Способ изготовления фильтрующего материала

 

Способ изготовления фильтрующего материала относится к высокоэффективной очистке технологических сред. Способ включает формирование подложки из порошка, спекание, заполнение пор подложки ультрадисперсным порошком, подпрессовку и последующее припекание его к подложке. Селективный тонкопористый слой создают в грубопористом слое, сформированном на пористой подложке, причем используют подложку с размером максимальных пор, составляющим 40-50 средних размеров пор селективного слоя, а грубопористый слой формируют толщиной 20-70/m/ρS/,, где S-площадь подложки, m - масса материала селективного слоя, ρ- - плотность материала селективного слоя. 1 з. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления материалов для тонкой очистки газов и жидкостей от дисперсных микрозагрязнений.

Известны фильтрующие материалы, представляющие собой анизотропную пористую среду, слой которой закреплен на грубопористой подложке. Селективный слой можно сформировать несколькими способами: путем пневматического напыления на подложку ультратонкого порошка; погружением подложки в водно-спиртовую суспензию порошковой композиции; пропусканием через подложку суспензии порошковой композиции.

Данные способы обеспечивают формирование фильтрующего материала с эффективностью очистки, увеличивающейся с ростом толщины и с уменьшением среднего диаметра пор селективного слоя. При этом, однако, уменьшается коэффициент проницаемости фильтрующего материала.

Известны также фильтрующие материалы, формируемые заполнением пор основным тонкодисперсным наполнителем. Это, например, материал, полученный по способу, включающий нанесение на подложку тонкодисперсного порошка, последующее пропускание через подложку потока газа и спекание. Согласно через пористую заготовку пропускают сильно разбавленную суспензию порошка с размером частиц 0,01-0,1 размера максимальных пор подложки. Недостатками обоих способов являются снижение проницаемости фильтрующего материала из-за заполнения пор подложки по всей длине мелкодисперсным порошком, наличие микродефектов тонкопористой структуры и невозможность применения для формирования селективного слоя более тонкодисперсных порошков из-за проскока их частиц через подложку.

Таким образом, известные фильтрующие материалы, сформированные из порошков, имеют низкий показатель "качества" γ -lg(1-E)/(Δ P/U), не отвечающий современным требованиям, где Е эффективность улавливания наиболее проникающих частиц; Δ Р сопротивление материала при скорости фильтрации газа U.

Задачей заявляемого изобретения является повышение показателя "качества" многослойного фильтрующего материала, т.е. увеличение эффективности улавливания аэрозольных частиц и уменьшение сопротивления потоку газа.

Для решения поставленной задачи селективный мелкопористый слой создают вакуумной протяжкой суспензии ультрадисперсного порошка через грубопористый слой, сформированный на пористой подложке, причем используют подложку с размером максимальных пор, равным 40-50 средних размеров пор селективного слоя (d_ср.), а грубопористый слой формируют толщиной (20-70) где S площадь подложки; m масса материала селективного слоя; ρ плотность материала селективного слоя.

Чем больше размер пор подложки, тем выше ее коэффициент проницаемости, а следовательно и коэффициент проницаемости фильтрующего материала. Однако при величине максимальных пор подложки выше 50 d_cp при пропускании через подложку суспензии ультрадисперсного порошка начинается зафильтровывание его частиц в поры подложки.

В табл.1 приведены результаты оценки отклонений коэффициента проницаемости материала от его расчетной величины при разной величине пор подложки. Коэффициент пpоницаемости материала рассчитывался по формуле: ≈ + где К,К₁,К₂ коэффициент проницаемости материала, подложки и селективного слоя соответственно; l₁ и l₂ толщина подложки и селективного слоя соответственно.

Анализу подвергались пористые материалы с анизотропной структурой, в которых селективные слои сформированы как на поверхности подложки, так и в грубопористом слое, припеченном к пористой подложке. Удельная масса селективного слоя (m/S) равнялась 4 мг/см², а давление прессования 5 МПа.

Из данных табл. 1 видно, что с ростом размера пор подложки коэффициент проницаемости первоначально пpевышает расчетную величину, а затем при размере пор подложки, превышающем более чем в 50 раз средний размер пор селективного слоя, становится существенно меньше расчетного значения (см. пп. 1-4).

С целью увеличения проницаемости подложки при сохранении размера ее максимальных пор сформировали подложку с размером пор в 2-3 раза меньше требуемого, после чего ее подвергли растравливанию.

Анодное травление исходной подложки позволило более чем в 2 раза увеличить проницаемость пористого материала анизотропной структуры (см.п.6).

Размещение селективного слоя в грубопористом слое, сформированном на пористой подложке, также привело к увеличению проницаемости пористого материала (см. п.7) на 50 что объясняется увеличением степени разрыхленности селективного слоя.

Требования к толщине губчатого слоя установлены экспериментально (табл. 2) и отражают главным образом смысл его использования в качестве "емкости" для содержания определенного количества (m) тонкодисперсного порошка. При толщине менее 20 (m/(ρ S)) только часть общего количества тонкодисперсного порошка заполняет поры губчатого слоя, другая часть образует селективный слой, расположенный на поверхности губчатого слоя. При толщине губчатого слоя более 70 (m/(ρ S)) количества ультрадисперсного порошка недостаточно для создания бездефектного селективного слоя из-за перераспределения частиц порошка по всей длине пор губчатого слоя.

Согласно данным, приведенным в табл. 2, эффективность улавливания с увеличением грубопористого слоя сначала возрастает, достигая максимума при толщине грубопористого слоя 300-400 мкм, затем уменьшается, и при толщине грубопористого слоя примерно 600-650 мкм становится такой же, как и при толщине слоя 100-150 мкм.

Полученный материал превосходит по своему качеству (γ ≈ 0,075-0,110) зарубежные аналоги (γ ≈ 0,030) и отвечает необходимым требованиям, предъявляемым к материалам для фильтров тонкой очистки воздуха и технологических сред. При изготовлении конкретного фильтра, как это обычно делается, необходимо лишь оценить какое количество слоев материала необходимо использовать, чтобы получить фильтр с требуемой эффективностью улавливания.

Фильтрующий материал по предлагаемому способу получают следующим образом.

П р и м е р. Прокатом порошка никеля со средним размером частиц 2-3 мкм изготавливают мембрану с характеристиками: коэффициент проницаемости 0,007˙10^-12 м², толщина 120 мкм, размер максимальных пор 2 мкм. Данную мембрану подвергают анодному травлению в растворе азотнокислого никеля (рН 1) при плотности тока 10 А/дм² в течение 50-60 мин. В результате получают подложку толщиной 110 мкм с коэффициентом проницаемости 0,110˙10^-12 м² и размером максимальных пор 5-6 мкм. На подложку вакуумной протяжкой спиртовой суспензии порошка никеля, имеющего средний размер частиц 10-15 мкм, наносят губчатый слой толщиной 400 мкм, который припекают при температуре 1100^оС в атмосфере водорода.

В губчатом слое полученной основы также вакуумной протяжкой суспензии порошка никеля со средним размером частиц 0,12 мкм сформировывают тонкодисперсный слой. При этом масса внесенного на единицу площади подложки ультрадисперсного порошка составила 4 мг/см². После прессования давлением 5 МПа и последующего спекания в течение 3 мин при температуре 400^оС образец имел эффективность Е= 99,995 по частицам с размером более 0,15 мкм при обычных скоростях тонкой фильтрации 3-5 см/с (сопротивление материала составляло 40 мм вод. ст. при скорости фильтрации воздуха 1 см/с в нормальных условиях). Соответственно параметр качества материала γ был равен 0,108. Аэрозольные частицы масляного тумана получали стандартными методиками и детектировали оптическим методом на стенде испытания фильтров.

Два слоя такого материала обеспечивают эффективность фильтрации по частицам с размером более 0,15 мкм не менее 99,999999 при Δ P/V 80 мм вод.ст.

В табл. 3 приведены характеристики фильтрующих материалов, полученных различными способами: А тонкопористый слой толщиной 20-30 мкм, сформированный из частиц никеля размером 0,12 мкм, закрепленный на грубопористой подложке, имеющей размеры пор не более 2 мкм, изготовленной прокатом порошка частиц никеля размером 3-5 мкм;
Б тонкопористый слой толщиной 20-25 мкм, сформированный из частиц никеля размером 0,12 мкм, закрепленный на грубопористой подложке, имеющей размеры пор не более 5-6 мкм, изготовленной прокатом порошка частиц никеля размером 3-5 мкм и подвергнутой травлению;
В фильтрующий материал, изготовленный по предлагаемому способу.

Приведенные данные подтверждают существенные преимущества (γ ≈ 0,110) предлагаемого метода изготовления фильтрующего материала по сравнению с известными (γ 0,02-0,04).

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА для высокоэффективной очистки технологических сред, включающий формирование пористой подложки из порошка, заполнение пор подложки ультрадисперсным порошком и последующее припекание его к подложке, отличающийся тем, что селективный тонкопористый слой создают в грубопористом слое, сформированном на пористой подложке, причем используют подложку с размером максимальных пор, составляющим 40 - 50 средних размеров пор селективного слоя, а грубопористый слой формируют толщиной (20-70)m/ρS, где S - площадь подложки, m - масса материала селективного слоя, ρ - плотность материала селективного слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку формируют с размером пор, составляющим 20 - 30 средних размеров пор селективного слоя, после чего увеличивают размеры пор путем травления.

РИСУНКИ

Рисунок 1