Развитие фильтров для водо- и газоочистки изначально диктовалось такими требованиями, как уменьшение их размеров, повышение производительности и, главное, достижение более тонкой очистки. В дальнейшем большое значение приобрели расширение круга применяемых материалов, упрощение технологии их производства, поиск материалов, пригодных к переработке и утилизации. Каковы же современные тенденции?

 Если в середине XX века фильтровальные элементы изготавливались, главным образом, из материалов, имеющих натуральную основу, – хлопка, шерсти и целлюлозы, то в настоящее время используется очень широкий спектр синтетических полимеров (чаще всего – полиэтилен, полипропиленовые, полиамидные и полиэфирные волокна). Преимуществом пользуются термопласты, очень удобные для переработки экструзией, дающей возможность получать волокна, которые используются как в виде одиночных нитей, так и пряжи. В качестве примера можно привести материал Autoloft на основе полипропиленового волокна, представляющего собой жесткую трехмерную спираль.Значительным достижением последних лет стало уменьшение диаметра полимерных нитей. В практику уже входят волокна диаметром от 20 до 200 нм. Сегодня такие нановолокна производят из синтетических (полиамиды, полиэфиры, ароматические полиамиды, полиакрилаты), биологических (протеины, каллоген) материалов и активированного угля. Они позволяют получить мембраны, которые по своему действию подобны мембранам для обратного осмоса (задерживают крупные анионы, катионы Ca, Mg, ионы тяжелых металлов, крупные органические соединения) и в то же время имеют большую проницаемость для малых ионов натрия, калия, хлора и фтора. При этом мембраны на основе нановолокон обладают большей производительностью. Пример такого продукта – мембрана HL 1812Т фирмы Osmonic Inc. (США). Фильтровальные материалы, полученные из нитей и волокон, традиционно подразделяются на плетенные (тканевые), нетканые и сетчатые. 

Тканевые материалы

За последние несколько веков процесс изготовления тканей почти не изменился. Так что усовершенствования в области производства тканевых фильтровальных сред касались лишь применения новых материалов. Если ранее они делались в основном из волокнистой, то теперь – из одно- и многонитяной пряжи. Это позволило, например, получать пряжу, способную нести электростатические заряды, что очень полезно при фильтрации воздушных смесей и газов.В настоящее время разработаны также различные способы модификации поверхности тканевых фильтровальных сред, например, нанесением другого материала. В частности, может производиться ламинирование нескольких фильтровальных слоев. Пример – материал Filterlink, характерной особенностью которого является очень гладкая лицевая поверхность, обладающая высокой устойчивостью к загрязнению. 

Нетканые материалы

Нетканые фильтровальные материалы претерпели в последние годы сильные изменения. Ранее в этой области применялся, главным образом, войлок. Однако из-за малой разрывной прочности и низкой проницаемости его использование ограничивалось. Указанные недостатки можно устранить путем обработки поверхности смолами и пробивки пор необходимого размера. Однако в начале 1960-х совершенствование методов литья полимеров из расплава позволило начать производство экструзионных воздушно-наполненных полимерных волокон, названных «spun bonded». Материалы на их основе потеснили на рынке модифицированный войлок. Новые технологии позволили получать волокна чрезвычайно малого диаметра, хорошо зарекомендовавшие себя в осуществлении тонкой фильтрации. Из таких пластиков могут изготавливаться слоистые фильтровальные материалы типа «сэндвич». 

Сетчатые фильтровальные материалы

Кроме тканевых фильтровальных материалов, созданных переплетением нитей, существуют материалы в виде сеток, полученных из проволоки и одиночных пластмассовых нитей. Ввиду особенностей фильтрации их следует рассматривать в категории сит, характерной особенностью которых являются гарантированные размеры ячеек. Сита можно получать несколькими способами, самый распространенный из которых – спекание нескольких сеток. Для осуществления на проволочных сетках наиболее тонкой фильтрации используют многослойные сетки, называемые за рубежом Bopp’s Poromet.Пластиковые сетки ранее выпускались методом плетения, но сегодня их проще изготовить экструзией. Экструзионные сетки с широким диапазоном размеров ячеек и жесткой основой могут применяться в качестве относительно тонкой фильтрационной среды. Однако главным их применением является использование в изготовлении картриджей. 

Мембраны являются самым молодым фильтровальным материалом, их интенсивное применение осуществляется в последние 40 лет. Мембраны для удаления твердых частиц из жидкостей начали использоваться после разработки способов ультрафильтрации в начале 1960-х гг. Тогда же произошло внедрение и методов очистки, основанных на явлении обратного осмоса. Потребность в проведении тонкой фильтрации привела к быстрому признанию мембранной технологии и созданию целого нового направления - микрофильтрации. Этому способствовали успехи в химии и технологии переработки полимеров. Процесс тонкой фильтрации, позволяющий достичь высокой степени очистки, сопряжен со значительным падением давления. Поэтому мембраны должны обладать большой прочностью. В этой связи их снабжают специальным поддерживающим слоем. Развитие материалов для производства мембран проходило в двух направлениях. Первое – получение материалов с определенными размерами пор, минимальным разбросом этих размеров и равномерным распределением пор по поверхности. Второе – разработка конструкции фильтрующей мембраны, позволяющей работать при большом перепаде давления (многослойные мембраны, мембраны с армирующей сеткой и т.д.). Когда мембраны стали главным (по стоимости и по значимости) элементом водоочистного оборудования, они одновременно стали главным товаром на рынке фильтровальных материалов.Можно ожидать также, что в ближайшее время наибольшей популярностью будут пользоваться фильтры, изготовленные из металлов и керамики. Это дало бы возможность применять мембранную технологию для фильтрации агрессивных растворов с высокими температурами. В наши дни керамические мембраны выпускаются рядом зарубежных и отечественных фирм. Например, московское предприятие «МПК Техпром ПСТ» производит керамические мембраны ФКБВ-1, ФКБВ-2, МКФ-0,3 и МКФ-3,3 для очистки воды. 

Фильтровальные картриджи

В настоящем время широкое распространение приобрели сменные фильтрующие элементы, которые чаще всего называются картриджами. После выработки своего ресурса они выбрасываются или регенерируются. Картриджи представляют собой законченную конструкцию, состоящую из фильтрующего материала, несущих элементов, обеспечивающих механическую прочность, и элементов сопряжения с корпусом фильтра.Современная промышленность выпускает большой набор картриджей с разным наполнением и различными техническими характеристиками. Картриджи подразделяются на два вида. Элемент первого типа представляет собой отрезок цилиндрической трубы, закрытый с двух сторон патрубками для входа и выхода фильтруемого потока. Во внутреннюю полость трубы помещается фильтровальная среда. Ко второму относятся картриджи, состоящие из набора одинаковых, последовательно соединенных фильтровальных элементов, размещенных в едином кожухе. За прошедшие годы конструкции основных элементов очень мало изменились. Наиболее важные перемены коснулись складчатых устройств для очистки газовых и воздушных смесей, например, картриджные фильтры Z. Plex фирмы G E Osmonic.В настоящее время для наполнения картриджей используются различные фильтрующие среды: активированный уголь, ионообменные смолы, природные и искусственные минеральные соединения и т.д. Технические решения, внедряемые для усовершенствования картриджных фильтров, были направлены на противодействие образованию застойных зон, участков прорыва фильтруемого потока и уплотнения насыпного материала. 

Материалы для воздушной и газовой фильтрации

Ни в одной категории фильтровальных материалов не насчитывается так много различных видов, как в перечне для воздушной и газовой фильтрации. Хотя на фильтровальные материалы, применяемые в этой области, налагаются чрезвычайно высокие требования, в последнее десятилетие развитие в этой области проходило гигантскими шагами. Сегодня, например, здесь применяют материалы, полученные из расплава полифениленсульфидных каучуков марки Forton PPS.Большое внимание к проблемам удаления мельчайших частиц из воздушных смесей, по всей вероятности, связано с ужесточением требований законодательства по охране окружающей среды и повышением требований к качеству очистки воздуха. Каждое достижение в области разработки фильтрующих материалов немедленно применялось для очистки загрязненного воздуха. Ввиду способности пыли в воздушных массах наэлектризовываться и служить причиной взрывов, особую важность в газоочистке приобрели фильтровальные среды, обладающие электростатической устойчивостью.Значительным для газовой фильтрации является возможность среды очищать горячие газы. Поэтому большое внимание в этом вопросе сегодня уделяется керамическим и металлическим материалам, поскольку оба этих вида материалов способны выдержать высокую температуру. Так, на Новоуральском электрохимическом комбинате (Свердловская обл.) налажен выпуск металлических фильтров из гофрированной жаропрочной стальной ленты и пористой керамики. Такие фильтры сочетают высокую степень очистки с длительной термической устойчивостью.Современные условия требуют, чтобы из воздушных масс удалялись не только взвешенные твердые частички пыли, но и ядовитые примеси. Для этой цели разработаны комбинированные материалы, объединяющие фильтрующие среды с адсорбционными материалами или материалами, реагирующими с примесями. Так, например, активированный уголь соединяют с волокнами или нитями. Набор таких сочетаний непрерывно расширяется.