Зернистые жесткие фильтрующие материалы
Для субмикронной фильтрации воздуха широко применяются керамические и металлокерамические фильтрующие среды, а также материалы, изготовленные из пористых пластмасс.
Жесткие пористые фильтры весьма эффективно задерживают высокодисперсные твердые частицы благодаря извилистому расположению пор и жесткой фиксации зерен.
Коэффициент фильтрации зависит от формы и пористости зерен. Высокопористые материалы из порошка с шероховатой и неправильной формой частиц имеют более высокую эффективность фильтрации, чем материалы, состоящие из частиц круглой формы.
Важным преимуществом зернистых фильтров являются стабильность структуры, термостойкость, химическая инертность, механическая прочность, простота конструктивного оформления, доступность сырьевых материалов; недостатками - значительно более высокое сопротивление по сравнению с волокнистыми материалами, более низкая производительность.
Жесткие пористые фильтры изготавливаются в виде цилиндрических труб или дисков. Регенерация таких фильтров осуществляется разными способами: обратной продувкой сжатым воздухом, промывкой растворителем, выжиганием осадка в струе газа при помощи импульсной обдувки или ультразвуком. Выбор конкретного способа регенерации фильтра зависит от характера осадка. Трудности регенерации жестких перегородок вызваны глубоким проникновением высокодисперсных частиц в поры, при этом остаточное сопротивление после каждого цикла регенерации непрерывно увеличивается.
Керамические фильтры. Этот фильтрующий материал состоит из минеральных зерен различного происхождения (силикатные смеси, алюминиевые силикаты, карбид кремния, графит, и т. д.).
Керамические патроны получают спеканием отсортированных зерен шамота. Обычно они имеют длину 0,5-1,2 м, диаметр 50-80 мм. Недостатком керамических пористых изделий является их хрупкость; для обеспечения прочности стенки патронов изготавливаются толщиной 6-10 мм. Размер пор керамических фильтров может варьироваться от 1 до 1000 мкм, а общая пористость - составлять 35-55%. Максимальная рабочая температура может достигать 1000-1600 °С при использовании карбида кремния.
Фирма Schumacher (Германия) выпускает для стерильной фильтрации воздуха три типа пористой керамики, размер пор в которой колеблется от 22 до 13 мкм в зависимости от класса материала.
Металлокерамические перегородки. Металлокерамические фильтрующие материалы изготавливаются методом порошковой металлургии.
Размер пор металлокерамических перегородок варьируется от 1 до 100 мкм, пористость перегородок составляет от 30 до 50%. Для получения перегородок с более высокой пористостью необходимо вводить в процессе изготовления вспомогательные вещества, удаляемые путем их разложения во время спекания или вымыванием из готового изделия.
Металлокерамические фильтры легко поддаются обработке, сварке и пайке в тех же условиях, что и обычный металл.
Срок службы фильтра зависит от степени загрязнения очищаемого газа и может колебаться от нескольких дней до одного года.
После регенерации фильтрующие перегородки не достигают своих первоначальных величин воздухопроницаемости. Целесообразно проводить их регенерацию до снижения уровня проницаемости фильтра на 20-30% от первоначальной величины.
Известны двухслойные металлокерамические фильтры с величиной пор в тонкопористом замыкающем слое 5-8 мкм. Срок службы таких фильтров повышается по сравнению с однослойными элементами.
Металлокерамические фильтры более прочны и эластичны, чем керамические фильтры, и лучше переносят переменные нагрузки, однако стоимость их в несколько раз выше керамических.
Металлокерамические фильтры применяют в условиях высоких температур, давлений и больших механических нагрузок.
Пористые перегородки из пластмассы. Исходным материалом служат следующие пластмассы: поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, фторопласт, полиамиды.
Стойкость к агрессивным средам, прочность, низкая стоимость, хорошая обрабатываемость и возможность сварки дают основания отнести пористые перегородки из пластмассы к перспективным фильтрующим материалам универсального применения.
Для тонкой фильтрации воздуха используют жесткие пористые перегородки из фторопласта. Фторопласт химически стоек и инертен, легко уплотняется в местах стыков и соединений, выдерживает нагревание до 250 °С, не смачивается водой, устойчив к коррозии и механическим нагрузкам, не поражается грибками и бактериями.
В отечественной промышленности с успехом используется японский фильтр ЭХО, который представляет собой двухслойный диск из одинаковых пластин пористого поливинилового спирта, обработанного меламиновой смолой (толщина каждой пластины 2,5 мм). Пластины защищены с двух сторон проволочной сеткой, а края их окантованы 6 слоями прорезиненного асбеста. Общая толщина диска составляет около 10 мм. Фильтр ЭХО стерилизуется паром при 120 °С в течение 30 минут.
Мембранные фильтры
Мембранные фильтры изготавливаются из различных материалов и имеют строго определенные размеры пор.
Мембранные фильтры задерживают все частицы или микроорганизмы, размер которых больше размера пор. Осаждение происходит на поверхности фильтра. Поскольку толщина мембран около 0,015 мм, они требуют наличия подложки и лишь в таком сочетании могут выдерживать большие перепады давления.
Фирма Millipore (США) выпускает тонкие высокопористые мембраны из чистых и биологически неактивных эфиров целлюлозы и полимерных материалов, устойчивых к различным растворителям, концентрированным кислотам и щелочам. В зависимости от различных типов мембран они могут работать при температурах от 65 °С до 260 °С. Каждый квадратный сантиметр мембраны содержит миллионы пор, которые занимают около 80% всей поверхности материала. Фирма Millipore выпускает более 20 видов мембран с диаметром пор от 14 до 0,025 мкм и минимальными колебаниями размеров пор в пределах одного образца. Например, размеры пор мембраны с торговой маркой «0,45 мкм» имеют отклонения 0,02 мкм.
Мембранные фильтры применяются не только для стерилизации воздуха, но и для проверки стерильности воздуха. Так, пробу воздуха пропускают через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3-0,5 мкм, заправленный в стерильный корпус. Затем мембрану помещают на твердую агаровую питательную среду в чашку Петри, и микробы, осевшие на мембране, прорастают в виде колоний.
Цилиндрические фильтр-патроны для стерилизации воздуха фирмы Millipore (диаметр пор 0,45 мкм) плохо выдерживают паровую стерилизацию; срок их службы не превышает 1 месяца.
Фирма Pall SeitzSchenk (Германия) для стерильной фильтрации воздуха и СО2 выпускает фильтры Emflon, которые характеризуются повышенной прочностью, длительным сроком службы и устойчивостью к жестким условиям паровой стерилизации в линии как в прямом, так и обратном направлении. Двухслойная мембрана Pall ПТФЭ гидрофобна, химически инертна и предназначена для полного удаления бактерий и вирусов. Фильты Emfon прошли интенсивную научную валидацию. Они обладают абсолютной удерживающей способностью 0,003 мкм в газах. Фильтры имеют суммарную продолжительность паровой стерилизации в линии 165 ч при температуре до 142 °С. При применении пара с меньшей температурой данный показатель возрастает. Как правило, срок эксплуатации правильно подобранных для конкретного использования фильтров определяется из расчета времени и суммарного количества циклов стерилизации. Практически срок непрерывного использования одного сменного фильтровального элемента составляет 12 месяцев при температуре фильтруемого воздуха 60 ° С.
Фильтры могут быть проверены на целостность непосредственно в линии при помощи переносных устройств, разработанных и производимых фирмой. Высокая производительность фильтров позволяет их использовать в установках небольшого размера. Данные фильтры в сочетании с фильтрами предварительной очистки могут быть рассчитаны для любой производительности и других требуемых параметров.
