фильтрующий материал, способ его получения и способ фильтрования

Формула изобретения

1. Фильтрующий материал, содержащий в качестве основы нетканый полимерный волокнистый материал и закрепленные на волокнах основы частицы гидрата окиси алюминия, отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия закреплены на волокнах нетканого полимерного волокнистого материала, полученного методом электроформования.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал, имеет, предпочтительно, диаметр волокна 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на поверхности волокон нетканого полимерного волокнистого материала, имеют размер 0,2-5,0 мкм, удельную поверхность 100-250 м²/г и пористость 50-95%.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что частицы гидрата окиси алюминия закреплены на волокнах нетканого полимерного волокнистого материала, как на поверхности, так и в объеме.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что количество частиц гидрата окиси алюминия в нем составляет 15-45 мас.%.

6. Способ получения фильтрующего материала, включающий нанесение на основу из нетканого полимерного волокнистого материала частиц материала на основе алюминия, осуществление гидролиза частиц материала на основе алюминия с образованием на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия, отличающийся тем, что в качестве основы используют нетканый полимерный волокнистый материал, полученный методом электроформования, нанесение частиц материала на основе алюминия осуществляют путем пропитки основы водной или водно-спиртовой суспензией частиц материала на основе алюминия, а гидролиз осуществляют путем нагревания пропитанного суспензией материала.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют нетканый полимерный волокнистый материал с диаметром волокна 1,0-3,0 мкм, полученный методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют материал с размером частиц менее 1 мкм.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют порошок алюминия с удельной поверхностью 7-28 м²/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве исходного материала на основе алюминия используют порошок состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением А1/AIN от 95:5 до 5:95, предпочтительно 60%: 40% и с удельной поверхностью не менее 8 м²/г, предпочтительно 19-27 м²/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что нагревание осуществляют при температуре 10-100°С, предпочтительно 50-70°С, в течение 10 мин - 48 ч, предпочтительно 30-60 мин.

12. Способ по п.6 или 11, отличающийся тем, что после окончания гидролиза фильтрующий материал промывают водой для удаления не закрепившихся на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия.

13. Способ фильтрования, включающий обеспечение контакта текучей среды с фильтрующим материалом на основе нетканого полимерного волокнистого материала, с закрепленными на его волокнах частицами гидрата окиси алюминия, отличающийся тем, что контакт обеспечивают с нетканым полимерным волокнистым материалом, полученным методом электроформования.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что количество частиц гидрата окиси алюминия на единицу площади поверхности фильтрующего материала, на основе нетканого полимерного волокнистого материала с диаметром волокна 1,0-3,0 мкм, полученного методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона, составляет 80-180 мг/см ².

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что фильтрующий материал удерживает электроотрицательные частицы, например бактерии, вирусы, коллоидные частицы, пирогены, нуклеиновые кислоты, протеины, энзимы и др.

16. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что фильтрующий материал стерилизует воду.

17. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что фильтрующий материал удерживает неполярные частицы и химические загрязнения, например, частицы нерастворимых оксидов и гидроксидов, водорастворимые нефтепродукты, фенолы, галогены, ионы тяжелых металлов.

18. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что фильтрующий материал используют для комплексной очистки воды.

19. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что фильтрующий материал находится в составе фильтра.

20. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что указанная текучая среда представляет собой воду, или водный раствор, или биологическую жидкость.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к производству фильтрующих материалов с высокими адсорбирующими и фильтрующими свойствами, а именно к получению фильтрующих материалов на основе искусственных или синтетических полимерных волокон для очистки и обеззараживания воды, водных растворов и других жидкостей, а также в медицине и микробиологии для стерилизующей фильтрации инъекционных и других растворов, концентрирования биомолекул в физиологических жидкостях, концентрирования и извлечения вирусов, приготовления апирогенной воды, в биокаталитических мембранных реакторах.

Известны нетканые материалы из тонких полимерных волокон, полученных методом электроформования, так называемые ткани (фильтры) Петрянова, назначение которых - фильтрование газов, жидкостей, бактериальная очистка газов [Высокоэффективная очистка газов от аэрозолей фильтрами Петрянова / П.И.Басманов, В.И.Кириченко, Ю.Н.Филатов, Ю.Л.Юров; отв. ред. В.И.Кириченко. - М.: Наука, 2003. - 271 с.].

Их свойства основаны на адгезии частиц нежелательных компонентов в жидкости или газе на волокнах фильтра при их столкновении. Однако они малоэффективны при очистке воды от патогенной флоры по причине слабой адгезии микрорганизмов к волокнам фильтра в водной среде.

Известен способ получения адсорбента [RU 2075345 С1, 1997], в котором ультрадисперсный порошок алюминия с удельной поверхностью 5-20 м²/г, полученный путем электрического взрыва алюминиевой проволоки в среде аргона, подвергают обработке водой при 50-60°С последующим прокаливанием при 300-500°С в течение 1-3 ч.

Такой адсорбент на основе ультрадисперсного оксида алюминия обеспечивает высокую сорбционную емкость по отношению к водорастворимым нефтепродуктам, фенолам и тяжелым металлам.

Известен способ получения адсорбентов [RU 2168357 С2, 2001] на основе оксидных материалов, в котором ультрадисперсный порошок алюминия с удельной поверхностью 5-20 м²/г, полученный электрическим взрывом алюминиевой проволоки в аргоне, обрабатывают водой при температуре 50-60°С, прокаливают при температуре 200-300°С в течение 1-3 ч, кипятят в насыщенном растворе бикарбоната натрия в течение 0,5-1:5 ч и повторно прокаливают при 200-300°С.

Способ улучшает адсорбционную способность порошка по отношению к фенолам, тяжелым металлам и галогенам без снижения емкости по водорастворимым нефтепродуктам.

Известен способ комплексной тонкой очистки сильнозагрязненной воды [RU 94003073 А, 1995]. Изобретение предназначено для очистки воды для бытовых нужд преимущественно в аварийных ситуациях. Цель изобретения - повышение эффективности процесса очистки сильнозагрязненной воды от нефтепродуктов и минеральных загрязнений. Сущность: сильнозагрязненную воду последовательно пропускают сначала через слой целлюлозы, активированной 5%-ной добавкой окисленного атактического полипропилена, затем через слой активного оксида алюминия, полученного путем окисления в водной среде ультрадисперсного порошка алюминия - продукта электрического взрыва алюминиевой проволоки.

Известен способ очистки воды от вирусов [SU 1066942 А С02F 1/28 1982], в котором для очистки воды от энтеровирусов с размером частиц 20-30 нм используют неорганический адсорбент, а именно моногидроксид алюминия AlOOH (бемит) с размером пор 60-90 нм, предварительно подвергнутый гидротермальной обработке. Способ позволяет достичь 100%-ной очистки при концентрации вирусов в воде, равной 1,5-6,28 lg ТЦД_50/мл и при рН среды в пределах 7,0-7,5.

Недостатком данного способа является необходимость длительного контакта (2-6 часов) содержащей вирусы воды с адсорбентом.

Применение для очистки воды способа, описанного в [RU 94003073 А, 1995], и адсорбентов по [RU 2075345 C1J 997, RU 2168357 С2, 2001] в виде загрузки в фильтрах требует высоких давлений из-за высокого гидродинамического сопротивления слоя адсорбента. При этом происходит унос адсорбентов потоком жидкости через фильтровальные перегородки. Кроме того, все способы предусматривают стадию прокаливания адсорбента при 200-300°С, что удорожает продукт.

Известен способ получения электропозитивного сорбента [US 6838005 B1, 2005], включающий смешивание несферических частиц оксида алюминия либо источника алюминия, который затем реагирует с водным раствором с образованием несферических частиц оксида алюминия со вторым твердым компонентом - частицами волокнистого материала. Из полученной смеси по «бумажной» технологии формируется фильтровальный материал.

Известен сорбент из несферических частиц оксида алюминия и частиц волокнистого материала, содержащий компонент с отрицательным зарядом поверхности и модификатор, выбранный из ряда оксид или гидроксид магния, кремния или их смеси [RU 2242276, С1]. Способ получения сорбента заключается в смешивании несферических частиц оксида алюминия с частицами волокнистого материала. Перед смешиванием к волокнистому материалу добавляют компонент с отрицательным зарядом поверхности, после смешивания всех трех компонентов к смеси добавляют модификатор. Кроме того, в процессе смешивания первых трех компонентов проводят активацию смеси электрическим током или ультразвуком. Затем из полученной смеси формируют фильтровальный материал по «бумажной» технологии. Сорбент отличается увеличенным сроком службы и сохранением эффективности в широком интервале рН, вплоть до 9,5.

Основным недостатком сорбентов [US 6838005 B1, 2005 и RU 2242276, C1] является их формирование из смеси частиц, что предполагает использование второго твердого компонента или частиц волокнистого материала в виде суспензии отдельных мелких частиц. Это ограничивает область материалов, которые можно использовать в качестве второго твердого компонента. Так, при использовании волокон из полимерных материалов диаметром менее 2 мкм чрезвычайно сложно получить механически прочный фильтрующий материал по «бумажной» технологии. В то же время именно эти материалы обладают качествами, предпочтительными при создании фильтрующих материалов.

Существенным недостатком способа получения сорбента [RU 2242276, C1] является необходимость активации смеси электрическим током или ультразвуком, что усложняет и удорожает технологию получения сорбента

Кроме того, сорбент [US 6838005 B1, 2005] предназначен только для удерживания отрицательно заряженных частиц, к которым не относятся нефтепродукты, фенолы, ионы тяжелых металлов, что не позволяет использовать материал в комплексной очистке воды.

Известен способ модифицирования фильтровального элемента [RU 2135262 C1], включающий пропитку заготовки фильтровального элемента, образованную углеродным нетканым полотном, модифицирующим составом, представляющим собой водно-органический раствор наноструктурных частиц серебра. Фильтровальный элемент, полученный данным способом, позволяет отфильтровывать содержащиеся в воде микробиологические примеси.

Как указано в описании, после обработки материала из углеродного волокна раствором серебра, жизнеспособных бактериальных клеток в фильтрате остается, по крайней мере, на 2 порядка меньше, чем при использовании необработанного материала.

В настоящее время такая эффективность считается недостаточной, требуется снижение концентрации бактерий и вирусов по крайней мере на 4-5 порядков.

Патент [US 5906743, 1999] описывает фильтрующий материал с частицами адсорбента - цеолита, закрепленными на электретно-заряженной (т.е. способной длительное время сохранять на своей поверхности электрический заряд) волокнистой матрице. Область применения материала - извлечение кофеина из жидкостей, его содержащих.

Патент [US 6274041 B1, 2001] описывает интегрированный фильтрующий материал, состоящий из двух компонентов - первого, приспособленного для извлечения загрязнений путем физической сорбции, и второго, способного к электрокинетической адсорбции. В качестве первого элемента применяют пористый адсорбент - активированный уголь, активную окись алюминия и т.п., в качестве второго - волокнистый материал с модифицированным поверхностным зарядом. Интегрированный фильтр представляет собой конструкцию из слоев этих двух материалов. Фильтр предназначен для комплексной очистки воды или воздуха от взвешенных частиц, соединений хлора, запаха, органических соединений, свинца, бактерий и вирусов.

Основной недостаток данного фильтра - использование известных адсорбентов, не всегда достаточно эффективных. Так, использование для удерживания бактерий волокнистого материала с модифицированным зарядом не обеспечивает полного обеззараживания воды уже при начальной концентрации бактерий в воде 5,5·10 ⁶ CFU/ мл.

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание изобретения нового фильтрующего материала с низким гидродинамическим сопротивлением, не содержащего опасных компонентов и компонентов, являющихся питательной средой для бактерий, устойчивого в воде и водных растворах.

Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, предлагаемый фильтрующий материал содержит в качестве основы нетканый полимерный волокнистый материал и закрепленные на волокнах основы частицы гидрата окиси алюминия.

Новым является то, что частицы гидрата окиси алюминия закреплены на волокнах нетканого полимерного волокнистого материала, полученного методом электроформования.

Кроме того, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокна 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

Кроме того, частицы гидрата окиси алюминия, закрепленные на поверхности волокон нетканого полимерного волокнистого материала, имеют размер 0,2-5,0 мкм, удельную поверхность 100-250 м² /г и пористость 50-95%.

Кроме того, частицы гидрата окиси алюминия закреплены на волокнах нетканого полимерного волокнистого материала как на поверхности, так и в объеме.

Кроме того, количество частиц гидрата окиси алюминия в нем составляет 15-45 мас.%.

Поставленная задача достигается также тем, что способ получения фильтрующего материала включает нанесение на основу из нетканого полимерного волокнистого материала частиц материала на основе алюминия и осуществление гидролиза частиц материала на основе алюминия с образованием на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия.

Новым является то, что в качестве основы используют нетканый полимерный волокнистый материал, полученный методом электроформования, нанесение частиц материала на основе алюминия осуществляют путем пропитки основы водной или водно-спиртовой суспензией частиц материала на основе алюминия, а гидролиз осуществляют путем нагревания пропитанной суспензией основы.

Кроме того, используют нетканый полимерный волокнистый материал с диаметром волокон 1,0-3,0 мкм, полученный методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

Кроме того, в качестве материала на основе алюминия используют порошок алюминия с размером частиц менее 1 мкм.

Кроме того, в качестве материала на основе алюминия используют порошок алюминия с удельной поверхностью 7-28 м²/г, полученный методом электрического взрыва проволоки.

Кроме того, в качестве исходного материала на основе алюминия используют порошок состава алюминий-нитрид алюминия с процентным соотношением Al/AlN от 95:5 до 5:95, предпочтительно 60%: 40% и с удельной поверхностью не менее 8 м ²/г, предпочтительно 19-27 м /г, полученный методом электрического взрыва проволоки.

Кроме того, нагревание осуществляют при температуре 10-100°С, предпочтительно 50-70°С, в течение 10 мин-48 час, предпочтительно 30-60 мин.

Кроме того, после окончания гидролиза фильтрующий материал промывают водой для удаления не закрепившихся на волокнах основы частиц гидрата окиси алюминия.

Еще одним объектом изобретения является способ фильтрования, включающий обеспечение контакта текучей среды с фильтрующим материалом на основе нетканого полимерного волокнистого материала с закрепленными на его волокнах частицами гидрата окиси алюминия.

Новым является то, что контакт обеспечивают с нетканым полимерным волокнистым материалом, полученным путем электроформования.

Кроме того, количество частиц гидрата окиси алюминия на единицу площади поверхности фильтрующего материала на основе нетканого полимерного волокнистого материала с диаметром волокна 1,0-3,0 мкм, полученного методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона, составляет 80-180 мг/см ².

Кроме того, фильтрующий материал удерживает электроотрицательные частицы, например, бактерии, вирусы, коллоидные частицы, пирогены, нуклеиновые кислоты, протеины, энзимы и др

Кроме того, фильтрующий материал стерилизует воду.

Кроме того, фильтрующий материал удерживает неполярные частицы и химические загрязнения, например частицы нерастворимых оксидов и гидроксидов, водорастворимые нефтепродукты, фенолы, галогены, ионы тяжелых металлов.

Кроме того, фильтрующий материал используют для комплексной очистки воды. Кроме того, фильтрующий материал находится в составе фильтра.

Кроме того, указанная текучая среда представляет собой воду или водный раствор или биологическую жидкость.

Материал, обладающий высокой эффективностью удержания микроорганизмов и в то же время низким гидросопротивлением, должен иметь развитую удельную поверхность, высокий положительный заряд на поверхности частиц и достаточно высокую пористость, чтобы обеспечивать необходимую скорость фильтрации. Высокой удельной поверхностью и электроположительным зарядом обладает гидрат окиси алюминия, получаемый гидролизом нанопорошков алюминия. Однако при использовании данного сорбента в фильтрах в виде слоя порошка на какой-либо фильтровальной перегородке возникают две существенные проблемы, обусловленные субмикронным размером частиц сорбента: высокое гидродинамическое сопротивление слоя сорбента и миграция частиц сорбента в фильтрах через пористые фильтровальные перегородки. Механическое смешивание сорбента с каким-либо инертным или чередование слоев сорбента и волокнистого материала позволяет уменьшить эти негативные явления, особенно в начальный период эксплуатации фильтра, однако не решает проблемы полностью. Частицы сорбента вымываются потоком фильтруемой жидкости, мигрируют сквозь слои волокнистого материала, уплотняются и создают высокое гидродинамическое сопротивление.

Технический результат достигается фиксацией (закреплением) частиц сорбента (пористого гидрата окиси алюминия на пористой подложке (основе, каркасе). В качестве такого каркаса может быть использован волокнистый листовой материал, например, полимерный материал, полученный методом электроформования. В результате получается композиционный материал, представляющий собой пространственный каркас из полимерных микроволокон, поверхность которых модифицирована частицами гидрата окиси алюминия. Немодифицированный полимерный материал не обладает свойством эффективного извлечения микроорганизмов из водной среды, однако обладает высокой пористостью и обеспечивает необходимую скорость фильтрования. Сорбент, закрепленный на поверхности волокон основы, не снижает скорости фильтрования, не мигрирует в фильтрат и придает материалу высокие сорбционные свойства, в том числе способность улавливать микроорганизмы. Таким образом, композиционный материал сочетает в себе положительные качества обоих компонентов - механическую прочность, устойчивость к воздействию фильтруемой среды, высокую скорость фильтрования основы из полимерного материала и высокую эффективность улавливания различных загрязнителей, в том числе микробиологических, сорбента-модификатора.

В заявке предлагается использовать в качестве основы пористый листовой материал из синтетических или искусственных полимерных волокон диаметром 1.0-3.0 мкм, нетоксичных, водостойких, гидрофильных или с возможностью придания им гидрофильных свойств, с температурой размягчения не ниже 110°С.

Преимуществом материалов из полимерных волокон является их химическая и биологическая инертность, способность сохранять механическую прочность даже после длительного нахождения в воде. Эти материалы не подвергаются микробиологическому разложению, что является очень важным при производстве фильтров для очистки воды. Существующий уровень развития техники позволяет получать из полимерных волокон высокопористые материалы с низким аэродинамическим и гидродинамическим сопротивлением, пригодные для очистки газов и жидкостей.

В качестве сорбента для модифицирования волокон предлагается использовать гидрат окиси алюминия, получаемый гидролизом порошков алюминия с размером частиц, равным или меньшим одного микрометра. Нанопорошки алюминия, полученные газофазным или механо-химическим методом, могут использоваться в качестве исходного материала на основе алюминия. Наиболее предпочтительными являются нанопорошки алюминия, полученные методом электрического взрыва проволоки. Эти порошки обладают высокой химической активностью, в результате чего они легко реагируют с водой при температурах 40-60°С. Продуктом гидролиза является гидрат окиси алюминия с удельной поверхностью 100-250 м²/г и высокими сорбционными свойствами.

Мягкие условия, при которых протекает гидролиз нанопорошков алюминия, позволяют проводить его непосредственно на поверхности волокон полимерного материала, полученного методом электроформования (фильтра Петрянова), при этом не происходит деструкции полимера и нарушения структуры волокон и самого материала.

Это позволяет осуществлять модификацию способом, при котором сначала на волокнистый полимерный материал наносят суспензию порошка алюминия, при этом частицы алюминия адсорбируются волокнами полимерного материала. При последующем гидролизе адсорбированные алюминиевые частицы превращаются в более крупные пористые частицы, состоящие из различных оксидных и гидроксидных фаз алюминия, которые удерживаются на волокнах основы за счет адгезии. При этом происходит увеличение удельной поверхности основы и создается дополнительная пористость фильтрующего материала в целом.

Из большого количества волокнистых полимерных материалов, пригодных для использования в качестве основы, наилучшим комплексом свойств обладают материалы, получаемые методом электроформования (фильтры Петрянова). Фильтры Петрянова состоят из достаточно тонких волокон, имеют высокую пористость и низкое гидродинамическое сопротивление, достаточную механическую прочность. Кроме того, эти материалы хорошо адсорбируют частицы алюминия из суспензии за счет высокой удельной поверхности и остаточного электрического потенциала, образующегося в материале в процессе его изготовления, особенно материалы из полимеров с полярными функциональными группами.

Из широкого ассортимента фильтров Петрянова для изготовления предлагаемого фильтрующего материала выбирали фильтры из полимеров с наиболее высокой термостойкостью и гидрофильностью. Предпочтительными для использования оказались два материала:

а) ФПА 15-2,0 из ацетата целлюлозы, средний диаметр волокон 1,7 мкм; поверхностная плотность 32 г/м² (плотность упаковки 3,0%), стандартное гидродинамическое сопротивление 2,0 мм вод ст. (водного столба), назначение - фильтрование газов;

б) ФПСФ-6С из полисульфона YUDEL-1700, поверхностная плотность 28 м ²/г, материал состоит их трех слоев, средний диаметр волокон внутреннего слоя - 1-1,2 мкм, наружных слоев - 2-2,5 мкм, плотность наружных слоев 9 г/м², внутреннего - 9 г/м², назначение - фильтрование газов, жидкостей, бактериальная очистка газов.

В качестве модифицирующего материала предпочтительным является нанопорошок состава алюминий-нитрид алюминия (Al/AlN), полученный методом электрического взрыва алюминиевой проволочки в атмосфере азота. Соотношение Al: AlN=60%:40%. Удельная поверхность нанопорошка 19-27 м²/г.

Изобретения иллюстрируются чертежом, на котором показана микрофотография волокон основы (ФПА-15-2,0), модифицированных пористыми частицами гидрата окиси алюминия.

На изображении видно, что волокно основы неравномерно покрыто закрепившимися на нем пористыми частицами, представляющими собой отдельные или сгруппированные агломераты размером 0,2-5,0 мкм из нановолокон гидрата окиси алюминия.

Способ получения материала осуществляется следующим образом.

Пример 1.

Готовят суспензию из 180 мл дистиллированной воды, 20 мл этилового спирта и 2 г порошка состава Al/AlN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 м²/г. Из фильтра Петрянова марки ФПСФ-6С из полисульфона с поверхностной плотностью 28 г/м ² вырезают заготовку размером 50×50 см, помещают ее в резервуар с подготовленной суспензией и оставляют на 10 мин для пропитывания при комнатной температуре. При этом происходит адсорбция порошка на волокнах материала и заготовка окрашивается в черный цвет. Затем заготовку извлекают из резервуара, отжимают для удаления избытка суспензии и переносят в сушильный шкаф с температурой 110°С. При нагревании заготовки до температуры 57°С начинается реакция гидролиза, сопровождающаяся выделением небольших количеств аммиака и водорода и изменением цвета заготовки с черного на белый в результате превращения Al/AlN в гидрат окиси алюминия белого цвета. По окончании гидролиза заготовку оставляют в шкафу еще на 4 часа для сушки. Получают материал, содержащий 27 масс.% гидрата окиси алюминия со средним размером частиц 0,8 мкм, с удельной поверхностью 180 м²/г и пористостью 80%. Из полученного фильтрующего материала формируют фильтры необходимой толщины складыванием 6 и 8 слоев фильтрующего материала.

Полученные фильтры испытывают на эффективность поглощения вирусов. Результаты приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 1 приведены результаты испытаний в аналогичных условиях фильтра из 6 слоев немодифицированного фильтра Петрянова марки ФПСФ-6С.

Образцы были испытаны на титрование бактериофага MS2. Бактериофаг MS2 представляет собой безвредный для человека микроорганизм, имитирующий патогенные вирусы. Каждый образец помещался между двумя мембранами Millipore (0,45 м) и зажимался в экспериментальной ячейке. Затем через ячейку с образцом фильтрующего материала пропускается 2 мл суспензии бактериофага MS2. Контролируются концентрации бактериофага на входе в ячейку и выходе. За результат принимается среднее арифметическое трех анализов.

Таблица 1.
Концентрация MS2 в исходной суспензии, БОЕ/мл	Удержано MS2, %
	Исходный ФПСФ-6С, 6 слоев	Модифицированный ФПСФ-6С
		6 слоев	8 слоев
1,4·10 4	38,6	99,3	100
1,3·10 5	15,4	99,6	99,8
1,0·10 6	0	99,1	99,8

Таким образом, изменяя толщину фильтра, можно добиться необходимой эффективности очистки при различной степени загрязнения очищаемой жидкости и скорости фильтрования.

Фильтр может быть сформирован сложением фильтрующего материала в несколько слоев без склеивания или склеиванием каким-либо способом, исключающим появление сквозных отверстий в материале.

Пример 2.

Готовят суспензию из 200 мл дистиллированной воды и 2 г порошка состава Al/AlN, полученного методом электрического взрыва проволоки, с удельной поверхностью 21 м²/г. Из фильтра Петрянова марки ФПА-15-2,0 в виде листового материала из ацетата целлюлозы на марлевой основе с поверхностной плотностью 32 г/м ² вырезают заготовку размером 50×50 см, помещают в резервуар с подготовленной суспензией и оставляют на 10 мин для пропитывания при комнатной температуре. Затем заготовку извлекают из резервуара и переносят в сушильный шкаф с температурой 110°С. Гидролиз и сушку осуществляют аналогично примеру 1. Получают материал, содержащий 35 мас.% гидрата окиси алюминия со средним размером частиц 0,9 мкм, с удельной поверхностью 185 м ²/г и пористостью 85%. Марлевую основу после сушки отделяют от слоя фильтрующего материала из модифицированного ацетата целлюлозы. Фильтр формируют складыванием 14 слоев фильтрующего материала аналогично примеру 1 и тестируют на поглощение вирусов. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Концентрация MS2 в исходной суспензии, БОЕ/мл	Удержано MS2, %
1,55×10 4	100
2,50×105	100
3,75×106	100
2,0×10 7	99,9998

Проведенные нами сравнительные испытания скорости фильтрования сорбента, изготовленного по патенту [US 6838005 B1, 2005] и предложенного нами фильтрующего материала такой же толщины, показали, что скорость фильтрования через предложенный нами фильтрующий материал по меньшей мере в 4 раза выше, чем через сорбент по патенту [US 6838005 B1, 2005].

Испытания проводили следующим образом: образец фильтра диаметром 25 мм помещали в герметичную ячейку, снабженную штуцерами для протока воды. В ячейку подавали воду с избыточным давлением 0,2 атм и измеряли объем воды V, прошедшей через фильтр за время t. Скорость фильтрации рассчитывали по формуле U_f=V/t·S, где S - площадь фильтра. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3
Фильтрующий материал	Скорость фильтрования, см/с
Фильтрующий материал на основе ФПА 15-2,0	0,25
Фильтрующий материал на основе ФПСФ-6С	0,24
Сорбент по патенту US 6838005 А, 2005	0,06

Пример 3. Готовят суспензию из 200 мл дистиллированной воды и 2 г порошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проволоки с удельной поверхностью 15 м²/г и со средним размером частиц 150 нм. Из фильтра Петрянова марки ФПА-15-2,0 из ацетата целлюлозы с поверхностной плотностью 32 г/м² вырезают заготовку размером 50×50 см, помещают ее в резервуар с подготовленной суспензией и оставляют на 10 мин для пропитывания при комнатной температуре. При этом заготовка окрашивается в черный цвет вследствие адсорбции частиц алюминия на волокнах материала. Затем заготовку извлекают из резервуара, отжимают для удаления избытка суспензии и помещают в резервуар с водой, нагретой до 60°С для гидролиза адсорбированного порошка алюминия. О начале гидролиза судят по выделению с поверхности заготовки пузырьков газа (водорода) и изменению цвета заготовки с черного на белый. По окончании гидролиза приблизительно через 20 мин заготовку извлекают из резервуара, переносят в сосуд с чистой водой и промывают для удаления незакрепившихся частиц гидрата окиси алюминия. Затем готовый фильтрующий материал переносят в сушильный шкаф с температурой 120°С на 8 часов для сушки. Получают материал, содержащий 30 мас.% гидрата окиси алюминия со средним размером частиц 0,8 мкм, с удельной поверхностью 250 м²/г и пористостью 95%. Из полученного фильтрующего материала формируют фильтр площадью около 100 см ² и толщиной 1,1 мм и определяют сорбцию тяжелых металлов, фенолов и водорастворимых нефтепродуктов полученным фильтром (табл.4).

Таблица 4.
Загрязнение	Исходная концентрация, мг/л	Остаточная концентрация, мг/л
Fe	0,5	0,05
As	0,04	0,003
Ni	0,5	0,08
Hg	0,01	0,0008
Фенол	0,005	0,001
Водорастворимые нефтепродукты	0,01	0,001

Пример 4. Смешивают 25% (об.) этанола и 75% (об.) дистиллированной воды, к 1000 мл полученной смеси добавляют 10,0 г нанопорошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проволоки в атмосфере азота с удельной поверхностью 18 м²/г и содержанием Al и AlN 40% (мас.) и 60% (мас.) соответственно. Все перемешивают и помещают в ультразвуковую ванну на 60 сек при температуре 20±3°С.

Образец фильтровального нетканого материала марки ФНМ 70-0,3 из поливинилхлоридных волокон со средним диаметром волокна 7,0 мкм и плотностью 25 г/м ² размером 30×30 см отделяют от марлевой подложки и помещают в сосуд с суспензией. Оставляют на 10 мин, чтобы волокна фильтровального нетканого материала адсорбировали наночастицы алюминия. Затем излишек суспензии сливают, материал слегка отжимают, промывают дистиллированной водой и помещают в сушильный шкаф с температурой 120°С. При нагревании материала до температуры 60°С начинается гидролиз адсорбированного волокнами материала нанопорошка алюминия, в результате образуются нановолокна оксидно-гидроксидных фаз алюминия. Об окончании гидролиза судят по цвету материала, который должен быть равномерно белым, без черных или серых пятен и участков. Полученный материал складывают в 6 слоев, прессуют и сушат при температуре 85°С в течение 4 часов. Получают фильтровальный материал, содержащий нановолокон оксидно-гидроксидных фаз алюминия 25% (мас.) в пересчете на Al₂ О₃.

Полученный материал обеспечивает 100%-ную эффективность удерживания микробиологических загрязнений при условии, что их концентрация в фильтруемом растворе не превышает 10⁵ КОЕ/мл для бактерий и 10 ⁵ БОЕ/мл для вирусов и обеспечивает высокую скорость потока при небольших давлениях (0,01-0,02 атм), что позволяет рекомендовать данный материал для изготовления безнапорных (гравитационных) микробиологических фильтров.