CN1211147C - 用于颗粒和分子过滤的具有复杂形状的纤维 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于化学污染物过滤用途的超高效多叶形横截面纤维过滤器。将吸收性化学反应试剂，优选液体形式的酸或碱，或者固体形式的吸附性化学反应试剂(酸或碱)置于各纤维长度内的纵向槽内。所述试剂可以被单独使用或与固体吸附性颗粒一起使用，所述吸附性颗粒可以与试剂一起被用在纤维中的纵向槽内。在纤维中的试剂仍暴露于通过过滤器的被碱污染的气流中。在气流中的碱污染物化学物质如铵和胺(以及颗粒)与纤维的纵向槽内的酸性试剂反应。由于污染物和试剂反应，铵或胺不可逆地被吸收(如果试剂为固体酸，则被吸附)至液体酸性试剂和多叶形纤维中。

Description

用于颗粒和分子过滤的具有复杂形状的纤维

                     背景

发明领域

本发明涉及过滤体系，特别是涉及利用固体和液体试剂的体系。

相关技术描述

用活性炭和其他物质作为吸附成分以从气流中除去杂质是通常已知的。随着有效的纤维横截面的出现，有可能生产一种部分中空的纤维。特别有效的横截面是具有三个从中芯轴伸展出来的T形叶片的横截面，如美国专利5,057,368所述，该专利被结合到本文作为参考。常规的过滤器在多种应用中使用固体或液体材料涂覆的过滤介质，但是许多这些应用依靠吸收而不是吸附。当待除去的颗粒附着在过滤材料成分的表面上时发生吸附，而当控制分子运动的机动性从而以一种非机械的方式将不需要的颗粒从一个区移到另一个区时则发生吸收。当某些去除杂质的液体或固体被填充在纤维内部形成的空穴中时，多叶形纤维作为芯吸纤维(wicking fiber)是特别有效的。

填充有固体过滤颗粒的多叶形纤维被用在吸附空气过滤以及除味应用中。这种过滤颗粒已经包括了碳颗粒、沸石、碳酸氢钠、环糊精以及可以吸附某些杂质的固体的使用(参看美国专利5,759,354，其被结合到本文作为参考)。其他利用多叶形纤维作为芯吸纤维的应用还包括了某些填充在纤维内部空穴中的液体的吸收特性。通常对这些液体进行选择从而以一种可逆的方式从被污染的气流中轻微地吸收气味和气体分子，帮助这些分子最终分散到第二气流中(参看美国专利5,891,221和5,704,966，它们被结合到本文作为参考)。

在集成电路的生产中，保持环境不含污染物是特别关键的，这是因为晶片非常容易受细小颗粒和低含量的某些化学物质的影响。这可以通过在具有过滤空气的净室内生产晶片来实现。使用过滤器以将颗粒和化学物质含量降低到极低水平(低于十亿分之一)。半导体工具有时也装配有环境控制器，可在处理期间提供局部超净空气流。但是，常规的化学过滤器具有极短的寿命，需要经常更换，并且在有效滤去某些化学物质时无效。

                         概述

本发明描述了一种用于化学污染物过滤用途、具有长寿命的超高效多叶形纤维过滤器。所述纤维过滤器的出乎意料的超高效将污染物降到了在十亿分之几的低水平。将反应试剂(优选液体或固体形式的酸或碱)置于纤维的各长度内的纵向槽内。所述试剂可以通过任何已知的机理与碱污染物起反应，如酸-碱反应形成离子键、氧化-还原反应、本领域已知的各种其他有机和无机反应机理形成共价键、氢键、配位化合物或络合化合物。所述试剂可以被单独使用或与吸附性颗粒一起使用，所述吸附性颗粒可以与试剂一起被用在纤维中的纵向槽内。在一个实施方案中，使所述纤维形成单层纤维毡，在另一个实施方案中，使所述纤维形成多层纤维毡，但是试剂保持暴露于流经过滤器的被污染的气流中。流体流中的污染物在纤维的纵向槽内反应。由于碱污染物和试剂反应，污染物被保留在纤维的纵向槽内。

在一个优选的实施方案中，所述污染物为铵和/或胺，所述试剂为酸。酸浸渍的多叶形纤维明显比几种可买到的过滤器更有效。所述过滤器可被用在多种应用中，包括安装在现场的净室和过滤室。

                         附图简述

图1表示一根多叶形纤维的详细截面图。

图2表示由具有置于各多叶形纤维内的试剂的多叶形纤维制成的纤维毡的特写图。

图3表示图2的纤维毡的更大范围的图。

图4表示酸浸渍的多叶形纤维与两种其他可买到的过滤器的污染物随时间穿透(breakthrough)的百分比的对照图。

图5表示在一个实施方案中的用于以酸浸渍的多叶形纤维过滤气流的一个腔。

图6表示具有多层多叶形纤维过滤器的图5的腔。

在不同的图中使用相同的参考符号表示类似或相同的部分。

                     详细描述

图1表示单独的多叶形纤维2的详细截面图。纤维2是由热塑性聚合物制成的一类纤维，并且是通过常规纤维形成技术，如在作为参考的上述美国专利5,057,368中所述的通过常规的喷丝板对纤维组合物进行纺丝的技术所形成的。纤维2包括芯4，三个叶片6由4开始向外延伸。各叶片6以盖子8结束，盖子8垂直地连接在叶片6的末端。在叶片6和临近的盖子8之间形成的空穴贯穿多叶形纤维2的整个长度，形成纵向槽10。多叶形纤维2具有保留粉末状颗粒物如粉末状碳的能力。碳粉末可以通过被盖子8夹住从而机械地夹持在槽10中，而无需使用任何液体。可以通过扑撒粉末使其进入纤维内，然后抖落过量的粉末或者用风扇扇去过量的粉末来将粉末夹在槽10中。

优选纤维2可以通过毛细力将液体保持在槽10中。图2表示纤维毡100的特写图，纤维毡100中液体试剂12被填充在网眼纤维2的槽10中。可以通过使液滴渗透纤维毡100，在与纤维2的表面撞击后芯吸(wicking)入槽10从而将液体试剂12填充在槽10中。在液滴与纤维2撞击后，它们快速地聚结到槽10中，同时在纤维2之间留下开孔，使气流没有阻碍地通过纤维毡100。或者，可以通过将纤维2浸入试剂12，并除去过量的试剂12，从而由纤维2通过毛细力将试剂12吸到槽10中。

可以通过不同的方法如迫使试剂12通过一个机械喷雾器，或者优选使用常规的液体点滴器使试剂12形成液滴。试剂12可以是各种液体，如酸、氧化剂、还原剂、络合剂、配位剂和潮解剂，但优选使用酸。用作试剂12的酸包括但不限于：无机酸如硼酸，优选磷酸或硫酸。与无机酸相比，使用有机酸更好。有机酸包括但不限于：单羧酸、二羧酸和三羧酸，这些类型的有机酸包括柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸。在另一个实施方案中，也可以使用粉末状的酸来代替液体酸，以一种类似于上述用于碳粉的方法使其浸透到槽10中。在一个替代实施方案中，也可以将粉末状的碱用于过滤非碱性污染物。这种粉末状的碱包括如碳酸氢钠(发酵粉)、碳酸钠、氢氧化钠、磷酸三钠、碳酸钾、氢氧化钾和四硼酸钠。而且，试剂12可以包括含过渡金属如铜的配位剂；含诱捕剂如环糊精的络合剂。

图3是纤维毡100的更大范围的图。可以将纤维2打褶或将其制成多层，以形成多种结构的纤维毡100。通常，槽10内的体积组成多叶形纤维2的体积的大约一半，并且取决于污染物的密度，在槽10中纤维2可以获得约100％重量的液体污染物以及25％-125％重量的固体粉末。利用多叶形纤维2的性质来捕获液体或固体污染物，将试剂12用于吸附性和吸收性过滤应用。有意将试剂12浸渍在槽10中，试剂12可以是反应性液体或固体试剂，优选都为酸，纤维毡100被用作支承性网以将试剂12保持在高度分散的配置中用于除去吸附性和吸收性的分子污染物。多叶形纤维2不仅可以保持液体或固体(酸)试剂12，对于保持液体试剂和固体颗粒的组合也是有效的。固体吸附物如沸石、氧化铝、活性碳(浸渍过的并且是新的)以及化学改性的硅石也可以以液体或固体形式与酸性试剂12结合，浸渍在多叶形纤维2的槽10中。固体吸附物也可以与碱性试剂12结合并浸渍在槽10中。

在从经过的流体流中过滤碱性污染物的情况下纤维毡100是特别有效的。认为碱是化学领域通常被视为碱的任何化学物质或化合物。这些化学物质和化合物包括路易斯碱、shift base、含水碱，优选在含水环境中呈碱性的任何化合物。铵和胺是优选的碱。

用液体酸性试剂12浸渍的纤维毡100对于从经过的流体流中吸收碱性污染物，如铵、NH₃和胺(例如n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))是特别有效的。含污染物例如铵离子的气流通过纤维毡100。当其通过被酸性试剂12浸渍过的多叶形纤维2时，铵离子与酸性试剂12发生化学反应(本领域众所周知的反应)并且被酸性试剂12吸附而形成盐。酸性试剂12与铵离子交换氢原子，形成副产物水，并且使铵离子与酸性试剂12反应，并结合到酸性试剂12中。试剂12不可逆地将铵离子保留在多叶形纤维2的槽10中。

用液体酸性试剂12浸渍过的多叶形纤维2的结合在过滤碱性污染物方面具有出乎意料的超高效。从图4中可以看出，当与两种通常买到的用酸浸渍过的商品过滤器比较时，利用被酸性试剂12浸渍过的多叶形纤维2的纤维毡100的有效性。使3种过滤器都连续暴露于在空气中稀释百万分之90(ppm)的被铵污染的气体中。将所述空气调节到50％相对湿度和23℃，使所述空气以150英尺/分钟的速度吹过过滤器，以使三种过滤器得到相同的压降。在各过滤器的下游连续测量碱性气体的浓度，绘制污染物随时间的穿透的百分比。穿透百分比是指保留在过滤器的空气下游的污染物的量相对于在过滤器的气体上游中的最初污染物的量。

正如由图4可以看到的，曲线A代表被酸性试剂12浸渍过的多叶形纤维2。曲线B和C代表其他可买到的过滤器的结果。曲线A的结果表明被酸浸渍过的多叶形纤维2具有超过曲线B或C的显著的污染物保持性，表明与多叶形纤维2结合的酸性试剂12具有有效性和长寿命。纤维毡100的保持时间接近曲线B所示保持时间的三倍(在约0％穿透时的120分钟相对于曲线B在4％穿透时的40分钟)。

利用在多叶形纤维2中的酸性试剂12的纤维毡100可以被用于多种应用，例如将多叶形纤维2打摺或层叠以形成纤维毡100。在一个实施方案中，纤维毡100可以被用作图5所示过滤腔102中的一个过滤元件。腔102包括壳18，它可以由常规的金属如铝设计以适应操作和现场安装。打摺或层叠的纤维毡100与壳18相连，优选经粘结剂或低除气胶(outgassing glue)连接。在一个替代实施方案中。也可能将纤维毡100连接在框架上(框架未示出)；然后可以将带有纤维毡100的该框架安装到壳18中或者可交换地移到壳18中。壳18还具有入口14和出口16，以使气流20通过过滤腔102，同时被纤维毡100过滤。腔102可以被用于向铵、胺以及化学净室环境中的颗粒提供颗粒或化学过滤作用。

图6表示纤维毡100的一个替代实施方案。除用多层纤维毡100′代替纤维毡100外，图6在大多数方面类似于图5中的腔102。多层纤维毡100′是由数个单独的相邻层组成的一个过滤器。用任一种上面讨论的试剂浸渍各独立层，将各层使用不同试剂的多个独立的层结合起来形成一个单独的多层纤维毡。层数可以从1到N，纤维毡100′可以含任何层与试剂的组合，这取决于所需的功能。

尽管参考具体实施方案对本发明进行了描述，但本说明书仅仅是对本发明的应用的一个实施例，不应当将其作为限制。特别是尽管大多数前面讨论的是针对液态酸浸渍的多叶形纤维2，但本发明的替代实施方案包括用固体酸性试剂12浸渍的多叶形纤维2和以液体和固体形式的碱浸渍以过滤非碱性污染物的多叶形纤维2。公开的实施方案的各种其他修改和特性的组合包括在由下面的权利要求定义的本发明的范围内。

Claims (51)

1.一种用于从流体流中除去碱性污染物的含纤维毡的过滤器，它包含：

多个伸长的纤维，各纤维界定多个纵向延伸的内部空穴，各个空穴具有一个朝向所述纤维外表面的开口；

一种试剂，它被置于所述伸长的纤维的所述内部空穴中，并且可与所述碱污染物发生化学反应；

其中所述试剂被保留在所述内部空穴中，并暴露于定向通过所述纤维的所述流体流中；

其中所述试剂是适合与所述碱性污染物反应的酸、配位剂或络合剂。

2.权利要求1的过滤器，其中所述纤维具有多个与所述纤维的朝向所述外表面的所述开口相连的被封着的叶片。

3.权利要求2的过滤器，其中所述被封着的叶片是T形的。

4.权利要求1的过滤器，其中有三个所述内部空穴。

5.权利要求1的过滤器，其中所述试剂适合与选自铵和胺的所述碱性污染物反应。

6.权利要求1的过滤器，它还含有一种置于所述内部空穴中的吸附性固体，所述吸附性固体选自沸石、氧化铝、活性炭和硅石。

7.权利要求6的过滤器，其中所述吸附性固体被选自酸、配位剂和络合剂的试剂浸渍。

8.权利要求1的过滤器，其中所述试剂选自酸、配位剂和络合剂。

9.权利要求8的过滤器，其中所述酸是选自磷酸、硫酸和硼酸的无机酸。

10.权利要求8的过滤器，其中所述酸是选自柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有机酸。

11.权利要求8的过滤器，其中所述试剂是液体。

12.权利要求8的过滤器，其中所述试剂是固体。

13.一种用于从流体流中除去碱性污染物的含多层纤维毡的过滤器，它包含：

多个相邻的纤维层，所述各层包含：

多个伸长的纤维，各纤维界定多个纵向延伸的内部空穴，各个空穴具有一个朝向所述纤维外表面的开口；

一种试剂，它被置于所述伸长的纤维的所述内部空穴中，并且可与所述碱污染物发生化学反应；

其中所述试剂被保留在所述内部空穴中，并暴露于定向通过所述纤维的所述流体流中；

其中所述试剂适合与所述碱性污染物反应，

其中在所述各层中的所述试剂选自酸、配合剂和络合剂；以及其中所述各纤维层含不同的试剂。

14.权利要求13的过滤器，其中所述纤维具有多个与所述纤维的朝向所述外表面的所述开口相连的被封着的叶片。

15.权利要求13的过滤器，其中所述被封着的叶片是T形的。

16.权利要求13的过滤器，其中有三个所述内部空穴。

17.权利要求13的过滤器，其中所述试剂适合与选自铵和胺的所述碱性污染物反应。

18.权利要求13的过滤器，它还含有一种置于所述内部空穴中的吸附性固体，所述吸附性固体选自沸石、氧化铝、活性炭和硅石。

19.权利要求18的过滤器，其中所述吸附性固体被选自酸、配位剂和络合剂的试剂浸渍。

20.权利要求13的过滤器，其中所述酸是选自磷酸、硫酸和硼酸的无机酸。

21.权利要求13的过滤器，其中所述酸是选自柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有机酸。

22.权利要求13的过滤器，其中所述试剂是液体。

23.权利要求13的过滤器，其中所述试剂是固体。

24.一个用于从气流中除去碱性污染物的过滤体系，它包含：

一个壳，还包含一个所述气流通过其进入的入口和一个所述气流通过其离开的出口；

置于所述壳中的权利要求1的过滤器。

25.权利要求24的过滤体系，其中所述纤维具有多个与所述纤维的朝向所述外表面的所述开口相连的被封着的叶片。

26.权利要求24的过滤体系，其中所述被封着的叶片是T形的。

27.权利要求24的过滤体系，其中有三个所述内部空穴。

28.权利要求24的过滤体系，其中所述试剂适合与选自铵和胺的所述碱性污染物反应。

29.权利要求24的过滤体系，它还含有一种置于所述内部空穴中的吸附性固体，所述吸附性固体选自沸石、氧化铝、活性炭和硅石。

30.权利要求29的过滤体系，其中所述吸附性固体被选自酸、配位剂和络合剂的试剂浸渍。

31.权利要求29的过滤体系，其中所述试剂选自酸、配位剂和络合剂。

32.权利要求31的过滤体系，其中所述酸是选自磷酸、硫酸和硼酸的无机酸。

33.权利要求31的过滤体系，其中所述酸是选自柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有机酸。

34.权利要求31的过滤体系，其中所述试剂是液体。

35.权利要求31的过滤体系，其中所述试剂是固体。

36.一种用于从气流中除去铵和胺的含纤维毡的过滤器，所述纤维毡包含：

多个伸长的纤维，各纤维界定多个纵向延伸的内部空穴，各个所述空穴具有一个朝向所述纤维外表面的开口；一种酸，它被置于所述伸长的纤维的所述内部空穴中；

其中所述酸被保留在所述内部空穴中，并暴露于定向通过所述纤维的所述气流中；其中所述酸与至少一部分所述铵和胺反应以形成被保留在所述内部空穴中的盐。

37.权利要求36的过滤器，其中所述纤维具有多个与所述纤维的朝向所述外表面的所述开口相连的被封着的叶片。

38.权利要求36的过滤器，其中所述被封着的叶片是T形的。

39.权利要求36的过滤器，其中有三个所述内部空穴。

40.权利要求36的过滤器，其中所述酸是液体。

41.权利要求36的过滤器，其中所述酸是固体。

42.权利要求36的过滤器，其中所述酸是选自磷酸、硫酸和硼酸的无机酸。

43.权利要求36的过滤器，其中所述酸是选自柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有机酸。

44.一种从流体流中除去铵和胺的方法，它包括：

提供一种过滤器，所述过滤器包含：

多个伸长的纤维，各纤维界定多个纵向延伸的内部空穴，各个所述空穴具有一个朝向所述纤维外表面的开口；一种酸，它被置于所述伸长的纤维的所述内部空穴中，从而所述酸被保留在所述内部空穴中；

使所述流体流定向通过所述过滤器，由此在所述过滤器中的所述酸与至少一部分所述铵和胺反应以形成被保留在所述过滤器的所述纤维的所述内部空穴中的盐。

45.权利要求44的方法，其中所述纤维具有多个与所述纤维的朝向所述外表面的所述开口相连的被封着的叶片。

46.权利要求44的方法，其中所述被封着的叶片是T形的。

47.权利要求44的方法，其中有三个所述内部空穴。

48.权利要求44的方法，其中所述酸是液体。

49.权利要求44的方法，其中所述酸是固体。

50.权利要求44的方法，其中所述酸是选自磷酸、硫酸和硼酸的无机酸。

51.权利要求44的方法，其中所述酸是选自柠檬酸、乳酸、马来酸、富马酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水杨酸和苹果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有机酸。

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