Спосіб виготовлення хімічного адсорбенту діоксиду вуглецю

Реферат: Винахід належить до способів отримання адсорбенту діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів, призначеного для використання в засобах захисту органів дихання. Для виготовлення адсорбенту діоксиду вуглецю для дихальних систем здійснюють з'єднання гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів з волокнистим матеріалом, формування адсорбенту у вигляді листа і сушіння. Гідроксиди лужного і/або лужноземельного металу використовують у вигляді водної дисперсії, а з'єднання гідроксиду лужного і/або лужноземельного металу з волокнистим матеріалом здійснюють шляхом розміщення водної дисперсії між шарами пористого волокнистого матеріалу. Як гідроксиди металів можуть бути використані гідроксиди лужних і/або лужноземельних металів такі, як гідроксид калію, гідроксид натрію, гідроксид літію, гідроксид кальцію, гідроксид магнію та інші, що мають хімічну активність до діоксиду вуглецю. Водна дисперсія може мати консистенцію пасти або суспензії, або може бути у вигляді розчину. Як пористий волокнистий матеріал можуть використовуватись: склопапір, скломат, термостійкі негорючі матеріали типу Nomex, Kevlar (фірми Du Pont, США), Русар, Арселон (Росія) або будь-які інші лугостійкі матеріали з низькою питомою щільністю. Винахід дозволяє підвищити реакційну здатність адсорбенту на 20-40 %, що розширює можливість його застосування в системах очищення повітря від діоксиду вуглецю, при цьому спосіб виготовлення адсорбенту технологічно простий. UA 100266 C2 (12) UA 100266 C2 UA 100266 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Область техніки Винахід відноситься до способів отримання адсорбенту діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів, призначеного для використання в засобах захисту органів дихання. Попередній рівень техніки Відомий спосіб виготовлення адсорбенту діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних і лужноземельних металів для дихальних систем (патент США № 7329307, МПК B01d 53/02, 2008, патент США № 7326280, МПК B01d 53/02, 2008), за яким здійснюють екструдування суміші порошків гідроксиду металу, зокрема, безволого гідроксиду літію, і поліетилену з додаванням змащувального матеріалу (мінерального масла) з утворенням листа. Для екструдування матеріалу в плоский лист може використовуватися нагріта матриця. Екструдований матеріал може бути піджатий між двома валками каландра, один з яких гладкий, а другий забезпечений канавками, за рахунок яких на листі матеріалу формуються виступи. Лист набуває ребристої форми, що забезпечує створення необхідних каналів для потоку газу при експлуатації поглинача. Ребристий лист можна охолодити до температури нижче за точку плавлення поліетилену і потім змотати в рулон. Один з прикладів екструдованого складу включає (у % мас.): гідроксид літію 65,3; мастило 33; поліетилен 1,7. Далі здійснюють процес екстракції з метою видалення мастила в рулоні. Для цього рулони насичують гексаном, потім нагрівають і висушують у вакуумі до повного видалення гексану. Після охолодження рулони зберігаються при температурі навколишнього середовища в атмосфері, вільній від діоксиду вуглецю. Для ефективного видалення діоксиду вуглецю здійснюють гідратацію адсорбенту перед використанням. Гідратацію ребристих листів здійснюють шляхом рівномірного нанесення рідкої води на поверхню листа. Проте цей спосіб виготовлення адсорбенту СО2 є технологічно складним і включає багато стадій: змішування початкових компонентів порошків безволого гідроксиду літію і поліетилену з додаванням змащувального матеріалу, екструзію отриманої суміші, видалення органічного компоненту з отриманого адсорбенту екстракцією гексаном з подальшим його випаровуванням шляхом термічної обробки у вакуумі та гідратацію безволого адсорбенту. Спосіб виготовлення адсорбенту лімітується використанням низькопродуктивної вакуумної обробки, а операція зволоження адсорбенту не забезпечує рівномірного розподілу вологи по всьому об'єму листового адсорбенту, що негативно впливає на сорбційну активність адсорбенту до діоксиду вуглецю. Застосування органічного полімерного матеріалу знижує газопроникність адсорбенту і доступ діоксиду вуглецю до активного компоненту - гідроксиду літію. Відомий спосіб виготовлення поглинача діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних і лужноземельних металів для дихальних систем (патент США № 5964221, НКВ 128/205.12, 1999), за яким порошок адсорбенту діоксиду вуглецю, зокрема Sodasorb, що випускається фірмою W.R. Grace and Co. і кальцію, що складається з суміші гідроксиду, гідроксиду натрію та гідроксиду калія, змішують з порошком полімеру, зокрема, поліетилену з високою молекулярною вагою. Змішування здійснюють в екструдері, при цьому в суміш інжектують змащувальний матеріал (мінеральне масло). Змішування здійснюють при нагріванні, при цьому полімер розчиняється в змащувальному матеріалі, що забезпечує однорідне змішування полімеру з адсорбентом. Отриману суміш екструдують в композитний лист або іншу форму. При необхідності лист каландрують, пропускаючи його між двома валками. Після охолодження листа видаляють змащувальний матеріал обробкою листа розчинником, зокрема гексаном, після чого видаляють розчинник продуванням сухим азотом. Додатково проводять операцію термоусадки полімеру. Отримані листи поглинача діоксиду вуглецю згортають в рулон і у вигляді картриджа встановлюють в патроні дихальної системи, при цьому листи можуть бути розміщені між проникними мембранами. Можливо також відлити під тиском цей матеріал з будь-яким заданим контуром, наприклад, у вигляді ребер на листі. Всі варіанти конструкції листа адсорбуючої речовини мають гідрофобну поверхню. Вміст необхідної кількості вологи забезпечується нанесенням водно-спиртової суміші. Проте цей спосіб виготовлення адсорбенту СО 2 є також технологічно складним. До всіх недоліків вищезгаданого способу слід віднести додаткові операції термоусадки адсорбенту і продування сухим азотом, що істотно підвищує витрати на виготовлення адсорбенту і знижує його якість. 1 UA 100266 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким до заявленого є спосіб виготовлення поглинача діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних та лужноземельних металів для дихальних систем (патент США №5165399, НКВ 128/205.12, 1992), за яким адсорбент діоксиду вуглецю на основі гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів сполучають з волокнистим матеріалом шляхом змішування порошкоподібного адсорбенту з волокнистим матеріалом, наприклад, у високошвидкісному змішувачі і суміш формують у вигляді листа. В якості волокнистого матеріалу (зв'язуючого) використовують полімерні і неорганічні волокна. Для формування суміш адсорбента діоксиду вуглецю і волокнистого матеріала диспергують в рідину, в якості якої використовують будь-яку рідину, яка не розчиняє адсорбент і волокнистий матеріал, зокрема аліфатичні і ароматичні вуглеводневі розчинники. Отриману дисперсію відливають у формі листа звичайним способом виготовлення паперу. Лист піддають сушці. Кількість волокнистого матеріалу (зв'язуючого) складає від 0,1 до 70 % за вагою, переважно 1-10 %. Для підвищення міцності адсорбенту лист розміщують між двома шарами мембрани або проникної тканини і сполучають отримані шари у формі "сендвіча", наприклад, ультразвуком або способом прошивного або голкопробивного скріплення 5 багатошарового матеріалу, що застосовуються в технології отримання нетканих матеріалів. Отримані листи компонують відповідним чином для використання в дихальній системі. Альтернативно суміш волокнистого матеріалу і гідроксиду металу можна гранулювати. Гранули можуть включатися в структуру листа сухим способом. Наприклад, гранульований адсорбент розподіляють між двома листами проникної мембрани і здійснюють їх з'єднання голкопробивним способом. Проте цей спосіб не дозволяє отримати адсорбент з достатньою реакційною здібністю до діоксиду вуглецю, оскільки, присутність в формованому продукті органічної зв'язуючої і використання формоутворюючих і зміцнюючих мембран або проникної тканини врешті зменшує кількість активної речовини на одиницю об'єму кінцевого виробу і, відповідно, реакційну здатність до діоксиду вуглецю. Використання для стабілізації структури адсорбента органічної зв'язуючої призводить до капсулювання часток активної речовини (гідроксиду)полімером й погіршує умови дифузії діоксиду вуглецю в об'ємі шару, тим самим знижуючи ступінь обробки активного компонента по діоксиду вуглецю. Крім того, обробка адсорбенту на голкопробивних верстатах порушує і ущільнює структуру шару, знижує його порозність, а, отже, газопроникність адсорбенту, що в результаті призводить до зниження реакційної здатності до діоксиду вуглецю. Використання в процесі виготовлення адсорбенту гідрофобних матеріалів, зокрема, зв'язуючої, мембрани або проникної тканини, призводить до зниження вмісту води у складі адсорбенту і, відповідно, до зниження реакційної здатності. Крім того, цей спосіб є періодичним і технологічно складним. Лімітуючими стадіями технологічного процесу є диспергування суміші в рідину і відділення твердої фази. При цьому застосування у відомому способі органічних компонентів створює загрозу виділення токсичних домішок в газоповітряну суміш в процесі експлуатації дихального апарату користувачем. Розкриття винаходу Завданням винаходу є створення способу, що дозволяє отримувати покращені експлуатаційні характеристики адсорбенту, внаслідок чого підвищується реакційна здатність адсорбенту до діоксиду вуглецю. Додатковий результат полягає в спрощенні технології виготовлення адсорбенту діоксиду вуглецю. Вказане завдання вирішується тим, що в способі виготовлення адсорбенту діоксиду вуглецю для дихальних систем, що включає з'єднання гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів з волокнистим матеріалом, формування адсорбенту у вигляді листа та сушку, гідроксиди лужних і/або лужноземельних металів використовують у вигляді водної дисперсії, пасти або водного розчину, а з'єднання гідроксидів лужного і/або лужно-земельного металу з волокнистим матеріалом здійснюють шляхом розміщення водної дисперсії, пасти або водного розчину між шарами волокнистого матеріалу. Формування адсорбенту у вигляді листа здійснюють шляхом прокатування між валками. Як волокнистий матеріал використовують пористий волокнистий тканий або нетканий лугостійкий матеріал з низькою питомою щільністю. В якості гідроксидів лужних або лужноземельних металів використовують гідроксиди натрію, калію, літію, кальцію, магнію. Використання гідроксидів у вигляді водної дисперсії, пасти, або водного розчину, що розміщуються між шарами волокнистого матеріалу, забезпечує при подальшому формуванні листа повне і рівномірне заповнення пір волокнистого матеріалу активним компонентом 2 UA 100266 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 адсорбенту (гідроксидом металу), що дає можливість створення рівномірної товщини шару адсорбенту у формі листа, а відсутність полімерного зв'язуючого дозволяє забезпечити високу газопроникність листа адсорбенту, що у результаті призводить до збільшення швидкості поглинання діоксиду вуглецю за рахунок збільшення поверхні контакту адсорбенту з діоксидом вуглецю і виключення виносу вологи з адсорбенту. Волокнистий матеріал несе функцію армуючого компоненту і забезпечує структуру адсорбенту з певною механічною міцністю. Відсутність полімерного зв'язуючого у складі адсорбенту повністю виключає можливість внесення до повітря, що очищається, яких-небудь шкідливих домішок. При цьому виключається багатостадійність процесу і забезпечується його безперервність. Варіанти здійснення винаходу Спосіб отримання адсорбенту здійснюють таким чином. Початкові компоненти гідроксид лужного і/або лужноземельного металу змішують з водою до утворення водної дисперсії, яка може мати консистенцію пасти або суспензії, або може бути у вигляді розчину. Водну дисперсію наносять на шар пористого волокнистого матеріалу (тканого або нетканого), в якості якого можуть бути використані будь-які матеріали, наприклад, склопапір, скломат, термостійкі негорючі матеріали типу Nomex, Kevlar (фірми Du Pont, США), Русар, Арселон (Росія) або будь-які інші лугостійкі матеріали з низькою питомою щільністю. Як гідроксиди металів можуть бути використані гідроксиди лужних і/або лужноземельних металів такі, як гідроксид калія, гідроксид натрію, гідроксид літію, гідроксид кальцію, гідроксид магнію та інші, що володіють хімічною активністю до діоксиду вуглецю. На отриманий на попередній стадії шар волокнистого матеріалу з водною дисперсією, накладають другий шар пористого волокнистого матеріалу і здійснюють формування отриманої структури (композиції) у вигляді листа звичайним способом, наприклад, плющенням валками. Отриманий лист адсорбенту піддають сушці звичайним способом, наприклад, в лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям. При цьому параметри сушки встановлюють залежно від заданого вмісту залишкової вологи в адсорбенті. Далі листи адсорбенту, залежно від призначення, згортають в рулон і поміщають в картридж, тим самим отримуючи переспоряджуваний патрон, для очищення повітря, що видихається, від діоксиду вуглецю для апарату індивідуального користування, або адсорбент застосовують у вигляді виготовлених листів, розміщуючи у відповідне пристосування (пристрій, конструкцію) в системах очищення повітря замкнутих об'ємів. Приклад 1 Готують водну дисперсію, для чого 7,5 г гідроксиду калія КОН розчиняють в 90 мл води Н 2О, після чого в отриманий розчин вносять 150 г твердого гідроксиду кальцію Са(ОН)2.· Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія має консистенцію пасти. На подвійний шар склопаперу розміром 14 × 35 см (БМД-Ф, щільність 11,2 г/см2, ТУ 6-11-529-80 або БМД-К, ТУ 648-93-92) наносять отриману водну дисперсію у вигляді пасти завтовшки 1,5-2 мм і зверху настилають ще один шар склопаперу марки БМД-Ф або БМД-К. Отриману структуру (композицію) прокатують валками. Сформованний лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 20-30 хв. Отриманий адсорбент містить 15-17 % залишкової вологи. Приклад 2 Готують водну дисперсію, для чого 12 г гідроксиду натрію NaOH розчиняють в 100 мл води Η2Ο, після чого в отриманий розчин вносять 120 г твердого гідроксиду кальцію Са(ОН)2 і 30 г гідроксиду магнію Мg(ОН)2. Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія має консистенцію пасти. На шар тканини Nomex розміром 14 × 45 см наносять отриману водну дисперсію у вигляді пасти завтовшки 1,5-2 мм і зверху настилають шар склопаперу марки БМДК або БМД-Ф. Отриману структуру (композицію) прокатують валками. Сформованний лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 20-30 хв. Отриманий адсорбент містить 15-17 % залишкової вологи. Приклад З Готують водну дисперсію, для чого 7,5 г гідроксиду калія КОН розчиняють в 90 мл води Н 2О, після чого в отриманий розчин вносять 100 г твердого гідроксиду кальцію Са(ОН)2 і 50 г твердого гідроксиду магнію Мд(ОН)2. Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія має консистенцію пасти. На подвійний шар склопаперу розміром 12 × 30 см (БМД-Ф, щільність 11,2 г/см2, ТУ 6-11-529-80 або БМД-К, ТУ 648-93-92) завтовшки 1,5-2 мм наносять отриману водну дисперсію у вигляді пасти і зверху настилають тонкий шар скломата марки МСТВ-2 ТУ 21-6328981-03-92 виробництва ВАТ "Івотстєкло". Отриману структуру (композицію) прокатують валками. 3 UA 100266 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Сформований лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 20-30 хв. Отриманий адсорбент містить приблизно 15-17 % залишкової вологи. Приклад 4 Готують водну дисперсію, для чого 7,5 г гідроксиду калія NаОН розчиняють в 100 мл води Н2О, після чого в отриманий розчин вносять 75 г твердого гідроксиду кальцію Са(ОН)2 і 10 г твердого гідроксиду літію LiOH. Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія має консистенцію суспензії. На шар тканини Русар розміром 14 × 35 см наносять отриману водну дисперсію у вигляді суспензії завтовшки 1,5-2 мм і зверху настилають один шар склопаперу марки БМД-Ф або БМД-К. Отриману структуру (композицію) прокатують валками. Сформованний лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 15-25 хв. Отриманий адсорбент містить 16-18 % залишкової вологи. Приклад 5 Готують водну дисперсію, для чого 9 г гідроксиду калія КОН розчиняють в 100 мл води Н 2О, після чого в отриманий розчин вносять 70 г твердого гідроксиду кальцію Са(ОН)г і 10 г твердого гідроксиду літію LiOH. Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія має консистенцію суспензії. На шар тканини Арселон розміром 16 × 30 см наносять отриману водну дисперсію у вигляді суспензії завтовшки 1,5-2 мм і зверху настилають тонкий шар скломата марки МСТВ-2 ТУ 21-6328981-03-92 виробництва ВАТ "Ивотстекло". Отриману структуру (композицію) прокатують валками. Сформованний лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 15-20 хв. Отриманий адсорбент містить 20-22 % залишкової вологи. Приклад 6 Готують водну дисперсію, для чого 15 г гідроксиду калія КОН і 20 г гідроксиду натрію NaOH розчиняють в 100 мл води Н2О. Суміш ретельно перемішують. Отримана водна дисперсія є водним розчином. Цей водний розчин наносять на шар скломата товщиною 2-3 мм. На шар скломата з нанесеним водним розчином накладають шар склопаперу марки БМД-К або БМД-Ф. Отриману структуру (композицію) прокатують валками. Сформованний лист адсорбенту сушать в звичайній лабораторній або промисловій електрошафі з вентиляцією повітрям при температурі 100-140 °C протягом 15-20 хв. Отриманий адсорбент містить 20-22 % залишкової вологи. Оцінка реакційної здатності адсорбенту до діоксиду вуглецю проведена на динамічній установці шляхом визначення динамічної активності, що характеризує здатність адсорбенту поглинати діоксид вуглецю з потоку газо-повітряної суміші, що проходить через нього, і що виражається в одиницях л/кг (кількість літрів поглиненого діоксиду вуглецю на 1 кг адсорбенту). Випробування адсорбенту проведені за наступних умов: - діаметр динамічної трубки - 39±0,5 мм; 2 - площа поперечного перетину динамічної трубки - 11,6 -12,25 см ; - висота динамічної трубки - 22 см; - висота шару адсорбенту в трубці - 14 см; - об'ємна швидкість повітря, що подається в трубку, - 6,72 7,05 л/хв.; - об'ємна швидкість діоксиду вуглецю (відповідна концентрації його в газо-повітряній суміші 4 % за об'ємом) - 20 0,28 0,29 л/хв.; - об'ємна швидкість газо-повітряної суміші - 7,0-7,35 л/хв.; 2 - питома швидкість газо-повітряної суміші -0,6 л/см хв.; - температура газо-повітряної суміші - 23±0, 5 °C; - відносна вологість газо-повітряної суміші при температурі 23±0,5 °C - 93-98 %. - маса адсорбенту в динамічній трубці - 110-140 г. Випробування адсорбенту проводили до досягнення концентрації в газо-повітряній суміші за шаром адсорбенту, рівною 3,0 % діоксиду вуглецю. У аналогічних умовах проведені порівняльні випробування адсорбенту, виготовленого по патенту США № 5165399. Результати випробувань представлені в таблиці. 4 UA 100266 C2 Номер прикладу Кількість поглинутого діоксиду вуглецю, л/кг 1 115,3 2 125,1 3 118,5 4 119,2 5 122,3 6 130,7 Для порівняння, адсорбент за патентом США № 90,4 5165399 5 Як видно з наведених даних, винахід, що заявляється, дозволяє підвищити реакційну здатність адсорбенту на 20-40 %, що розширює можливість його застосування в системах очищення повітря від діоксиду вуглецю, при цьому спосіб виготовлення адсорбенту технологічно простий. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 1. Спосіб виготовлення адсорбенту діоксиду вуглецю для дихальних систем, що включає з'єднання гідроксидів лужних і/або лужноземельних металів з волокнистим матеріалом, формування абсорбенту у вигляді листа і сушіння, який відрізняється тим, що використовують водну дисперсію гідроксидів лужного і/або лужноземельного металу у вигляді суспензії, пасти або водного розчину, а з'єднання гідроксиду лужного і/або лужноземельного металу з волокнистим матеріалом здійснюють шляхом розміщення водної дисперсії, пасти або водного розчину між шарами пористого волокнистого матеріалу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що формування абсорбенту у вигляді листа здійснюють шляхом прокатування між валками. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як волокнистий матеріал використовують пористий волокнистий тканий або нетканий лугостійкий матеріал з низькою питомою щільністю. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як гідроксиди лужних або лужноземельних металів використовують гідроксиди натрію, калію, літію, кальцію, магнію. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5