 3,2•10^-2 мм.рт.ст.

В этот момент процесс напыления прерывают гашением дуг. По инерции температура изделия доходит до T_max = 92^oC, а давление растет до P_2max = 1,05•10^-1 мм рт.ст.

Процесс остывания длится 23-25 мин до температуры подложки 26-27^oC и давления в рабочей камере P₀ = 5,4•10^-4 мм рт.ст.

Толщина покрытия, наносимого за один цикл напыления, составляет 0,6-2 мкм.

После достижения параметров по температуре и давлению, равных T₃ и P₀ соответственно, процесс возобновляют. Всего проводят 5 аналогичных циклов. Толщина полученной фильтрующей мембраны из оксинитрида титана составляет 6-8 мкм.

Примеры 1-21 устройства и способа, реализующего его, сведены в таблицу, где давление приведено в мм.рт.ст., температура - в ^oC, при этом:
P₀ - давление рабочего газа в камере в момент зажигания дуги;
P₁ - давление рабочего газа в камере в момент начала осаждения напыляемого металла;
P_1max - максимальное давление рабочего газа в камере;
T₁ - температура подложки в момент начала осаждения напыляемого металла;
T₂ - температура подложки в момент прерывания процесса напыления;
T₀ - температура подложки в начальный момент зажигания дуги;
T₃ - температура подложки в конце охлаждения подложки;
Δ t₁ - время до начала процесса напыления;
Δ t₂ - длительность процесса напыления;
Δ t₃ - время охлаждения подложки.

Примеры 1-7.

Фильтрующий элемент получали путем напыления Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni и нержавеющей стали на пористую полимерную подложку из полиэтилена в воздушной среде.

Примеры 8-14.

Фильтрующий элемент получали путем напыления Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni и нержавеющей стали на пористую полимерную подложку из полиэтилена в среде азота.

Примеры 15-21.

Фильтрующий элемент получали путем напыления Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni и нержавеющей стали на пористую полимерную подложку из полифторэтилена в среде нейтрального газа - аргона.

Литература
1. Сертификат Госсанэпиднадзора N 417 от 18.04.95 г.

2. Информационный листок ГКЦ "Бытовая экология".

3. Авторское свидетельство N 2055694, МКИ 6 В 22 Г 3/10, 1993.

4. Авторское свидетельство N 2051199, МКИ 6 С 23 С 4/12, 1993.

5. Патент РФ N 2073743, МКИ 6 С 23 С 14/00, 1992.