Фильтры из нетканого материала

28.10.2024

Фильтрация воды — это процесс удаления или снижения концентрации твердых частиц, включая взвешенные частицы, паразитов, бактерии, водоросли, вирусы и грибки, а также другие нежелательные химические и биологические загрязнители из загрязненной воды для получения безопасной и чистой воды для определенных целей, таких как питьевое, медицинское и фармацевтическое применение. Системы фильтрации питьевой воды обычно включают пятиступенчатый процесс фильтрации: осадочный, механический, химический, минеральный и бактериальный.

Учитывая требования по предотвращению выпадения волокон в процессе фильтрации, нетканые материалы, изготовленные из непрерывных волокон, такие как нетканые материалы, полученные аэродинамическим способом из расплава, спанбонд и гидроспутанные нетканые материалы, а также нетканые материалы из нановолокон, полученных электропрядением/центробежным прядением, а также их композитные комбинации, включающие как микроволокна, так и нановолокна, широко используются в микрофильтрации в качестве фильтрующих сред для воды. Онифункционирует как независимый микрофильтрационный материал или как предварительный фильтр для удаления большого количества загрязняющих веществ из жидкости с целью защиты мембранных фильтров.

Примеры таких нетканых фильтров, содержащих один или несколько слоев микроволокон и нановолокон для микрофильтрации определенных биологических загрязнителей, были описаны в патентах США 2004/0038014, 2007/0075015 и 2007/0018361. Предварительные фильтры обычно представляют собой плиссированные или намотанные фильтровальные ткани. Предварительные фильтры имеют большой диапазон рейтингов удержания. Наиболее распространенный рейтинг удержания этих фильтров составляет 20 или 50 нм, и он может быть спроектирован для всех необходимых применений.

В системе фильтрации воды мембранные фильтры высокоэффективны в фильтрации субмикронных загрязняющих веществ в воде, но имеют недостаток в виде очень ограниченной емкости удержания фильтрата. Нановолоконные нетканые материалы широко используются в мембранной системе фильтрации воды в качестве фильтров для удаления вирусов. Они выполняют две функции в структуре композитного фильтра: они действуют как отдельный предварительный фильтр для отделения частиц большего размера, чем рейтинг мембраны, для повышения высокой эффективности фильтрации мембранных фильтров, а также обеспечивают глубокую фильтрацию мембраны для улучшения емкости удержания частиц мембранной системы фильтрации, чтобы продлить срок службы мембран. Примеры таких композитных сред для фильтрации жидкостей, включающих слой нанопаутины, прилегающей к микропористой мембране, были описаны в патенте США 8038013; нановолоконная паутина, содержащая среду для фильтрации жидкости, которая одновременно демонстрирует высокую проницаемость для жидкости и высокую степень удержания микроорганизмов, была описана в патенте EP2408482. Log Reduction Value (LRV) использовался для количественной оценки фильтров в тестах фильтров для стерилизации жидкостей, он определяется как логарифм отношения общего количества микроорганизмов в вызове к количеству микроорганизмов в отфильтрованной жидкости. Микроорганизмы, такие как бактерии Brevundimonas diminuta , Mycoplasma и другие бактерии, удаляются из жидкости путем пропускания жидкости через пористое нановолокно, содержащее фильтрующую среду с LRV (Log Reduction Value) бактерий B. diminuta больше, чем около 9, а нановолокно(а) имеет диаметр от около 10 нм до около 1000 нм.

Биологическое загрязнение от бактерий, грибков и других микроорганизмов в воде снижает производительность нетканой предварительной фильтрующей мембраны и увеличивает частоту и стоимость ее химической очистки. Существует много способов сделать нетканые фильтры антибактериальными и биоцидными. Водные фильтры могут быть изготовлены с включением биоцидов, включая четвертичную фосфониевую соль, полимерные фосфониевые соли, и оний-функционализированные полимеры, в нетканые фильтры для удаления бактерий и других микроорганизмов. Наночастицы с антимикробными функциями также используются для удаления микроорганизмов из воды. Примерами таких фильтров являются ковалентно или ионно связанные антимикробные наночастицы (например, наночастицы серебра (Ag), инкапсулированные в положительно заряженный полиэтиленимин (PEI)) на поверхности модифицированных кислородной плазмой полисульфоновых ультрафильтрационных мембран, нановолокнистые нетканые мембраны, изготовленные из смеси поли(лактид-ко-гликолида) (PLGA) и хитозана, функционализированного нанокомпозитами оксида графена (GO) -Ag и углеродными нанотрубками153 для предотвращения бактериальной колонизации на поверхности мембран . Наночастицы GO-Ag связываются с нановолокнистой мембраной посредством химической реакции между карбоксильными группами графена и первичными аминогруппами на волокнах PLGA-хитозан с использованием гидрохлорида 3-(диметиламинопропил)-N′-этилкарбодиимида и N-гидроксисукцинимида в качестве сшивающих агентов.

Нетканые материалы, изготовленные из полимеров, обладающих антибактериальной активностью, являются еще одним путем получения антимикробных фильтров. Один из таких полимеров против Escherichia coli и Staphylococcus hyicus был синтезирован 154 путем сополимеризации трех мономеров N,N′-диметил-N-алкилметакрилоксилэтиламмонийбромида (DMAEA) с различной длиной алкильных цепей (DMAEA-RB) (R-этил/гексил/додецил), акриловой кислоты (AA) и акриламида.

Фильтры для воды, содержащие волокна, особенно нановолокна, с ионообменными свойствами, применяются в областях биотехнологии, фармацевтической обработки, производства сверхчистой воды для полупроводниковой промышленности, каталитической конверсионной обработки и аккумуляторных технологий. Полимеры, содержащие ионные функциональные группы, могут быть трудно превратить в ионообменные волокна с использованием методов электропрядения, поскольку полимерные растворы с высокой электропроводностью (например, раствор полиэлектролита) предотвращают зарядку раствора, вызванную электрическим полем, и приводят к низкой электропрядимости.