Патент на изобретение №2287356

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии изготовления фильтрующих материалов на основе полимеров пространственно-глобулярной структуры (далее ПГС полимеры) и может быть использовано в системах фильтрации воды. Способ изготовления фильтрующего материала включает поликонденсацию мочевины и альдегида в присутствии кислоты и формование образующейся смолы с охлаждением и выдержкой до полного отверждения, при этом в качестве альдегида используют фурфурол, поликонденсацию осуществляют при нагревании до достижения значения динамической вязкости раствора, равного 40-50 мП, а охлаждение осуществляют со скоростью, позволяющей получить материал со средним диаметром пор в интервале 1-4 мкм. Изобретение позволяет получить чистый материал. 11 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления фильтрующих материалов на основе полимеров пространственно-глобулярной структуры (далее ПГС полимеры) и может быть использовано в системах фильтрации воды.

ПГС полимер представляет собой неплавкое и нерастворимое в обычных растворителях высокопроницаемое изделие, структура которого образована связанными между собой микроглобулами, образующими регулярную пространственную структуру. Средний размер пор может составлять 0,1-10 мкм. Большая развернутая поверхность (до 100-150 м²/г), узкий диапазон распределения пор по размерам (обычно 10%) придают этим материалам хорошие механические и технологические свойства и позволяют использовать их в качестве фильтрующих перегородок.

Структура и свойства наиболее известных ПГС полимеров, раскрыты, в частности, в Энциклопедии полимеров, М.: Советская Энциклопедия, 1972, с.652-658.

Из уровня техники известен способ получения фильтрующего материала в виде ПГС полимера на основе мочевино-формальдегидной смолы [1], являющийся наиболее близким заявляемому решению и выбранный заявителем в качестве прототипа. Известный способ включает следующие действия:

– поликонденсация мочевины и формальдегида без нагрева;

– формование образующейся смолы с охлаждением и выдержкой до отверждения полимера в герметичной форме в течение 10-50 мин при 15-25°С;

– использование для осуществления способа водного раствора мочевины концентрации 250-600 г/л, формальдегида и кислого катализатора при их массовом соотношении, равном 1:(0.5-1.0):(0.01-0.12) соответственно;

– одновременное проведение поликонденсации и формования.

Известный способ прост в реализации и заключается в том, что в емкость требуемой формы сливают водный раствор мочевины, формалина, кислоты (катализатор) и выдерживают полученную смесь в статических условиях. Происходит экзотермическое нагревание раствора, который затем охлаждают. За 10-50 мин синтезируется карбамидное изделие любой заданной формы и разнообразного назначения.

Способ позволяет получать толстостенные трубы макропористой глобулярной структуры с размером пор, задаваемым в пределах 0.5-10 мкм, эффективные при использовании в качестве разделительных перегородок при фильтровании. Однако известная технология не соответствует возросшим требованиям по экологической безопасности, т.к. основана на использовании формальдегидной смолы. Из ПГС полимера, получаемого известным способом, в окружающую среду выделяется значительное количество токсичного формальдегида, вследствие чего значительно сужается область применения изделий из данного полимера. ПГС полимеры являются высокоэффективными фильтрующими материалами для очистки от механических и химических примесей водных и органических растворов, однако присутствие в фильтрате формальдегида, относящегося к веществам 2 класса опасности, как правило, не допускается. Кроме того, при использовании мочевино-формальдегидного ПГС полимера в качестве фильтрующего материала необходимо дорогостоящее оборудование для удаления из фильтрата формальдегида.

Следует отметить, что утилизация отработанных фильтрующих изделий из мочевино-формальдегидного ПГС полимера из-за постоянного выделения полимером в окружающую среду формальдегида также является трудоемким процессом.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа, обеспечивающего получение более безопасного по санитарным нормам и правилам в условиях производства и эксплуатации фильтрующего материала в виде ПГС полимера на основе мочевины и альдегида, не требующего дополнительной очистки фильтратов и сточных вод подобного производства от токсичных веществ, а также энергоемкой утилизации.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фильтрующего материала, включающем поликонденсацию мочевины и альдегида в присутствии кислоты и формование образующейся смолы с охлаждением и выдержкой до полного отверждения, в качестве альдегида используют фурфурол, поликонденсацию осуществляют при нагревании до достижения значения динамической вязкости раствора, равного 40-50 мП, а охлаждение осуществляют со скоростью, позволяющей получить материал со средним диаметром пор в интервале 1-4 мкм. В варианте реализации способа поликонденсацию и формование осуществляют в одной и той же емкости, выполняющей функцию реактора и оснастки. В варианте реализации способа поликонденсацию осуществляют в реакторе при нагревании и при достижении значения динамической вязкости раствора, равного 40-50 мП, производят розлив по формам и охлаждение в условиях, указанных выше. Т.е. в этом случае поликонденсацию и формование осуществляют в разных емкостях – поликонденсацию в реакторе, а формование в форме (оснастке), позволяющей получить изделие заданной формы.

Авторами установлено также, что осуществление поликонденсации мочевины и фурфурола в присутствии солей железа в процессе изготовления нового ПГС полимера, позволяет существенно снизить миграцию фурфурола в водную среду. Этот вывод основан, в частности на следующих экспериментальных результатах:

– при синтезе фурфурол-карбамидного ПГС полимера в случае добавления в реакционную массу солей железа, например сульфата железа (2+) концентрации в реакционной массе 0,05 М, миграция фурфурола из материала, используемого в качестве фильтрующей среды объемом 0,6 л (с плотностью сухого полимера 300 г/дм³) в 1 л воды при комнатной температуре составляет – 3 мг/л за сутки.

– при добавлении в реакционную массу солей железа, например сульфата железа (2+) до концентрации в реакционной массе 0,15 М, миграция фурфурола из материала фильтрующей среды объемом 0,6 л (с плотностью сухого полимера 300 г/дм³) в 1 л воды при комнатной температуре составляет – 1-2 мг/л за сутки.

При добавлении соли железа менее 0,05 М миграция фурфурола более 3 мг/л за сутки. При добавлении соли железа более 0,15 М миграция фурфурола значительно не уменьшается по сравнению с достигнутым уровнем.

В то же время авторами установлено, что добавка соли железа почти не влияет на прочность полимера и средний диаметр пор в нем и в отсутствии соли железа при неизменности всех прочих условий данные характеристики полимера воспроизводятся в интервале ±10%.

Кислота, как и в известном способе, является катализатором процесса. Наиболее подходящими катализаторами являются соляная и серная кислоты.

Необходимо отметить, что введение фурфурола вместо формальдегида требует существенного изменения параметров процесса, не очевидного для специалиста, поскольку образование пространственно глобулярной структуры полимера в этом случае осложнено следующими процессами:

1) Возможно разделение органической и водной фаз в ходе синтеза ПГС полимера, с образованием в органической фазе смолы, не обладающей высокоразвитой системой открытых пор.

2) Снижение свойств конечного продукта, связанное с необходимостью удаления органического растворителя из объема ПГС полимере после его отверждения.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что в качестве альдегида используют фурфурол, поликонденсацию растворов мочевины и фурфурола осуществляют при нагревании в кислой среде до достижения динамической вязкости раствора полимера величины 40-50 мП. Формование осуществляют при охлаждении указанного раствора в реакторе или разлитого по формам до комнатной температуры со скоростью, позволяющей получить материал со средним размером пор 1-4 мкм. Готовые изделия имеют заданную геометрическую форму, пористость 60-75% и предел прочности на сжатие не менее 0,8 МПа.

Авторами установлены не только параметры процесса, необходимые для изготовления менее токсичного мочевино-фурфурольного ПГС полимера, но и условия, обеспечивающие высокую фильтрационную способность нового фильтрующего материала. Влияние скорости охлаждения на средний размер пор и прочность иллюстрируется данными Табл. 1.

Оптимальными параметрами процесса изготовления фильтрующего материала являются следующие параметры:

– для поликонденсации – нагревание до Т=30-45°С

– массовое соотношение компонентов: фурфурол – 1…(0,8-1,2), мочевина 0,65…(0,52-0,78), органический растворитель 1…(0,8-1,2), кислота соляная (конц.) 0.1…(0.08-0,12), вода 2…(1,6-2,4), FeSO₄·5H₂O – 0,15…(0,1-0,2).

Заявляемый способ позволяет получить высокопористый, обладающий достаточной механической прочностью ПГС полимер с высокоразвитой системой открытых пор со средним диаметром в заданном интервале значений.

Наличие ПГС структуры установлено при микроскопическом исследовании образцов готового полимера. Оценка размеров пор проводилась по известному методу проницаемости [2] (на основе уравнения Козени-Кармана), который состоит в том, что исследуют зависимость проходящего объема воды (в л/мин) через фильтрующую перегородку, выполненную из полимера, полученного в соответствии с изобретением, от приложенного на входе давления воды.

Новый фильтрующий материал из мочевино-фурфурольного ПГС полимера имеет средний диаметр пор в интервале от 1 до 4 мкм.

Из уровня техники известны способы получения смол конденсацией фурфурола с мочевиной, в частности, в виде неплавких, стойких к разбавленным щелочам и кислотам, черно-коричневых смол [3] или в виде вязких битумоподобных продуктов, которые отверждаются в присутствии кислоты [4].

Следует отметить, что для реализации способов, раскрытых во всех упомянутых источниках, необходимо дорогостоящее и энергоемкое оборудование для проведения процессов конденсации в интервале температур 100-160°С, а получаемые смолы, могут использоваться исключительно как связующее, например, при производстве прессовочных материалов и не относятся к ПГС полимерам. Изготовленные согласно заявляемому изобретению ПГС полимеры могут найти применение в качестве фильтрующей среды для водных растворов, органических растворителей и газовых потоков.

Заявляемый способ позволяет получить ПГС полимер с различным средним диаметром пор и проницаемостью по отношению к водным растворам, экологически безопасный, так как в процессе используются малотоксичные вещества (фурфурол относится к малоопасным для окружающей среды веществам), а особенности процесса изготовления полимера с дополнительным введением солей железа позволяют значительно снизить диффузию фурфурола в фильтрат.

Для реализации способа оптимальными являются следующие компоненты:

Фурфурол…, имп. (CAS 98-01-1, EEC 605-010-00-4)

Мочевина…, ГОСТ 2081 -92

Кислота соляная…, ГОСТ 3118-77

Спирт этиловый… 96%

FeSO₄·5Н₂О (Купорос железный технический) – ГОСТ 6981-94

Отдельные стадии процесса контролируются следующими методами:

1. вязкость раствора – с помощью вискозиметра;

2. окончание выдержки – с помощью термометра, находящегося во внутренней трубе формы;

3. конец охлаждения – с помощью термометра, находящегося во внутренней трубе формы;

4. Скорость охлаждения задается путем регулирования температуры в производственном помещении с помощью термостатов.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В реактор, объемом 1,5 л, с мешалкой и системой охлаждения, помещают 420 мл воды, 240 мл этанола (96%), 20 мл конц. соляной кислоты, 120 г мочевины. К полученному раствору, нагретому до 40°С, добавляют 200 мл фурфурола. Раствор нагревают до достижения вязкости 40 мП и разливают в цилиндрические сосуды из полиэтилена с фиксированным строго по центру стержнем. Охлаждают формы с раствором полимера со скоростью 0,1-0,2°С/мин до 20°С и выдерживают их в течение 4 часов при данной температуре. Затем формы, для завершения процесса отверждения полимера, помещают в термошкаф с температурой 60°С на 16 часов.

Вынимают заготовки из форм и при необходимости проводят механическую обработку для придания требуемой формы.

Плотность сухого полимера 291 г/дм³, средний размер пор 4 мкм.

Пример 2.

В реактор объемом 1 л, с мешалкой и системой охлаждения помещают 340 мл воды, 200 мл этанола (96%), 18 мл конц. соляной кислоты, 100 г мочевины. К полученному раствору, нагретому до 40°С, приливают 175 мл фурфурола. Выдерживают температуру реакционной смеси в интервале 30-40°С в течение 40 минут до достижения величины вязкости – 45 мП. Разливают раствор в формы аналогично Примеру 1 и охлаждают их со скоростью 0,4-0,6°С/мин до 20°С, затем выдерживают в течение 4 часов при данной температуре.

Для завершения процесса отверждения полимера помещают формы с заготовками в термошкаф с температурой 60°С на 16 часов. Вынимают заготовки из форм и при необходимости проводят мех. обработку для придания требуемой формы. Плотность сухого полимера 309 г/дм³, средний размер пор 2 мкм.

Пример 3.

В реактор объемом 1 л, с мешалкой и системой охлаждения помещают 320 мл воды 180 мл этанола (96%), 20 мл конц. соляной кислоты и 120 г мочевины и 14 г FeSO₄·5Н₂O. К полученному раствору, нагретому до 40°С, приливают 175 мл фурфурола. Выдерживают температуру реакционной смеси в интервале 35-45°С в течение 40 минут до достижения вязкости, равной 50 мП. Производят розлив раствора полимера по формам аналогично примеру 1. Охлаждают раствор полимера со скоростью 0.7-1°С/мин до 20°С и выдерживают в течение 4 часов при данной температуре. Для завершения процесса отверждения полимера помещают формы с заготовками в термошкаф с температурой 60°С на 16 часов.

Вынимают заготовки из форм и при необходимости проводят механическую обработку для придания требуемой формы. Плотность сухого полимера 337 г/дм³, средний размер пор 1 мкм.

Пример 4.

В цилиндр объемом 1 л, с мешалкой и системой охлаждения помещают 320 мл воды, 180 мл этанола (96%), 20 мл концентрированной соляной кислоты и 120 г мочевины и 40 г FeSO₄·5Н₂О. К полученному раствору, нагретому до 40°С приливают 175 мл фурфурола. Выдерживают температуру реакционной смеси в интервале 35-45°С в течение 40 минут до достижения вязкости, равной 50 мП. Удаляют перемешивающее устройство. Охлаждают цилиндр с раствором полимера со скоростью 0,7-1°С/мин. до 20°С и выдерживают в течение 4 часов при данной температуре. Затем для завершения процесса отверждения полимера выдерживают заполненный цилиндр в термошкафу с температурой 60°С в течение 16 часов. Вынимают заготовку из цилиндра и проводят механическую обработку для придания ей требуемой формы. Плотность сухого полимера 337 г/дм³, средний размер пор 1 мкм.

Изготовленные в соответствии с Примерами 1-4 фильтрующие материалы в виде полых цилиндров высотой 150 мм, диаметром 75 мм и объемом 550 мл прошли испытания с положительным результатом.

В процессе фильтрации вода (водопроводная вода системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, температура воды соответствует температуре в сети водоснабжения) поступает внутрь цилиндра (средний диаметр пор – 1-4 мкм), просачивается через поры и поступает в емкость для сбора фильтрата.

Модельные растворы соответствовали требованиям ГОСТ Р 51871 2002 г. “Устройства водоочистные. Общие требования к эффективности и методы ее определения”.

Воду пропускали по 10 л с интервалом в 1 час. Каждые 50 л выходящей воды подвергали химическому анализу. Результаты испытаний в динамике представлены в Табл.2.

Табл. 2
Пропущено воды через фильтропатрон, л	рН	Мутность	Свободный хлор, мг/л	ПМО, мг О2/л	[Fe+2, +3], мг/л
Исходная вода	6,7	0,9	0,4	3,0	0,5
20	6.1	0	0	2,0	0,05
150	6.1	0	0	2,5	0,05
500	6.15	0	0	3,0	0,05
1000	6.6	0	0,01	3,0	0,05
1500	6,6	0,1	0,07	3,0	0,1
2000	6,6	0,3	0,15	3,0	0,3
Примечание: скорость пропускания фильтрата – 1,5 л/мин.

Результаты очистки воды фильтропатроном из материала, взятого в качестве прототипа, представлены в Табл. 3. Испытания проводились в тех же условиях, что и заявляемого фильтрующего материала.

Табл. 3
Пропущено воды через фильтропатрон, л	pH	[Fe+2, +3], мг/л	Свободный хлор, мг/л	ПМО, мг О2/л	Мутность Ед/л
Исходная вода	6,7	0,5	0,4	3,0	0,9
20	7,0	0,09	0,1	10	0
150	7,3	0,12	0,1	9	0
500	7,1	0,15	0,08	9	0
1000	7,4	0,20	0,11	7	0
1500	7,0	0,13	0,14	6	0,1
2000	7,1	0,18	0,12	6	0,3
Примечание: скорость пропускания фильтрата – 1,5 л/мин.

Анализ воды проводили в соответствии со следующими требованиями:

Представленные в описании оптимальные параметры процесса не исключают внесение изменений при сохранении сущности изобретения.

Источники информации

1. SU 1162822, C 08 G 12/12 – прототип.

2. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М., 1999.

3. Патент Англии №293871, 1929.

4. Мощiнська Н.К. “Хiмiчна. промисловiсть”, 1963, 1.

Формула изобретения

1. Способ изготовления фильтрующего материала, включающий поликонденсацию растворов мочевины и альдегида в присутствии кислоты и формование образующейся смолы с охлаждением и выдержкой до полного отверждения полимера, отличающийся тем, что в качестве альдегида используют фурфурол, поликонденсацию осуществляют при нагревании до достижения динамической вязкости раствора значения 40-50 МП, а охлаждение производят со скоростью, обеспечивающей получение материала со средним диаметром пор в интервале 1-4 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поликонденсацию осуществляют в присутствии солей железа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поликонденсацию осуществляют при нагревании в интервале температур 20-40°С.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве соли железа используют купорос железный в количестве 0,05-0,15 М.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поликонденсацию и формование осуществляют в разных емкостях.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поликонденсацию и формование осуществляют в одной емкости.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор величиной 1 мкм охлаждение производят со скоростью 0,1-0,3°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2: кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор величиной 1 мкм охлаждение производят со скоростью 0,1-0,3°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2; кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4: FeSO₄·5H₂О 0,1-0,2.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор 2 мкм охлаждение производят со скоростью 0,3-0,5°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2, кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор 2 мкм охлаждение производят со скоростью 0,3-0,5°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2: кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4: FeSO₄·5Н₂О – 0,1-0,2.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор 4 мкм охлаждение производят со скоростью 1-0,5°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2: кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4.

12. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения среднего диаметра пор 4 мкм охлаждение производят со скоростью 1-0,5°С/мин при массовом соотношении компонентов в реакционной смеси в интервале: фурфурол – 0,8-1,2: мочевина 0,52-0,78: органический растворитель 0,8-1,2: кислота соляная (конц.) – 0,08-0,12: вода 1,6-2,4: FeSO₄·5H₂O – 0,1-0,2.