Технологии

Фильтры с фрактальной структурой

До последнего времени поиск оптимального варианта конструкции фильтра сводился к компромиссу между взаимно противоречивыми требованиями: скажем, высокая эффективность должна сочетаться с малым сопротивлением, удовлетворительные показатели качества - с приемлемой стоимостью. Преодолеть это противоречие стало возможным благодаря применению при проектировании соответствующих изделий методов фрактальной геометрии.

Практика показала: наибольшую эффективность очистки обеспечивают фильтровальные материалы из тонких волокон, какие только можно изготовить. Но они слишком дороги, недостаточно прочны и почти не применяются.

Поэтому для этих целей используют волокна нескольких фракций. Однако до последнего времени не существовало достаточно обоснованных рекомендаций по оптимальной структуре фильтровальных материалов.

В начале 90-х годов группе исследователей, в которую входили и авторы данной статьи, вроде бы удалось решить задачу с помощью специальных синтетических полимерных материалов (фибридов) и искусственных волокон, которые обеспечивали высокую эффективность фильтрования. В полученных фильтрах самые крупные (диаметром 20 - 50 мкм) волокна служили каркасом, а пространство между ними заполнили более тонкие (10-15 мкм) фракции. Последние, в свою очередь, выполняли ту же функцию по отношению к совсем уж крошечным (до 5 мкм) и вместе с тем играли связующую роль, обеспечивая прочность всей конструкции. Размеры, количество и распределение пор в таком фильтре были одинаковы по всей толщине, т.е. анградиентными. Коэффициент отсеивания частиц стандартного полистирольного латекса диаметром 0,4 мкм при этом составлял около 99 %.

Однако конструкции данного типа не получили распространения из-за множества недостатков. Во-первых, они обладали весьма высоким сопротивлением, что приводило к повышенным энергозатратам на прогон через них очищаемой среды. Во-вторых, тонковолокнистую структуру очень быстро забивали загрязняющие частицы, фильтр выходил из строя и не подлежал регенерации. И наконец, описанные материалы изготавливали из синтетических полимеров со всеми вытекающими отсюда последствиями: высокой стоимостью (десятки долларов США за килограмм), экологической опасностью (исходными компонентами здесь являются сильнодействующие ядовитые вещества), сложностью производства.

В сущности, материалы на основе фибридов представляли чисто теоретический интерес, но они позволили убедиться в эффективности "принципа матрешки": построения структуры фильтра из ряда фракций с размерами, убывающими в определенной прогрессии, причем поры между крупными волокнами должны быть заполнены более мелкими и так далее. Однако следует подчеркнуть: до сих пор все решения, направленные на снижение сопротивления фильтра и продление его долговечности, сводились к созданию структуры, размеры пор в которой убывают от слоя к слою по ходу движения пропускаемой через них среды. При этом входная часть устройства обладала небольшим сопротивлением и задерживала основное количество крупных загрязняющих частиц, тем самым "облегчая" работу мелкопористому наполнителю. Одновременно такая многослойность приводила к усложнению производства фильтров и, как следствие, к их высокой стоимости. Ну а, скажем, мелкопористые слои обладали всеми недостатками, о которых говорилось выше. Поэтому разрабатывая недорогие и высокоэффективные соответствующие устройства, специалисты малого инновационного предприятия "Фрактал" решили прибегнуть к одному из самых молодых направлений математики - фрактальной геометрии, дающей инженерам новый мощный инструмент анализа и синтеза систем со сложной внутренней структурой.

Вообще фракталами называют широкий класс объектов, обладающих необычными топологическими свойствами. К ним относятся, в частности, образования, состоящие из отдельных элементов, геометрически подобных объекту в целом, в том числе и фильтровальные материалы, построенные по "принципу матрешки". Мы исследовали те из них, размеры волокон в которых убывают от фракции к фракции в геометрической прогрессии, а их количество в каждой соответственно возрастает по тому же закону. Оказалось, при определенных условиях фильтры с такой структурой обладают замечательными свойствами: при увеличении числа фракций волокон эффективность улавливания частиц стремится к единице (т.е. к 100 %), а сопротивление - к конечной (и даже небольшой) величине. Значит, такой подход позволяет совместить взаимно противоречивые характеристики: высокую эффективность, свойственную ранее созданным фильтрам на основе фибридов, и низкое сопротивление, присущее их многослойным аналогам.

На практике материал, изготовленный уже из фракций волокон трех размеров, обеспечивал коэффициент отфильтровывания частиц полистирольного латекса диаметром 0,4 мкм более 99 % при сопротивлении, близком свойственному обычной лабораторной фильтровальной бумаге. Фракталы описанного типа получили название "ТЕФМА" (технологические фильтровальные материалы).

В качестве сырья для их производства можно использовать, в принципе, волокна любой природы, фракционированные по размеру. Однако наиболее доступными стали промышленные отходы, скажем, текстильной промышленности (хлопковый пух и шерстяной кноп - волокно от 3 до 5 мм диаметром), а мелкие "поставляют" целлюлозно- бумажные предприятия (так называемый целлюлозный скоп - мелковолокнистые неприменяемые фракции). Значит, изготовление новых фильтров не только не загрязняет окружающую среду, но и позволяет очистить ее от вредных техногенных выбросов.

Для изготовления "ТЕФМА" оказался пригодным технологический процесс, ранее разработанный для выпуска фильтров на основе фибридов. Он несложен и осуществляется на доступном оборудовании.

"ТЕФМА" в 2-3 раза дешевле традиционных аналогов, экологически безопасен, а небольшое сопротивление исключает непроизводительные потери энергии.

Технические решения структуры новых материалов, способ получения, а также фильтры на их основе защищены патентами Российской Федерации.

Сейчас в нашей стране на основе "ТЕФМА" производят системы очистки для ряда технологических сред. Например, в водоснабжении и отоплении предприятий. Они обеспечивают практически полное удаление из воды не только частиц, обусловливающих мутность и цветность, но и коллоидную взвесь соединений трехвалентного железа (эффективность очистки и в том, и в другом случае около 95 %). Фильтры данного типа в замкнутых контурах теплоснабжения исключают вторичное образование накипи, а в сочетании с комплексной (с помощью специальных очищающих веществ) и магнитной обработкой воды позволяют использовать в качестве теплоносителя неочищенную артезианскую воду. Использовать их можно и для очистки воды при производстве строительных материалов (растворов, бетонных смесей), когда необходимо удалить илистые и железистые примеси.

Системы водоподготовки на основе "ТЕФМА" компактны, ибо материал толщиной 6 мм по эффективности превосходит слой кварцевого песка или антрацита толщиной 1 м. К тому же такие системы легко регенерируются обратным потоком воды, а при необходимости из них можно извлечь отфильтрованные вещества (допустим, цветные металлы) путем реагентной обработки фильтровального материала или его сжигания с последующей переработкой золы. Последнее обстоятельство предопределяет использование "ТЕФМА" в гидрометаллургии.

Широкое применение найдут системы очистки воздуха на основе "ТЕФМА" в компрессорных установках, пневматических сетях предприятий, электростанций и подстанций, при кондиционировании воздуха. Там они заменят сложные и дорогостоящие аналоги вроде фильтров фирмы "Клинар" (г. Екатеринбург), выпускаемых на основе пористых цветных металлов. Кроме того, очистка воздуха от механических частиц предлагаемой новинкой (эффективность 99 %) позволяет исключить механическое повреждение пневматического инструмента твердыми включениями (основная причина их выхода из строя).

Фильтры-влагомалоотделители на основе "ТЕФМА", работающие в режиме коалесценции аэрозолей и снабженные отстойником, на текстильных фабриках удаляют из воздуха не только твердые частицы, но и задерживают аэрозоли масел и влаги. При этом они осаждаются на волокнах и постепенно стекают, накапливаясь в корпусе фильтра (эффективность очистки до 4-5 мг/м 3 ); отстой последних удаляют "продувкой".

Наконец, "ТЕФМА" на автозаправочных станциях освободит бензин и дизельное топливо от твердых включений размером 5 мкм и более (эффективность очистки не менее 90 %), а также от продуктов окисления и полимеризации (примерно на 60 %), ответственных за образование смолистых отложений и нагара на деталях двигателей и неполное сгорание топлива (при этом на 20-40 % снижается выброс в окружающую среду образующихся вредных продуктов).

Все перечисленные системы выпускает малое инновационное предприятие "Фрактал" (г. Тверь).

Несомненно, дальнейшие исследования и разработки в этом направлении позволят получить новые, еще более впечатляющие результаты.

Примечание
Коалесценция - слияние капель жидкости или пузырькового газа при их соприкосновении


Г. А. РАЕВСКАЯ, директор малого инновационного предприятия "Фрактал" (г. Тверь)
Ф. Ф. ЧАУСОВ, главный инженер того же предприятия
Ю. Н. ГЕРМАНОВ, кандидат технических наук, Тверской государственный университет

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD