CN1237115A - 空气过滤器、其制造方法以及采用该空气过滤器的高效空气净化设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种空气过滤器与其制造方法以及采用该空气过滤器的高效空气净化设备。该空气过滤器包括载体和无机材料层,该无机材料层是采用无机物粉末作为粘结剂,将丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制成的。制造该过滤器的方法,包括将载体浸渍在悬浮液中的步骤,在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮肢体,和干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体的步骤,从而制成固定到载体表面上的无机材料层。丝锌铝石矿物吸附并除去空气中的气态酸性或碱性杂质,而作为无机材料层组分的无机物质;则对在空气净化设备的空间中所含的气态有机杂质起吸附剂的作用。

Description

空气过滤器、其制造方法以及采用 该空气过滤器的高效空气净化设备
本发明涉及一种能安装在高效空气净化设备、空气净化装置等例如洁净室、洁净台和半成品储存装置(储料器)等中的空气过滤器，用于除去被高效空气净化设备、装置等限定的有限空间中所含的气态无机和/或有机杂质。本发明还涉及制造空气过滤器的方法，而且还涉及装有按照该方法制造的过滤器的高效空气净化设备和装置等。
在下面的叙述中，由于“空气净化设备”和“装置”的说法似乎太一般化了，所以为了更切合实际和更清楚地理解本发明，则以作用与其相同的术语“洁净室”、“洁净台”和“储存装置(储料器)”等来叙述，而不会改变本发明的要点和范围。
               发明背景
现在，洁净室、洁净台等已被广泛用于制造大规模集成(LSI)电路、液晶显示(LCD)屏面等，所有这些都必须小心地保护，以免受普通空气中所含的特定杂质或污染物的污染。然而，就制造象这些项目的产品而言，在它们通过一些预定的加工步骤之后，被迫以半成品的形式保存在搬运容器或储料器内并不是罕见的事情。因此它们就暴露在搬运容器或储料器的空气中，直到它们被运送到下一个加工步骤。而且，这种中间储存或等待状态的时间延续达几小时至几十小时也并不少见。因此，如果洁净室等的空气没有得到充分净化，其中所含的气态杂质就会附着在LSI的半导体基片表面或LCD的玻璃基片表面上。酸性物质、碱性物质、有机物质和各种掺杂物，当它们附着在上述的基片表面上时，被认为是会对LSI或LCD的性能产生不利影响的杂质。特别是，如果洁净室的空气中含有氨气，酸性物质中硫的氧化物SOx会与其发生反应，在硅大圆片、玻璃基片、镜头、反射镜硬磁盘，磁盘等的表面上形成由硫酸铵组成的不利的薄云状物质。因此，这会对半导体元件、LCD基片和磁存储器部件的制造产生不利的影响。代表硫的氧化物的最普遍的亚硫酸气体可产生于各种来源。例如，产生于在洁净室内进行冲洗过程使用的硫酸，它也可能作为空气污染物或火山气体包含在引入净室内的户外空气中。硼B也能对薄膜晶体管(TFT)起污染物作用，它能污染TFT的沟道区，使其特性变差。
根据实测普通洁净室空气中所含各种污染物的一个实例，该洁净室没有装备对气态污染物的任何化学防护措施，据报道，在这种空气中分别含有酸性物质约100ppt-1,000ppt，碱性物质约1,000ppt-10,000ppt，有机物质约1,000ppt-10,000ppt，和掺杂物约10ppt-100ppt。
1995年5月31日SEMATECH(美国)公布了技术转让#95052812A-TR，在其中题为“对0.25微米高性能逻辑加工过程空气中分子污染极限的预测”的论文中，公开了对0.25μ加工过程(在98年后)所要求的化学污染物质的允许浓度(ppt)，根据该允许浓度，对各种化学污染物的浓度进行严格的限制。即对酸性物质，在硅化(Salicidation)过程中应限制其低于180ppt，在接触成形过程(Contact formation process)中应限制其低于5ppt。至于碱性物质，在照相平版印刷过程中应限制其低于1ppb。对于掺杂物，在预门(Pre-gate)氧化过程中应限制其低于0.1ppt。关于有机物质，在预门氧化过程中应限制其低于1ppb，而在接触成形过程中应限制其低于2ppb。
这四种化学污染物中，几乎全部的酸性物质、碱性物质和掺杂物都是水溶性的，所以可利用湿式冲洗(涤气器)或利用使用化学过滤器的化学吸附除去它们，化学过滤器是由离子交换纤维或在其表面上浸渍了所选择的化学试剂的活性炭(指下文中“化学浸渍的活性炭”)构成的。众所周知，一个装满化学浸渍的活性炭的圆筒形壳体，是采用化学浸渍活性炭的化学过滤器最简单的形式。用高锰酸钾溶液浸渍的活性炭已被用作去除硫的氧化物SOx的化学过滤器的过滤介质。也可利用其它类型的化学过滤器。例如，有些化学过滤器被制成毛毡或无纺织物的形式，它们是通过采用有机粘结剂使化学浸渍的纤维状活性炭与聚酯纤维紧密结合制造的，而其它类型的化学过滤器，是采用适宜的粘结剂，将化学浸渍的活性炭粉末粘合在可透空气的尿烷泡沫材料或无纺织物上，制成板状或片状。在公开号为61-103518的日本未决专利公开中，公开了采用化学浸渍活性炭的化学过滤器，本文将其引入作为参考。这种过滤器采用酸性阳离子交换纤维和碱性阴离子交换纤维作为其主要过滤介质，并制成无纺织物、片状或毛毡的形式。各种酸性和碱性离子可与这种过滤器发生离子交换而被除去。
另一方面，有机物质一般是不溶于水的，所以它们可能基本上是靠活性炭的物理吸附作用而被除去。
就湿式冲洗系统而言，喷雾器需要相当高的初始安装费用，而且为了产生高压喷雾，还需要相当高的运行费用，这些是不能忽视的。还应注意，该系统还涉及洁净室空气的湿度和温度控制。因此，在使空气通过洁净室循环的情况下，如果采用该系统冲洗，还需要控制洁净室循环空气的湿度和温度，并在用其冲洗之后立即除去其中所含的微小水滴。此外，冲洗水必须始终保持清洁、无菌和无水溶性污染物等，因此需要，例如，另行配置防止细菌滋生和/或用于凝聚及分离水溶性污染物的其它附属装置。
然而，从防止灾害的观点看，那是不可取的，更确切地说，在洁净室的顶棚部分上，应当避免安装使用化学浸渍的活性炭或离子交换纤维的化学过滤器，因为它们是易燃的。现有技术的化学过滤器一般包括无纺织物、将活性炭固定到片状过滤介质上的有机粘结剂、和密封件等组成部分。然而，这些组成部分往往释放气态的有机杂质，这些杂质与已经通过化学过滤器净化过的空气迅速混合，必然会对半导体器件的制造产生不利影响。从过滤介质上飞下来的粉尘也是引起产品污染的不利因素之一。如果在一个洁净室中进行多个可能产生各种气态无机杂质的加工过程，必然要求化学过滤器对这些气态无机杂质具有极好的过滤性能。同时严格地要求化学过滤器本身永不释放任何气态的有机杂质。一般说来，为了阻挡可能从化学过滤器上飞下来的粉尘，需在化学过滤器的下游侧安装空气粒子过滤器。然而，如果这种空气粒子过滤器本身能释放某种气态的有机杂质，即使化学过滤器极好，其作用也是毫无价值的。此外，在现有技术中包括碱性化学试剂和碱性金属的化学过滤器，不能充分地除去亚硫酸气体。
就使用离子交换纤维的化学过滤器而言，可能从包括在制造离子交换纤维的聚合纤维内的各种添加剂中释放一些气态的有机物质。在这种情况下，有时会发生一部分离子交换基团以磺酸气体、羧酸气体、磷酸气体、氨气或胺气的形式放出。
此外，在利用使用化学浸渍的活性炭或离子交换纤维的现有技术的化学过滤器，过滤包括酸性和碱性二种无机杂质的洁净室空气的情况下，需要分别制备除去酸性无机杂质的吸附介质和除去碱性无机杂质的吸附介质。
因此，本发明的目的是提供一种空气过滤器，从防止灾害的观点看，它是极好的，它能除去实际空气中所含的有机和无机的二种杂质。其本身既不释放气态的无机杂质，也不释放气态的有机杂质。此外，本发明的另一个目的是提供一种制造这类过滤器的方法，以及装有根据上述方法制造的这类过滤器的高效洁净室等。
本发明的另一个目的是提供一种能长期运行，并能有效地除去用现有技术的化学过滤器不能充分除去的亚硫酸气体的空气过滤器。
                发明概述
根据本发明，提供一种空气过滤器，其中包括载体和无机材料层，该无机材料层是采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石(fraipontite)矿物粉末固定到载体表面上制成的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体、由丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末制成的第一无机材料层，和由无机物质粉末制成的第二无机材料层，其中或第一无机材料层或第二无机材料层直接固定到载体的表面上，余下的一个无机材料层再固定到先固定的无机材料层的表面上。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是由丝锌铝石矿物粉末与作为粘结剂的无机物质粉末的混合物造粒制备的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中先由丝锌铝石矿物粉末与作为粘结剂的无机物质粉末的混合物造粒制成团粒，然后用无机物质粉末包覆，或者先由无机物质粉末造粒制成团粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括装满许多团粒的壳体，其中团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的，或者团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后用无机物质粉末包覆制备的，或者团粒是先由无机物质粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体和无机材料层，该无机材料层是采用无机物质作为粘结剂，将一种混合物固定到载体的表面上制成的，该混合物是由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末构成的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体、由丝锌铝石矿物和作为粘结剂的无机物质粉末制成的第一无机材料层、和由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末与作为粘结剂的无机物质粉末制成的第二无机材料层，其中或第一无机材料层或第二无机材料层直接固定到载体的表面上，余下的一个无机材料层再固定到先固定的无机材料层的表面上。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制备的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制成团粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆制备的，或团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
根据本发明还提供一种空气过滤器，其中包括用许多团粒装满的壳体，其中团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒，或先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后采用无机物质作为粘结剂，用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆制备的，或者团粒是先采用无机物质作为粘结剂，由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
丝锌铝石矿物是铝硅酸盐，属于蛇纹石亚组1∶1类层(typelayer)的粘土矿物，其组成用下式(1)和(2)表示。如图1所示，丝锌铝石矿物是一种具有两性结构的晶体，其中有一侧呈固态碱的性质，而另一侧则具有固态酸的性质。呈固态碱和酸的这二侧，分别对酸性和碱性物质起吸附点的作用。根据N.Takahashi,M.Tanaka和T.Sato题为“合成丝锌铝石的结构”的报道(日本化学学会，1991,No.7,pp.962-967)，单层丝锌铝石矿物的厚度为7.1。
(Zn6-nAln)(Si4-nAln)O10(OH)8·nH2O……(Ⅰ)
(Mg6-nAln)(Si4-nAln)O10(OH)8·nH2O……(2)
在单独使用或组合使用丝锌铝石矿物粉末、作为粘结剂的无机物质粉末、和锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末，制备用于根据本发明的过滤器的上述无机材料层或团粒层的情况下，在一些邻接的粉末颗粒之间，形成间隙或可透过空气的孔隙。当实际气体通过过滤器时，含在无机材料层中的丝锌铝石矿物就对实际气体发生作用，从而吸附并除去实际气体中所含的气态酸性和/或碱性杂质。当在无机材料层中含有锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末时，即使在实际气体中含有对制造半导体器件、磁盘等有害的硫的氧化物SOx，它也会与其作用并将其除去。例如，在洁净室冲洗过程中所用的硫酸，在引入洁净室的户外空气中所含的大气污染物和火山气体等是亚硫酸气体的可能来源，如上所述，亚硫酸气体会与空气中的氨气发生反应，并对半导体器件、LCD基片和磁记录部件等的制造产生不利影响。
制备第一或第二无机材料层时，用作粘结剂的无机物质可与制备第二或第一无机材料层的无机物质相同或不同。例如，如果制备第一无机材料层用作粘结剂的无机物质是粘土矿物，例如滑石、高岭土矿物和膨润土等，制备第二无机材料层的无机物质也可选自这类料土矿物。另一方面，如果在第一和第二无机材料层中包括对硼化合物具有强亲合力的无机物质，例如硅石等，硅石等的总量必然增加，所以自然使对硼化合物的防护效率随通过时间的变化更小，因此能在长时期内有效地除去硼化合物。如果直接固定到过滤器载体表面上的无机材料层，即制成的第一无机材料层包括丝锌铝石矿物粉末，为了防止丝锌铝石矿物脱落并成为粉尘的来源，其最外层表面优选用另一种无机材料层，即第二无机材料层包覆，第二无机材料层是由例如无机物质粉末，或无机物质粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物制成的。就团粒而言，如果所制的团粒包括丝锌铝石矿物粉末，优选采用与对无机材料层所采用的相同的方法包覆其最外层表面。特别是在形成包括硅凝胶的最外层或覆层的情况下，能最有效地防护因丝锌铝石矿物脱落而产生的粉尘。
可利用丝锌铝石矿物吸附和除去在洁净室空气中的气态酸性和/或碱性杂质。另一方面，可通过适当选择作为粘结剂的无机物质来吸附和除去污染基片表面的气态有机杂质，例如邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和硅氧烷等，该粘结剂含有微孔和/或中等孔。所以，根据本发明的过滤器甚至可应用于包括能造成基片表面污染的各种化学污染物的空气，并可捕获几乎全部的上述污染物。
在利用丝锌铝石矿物除去空气中所含的气态酸性和/或碱性杂质的情况下，如图2所示，优选将单层或重叠几层的丝锌铝石矿物不规则地配置在无机粘结剂颗粒的周围，而不互相搭接，使待净化的实际空气可与在单层或重叠几层的丝锌铝石矿物表面上存在的吸附点发生接触。实际空气可直接地或者透过无机材料层与丝锌铝石矿物发生接触，该无机材料层是由无机物质例如锰的氧化物、高锰酸盐等制成的，并包括所述可透空气的间隙或实际空气能够通过的孔隙。因此单层或重叠几层的丝锌铝石矿物必须均匀地分布在多孔的构件内(即本发明的无机材料层)，使进出这个多孔构件的实际空气可与存在于丝锌铝石矿物微晶(形状：圆形，厚度：几十埃，直径：100至1μ)表面上的吸咐点发生接触，从而除去气态的酸性和/或碱性杂质。
丝锌铝石矿物的微晶既不包含能对气态有机杂质进行物理吸附的微孔也不包含中等孔，因此它没有吸附和除去气态有机杂质的能力。
优选把用于根据本发明的过滤器中的载体制成蜂窝状构件的形式。为此，作为必不可少的条件，还优选蜂窝状构件是由无机纤维制成的。此外，如果载体是由陶瓷材料制成的，载体会具有高强度和坚硬的表面，从安装和维护过滤器的观点看，这种表面是优选的。本文所用的术语“蜂窝状构件”，不只是表示构件是蜂窝状的，而且还表示任一构件都包括许多空气能穿过其中流动的小窝，例如，在截面上具有栅格形状的构件、由交替叠置的许多瓦楞板和平板制成的构件等。此外，术语“载体”并不限于蜂窝状构件，还可以是象石棉似的三维网状构件。在这种情况下，不仅优选将丝锌铝石矿物粉末固定到网状构件的表面上，而且也优选固定到其内部。
在根据本发明的过滤器中所用的锰的氧化物可优选自四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)和二氧化锰(MnO2)中的任一种。例如，如果代表硫的氧化物的最普遍的亚硫酸气体保持其原来状态，那是很难用丝锌铝石矿物中的锌或镁中和的。然而，如果亚硫酸气体被锰的氧化物氧化，亚硫酸气体就转变成硫酸，而硫酸又很容易与含在丝锌铝石矿物中的锌或镁发生反应，因而被中和并除掉。一氧化锰的氧化强度不是很大，因此不能期望使用它能充分除掉亚硫酸气体。
接着将在下文阐明二氧化锰MnO2是如何除去亚硫酸气体SO2的。首先，空气中的亚硫酸气体按下式溶解在被蜂窝状构件的孔隙所吸附的水分中：
然后，基于亚硫酸的还原作用和二氧化锰的氧化作用之间的协同效应，亚硫酸立即被氧化，从而按下式转变成硫酸：
除用二氧化锰MnO2以外，还可用其它锰的氧化物按下列反应生成硫酸：
锰的氧化物能把亚硫酸转变成硫酸，不仅是通过其氧化作用，而且还通过其催化作用。当锰的氧化物起催化剂作用时，其氧化数保持不变。
接着，上面生成的硫酸进一步与含在丝锌铝石矿物中的锌发生反应，按下式生成硫酸锌。
可将关于二氧化锰的上述化学反应式整理如下。
如上所述，亚硫酸气体与锌发生化学反应，并生成盐而被除去，从而为制造高精度的电子部件等准备一个适宜的环境。由于二氧化锰基本上不溶于水，所以为使其直径达到几微粒，优选将其制成散粒(bulk particulate)的形式。
在上面的化学反应中，发生 的转变。因此担心Mn2O3会包覆在MnO2散粒的表面上，并可能阻止二氧化锰进行其氧化作用，从而使其吸附硫的氧化物的作用变弱。然而，三氧化二锰(Mn2O3)溶解于酸(在这种情况下是硫酸)，所以通过硫酸的上述作用能够始终提供新的二氧化锰表面。在使用四氧化三锰(Mn3O4)或三氧化二锰(Mn2O3)代替二氧化锰(MnO2)时，也能发生这一过程，所以消除了上述的担心。
在根据本发明的过滤器中使用的高锰酸盐，可优选MⅠMnO4(MⅠ：碱金属)或MⅡ(MnO4)2(MⅡ：碱土金属)。由于高锰酸盐的氧化作用和亚硫酸的还原作用之间的协同效应，亚硫酸立即被氧化，并转变成硫酸，硫酸又与含在丝锌铝石矿物中的锌或镁发生中和反应，从而以与上述利用锰的氧化物相同的方式除去亚硫酸气体。
在根据本发明的过滤器中使用的无机物质，可优先选自滑石、高岭土矿物、膨润土、硅藻土、硅石、矾土、硅石与矾土的混合物、铝硅酸盐、活性矾土、多孔玻璃、具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物和活性膨润土中的一种。能方便地采用这些无机物质吸附和除去气态的有机杂质。丝锌铝石矿物粉末没有任何自粘结性能，所以，如果由其造粒或将其固定到载体的表面上，在表面上形成一层，就必须另外采用某种粘结剂。上述的硅石可用硅凝胶代替，而矾土可用铝凝胶代替。同样，硅石和矾土的混合物可用由硅凝胶和铝凝胶组成的混合物凝胶代替。
当无机物质孔径为15-300时，分别优选其孔容至少为0.2cc/g，其比表面面积至少为100m2/g。如果能将如此选择的无机物质用作无机材料层或由丝锌铝石矿物粉末制成的团粒的粘结剂，这种无机物质就可用作将丝锌铝石矿物粉末机械固定到载体表面上的一种粘结剂或用作丝锌铝石矿物粉末造粒的粘结剂。此外，可用这种无机物质制备多孔的构件，待净化的实际气体可通过多孔构件，达到在丝锌铝石矿物晶体层表面上存在的酸性位点和/或碱性位点。
采用BET法和氮气吸附法，对能用作粘结剂的各种无机物质，分别测定孔径为15-300孔的比表面面积和总孔容积，表1示出对它们的测定结果。
表1
粉末试样 比表面面积(m2/g)(用BET法测定) 孔容积(cc/g)(用N2吸附法测定，孔径：15-200
硅藻土硅凝胶铝凝胶铝硅酸盐活性矾土多孔玻璃海泡石活性粘土活性膨润土     20040025022530040029530087     0.250.610.600.600.300.150.330.370.23 (Ⅰ)组
滑石高岭土矿物膨润土     282123     0.070.060.03 (Ⅱ)组
在上述的测定中，用硅凝胶粉末试样代表硅石，用铝凝胶粉末试样代替矾土。同样，用硅凝胶和铝凝胶混合物的粉末试样代替硅石和矾土的混合物。对孔径为15-300的孔隙进行测定的理由是，在此范围内的孔隙对气态的有机杂质能起良好的物理吸附剂的作用。在邻接的丝锌铝石矿物粉末之间，和在作为粘结剂的邻接的无机物质粉末之间，以及在丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末之间形成许多间隙或能透过空气的孔隙。待净化的实际空气可以流过这些间隙或可透过空气的孔隙，达到在丝锌铝石矿物微晶表面上存在的吸附点，其中所含的气态酸性杂质以及气态的碱性杂质被吸附在其上而除去。在此过程中，实际空气遇到无数的孔隙，这些孔隙存在于被用作粘结剂的无机材料粉末的表面上，并具有上述范围的孔径，因而在实际空气中所含的气态有机杂质被其吸附和除去。因此，除了除去气态的酸性和碱性二种杂质-本发明的主要目的之一-以外，还能通过适当选择用作粘结剂的无机物质粉末的孔隙，并采用表1所示属于(Ⅰ)组的无机物质，除去气态的有机杂质。
从表1可知，属于(Ⅰ)组的无机粘结剂的比表面面积和孔容积明显地大于属于(Ⅱ)组的无机粘结剂的比表面面积和孔容积。因此，(Ⅰ)组无机粘结剂对气态无机杂质的物理吸附作用优于(Ⅱ)组无机粘结剂。选择和使用(Ⅱ)组无机粘结剂，例如滑石、高岭土矿物和膨润土，主要考虑用其构成的多孔构件(例如无机材料层)的透气性。在邻接的粘结剂颗粒之间，以及在粘结剂颗粒和吸附剂颗粒之间，形成的大多数可透空气的孔隙的直径为至少约500。换句话说，这种可透空气的孔隙是在大孔范围内，其物理吸附作用很小。此外，无机粘结剂例如滑石、高岭土矿物和膨润土的颗粒表面，几乎不包括对气态有机杂质能进行物理吸附的孔隙。因此，(Ⅱ)组无机粘结剂主要用于将丝锌铝石矿物粉末机械固定到载体表面上的目的。为了能充分地除去气态的无机杂质，优选尽可能多地增加固定在载体表面上的丝锌铝石矿物粉末的量。在另一方面，优选无机粘结剂对丝锌铝石矿物粉末的用量比尽可能地小。然而，如果无机粘结剂的量减少过多，丝锌铝石矿物粉末就不能完全固定在载体的表面上，这可能造成丝锌铝石矿物粉末脱落，并使其起一种粉末来源的作用。例如，当采用膨润土作为无机粘结剂以及采用硅石作为无机粘结助剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制备无机材料层时，如果丝锌铝石粉末对整个无机材料层的重量比超过75％，就会发现无机材料层固定在载体表面上的机械强度减弱到不能使用的程度。总之，(Ⅱ)组无机粘结剂的作用是把无机材料层牢固地固定在载体的表面上，又同时获得上述极好的透气性，使实际气体能够很容易地达到丝锌铝石矿物粉末的表面上，而不要求其对气态的有机杂质进行物理吸附。就(Ⅰ)组无机粘结剂而言，在邻接的粘结剂颗粒之间以及在粘结剂颗粒和吸附剂颗粒之间形成的可透空气的孔隙的尺寸，与(Ⅱ)组无机粘结剂形成的可透空气的孔隙的尺寸相同。因此，获得极好的透气性，实际气体能很容易达到在丝锌铝石矿物微晶表面上存在的吸附点，所以(Ⅰ)组无机粘结剂的存在并不干扰或妨碍气态酸性杂质和气态碱性杂质的除去。
孔隙对气态分子物理吸附的强度按大孔、中等孔和微孔的次序增加。一般认为大孔几乎不起物理吸附作用。(Ⅰ)组无机粘结剂颗粒在其表面上具有适合对气态分子进行物理吸附的孔隙，即孔径为不大于20的微孔以及孔径为20-500的中等孔，所以不能被丝锌铝石矿物粉末除去并能造成基片表面污染的气态有机杂质，例如DOP、DBP、丁基化羟基甲苯(BHT)和硅氧烷，可在(Ⅰ)组无机粘结剂粉末的表面上被物理吸附和除去。
与(Ⅰ)组无机粘结剂的情况相似，当丝锌铝石矿物粉末与(Ⅰ)组粘结剂一起制备无机材料层时，其用量(重量)有上限值。例如当采用硅凝胶作为无机粘结剂把丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制备无机材料层时，如果丝锌铝石矿物粉末对整个无机材料层的重量比超过72％就会发现，无机材料层固定在载体表面上的机械强度减弱到不能使用的程度。在过滤器中，如果其载体用包括(Ⅰ)组无机粘结剂粉末的无机材料层或团粒层包覆，气态有机杂质可被其吸附和除去。因此，即使载体包括能释放气态有机杂质的材料，它们也能被包覆在载体上的无机材料层或团粒层吸附和除去，所以气态有机杂质不再与在过滤器下游侧已净化过的实际空气混合。
在本发明的过滤器中，或第一无机材料层，或第二无机材料层，可以包括无机粘接助剂。或团粒的核心部分，或其覆层，也可以包括无机粘结助剂。无机粘结助剂优选自硅酸钠，硅石和矾土中的一种。在这种情况下，可用硅溶胶代表硅石，可用铝溶胶代替矾土。
根据本发明，提供一种制造空气过滤器的方法，其中包括以下步骤：将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机材料粉末分散成悬浮胶体；和干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定在载体表面上的无机材料层。
根据本发明还提供一种制造空气过滤器的方法，其中包括以下步骤：将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体；干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的第一无机材料层；将具有第一无机材料层的载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将无机物质粉末分散成悬浮胶体；和干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到第一无机材料层表面上的第二无机材料层；或先制成固定到载体表面上的第二无机材料层；再制成固定到第二无机材料表面上的第一无机材料层。
根据本发明还提供一种制造空气过滤器的方法，其中包括以下步骤：将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末、锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末以及作为粘结剂的无机材料粉末分散成悬浮胶体；和干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的无机材料层。
根据本发明还提供一种制造空气过滤器的方法，其中包括以下步骤：将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体；干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的第一无机材料层；将具有第一无机材料层的载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将锰的氧化物和/或高锰酸盐以及用作粘结剂的无机物质的粉末分散成悬浮胶体；和干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到第一无机材料层表面上的第二无机材料层；或先制成固定到载体表面上的第二无机材料层；和再制成固定到第二无机材料表面上的所述第一无机材料层。在这种方法中，优选或在第一无机材料层中，或在第二无机材料层中包括被分在(Ⅰ)组内的任一种无机材料。
根据这种方法，过滤器可以只用不释放气态有机杂质的材料构成。除了使用高锰酸盐的情况以外，过滤器还可基本上只用不可燃的材料构成。
根据本发明，提供一种高效率的空气净化设备，用于保持特定的空间或室达到所要求的净度水平，该设备包括空气循环通道、上面所述的过滤器，和颗粒过滤器，其中过滤器适合安装在该空间或室的一部分上，而颗粒过滤器被配置在该空间或室的上游侧和所述过滤器的下游侧，借此使其中的空气通过空气循环通道循环来净化该空间或室。根据在权利要求20中所述的这种高效率空气净化设备，如果在通过该空间或室循环的空气中含有任何亚微级大小的颗粒、气态酸性杂质、气态碱性杂质和气态有机杂质，它们都可被吸附和除去，从而能在避免上述这些污染物的空间或室中加工基片的表面。
此外，在这种高效率的空气净化设备中不使用任何可燃性材料，例如活性炭、离子交换纤维，所以除了使用高锰酸盐的情况以外，从防止灾害的观点看，该设备是极好的。因此，上述的过滤器和颗粒过滤器可以安全地安装在该空间或室的顶棚部分上。
               附图简述
图1是说明丝锌铝石矿物的示意图，其微晶具有所述的两性结构，其一侧呈固态碱性，而另一侧则呈固态酸性；
图2是无机材料层的放大视图，其中将具有两性结构的丝锌铝石矿物按单层或重叠多层无规则地配置在无机粘结剂颗粒的周围，而不互相搭接；
图3是根据本发明实施方案的过滤器的部件分解示意图；
图4是包括无机材料层的过滤器局部放大的断面图，该无机材料层是采用无机粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到过滤器的蜂窝状构件上制成的；
图5是过滤器的局部放大的断面图，该过滤器包括固定到过滤器蜂窝状构件表面上的一些团粒，这些团粒是采用无机物质作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制成的；
图6是无机材料层放大的断面图，该无机材料层是采用无机物质作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制成的；
图7是具有双层圆筒形壳体的圆柱式空气过滤器的横断面和纵剖面图，在圆筒形壳体中装满由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的团粒；
图8是过滤器局部放大的断面图，该过滤器包括由交替叠置多块瓦楞板和薄平板制成的蜂窝状构件、采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的第一无机材料层、和将无机吸附剂粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
图9是复合层的局部放大断面图，该复合层包括第一和第二无机材料层；
图10是过滤器局部放大的断面图，该过滤器包括蜂窝状构件，采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和锰氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的无机材料层；
图11是无机材料层局部放大的断面图，该无机材料层是采用无机粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到载体表面上制成的；
图12是过滤器局部放大的断面图，该过滤器包括蜂窝状构件，其表面上固定有采用无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制备的团粒；
图13是圆柱式空气过滤器的横断面和纵剖面图，该过滤器具有双层圆筒形壳体，其中装满由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒制备的团粒；
图14是过滤器局部放大的断面图，该过滤器包括由交替叠置多块瓦楞板和薄平板制成的蜂窝状构件、采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的第一无机材料层、和采用无机粘结剂将锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
图15是复合层局部放大的断面图，该复合层是由根据本发明的第一和第二无机材料层组成的；
图16是说明根据本发明实施方案的高效空气净化设备示意图；
图17是说明根据本发明另一个实施方案的高效空气净化设备的示意图；
图18是表示对于具有二氧化硅表面的硅大圆片，在暴露于四种洁净室空气中时，其接触角随通过时间变化的曲线图，这四种洁净室空气为：第一和第二种空气是分别由二种不同类型的市售活性炭过滤器过滤的，第三种空气是由采用离子交换纤维的化学过滤器过滤的，而第四种空气是由根据本发明的过滤器过滤的；
图19是表示对在洁净室空气中暴露过的玻璃基片，由滴超纯水滴的方法测定的接触角与用X-射线光电子光谱法(XPS)测定的有机物表面污染之间的关系曲线图；
图20是根据本发明实施方案A的无机材料层的结构断面图；
图21是根据本发明实施方案B的无机材料层的结构断面图；
图22是根据本发明实施方案C的第一和第二无机材料层的模型透视图和结构断面图；
图23是根据本发明实施方案D的第一和第二无机材料层的结构断面图；
图24是根据本发明实施方案E的第一和第二无机材料层的结构断面图；
图25是根据本发明实施方案F的第一和第二无机材料层的结构断面图；
图26是测定对氯化氢气体和气态硼化合物防护效率的方块流程图；
图27是过滤器X和Y对氯化氢气体和气态硼化合物防护效率的对比曲线图；
图28是表示当改变丝锌铝石矿物粉末与二氧化锰粉末的混合比例(重量)时，根据本发明的过滤器对亚硫酸气体SO2防护效率随通过时间变化的对比曲线图；
图29是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通化学过滤器对亚硫酸气体SO2防护效率随通过时间变化的对比曲线图；
图30是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器对氯化氢气体防护效率随通过时间变化的对比曲线图；
图31是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器对硫化氢气体防护效率随通过时间变化的对比曲线图；
图32是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器对气态硼酸(H3BO3)和三氟化硼(BF3)气体防护效率随通过时间变化的对比曲线图。
            本发明优选的实施方案
现在将参照附图利用以下的实施例和优选的实施方案来描述本发明。在下面的叙述中，术语“过滤器”表示用于除去空气中气态杂质的过滤器。另一方面，用于除去空气中粉尘和颗粒的过滤器将以术语“颗粒过滤器”表示。
图3是根据本发明的过滤器1的部件分解示意图。如所示的那样，过滤器1具有蜂窝状构件(即吸附剂的载体)12，它是由以交替方式叠置多块瓦楞板10和薄板11制成的。另一方面，将铝制的框架部件15a、15b、15c和15d组装成箱式外框，在待过滤的实际空气的流动方向上是敞开的(如箭头13所示)。然后将蜂窝状构件12放进该外框，使瓦楞板10和薄平板11与待过滤的实际空气流大致平行地配置。可随意设计过滤器1的外形和尺寸，以适应其安装所占用的空间。蜂窝状构件12的所有表面可任选具有以下各层之一。即：
〔1〕无机材料层，该层是采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的；
〔2〕双无机层，其中包括采用无机物质粉末作为粘结剂、将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的第一无机材料层，和将无机材料粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
〔3〕双无机层，其中包括将无机物质粉末固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的第一无机材料层，和采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
〔4〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的；
〔5〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后采用无机物质粉末包覆其表面制备的；
〔6〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是先由无机物质粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆其表面制备的；
〔7〕无机材料层，该层是采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的；
〔8〕双无机层，其中包括采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的第一无机材料层，和采用无机物质粉末作为粘结剂，将锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
〔9〕双无机层，其中包括采用无机物质粉末作为粘结剂，将锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的第一无机材料层，和采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到第一无机材料层表面上制成的第二无机材料层；
〔10〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制备的；
〔11〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆团粒的表面制备的；或
〔12〕团粒层，该层是将团粒固定到蜂窝状构件12所有表面上制成的，团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆团粒的表面制备的。
在上面所用的锰的氧化物可选自四氧化三锰(Mn3O4)、三氧化二锰(Mn2O3)和二氧化锰(MnO2)中的一种，高锰酸盐优选MⅠMnO4(MⅠ：碱金属)或MⅡ(MnO4)2(MⅡ：碱土金属)。用作粘结剂的无机物质粉末可优选由滑石、高岭土矿物、膨润土、硅藻土、硅石、矾土、硅石与矾土的混合物、铝硅酸盐、活性矾土、多孔玻璃、具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物、活性粘土和活性膨润土制备。可以用硅凝胶代替硅石。可以用铝凝胶代替矾土。同样，可用硅凝胶与铝凝胶的混合凝胶代替硅石与矾土的混合物。用作粘结剂的上述无机物质粉末在下文中称作“无机粘结剂”。
现对制造过滤器1的方法的实施例说明如下。首先将三种材料，即无机纤维(陶瓷纤维、玻璃纤维、二氧化硅纤维和氧化铝纤维)、有机材料(纸浆和熔凝维尼纶的混合物)和硅酸钙按重量比1∶1∶1互相混合。然后，采用湿式造纸法由上述的混合物制成一卷厚0.3mm的薄纸状的过滤介质板。在制备上述的混合物时，可用具有纤维晶体结构的粘土矿物例如海泡石、坡缕石代替硅酸钙，其中每一种都包括作为主要组分的硅酸镁。然后用瓦楞板轧机加工过滤介质板，将其转变成瓦楞形的过滤介质板10。将多块瓦楞形过滤介质板10和薄平过滤介质板11交替地叠置起来，并使用适宜的粘结剂使它们互相固定，从而制成如图3所示的蜂窝状构件12。然后在受控电炉内热处理蜂窝状构件12约1小时，维持温度约400℃。由于采用这步热处理，含在过滤介质中的一切有机组分全被除掉。这些有机组分的除去，使蜂窝状构件12的所有表面上出现无数的小孔隙或微米大小的气孔，因此制成的蜂窝状构件是多孔的。这些孔隙将被用作容器，以后使吸附剂和无机粘结剂的颗粒保留在其中。接着，将多孔的蜂窝状构件12在悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末。此后，在温度约300℃下进行另一次1小时的热处理，使蜂窝状构件12干燥。这样，就制成如图4所示的过滤器1，其中包括在瓦楞形和平过滤介质板10和11的每一个表面上形成的无机材料层20。上述的悬浮液可以包括无机的粘结助剂，例如硅酸钠、硅石和矾土中的至少一种。硅石可用硅溶胶代替，而矾土可用铝溶胶代替。无机粘结助剂起着把丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末牢固地固定到蜂窝状构件12表面上的作用(其中包括作为蜂窝状构件12元件的小窝的内表面上(下文同))。按上述方法制造的过滤器1，既不包括任何可燃材料的组分，也不释放能造成产品表面污染的气态有机杂质，因为在上述的热处理过程中，它们被从构成过滤器的材料中完全除掉。因此，过滤器1本身不释放气态的有机杂质。
接着将在下文阐明制造过滤器1的另一种方法。直到制成蜂窝状构件12为止，所有的制造步骤都与上面叙述的相同。将要阐明的方法，其特征在于采用粘结剂将由丝锌铝石矿物粉末造粒制成的团粒固定到蜂窝状构件12的所有表面上。在由丝锌铝石矿物粉末造粒的情况下，首先制备由丝锌铝石矿物粉末、无机粘结剂、适量的水和无机粘结助剂构成的混合物。在揉合这种混合物时，将其转变成具有粘土似的粘性和塑性，并适合造粒的材料。无机粘结剂和无机粘结助剂的种类可与前述方法中使用的相同。
具有与上述不同的另一种结构的团粒也可应用于过滤器1。其不同在于团粒的表面结构。更具体而言，由丝锌铝石矿物和无机物质所制团粒的表面是用无机吸附剂粉末包覆的，从而制成能吸附和除去气态有机杂质的无机材料层。在这种情况下，构成团粒内部的无机物质可选自前述表1中的(Ⅱ)组。
图5是过滤器1的局部放大的断面图，该过滤器包括蜂窝状构件12，其表面上固定有许多团粒21，这些团粒是采用无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的。采用不可燃的粘结剂，将团粒21固定到每一块瓦楞板10和薄平板11的所有表面上。在这个实施方案中，使待净化的实际空气流过具有近似半圆形横截面的细圆筒形空间17。然后在受控电炉内热处理在表面上现已固定有团粒21的蜂窝状构件12，保持温度不高于约100℃约2小时，该温度低于粘结剂的耐热温度，因而完全驱除了在粘结剂中所含的能造成表面污染的气态有机杂质组分。这样就制成了过滤器1。
上面制成的过滤器1不包括可燃组分，所以即使将其安装在洁净室的顶棚部分上，与采用使用可燃的活性炭、离子交换纤维等现有技术的化学过滤器的情况相比，从防止灾害的观点看，也能显著地提高安全性。在蜂窝状构件中形成的单个空气通道的横截面并不限于半圆形。可将其设计成任意形状。
图6是无机材料层局部放大的断面图，该无机材料层是采用无机粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制成的。待净化的实际空气从无机材料层的表面(与实际空气的接触面)流进其内部，穿过在丝锌铝石矿物和无机粘结剂粉末的颗粒之间形成的可透空气的孔隙，并从背面从其中流到外部。在这个过程中，特别是在采用属于上述(Ⅰ)组的无机物质作为粘结剂时，气态的酸性杂质和气态的碱性杂质被丝锌铝石矿物颗粒除去，而气态的有机杂质分子，则被无机粘接剂表面上存在的孔隙物理吸附和除去。
为了同时除去气态酸性杂质，气态碱性杂质和气态有机杂质，过滤器1必须这样制造，使其蜂窝状构件12的表面具有无机材料层20，该层是采用无机粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到其上制成的，优选无机粘结剂包括许多孔隙，其中大多数为中等孔或微孔，或者使蜂窝状构件12的表面具有团粒层，该层是将团粒21固定到其上制成的，该团粒是采用与上述相同的无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的。
此外，本发明的目的也可用圆柱式过滤器1′达到，其中的一个实施例示于图7，该图中包括其A-A和B-B断面图。如该图所示，双层圆筒形壳体22在其侧面具有许多通风孔23。这个壳体22中装满团粒21，该团粒是采用无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的，无机粘结剂包含的孔隙属于中等孔或微孔。待净化的实际空气首先流进壳体22的内圆筒，然后通过由团粒21构成的吸附剂层，再流过在壳体22的外圆筒和最外圆筒24之间限定的空间，最后从其中流出。图中的箭头13指示实际空气的流动方向。
在工业合成丝锌铝石矿物微晶的情况下，其中每一个微晶都由几个至几十个丝锌铝石矿物的单元层组成，每个单元层都有图1所示的两性结构，有二种合成方法可以利用，一种方法是利用热液反应，另一种方法是利用共沉淀作用。N.Takahashi,M.Tanaka和T.Sato在题为“丝锌铝石的合成”的报道(日本化学学会，1990,No.4,pp.370-375)中详细地讨论了这些方法。
上述的过滤器1和1′可以利用由上述那些方法生产的合成丝锌铝石微晶粉末制造。更具体而言，过滤器1可以通过先将合成的丝锌铝石微晶粉末与作为无机粘结剂的酸处理过的蒙脱石(活性粘土)粉末混合，然后将混合后的粉末固定到蜂窝状构件12的所有表面上制造，过滤器1也可以通过先由上述混合后的粉末造粒制成团粒21，然后将团粒21固定到蜂窝状构件12的所有表面上制造。另一方面，如果用团粒21装满壳体22，就可制成过滤器1′。例如，在上述实施例中使用的合成丝锌铝石矿物的微晶是圆形的，厚度为几十埃，直径为100至1μ，而蒙脱石粉末的尺寸为几十纳米。蒙脱石是一种粘土矿物，其化学组成可表示为Al4Si8(OH)4·nH2O，其名称来自其法国产地的地名“Montmorillon”。在用酸处理蒙脱石以后，其孔径为15-300时，其孔容积为约0.37cc/g，其比表面面积为约300m2/g，孔径为40-600的孔容积占总孔容积的22％。因此，如果采用用酸处理过的蒙脱石(活性粘土)作为丝锌铝石矿物粉末的粘结剂，这种粘结剂的孔隙就能物理吸附只用丝锌铝石矿物所不能吸附的气态有机杂质。
在表1中，(Ⅱ)组粘结剂的滑石、高岭土矿物和膨润土在大孔范围内具有大的孔容积，而在微孔和中等孔范围内具有小的内表面面积和孔容积。因此其物理吸附作用必然变得较弱。与此相似，(Ⅱ)组粘结剂的膨润土在大孔范围内具有大的孔容积，而在微孔和中等孔范围内具有小的内表面面积和孔容积，因此其物理吸附作用必然变得较弱。另一方面，在表1的(Ⅰ)组无机粘结剂中，海泡石属于具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物，它包含10的微孔和200的中等孔，其内表面面积和孔容积很大，因此其物理吸附作用必然变得较强。所以，属于表1(Ⅰ)组粘结剂的无机物质，例如硅藻土、硅石(硅凝胶)、矾土(铝凝胶)、硅石与矾土的混合物(硅凝胶与铝凝胶的混合物)、铝硅酸盐、活性矾土、多孔玻璃、具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物、酸处理过的蒙脱石(活性粘土)和活性膨润土的粉末，可具有强的物理吸附作用。如表1所示，这些无机物质的孔径为15-300时，其孔容积至少为0.2cc/g，或比表面积至少为100m2/g。当然，可以优选使用这些无机物质粉末制备第二无机材料层，该层被制备在其中包括丝锌铝石矿物粉末的第一无机材料层上。
为了制备由丝锌铝石矿物粉末和具有有效孔径为中等孔和微孔的无机粘结剂粉末制成的，且被固定到过滤器载体表面上的团粒，先将这二种粉末与自来水混合，制成粘土状的混合物。然后使用造粒机加工这种粘土状的混合物，制备直径0.3-0.8mm的团粒。然后用高速空气喷射器把团粒吹到载体上，从而制成图5所示的过滤器。在这种情况下，优选载体的表面用不可燃的无机粘结剂预处理。在这种情况下并不总需要载体是蜂窝状构件的形式。载体可以具有象石棉那样的三维网状结构。这种网状结构对流过其中的实际空气能产生较大的阻力，但它能比蜂窝状构件为实际空气提供更多与吸附剂接触的机会。
接着将在下面阐明制备过滤器1的另一种方法的实施例。首先采用与上述步骤相似的步骤制造多孔的蜂窝状构件12，其中包括无数微米级大小的小孔隙。直至制成无机材料层为止，所有的制造步骤都按与上面所述相同的方式进行。接着将这个多孔的蜂窝状构件12在悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有丝锌铝石矿物粉末和象滑石、高岭土矿物、膨润土等这类无机粘接剂的粉末。然后，蜂窝状构件12在约300℃下热处理约1小时，从而制成第一无机材料层25。然后再将现已具有第一无机材料层25的蜂窝状构件在另一种悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有有效孔径为中等孔或微孔的无机物质粉末，例如硅藻土、硅石、矾土、硅石与矾土的混合物、铝硅酸盐、活性矾土、多孔玻璃、具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物、活性粘土、活性膨润土等的粉末。在这步浸渍处理之后，蜂窝状构件12再在约300℃下热处理约1小时，从而制成第二无机材料层26。在制备第二无机材料层时，硅石可用硅溶胶代替，矾土可用铝溶胶代替，硅石与矾土的混合物可用硅溶胶与铝溶胶的混合物代替。海泡石或坡缕石可作为具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物使用。这样，就可得到用第一无机材料层25和第二无机材料层26包覆的蜂窝状构件12。制备第一和第二无机材料层25和26使用的无机物质粉末，可与至少一种无机粘结助剂例如硅酸钠、硅石、或矾土混合。然而，在这种情况下，硅石可用硅溶胶代替，而矾土可用铝溶胶代替。无机粘结助剂起着丝锌铝石矿物和无机粘结剂粉末牢固地固定到蜂窝状构件12表面上，或把制备第二无机材料层26的粉末牢固地固定到第一无机材料层25上的作用。以上述方法制造的过滤器1，既不包括任何可燃材料的组分，也不释放能造成产品表面污染的气态有机杂质，因为它们在上述的热处理过程中已被从构成过滤器的材料中完全驱除出去。因此过滤器1本身不释放气态有机杂质。
图8示出过滤器1局部放大的断面图，该过滤器包括由交替叠置多块瓦楞板10和薄平板11制成的蜂窝状构件12，其中第一无机材料层25，是采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的，第二无机材料层26是将有效孔径为中等孔或微孔的无机材料粉末固定到第一无机材料层25的表面上制成的。用于制备第一无机材料层25的无机粘结剂的有效孔径可与用于制备第二无机材料层26的无机吸附剂粉末的有效孔径不同，且可以在不起物理吸附作用的大孔范围内。例如，表1(Ⅱ)组所示的滑石、高岭土矿物和膨润土之类的粘土矿物，几乎不包括起物理吸附作用的孔隙，但它们可以用作第一无机材料层25的无机粘结剂。无机粘结助剂，例如硅酸钠、硅石和矾土，也可以用于同样的目的。然而，在硅溶胶和铝溶胶的情况下，该溶胶是一种悬浮液，其中包括单分散的主颗粒，颗粒的尺寸为1纳米至几十纳米，如果先将其固定到载体的表面上，然后干燥，它就会转变成作为主颗粒群的三维聚集体，因此硅溶胶和铝溶胶分别被转变成硅凝胶和铝凝胶。在这个意义上，在制备第一和第二无机材料层25和26的情况下，可以按与能吸附气态有机杂质的硅凝胶和铝凝胶相同的方式，单独使用作为无机粘结助剂的硅溶胶和铝溶胶作为粘结剂。由于丝锌铝石是层状结构，所以在第一无机材料层25中包括的丝锌铝石矿物粉末易于脱落，因而这有时会起粉尘来源的作用，是不利的。用第二无机材料层26包覆第一无机材料层25，可以避免这种麻烦。
图9是复合层局部放大的断面图，该复合层包括第一和第二无机材料层。如该图所示，第二无机材料层26具有吸附和除去气态有机杂质的能力，所以即使所制的载体包括一些有机材料，从其中释放的气态有机杂质也没有机会透过第二无机材料层26，在其下游侧与已净化过的实际空气混合。
接着将描述制造过滤器1的方法的另一个实施例。在这个实施例中，把利用上述方法制造的蜂窝状构件和象石棉那样的三维网状构件作为载体，用粘结剂将由丝锌铝石矿物制备的团粒固定到这些载体的表面上。该团粒的制备如下。即利用造粒机将丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末的混合物造粒，然后团粒的表面用具有有效孔径在中等孔或微孔范围的无机物质粉末包覆。这种包覆是用浸渍法进行的。更具体而言，首先将上面由丝锌铝石矿物粉末制成的团粒浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中分散有用在覆层中的无机物质粉末，然后从悬浮液中取出并干燥。为了提高覆层的机械强度，上述的悬浮液可含有溶胶状态的无机粘结助剂以及用在覆层中的无机物质粉末，所以得到的覆层包括无机物质和无机粘结助剂的粉末。用无覆层的无机物质和无机粘结助剂粉末的种类可按前述的方法选择。
接着还将描述制造过滤器1的方法的另一个实施例。在这个实施例中，利用由前述方法制造的蜂窝状构件12作为载体。在这个实施例中，将蜂窝状构件12在悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有丝锌铝石矿物粉末、锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末以及无机粘结剂。在这步浸渍处理之后，从悬浮液中取出蜂窝状构件12，然后在约300℃下热处理约1小时。这样，就用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到蜂窝状构件12的瓦楞板10和平板11每一块的表面上，制成图10所示的无机材料层20′。这样就制成了过滤器1。上述的悬浮液可含有至少一种无机粘结助剂，例如硅酸钠、硅石和矾土。然而，在这种情况下，可用硅溶胶代替硅石，也可用铝溶胶代替矾土。无机粘接助剂的作用是将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末牢固地固定到蜂窝状构件12的表面上(其中包括作为蜂窝状构件12元件的小窝的内表面(以下同))。除采用高锰酸盐的情况以外，以上述方法制造的过滤器1不包括可燃材料的组分，因此，从防止灾害的观点看，增强了安全性。此外，过滤器1不释放气态的有机杂质，因为在上述的热处理过程中，它们被从构成过滤器1的材料中完全驱除出去，因此不会造成产品表面的污染。在蜂窝状构件中形成的单个空气通道的横截面并不限于半圆形。可以将其设计成任何形状。高锰酸盐优选采用MⅠMnO4(MⅠ：碱金属)或MⅠ(MnO4)2(MⅡ：碱土金属)。钾、铷和铯的高锰酸盐，水溶解度较小，每100g水约为11g(25℃)，但其它的高锰酸盐非常易溶于水。在过滤器1具有蜂窝状构件12的情况下，将该构件浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中分散有易溶于水的高锰酸盐粉末和丝锌铝石矿物粉末，然后从悬浮液中取出并干燥，包括在无机材料层20′中的高锰酸盐颗粒不能再保持其本身的形状，并定位在丝锌铝石矿物粉末与无机粘结剂粉末邻接部分形成的间隙或可透空气的孔隙内。锰的氧化物是不溶于水的。因此，如果使用丝锌铝石矿物粉末与高锰酸盐粉末的混合物代替使用丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物粉末的混合物，就可制备不释放气态有机杂质的过滤器1。
图11是图10所示的无机材料层20′的局部放大的断面图。待净化的实际空气从其表面(与实际空气的接触面)流进无机材料层20′的内部，通过在丝锌铝石矿物粉末、锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末和无机粘结剂粉末之间形成的可透空气的孔隙，从其中流出到外部。在此过程中，气态的酸性和碱性杂质被丝锌铝石矿物粉末除去，而气态有机杂质的分子则被无机粘结剂颗粒表面上存在的适合物理吸附的孔隙物理吸附并除去。在这种情况下，由于锰的氧化物和/或高锰酸盐的存在，硫的氧化物，例如亚硫酸气体，可被丝锌铝石矿物除去。
接着将描述制造过滤器1的另一种方法的实施例。直到制成蜂窝状构件12为止，所有的制造步骤都按与上面所述的相同的方法进行，因而省略对其的说明。在这种制造方法中，采用粘结剂，将由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制成的团粒，固定到蜂窝状构件12的表面上。在使用丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒的情况下，将这二种粉末与无机粘结剂混合，并向其中加入无机粘结助剂和适量的自来水，从而制成能被造粒的粘土状的塑性混合物。然后利用造粒机加工这种混合物，从而制成直径为0.3-0.8mm的团粒。然后用高速空气喷射器将团粒吹到载体的表面上，由此将团粒固定到蜂窝状构件12的所有表面上。在这种情况下，优选使用不可燃的无机粘结剂预处理载体的表面。在这个实施例中使用的无机粘结剂和无机粘结助剂的种类可与前述方法中所用的相同。
图12是过滤器1局部放大的断面图，该过滤器具有蜂窝状构件12，其表面上固定有团粒21′，该团粒是采用无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制备的。采用不可燃的粘结剂将团粒21′固定到瓦楞板10和薄平板11每一块的所有表面上。待净化的实际空气会通过具有近似半圆形截面的细圆筒形空间17。然后将具有固定在其表面上的团粒21′的蜂窝状构件12在受控电炉中热处理约2小时，温度低于约100℃，该温度低于粘结剂的耐热温度，由此将包括在粘结剂中能造成表面污染的气态有机杂质组分彻底地驱除出去。这样就制成了过滤器1。如上文对图11所述，采用这个实施例的方法所制的过滤器1，能吸附并除去气态酸性、碱性杂顶和气态有机杂质，由于锰的氧化物和/或高锰酸盐的存在，硫的氧化物，例如亚硫酸气体，可被丝锌铝石矿物除去。
本发明的目的也可由圆柱式过滤器1′达到，其中的一个实施例示于图13，其中包括圆柱式过滤器1′的A-A和B-B断面图。如该图所示，用团粒21′装满在其侧面上具有许多通风孔23的双层圆筒形壳体22，团粒21′是采用具有孔隙的无机粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒制备的，无机粘结剂的大多数孔隙是在中等孔或微孔的范围内。待净化的实际空气首先流进壳体22的内圆筒，然后通过由团粒21′制成的吸附剂层，再流过在壳体22的外圆筒和最外圆筒24之间限定的空间，并最终从其中流出。箭头13指示实际空气的流动方向。壳体22的形状不只限于图13所示的这种双圆筒形壳体。例如，壳体可采用具有许多小通风孔的打褶的金属板组装而成。壳体的组装包括，首先相对的配置二块互相平行的这种金属板，在它们之间保持预定的间隙，然后用团粒21′装满间隙。这种壳体的结构与高效的空气颗粒过滤器(HEPA)或超低穿透空气过滤器(ULPA)相似。因此，如果增加有效通风面积(过滤面积)即打褶金属板的有效面积，就能在低通风阻力下处理大体积的空气。
因此，上述的过滤器1和1′可采用由上述的那些方法生产的合成丝锌铝石微晶粉末制造。更具体而言，首先将合成的丝锌铝石微晶粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末以及作为无机粘结剂的酸处理过的蒙脱石(活性粘土)粉末混合，其中上述合成的丝锌铝石粉末的微晶是圆盘形的，厚度为几十埃，直径为100于1μ，而上述蒙脱石粉末的直径为几十纳米。过滤器1可通过将上述的混合粉末固定在蜂窝状构件12的所有表面上制成，或先将上述的混合粉末造粒制成团粒21′，然后再将它们固定到蜂窝状构件12的所有表面上制成。过滤器1′可用团粒21′装满壳体22制成。
接着将参照图14阐明制造过滤器1的另一种方法的实施例。直到制成蜂窝状构件12为止，所有的加工步骤都按与上述相同的方法进行，因此省略对其的说明。首先将蜂窝状构件12在悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末。在这步浸渍处理之后，将蜂窝状构件12在约300℃下热处理约1小时，从而制成第一无机材料层25′。然后再将现已具有第一无机材料层25′的蜂窝状构件12在另一种悬浮液中浸渍几分钟，在该悬浮液中分散有锰的氧化物和/或高锰酸盐以及无机粘结剂的粉末。在这步浸渍处理之后，再将蜂窝状构件12在约300℃下热处理约1小时，从而制成第二无机材料层26′。制备第一和第二无机材料层25′和26′所用的无机物质粉末可与至少一种无机粘结助剂例如硅酸钠、硅石或矾土混合。然而，在这种情况下，硅石可用硅溶胶代替，而矾土可用铝溶胶代替。无机粘结助剂所起的作用是将制备第一无机层25′的丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末牢固地固定到蜂窝状构件12的表面上，或将制备第二无机材料层26′的锰的氧化物和/或高锰酸盐以及无机粘结剂的粉末牢固地固定到第一无机材料层25′上。
如图14所示，按上述方法制造的过滤器1包括蜂窝状构件12，该构件是由交替叠置多块瓦楞板10和薄平板11制成的，其中第一无机材料层25′是采用无机粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件12的表面上制成的，而第二无机材料层26′是采用无机粘结剂，将锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末固定到第一无机材料层25′表面上制成的。如果在制备第一和第二无机材料层25′和26′时，采用表1(Ⅰ)组所示的无机物质粉末作为无机粘结剂，这种粘结剂包括具有极好物理吸附作用的孔隙。所以它们可以物理吸附不能被丝锌铝石矿物粉末或锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末吸附的气态有机杂质。表1(Ⅰ)组所示的无机粘结剂可用溶胶态的无机粘结助剂例如硅溶胶和铝溶胶代替。其理由如下。硅溶胶或铝溶胶是一种悬浮液，其中包括尺寸为1纳米至几十纳米单分散的主颗粒。然而，在将其固定到载体表面上之后，马上进行干燥，它就转变成作为主颗粒群的三维聚集体，所以硅溶胶和铝溶胶分别转变成硅凝胶和铝凝胶。因此它们会起物理吸附作用。在这个意义上，在制备第一和第二无机材料层25′和26′的情况下，作为无机粘结助剂的硅溶胶和铝溶胶，可按与能吸附气态杂质的硅凝胶和铝凝胶相同的方式单独用作粘结剂。
硫的氧化物例如亚硫酸气体被锰的氧化物和/或高锰酸盐转变成硫酸，并渗向邻接载体的无机材料层25′，因而被丝锌铝石矿物除去。其它的气态酸性杂质和气态碱性杂质被无机材料层25′中的丝锌铝石矿物吸附并除去。
图15是根据上述方法制造的过滤器1的第一无机材料层25′和第二无机材料层26′局部放大的断面图。第一无机材料层25′的缺点是丝锌铝石矿物易于脱落，因为它是层状结构。然而这可用第二无机材料层26′包覆第一无机材料层25′来有效地避免。由于或第一无机材料层25′或第二无机材料层26′包括一种表1(Ⅰ)组所示的无机粘结剂，所以即使载体释放气态有机杂质，这些杂质也可以被过滤器1吸附除去。
接着将叙述制造过滤器1的另一种方法的实施例。直到制成蜂窝状构件12为止，所有的制造步骤都按与上面前述相同的方法进行，因此省略对其的说明。在这种方法中，首先采用丝锌铝石矿物粉末制备团粒。然后这些团粒用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆。最后用无机粘结剂将这些被包覆的团粒固定到蜂窝状构件12的表面上。更具体而言，团粒的造粒是如下进行的。将丝锌铝石矿物和无机粘结剂的粉末与无机粘结助剂以及适量的自来水混合，从而制成粘土状的塑性混合物，为进行造粒作好准备。然后利用造粒机加工这种混合物，从而制成直径为0.3-0.8mm的团粒。此外，这些团粒用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末与作为粘结剂的无机物质粉末的混合物包覆。然后用高速空气喷射器将这些被包覆的团粒吹到载体上，借此将团粒固定到蜂窝状构件12的表面上。在这种情况下，优选载体的表面用不可燃的无机粘结剂预处理。在这个实施例中所用的无机粘结剂和无机粘结助剂的种类可与上面前述方法中所用的相同。如前面对图14所述，利用这个实施例的方法所制的过滤器1能吸附并除去气态酸性杂质、气态碱性杂质和气态有机杂质。由于锰的氧化物和/或高锰酸盐的存在，硫的氧化物，例如亚硫酸气体，可被丝锌铝石矿物除去。
可以颠倒在蜂窝状构件表面上制备第一和第二无机材料层的顺序，而不改变对亚硫酸气体的防护效率。更具体而言，在颠倒图14中无机材料层的固定顺序的情况下，待净化的实际气体从无机材料层26′的表面(与实际气体的接触面)，通过在无机材料层26′中的丝锌铝石矿物颗粒和粘结剂颗粒之间形成的可透空气的孔隙，流进无机材料层25′的内部。硫的氧化物，例如亚硫酸气体，被无机材料层25′中的锰的氧化物和/或高锰酸盐转变成硫酸，硫酸向无机材料层26′中的丝锌铝石矿物粉末渗出，因而被除去。其它的气态酸性和碱性杂质分别被吸附在固态酸性点和固态碱性点上而除去，这些固态酸性点和固态碱性点存在于无机材料层26′中丝锌铝石矿物的晶体层表面上。
图16是阐明根据本发明实施方案制造的高效洁净室100的示意图。这里的洁净室包括洁净室和洁净台。洁净室100包括可在其中加工精密灵敏的产品，例如LSI和LCD产品的工作空间102，分别位于工作空间102顶部和底部的顶棚部分(供风系统)103和地板下部分(回风系统)104以及位于工作空间102侧面的返回通道105。
在顶棚部分103上配置净化通风设备113，该设备装有通风机组110、本发明通风良好的过滤器111、和颗粒过滤器112。半导体加工设备114安装在工作空间102内，它起一种热源的作用。地板下部分104用具有许多孔洞或孔眼的花格板115隔开。无露式冷凝蛇管116安装在地板下部分104内，以便处理由半导体加工设备114引起的热负荷。无露式冷凝蛇管116是一种空气冷却器，它能使被冷却的空气不在热交换器的表面上造成露水的凝结。温度传感器117被设置在返回通道105内，以检测其中的温度。控制无露式冷凝蛇管116的流量调节阀门118，使传感器117检测的温度保持在预定的温度下。
开动净化通风设备113的通风机组110时，洁净室100内的空气开始在适当控制的空气流量下按下列顺序，即顶棚部分103-工作空间102-地板下部分104-返回通道105-顶棚部分103循环。当空气通过这样的洁净室循环时，空气借助于无露式冷凝蛇管116冷却，在循环空气中所含的气态杂质和颗粒杂质，被安装在净化通风设备113内的本发明的过滤器111和颗粒过滤器112除去，因而温度控制适宜的净化空气源源不断地供给工作空间102。
本发明的过滤器111是按与前述的过滤器1相同的方法制造的。因此，过滤器111包括丝锌铝石矿物粉末，或包括丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物。所以，如果在被循环的空气中含有气态酸性和碱性杂质，甚至含有气态有机杂质，过滤器111可以除去它们。除了采用高锰酸盐的情况以外，这种过滤器111可用不可燃的材料构成。如果对过滤器111的组分进行热处理，足以将从其中释放的气态有机杂质排除到允许水平。
颗粒过滤器112被配置在过滤器111的下游，用于除去颗粒杂质。颗粒过滤器112的外框和其它组成部分，只用铝、陶瓷之类的材料制造，它们不会释放气态有机杂质。
通过户外空气引入通道120向洁净室100的地板下部分适当地提供户外空气，在该通道内装有本发明的过滤器121，用来除去引入的户外空气中所含的气态杂质。在过滤器121的上游配置有单元式空气调节器122，用于除去在引入的户外空气中的粉尘和空气中的颗粒，并控制户外空气的温度和湿度。湿度传感器127设置在户外空气引入通道120内。供水压力调节阀门129位于单元式空气调节器122的湿度控制部分内，控制该阀门使传感器127检测的湿度保持在预定值。另一方面，在工作空间102内设置另一个温度传感器128，用于检测工作空间102内空气的湿度。
通过户外空气引入通道120供给洁净室100地板下部分104的户外空气，通过返回通道105和顶棚部分103进入工作空间102。适当控制引入工作空间102的户外空气体积和从工作空间排出的空气体积之间的平衡，从而将工作空间102内部的气压保持在预定值。工作空间102的空气从排气口125经可张合的百叶窗(return gill)126排出。
除了使用高锰酸盐的情况以外，本发明的过滤器111不包括可燃性组分。因此，从防止灾害的观点看，即使如图16所示，过滤器111的安装覆盖了洁净室顶棚部分的所有表面，但与安装采用可燃材料例如活性炭和离子交换纤维的常规化学过滤器相比，明显地提高了安全性。而且，如果用于净化引入的户外空气的过滤器121(图16)，按与过滤器111相同的方法制成，从防止灾害的观点看，也比采用基于可燃材料例如活性炭和离子交换纤维构成的常规化学过滤器的情况提高了安全性。
在普通颗粒过滤器例如中效空气过滤器、HEPA过滤器和ULPA过滤器的情况下，它们一般采用含有粘结剂的纤维过滤介质，粘结剂中包括一些挥发性的有机材料，它们还采用密封材料，用于将过滤介质固定到过滤器的框架上，其中也含有一些挥发性的有机材料。因此，如果照原样使用它们，释放气态的有机杂质是不可避免的。所以，对于颗粒过滤器112，最优选采用不包括用于过滤介质的粘结剂的过滤介质，如果只能使用包括这种粘结剂的过滤介质，优选在使用之前对其加热预处理，从其中驱除挥发性的有机材料。关于将过滤介质固定到过滤器框架上的密封材料，也要同样注意对它的选择。即优选不包括挥发性有机材料的密封材料，或优选采用那种借助于物理或机械装置提供过滤介质与过滤器框架之间密封的气密性压力连接，代替采用可能释放有机杂质的密封材料。
图17是根据本发明另一个实施方案的洁净室100′的示意图。在这个实施方案中所用的过滤器111具有蜂窝状构件，其中包括丝锌铝石矿物粉末，或包括丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物。然而，在这个实施例中，过滤器111安装在洁净室100′的顶棚部分103上，只覆盖了顶棚部分103的一部分。因此在这个实施例中所用的过滤器数目减少到图16中所示的洁净室100所用的一半。除了过滤器的数目以外，在图16和图17中所示的洁净室100和100′之间没有差别。所以用同一标号表示二个洁净室的相同部件，因此不再详细地阐述这些相同的部件。
要通过过滤除去的化学污染物是酸性杂质、碱性杂质、掺杂物和有机杂质。在洁净室中可能存在的洗涤装置、工作人员以及洁净室的构件，或多或少会起洁净室中气态杂质来源的作用。甚至引入洁净室的户外空气，由于其中含有污染物，也可能起外来污染物来源的作用。因此，过滤器111的主要作用是从通过洁净室循环的空气中除去在洁净室内产生的气态污染物，从而降低气态污染物的浓度。另一方面，配置在户外空气引入通道120内的过滤器121的作用，是除去在户外空气中所含的气态污染物，从而降低洁净室中这类气态污染物的浓度。当装有过滤器111和121的洁净室开始运行时，洁净室内化学污染物的初始浓度出现最大值。然而，随着时间的延长，由于循环空气中化学污染物的除去，化学污染物的浓度会逐渐下降，当化学污染物的除去和产生达到平衡时，浓度会最终稳定下来。关于空气循环一次除去的化学污染物的量，净室100(图16)和100′(图17)二者的关系为2∶1。换句话说，被过滤器111覆盖一部分顶棚的洁净室100′，在其初始最高污染物浓度逐渐降低达到平衡以前所花的时间，要比被过滤器111完全覆盖顶棚的洁净室100所花的时间长得多。此外，就洁净室100′而言，其最终能够达到的平衡浓度，会比洁净室100所达到的高。然而，鉴于过滤器111的初始安装费用，也鉴于其运行费用，例如定期更换过滤器111的费用，从经济的观点考虑，象图17所示的洁净室100′中所采用的过滤器配置，即过滤器的疏化安装(thinning-out installation)并不总是毫无价值的事。
上文从洁净室的观点讨论了本发明的一些优选的实施方案，在该洁净室中可以进行制造半导体器件或LCD器件的一切加工过程。然而，本发明并不只限于这类大规模的净化设备。本发明还可应用于用在所谓小环境的局部限定的空间，例如用于加工和/或储存洁净产品的净化台、净化箱和储存装置(储料器)等的空气净化设备。本发明也可根据各种工作条件和环境条件例如要净化的空气体积，户外空气的引入体积与通过洁净室循环的空气体积的比例、以及洁净室中气态杂质的产生等进行修改变动。
例如，现预料在1999年会开始采用直径300mm巨大的硅大圆片制造256兆字节和/或1千兆字节的动态随机存取存储器(DRAM)。就用于制造这种复杂的半导体器件的设备而言，在将硅大圆片加入并放在该设备的化学反应室中之后，在与设备内的硅大圆片开始预定的各种化学反应之前，从惰性气源向化学反应室中供给足够充满其中的惰性气体，例如高度纯化的氮气和氩气。惰性气体本身是高度纯化过的，所以不能污染硅大圆片的表面。然而为了控制这种纯化过的惰性气体的加入，在化学反应室和惰性气源之间设置一个阀门。因此该阀门有起各种化学杂质来源作用的可能性。所以，如果将本发明的过滤器安装在气流的通道内，即该阀门和化学反应室之间，就能除去该阀门产生的各种化学污染物，因而有助于表面污染的防护，也有助于产品质量的提高。
接着将通过一些实施例阐明根据本发明的过滤器的作用和效果。
为了对比研究不同过滤器的性能，采用不同种类的过滤器过滤洁净室内的空气，其净度通过测定在硅大圆片上形成的二氧化硅膜与滴在其上的水滴之间的接触角随通过时间的变化来评价。更具体而言，待评价的洁净室空气是根据以下四种方法制备的：首先是采用二种市售的化学过滤器过滤洁净室的空气制备的，一种过滤器包括用对除去气态无机杂质有效的化学制剂浸渍的活性炭粉末，另一种包括还用固态化学制剂(solid chemical)浸渍过的纤维状活性炭；其次是采用包括离子交换纤维的化学过滤器过滤洁净室的空气制备的；第三是采用图3所示本发明的过滤器过滤洁净室的空气制备的。
图18是表示上面对洁净室空气净度评价结果的曲线图。接触角是通过在基片表面上滴一滴纯水测定的。可将这一接触角作为一种标志使用，利用它能很容易地确定基片表面的有机污染程度。如果紧接着冲洗，使二氧化硅膜和玻璃片上没有任何有机污染物，它们的表面对水就有亲合力。换名话说，它们成为亲水性的，所以形成的接触角小。与此相反，如果它们的表面曾被有机物污染过，它们就不容易沾水，换名话说，它们成为憎水性的，所以形成的接触角大。当把玻璃片留在洁净室的空气中，测定其表面与滴在其上的一滴非常纯的水滴之间的接触角随通过时间的变化时，得知在用水滴法测定的接触角与用XPS法(X-射线光电子光谱法)测定的表面污染程度之间，存在图19所示的某种相互关系。对于在硅大图片上形成的二氧化硅膜来说，在接触角和有机杂质造成的表面污染之间存在几乎相同的相互关系。与此相似，在基片表面上的水接触角与有机材料造成的表面污染之间具有非常强的相互关系。
从图18所示的测定结果可以得到以下看法。离子交换纤维主要被用于吸附和除去水溶性的无机杂质，所以它不能吸附有机杂质。更糟的是，它本身甚至还释放气态的有机杂质。因此当把一个试片(有二氧化硅膜覆盖的硅大圆片)留在被离子交换纤维过滤器过滤的洁净室空气中一整天时，接触角增加约10°。二种活性炭过滤器主要被用于防止气态无机杂质的污染，所以它们也不吸附含在实际空气中的有机杂质。更糟的也是活性炭过滤器本身甚至释放气态有机物质。所以，当把试片留在用其过滤的洁净室空气中只一天，接触角增加约10°。另一方面，在将试片保留在利用图3所示的本发明的过滤器过滤的洁净室空气中一整天之后，接触角几乎没有任何变化。这意味着在实际空气中所含的气态有机物质已被本发明的过滤器吸附和除去，这也意味着过滤器本身不释放气态有机物质。
就活性炭过滤器而言，可能会从其组成材料例如过滤介质、将活性炭固定到过滤介质板上的粘结剂、将过滤介质固定到框架上的密封材料中释放气态有机杂质。另一方面，就离子交换纤维过滤器而言，可能会从制成过滤器的高分子纤维所包括的各种添加剂中释放出气态有机杂质。因此，这些气态有机杂质很容易与已通过化学过滤器净化过的空气混合。此外，就离子交换纤维过滤器而言，有时会发生以磺酸、羧酸、磷酸、铵、或胺的形式释放出一部分离子交换基因(ionexchange base)。总之，当洁净室空气通过现有技术的过滤器时，即使它们能成功地除去ppb级的酸性或碱性杂质以及ppt级的掺杂物，但这些现有技术的化学过滤器能释放气态的有机杂质，所以这些杂质会与已被该过滤器净化过的空气混合。因此现有技术的化学过滤器，甚至有提高洁净室空气中气态有机杂质浓度的可能性。
下面将要叙述根据本发明的两种过滤器的性能，一种包括蜂窝状构件(a)(下文称作“过滤器(a)”)，另一种包括蜂窝状构件(b)(下文称作“过滤器(b)”)，它们的性能是通过用它们过滤含有HCl、NH3、DOP和癸甲基环戊硅氧烷(D5)的洁净室空气评价的，其中的每一种都含有从几百ppt至几ppb的不同浓度。每一种过滤器对HCl和NH3的防护效率都是基于用离子色谱法(IC)测定它们在蜂窝状构件上、下游两侧的浓度评价的。每一种过滤器对有机表面污染物的防护效率也是基于测定在硅大圆片表面上附着的DOP和D5量评价的，在蜂窝状构件的上、下游两侧每侧放置一个硅大圆片。此外，空气中颗粒的浓度(在1ft3的空气中所含的直径至少为0.1μ的颗粒数)是在蜂窝状构件的下游侧测定的，其中在蜂窝状构件上游侧空气中的颗粒数为10/ft3。表2示出上述测定所得的结果。
表2
污染物   过滤器(a)   过滤器(b)
防护效率     HClNH3     95％93％     96％95％
表面防护     DOPD5     ≥99％90％     80％50％
在下游侧的颗粒浓度：颗粒(≥0.1μ)     10/ft3     100/ft3
为了评价表面污染程度，采用直径4in的P型硅大圆片作为试片，测定在其上附着的有机表面污染物的量。将试片冲洗并干燥，然后使其暴露在过滤器上、下游两侧的实际空气中。利用高温气体解吸装置与GC-MS(气体色谱质谱仅)结合起来，测定和分析附着在试片上的有机污染物。过滤器对表面污染物的防护效率是采用气体色谱法如下确定的：
防护效率=(1-(B/A))×100(％)
式中
A：在放置在过滤器上游侧的试片表面上检测的有机污染物的峰面积，和
B：在放置在过滤器下游侧的试片表面上检测的有机污染物的峰面积。
在这个实施方案中的两种过滤器(a)和(b)，分别装有图3所示的多孔的蜂窝状构件。更具体而言，这种构件是通过交替叠置多块瓦楞板10和薄平板11构成的。过滤器沿空气流动方向的深度为10cm。空气以表观速度(face velocity)0.6m/sec流过过滤器，能对通过过滤器的空气起作用的每单位过滤器体积的总有效板面积(即有效过滤面积)为3000m2/m3。
过滤器(a)在其多孔的蜂窝状构件的表面上具有第一和第二无机材料层。第一无机材料层是先把多孔的蜂窝状构件浸渍在悬浮液中，然后将其干燥制成的，悬浮液中含有合成的丝锌铝石晶体粉末(形状：半圆形，厚度：几十埃，直径：100-1μ)，作为无机粘结剂的高岭土粉末(尺寸：3μ)和作为无机粘结助剂的硅溶胶。第二无机材料层是将已经具有第一无机材料层的上述多孔的蜂窝状构件，浸渍在另一种悬浮液中，然后将其干燥制成的，该悬浮液中含有酸处理过的蒙脱石粉末(活性粘土)(尺寸：3μ，有效孔径：20-1000)和作为无机粘结助剂的硅溶胶。第一无机材料层制成厚度100μ，在该层中其组分的重量比为丝锌铝石矿物∶高岭土∶硅石=70％∶25％∶5％。第二吸附层制成厚度10μ，在该层中其组分的重量比为酸处理过的蒙脱石∶硅石=87％∶13％。整个过滤器的重量为230g/L，二种无机材料层的重量为90g/L，因此二种无机材料层的重量相当于整个过滤器重量的39％。
过滤器(b)在其多孔的蜂窝状构件的表面上也有无机材料层。该无机材料层是先将蜂窝状构件浸渍在悬浮液中，然后将其干燥制成的。该悬浮液中含有上述合成的丝锌铝石矿物粉末、作为无机粘结剂的高岭土粉末(尺寸：3μ)以及作为无机粘结助剂的硅溶胶。在过滤器(b)中所用的高岭土，除具有直径至少为1000的可透空气的孔隙以外，没有其它主要起作用的孔隙，所以它几乎不起物理吸附作用。另一方面，在过滤器(a)中所用的活性粘土具有直径为20-1000的主要起作用的孔隙，所以它们所起的物理吸附作用不比活性炭差。
过滤器(a)和(b)之间只有一点差别，过滤器(b)没有与过滤器(a)第二无机材料层(活性粘土层)等价的层。从表2可以看出，对于气态HCl和NH3的除去，只在第一无机材料层上能有效地进行，因此，第二无机材料层的存在几乎不影响对气态HCl和NH3的防护效率。然而，在用其保护基片表面不受DOP和癸甲基环戊硅氧烷(D5)污染时，二者在试片表面上检测出的有机污染物中占大多数，防护效率随是否具有物理吸附作用极好的第二无机材料层而明显地变化。总之，过滤器(a)不仅能除去气态的无机杂质，而且也能同时除去气态的有机杂质。
表3以对比的方式示出根据本发明制造的各种过滤器的性能。
表3
 气态杂质   A     B  C   D  E  F
    HClNH3DOPD5 96％95％80％50％   95％93％≥99％90％ 94％92％98％88％  93％91％≥99％92％ 96％95％98％85％ 95％93％≥99％90％
在上面的表3中，字母“A”表示，包括在表面上具有一个无机材料层的蜂窝状构件的过滤器。这一无机材料层是将混合物固定到蜂窝状构件的表面上制成的，该混合物是由丝锌铝石矿物粉末、作为粘结剂的高岭土粉末和作为无机粘结助剂的铝溶胶组成的。
字母“B”代表在其蜂窝状构件的表面上具有一个无机材料层的过滤器。该无机材料层是将混合物固定到蜂窝状构件的表面上制成的，该混合物是由丝锌铝石矿物粉末、作为粘结剂的酸处理过的蒙脱石(活性粘土)粉末和作为无机粘结助剂的铝溶胶组成的。字母“C”表示在其蜂窝状构件的表面上具有二个无机材料层的过滤器。第一无机材料层是按与过滤器A的蜂窝状构件的无机材料层相同的方法制成的。而第二无机材料层是再将酸处理的蒙脱石粉末固定在第一无机材料层上制成的。字母“D”表示在其蜂窝状构件的表面上具有二个无机材料层的过滤器。第一无机材料层是按与过滤器B蜂窝状构件的无机材料层相同的方法制成的，而第二无机材料层是再将酸处理过的蒙脱石粉末固定到第一无机材料层上制成的。字母“E”代表在其蜂窝状构件的表面上具有二个无机材料层的过滤器。第一无机材料层是将酸处理的蒙脱石粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的，而第二无机材料层是再将混合物固定到第一无机材料层上制成的，该混合物是由丝锌铝石矿物粉末、作为粘结剂的高岭土粉末和作为无机粘结助剂的铝溶胶组成的。简言之，即使制备过滤器E的无机材料层顺序刚好与过滤器C的顺序相反。字母“F”是表示在其蜂窝状构件的表面上具有二个无机材料层的过滤器。第一无机材料层是将酸处理过的蒙脱石粉末固定到蜂窝状构件的表面上制备的，而第二无机材料层是再将混合物固定到第一无机材料层上制成的，混合物是由丝锌铝石矿物粉末、作为粘结剂的酸处理过的蒙脱石粉末和作为无机粘结助剂的铝溶胶组成的。简言之，使制备这个过滤器F的无机材料层顺序刚好与过滤器D的顺序相反。
图20-25是对上述过滤器A-F制备的无机材料层放大的结构断面图。为了更好地理解它们的结构，在这些图中，图22有代表性地包括第一和第二无机材料层模型的透视图。更具体而言，无机材料层的每一个横断面图，都相应于圆柱形无机材料层的剖面图，在这种方法中，圆柱形无机材料层是从图6或9所示的无机材料层上切下来的部分，圆柱的高度相应于无机材料层的厚度。每一个图还从概念上说明各种孔隙在圆柱形无机材料层内的分布状态，即用较细的孔表示能物理吸附气态有机杂质的微孔和中等孔，而用较粗的孔表示对这些气态杂质几乎不能进行物理吸附的大孔。
就图20所示的过滤器A而言，其无机材料层51包括丝锌铝石矿物粉末，它除具有尺寸至少为1000的可透空气的孔隙以外，没有其它起作用的孔隙，所以它对气态有机杂质几乎不起物理吸附作用。就图21所示的过滤器B而言，其无机材料层52包括丝锌铝石矿物粉末和酸处理过的蒙脱石粉末，由于酸处理过的蒙脱石颗粒的表面上具有尺寸为15-300的孔隙，所以该层能对气态有机杂质起物理吸附作用。就图22所示的过滤器C而言，其第一无机材料层53包括丝锌铝石矿物粉末，它除具有尺寸至少为1000的可透空气的孔隙以外，没有其它主要起作用的孔隙，所以它对气态有机杂质几乎不起物理吸附作用。然而，其第二无机材料层54中没有丝锌铝石矿物粉末，而是包括酸处理过的蒙脱石粉末，其中在颗粒的表面上具有孔径为约15-300的孔隙，因此酸处理过的蒙脱石粉末能对气态有机杂质起物理吸附作用。就图23所示的过滤器D而言，其第一和第二无机材料层55和56不包括酸处理过的蒙脱石粉末，因此这二层都能对气态有机杂质起物理吸附作用。就图24所示的过滤器E而言，其第一无机材料层57中没有丝锌铝石矿物粉末，而是包括酸处理过的蒙脱石粉末，因此对气态有机杂质具有物理吸附作用。然而，其第二无机材料层58只包括丝锌铝石矿物粉末，它除具有尺寸至少为1000的可透空气的孔隙以外，没有其它起作用的孔隙，所以它对气态有机杂质几乎不起物理吸附作用。就图25所示的过滤器F而言，其第一无机材料层59不包括丝锌铝石矿物粉末，而第二无机材料层60却包括丝锌铝石矿物粉末。然而，在这二个材料层中都包括酸处理过的蒙脱石粉末，由于在酸处理过的蒙脱石颗粒的表面上具有孔径约15-300的孔隙，所以它们对气态有机杂质能起物理吸附作用。
对每一种上述的过滤器，都检验对气态无机杂质的防护效率以及对气态有机杂质表面污染的防护效率。所有上述的过滤器都能极好地吸附气态无机杂质，例如HCl和NH3。然而，关于吸附气态有机杂质例如DOP和癸甲基环戊硅氧烷(D5)的性能，与其它过滤器相比，过滤器A特别差，在吸附这些杂质方面，过滤器B-F是极好的。过滤器A不如其它过滤器的原因在于无机材料层51，除了尺寸至少为1000的可透空气的孔隙以外，该层没有其它主要起作用的孔隙，因此对气态有机杂质几乎没有物理吸附作用。其它每一种过滤器都具有包括孔径约为15-300的孔隙的无机材料层，该孔隙适合吸附气态的有机杂质，因此这些过滤器都能吸附这一类的杂质。
不用说，用本发明的过滤器净化的实际气体不只限于空气。本发明的过滤器也适用于其它惰性气体，例如在半导体器件和LCD器件的制造中优选使用的氮气和氩气。
测试根据本发明的二种过滤器X和Y，以便评价其相应的防护效率。测试的气体是含氯化氢气体50ppb(体积)和气态硼化合物80ng/m3(硼B的重量浓度)的洁净室空气，过滤器X的蜂窝状构件具有第一无机材料层(第一吸附层)，该层是用硅溶胶作粘结剂将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的。过滤器Y的蜂窝状构件具有二个无机材料层，其中包括类似于过滤器X的第一吸附层，和再将硅凝胶粉末固定到第一吸附层表面上的第二无机材料层(第二吸附层)。这二个蜂窝状构件都是由矾土和硅酸制的陶瓷纤维制成的。每一个蜂窝状构件的第一吸附层，都是将蜂窝状构件浸渍在分散有丝锌铝石矿物粉末和无机粘结剂的悬浮液中，然后将其干燥制成的。用于过滤器Y的蜂窝状构件的第二吸附层，是将已经具有第一吸附层的蜂窝状构件，浸渍在分散有硅凝胶粉末的悬浮液中，然后将其干燥制成的。表4示出这二种过滤器X和Y的组成。
表4
过滤器     过滤器X   过滤器Y
吸附层序号     第一层   第一和第二层
蜂窝的体积密度     0.16g/cm3   0.18g/cm3
组分         蜂窝状构件的重量比例
没有吸附层的蜂窝状构件     48％(重量)   43％(重量)
丝锌铝石粘土矿物层     35％(重量)   32％(重量)
第一吸附层(硅溶胶)     17％(重量)   15％(重量)
第二吸附层(硅凝胶)     -   10％(重量)
现在参看图26所示的测试流程，该流程由70和71二个流程构成，用以评价过滤器的防护效率，流程70包括一个待评价的实际过滤器，而流程71则不包括过滤器。流程70具有一个装有超纯水的发泡容器72，而流程71则具有另一个发泡容器73，其中装有与上述质量相同的超纯水。70和71这二个流程包括由聚四氟乙烯(商品名称：特氟隆)制成的颗粒过滤器74，聚四氟乙烯不会释放气态的硼化合物。上述的测试气体，即分别引进流程70和71的洁净室空气，流过发泡容器72和73，在其中产生气泡，在此过程中，捕获氯化氢气体和气态的硼化合物。在超纯水中所捕获的硼的浓度，由电感耦合射频等离子质谱仅(ICP-MS)测定。将洁净室空气通过流程70后其中所含的氯化氢气体和气态硼化合物的量，与通过流程71后其中所含的氯化氢气体和气态硼化合物的量进行比较，确定实际过滤器的防护效率。
采用上面配置的测试流程，在下面的测试条件下测试上述的过滤器X和Y，测试条件为：
蜂窝状构件的尺寸：7.5mm(宽)×7.5mm(高)×50mm(深)
测试气体的流量：  4.1L/min
表观速度：        1.2m/s
空气取样持续时间：5d
图27是表示采用X和Y两种过滤器过滤氯化氢气体和气态硼化合物时，这二种过滤器的防护效率随通过时间变化的曲线图。这两种过滤器X和Y表明，直到丝锌铝石矿物中所含的所有金属组分(锌或镁)全部消耗在与氯化氢气体的化学反应为止，换句话说，直到丝锌铝石矿物完全失去其吸附作用为止，它们对氯化氢气体的防护效率没有很明显的差别。至于对硼化合物的防护效率，从它们的防护效率随通过时间的变化看，过滤器Y明显地比过滤器X好得多。这是因为过滤器Y在其第一和第二两个吸附层中都包括对气态硼化合物具有强亲合力的硅石，所以过滤器Y包括的硅石总量比过滤器X多。因此，在二个吸附层中都包括硅石的过滤器Y，显然可以在相对较长的时间内对气态硼化合物起作用。
接着将通过根据本发明的实施方案阐明根据本发明的洁净室的作用和效果。
首先准备图16所示的洁净室100，该洁净室装有根据本发明的过滤器111(即图3所示的过滤器1)。过滤器111包括具有无机材料层的载体(蜂窝状构件)，该无机材料层是通过将丝锌铝石矿物粉末和无机粘结剂粉末的混合物固定到其表面上制成的。因此，过滤器111可以除去气态的无机杂质，也可以除去气态的有机杂质。洁净室的设计要使实际空气能在5000m3/min的流量下通过洁净室100循环。为了处理在5000m3/min流量下循环的实际空气，用作吸附剂的丝锌铝石矿物粉末量为500kg，换句话说，在1m3/min的流量下用量为0.1kg。在净室内配置二种气体分析仪，一种用于测定HCl气体的浓度，而另一种用于测定NH3气体的浓度。在洁净室空气中所含的这二种气体的浓度，每月测定一次。此外，采用试片测定接触角，试片是覆盖有二氧化硅膜的硅大圆片基片，在其上没有附着任何有机污染物。将试片保留在洁净室内，在实际净室空气中暴露一段预定的时间后进行测定。更具体而言，在将试片冲洗后，立即测定接触角，和在将其暴露于净室空气中12小时后也立即测定接触角，从而确定暴露12小时所引起的接触角的增加。这12小时暴露和测定的整个操作过程，即冲洗→测定接触角→12小时暴露→测定接触角，每月进行一次。在冲洗试片后立即测定时，接触角为3°。
接着用过滤器111代替现有技术的三种化学过滤器进行另一次测定，这三种化学过滤器，即采用适宜的粘结剂将纤维状活性炭固定到由聚酯制成的无纺织物载体上制成的过滤器，第二种是采用适当的粘结剂，将活性炭颗粒固定到由可透空气的尿烷泡沫材料制成的载体上制成的，第三种是采用适当的粘结剂，将离子交换纤维固定到由聚酯制成的载体上制成的。测定是采用与上述相同的方法进行的。即在洁净室空气中所含的HCl和NH3气体的浓度，每月测定一次。采用试片测定接触角，试片是覆盖有二氧化硅膜的硅大圆片基片，在其上没有附着任何有机污染物。在冲洗试片后和在将其暴露于净室空气中12小时后，立即进行测定，从而确定12小时暴露所引起的接触角的增加。这12小时暴露和测定的整个操作过程，即冲洗→测定接触角→暴露12小时→测定接触角，每月进行一次。使每一种吸附剂即纤维状活性炭，活性炭颗粒和离子交换纤维的量，等于过滤器111吸附剂的量，即在1m3/min空气流量下为0.1kg。
此外，对既没安装过滤器111，也没安装上述现有技术的化学过滤器的净室，测定HCl和NH3气体的浓度和接触角。
在既没有安装过滤器111也没安装现有技术的化学过滤器的净室中，HCl气体的浓度为0.5-0.9ppb。另一方面，当装有过滤器111或现有技术的化学过滤器的净室运行一年时，HCl气体的浓度保持在0.03-0.05ppb。然而，在超过一年以后，由于过滤器吸附作用的下降，HCl气体的浓度超过0.05ppb。
在既没有安装过滤器111也没安装现有技术的化学过滤器的洁净室中，NH3气体的浓度为5-10ppb。另一方面，当安装过滤器111或现有技术的化学过滤器的净室运行一年时，NH3气体的浓度保持在0.5-1.0ppb。然而，在超过一年以后，由于过滤器吸附作用的下降，NH3气体的浓度超过1.0ppb。
为了对比地研究接触角随通过时间的变化，将试片暴露于通过上述三种净室循环的空气中，即第一种净室装有包括丝锌铝石矿物粉末的过滤器111，第二种净室装有现有技术的化学过滤器，和第三种净室既没安装过滤器111，也没安装现有技术的化学过滤器。测试是按照上述12小时暴露和测定的整个操作过程进行的。
试片在通过装有本发明的过滤器111的净室循环的空气中暴露12小时以后，接触角从冲洗试片后立即测得的初始接触角3°变化到4°，因此按净值接触角增加1°。
另一方面，试片在通过装有现有技术的化学过滤器的净室循环的空气中暴露12小时以后，接触角从初始接触角增加10°。这意味着现有技术的化学过滤器具有能除去气态无机杂质的作用，而不具有能除去气态有机杂质的作用。更糟的是，这种化学过滤器包括能释放气态有机杂质的材料，例如过滤介质(例如无纺织物等)、将活性炭固定到过滤介质上的粘结剂(例如氯丁树脂、脲烷树脂、环氧树脂和硅酮树脂等)和将过滤介质固定到其周边框架上的密封件(例如氯丁橡胶和硅酮橡胶等)。因此，从其中释放的气态有机杂质在其下游侧与已通过化学过滤器净化的空气混合，这在12小时暴露后，可使接触角增加10°之多。与此相反，过滤器111不仅能除去气态的无机杂质，而且还能除去气态的有机杂质。此外，如对制造过滤器111的方法所做的简要叙述，该过滤器不包括能释放气态有机杂质的有机材料。这就是接触角按净值只增加1°的原因。
试片在通过既没安装过滤器111，也没安装现有技术的化学过滤器的净室循环的空气中暴露12小时之后，接触角从初始接触角3°变化到7°。因此接触角按净值增加4°。不用说，接触角的这种增加是由于没有过滤器，从而没有除去气态有机杂质造成的。
简而言之，就除去HCl气体和NH3气体的作用而言，本发明的过滤器111与现有技术的化学过滤器没有很大的差别。然而，在前者能同时除去气态无机杂质和气态有机杂质，而且不起新的有机杂质来源作用这一点上，本发明的过滤器111优于现有技术的化学过滤器。特别是在过滤器111的情况下，其中第一和第二两个吸附层都包括对气态硼化合物具有强亲合力的硅石，这种过滤器能在比较长的时间内连续地除去气态的硼化合物。另一方面，现有技术的化学过滤器能除去气态的无机杂质，但不能除去气态的有机杂质。使事情更糟的是，它本身就起新污染物来源的作用，是不利的。此外，本发明的过滤器111的优点，还在于其不可燃性。相反，现有技术的化学过滤器的缺点，还在于其可燃性。
为了对比研究颗粒过滤器的性能，图16所示的洁净室还装有二种颗粒过滤器，有一种不包括能释放气态有机杂质的任何材料，而另一种包括至少一种能释放气态有机杂质的材料。这二种颗粒过滤器安装在过滤器111的下游侧。通过测定接触角随通过时间的变化来评价通过净室循环的已过滤空气的净度。测试是按照上述的12小时暴露和测定的整个操作过程进行的。试片在通过净室循环的空气中暴露12小时以后，该净室装有不包括能释放气态有机杂质的任何材料的颗粒过滤器，接触角从初始接触角3°只增加1°。接触角增加这样小的原因如下。如前所述，本发明的过滤器111能除去造成基片表面污染的气态有机杂质，其本身也不起污染物来源的作用。加之，配置在过滤器111下游侧的颗粒过滤器不释放任何气态的有机杂质。另一方面，试片在通过净室循环的空气中暴露12小时以后，该净室装有包括能释放气态有机杂质的材料的颗粒过滤器，接触角从初始接触角3°增加3°。可以认为，在增加的3°中有1°可能是由过滤器除不掉的气态有机杂质造成的，而其余的2°可能是由颗粒过滤器产生的气态有机杂质造成的。
图28是表示本发明的几个过滤器对亚硫酸气体SO2的防护效率随通过时间变化的对比曲线图，在这些过滤器中，丝锌铝石矿物粉末与二氧化锰粉末的混合比例(重量)是变化的。如该图所示，对A1、A2、A3和B0四种过滤器测定了对亚硫酸气体SO2的防护效率随通过时间的变化。准备和测定过滤器B0，只是为了使对比更加清楚。在每个过滤器中上述二种组分的混合比例如下。丝锌铝石矿物粉末∶二氧化锰粉末=5∶1(过滤器A1),5∶2(过滤器A2),5∶4(过滤器A3)和5∶0(过滤器B0)。在所有这四种过滤器A1、A2、A3和B0中，丝锌铝石矿物粉末和二氧化锰粉末是采用无机材料粉末作为粘结剂固定到每一种过滤器蜂窝状构件的表面上。同时所用蜂窝状构件的深度制成50mm。表5示出固定在蜂窝状构件表面上的每一种组分(丝锌铝石矿物粉末、二氧化锰粉末和粘结剂)对蜂窝状构件总重量的重量％。过滤SO2气体的条件如下。在实际净室空气中所含的SO2气体浓度：900ppb(体积)；过滤速度(表观速度)：1.2m/s；温度：23℃；和相对湿度：45％。在净室空气中SO2气体的浓度一般约5ppb(体积)，所以上述的高浓度，即为普通浓度的约140倍，只是为了加速而故意选择的超负荷。
表5    固定在峰窝状物构件上的组合    (wt％)：
    A1     A2      A3      B0
丝锌铝石矿物    28.2     24.2     18.8     34.0
锰的氧化物    5.6     9.7     1.5     0.0
粘结剂    13.5     13.5     13.5     13.5
从图28可知，将具有氧化亚硫酸气体SO2作用的二氧化锰与丝锌铝石矿物混合能够除去SO2气体。然而，在这种情况下，将二氧化锰与丝锌铝石矿物混合不会对丝锌铝石矿物的作用，即吸附酸性气体例如氯化氢、硫化氢、硼化合物和氟化氢的作用，造成任何不利的影响。
图29是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器，对亚硫酸气体SO2的防护效率随通过时间变化的对比曲线图。在该图中，过滤器A4是根据本发明，采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和高锰酸盐粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的。过滤器B0只是用于对比，它是采用无机粘结剂，只将丝锌铝石矿物粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的。过滤器B1是普通的化学过滤器，是将用碳酸钾浸渍过的活性炭粉末固定到可透空气的脲烷材料垫层上制造的。过滤器B2也是一种包括蜂窝状构件的普通化学过滤器，是由用高锰酸钾浸渍过的活性炭纤维制成的。上面所用的所有过滤器的深度都制成50mm。过滤SOx气体的条件如下。在实际净室空气中所含的SO2气体的浓度：800ppb(体积)；过滤速度(表观速度)：0.9m/s；温度：23℃，和相对湿度：45％。
SO2气体既不与化学过滤器B1中的碳酸钾也不与过滤器B0中的锌(或镁)发生中和反应，所以在过滤含SO2气体为5ppb(体积)的净室空气仅900小时以后，过滤器B1对SO2气体的防护效率下降到50％或更低。至于过滤器B0，过滤这同一种气体仅600小时以后，其对SO2气体的防护效率也下降到50％或更低。另一方面，本发明的化学过滤器A4和现有技术的化学过滤器B2中的高锰酸钾氧化SO2气体，使其转变成硫酸，所以过滤器A4和B2在过滤含SO2气体为5ppb(体积)的净室空气达7000小时和2600小时以后，其对SO2气体的防护效率才分别降至50％或更低。在图28所描述的过滤器A1、A2和A3的情况下，在过滤SO2气体6000小时-8000小时以后，它们对SO2气体的防护效率才降至50％或更低。根据过滤器A1、A2、A3、A4、B2与B0性能之间的对比可明显地看出，只利用丝锌铝石矿物不能充分地除去SO2气体，为了除去SO2气体，锰的氧化物或高锰酸盐的存在是必不可少的条件。
图30是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器对氯化氢气体的防护效率随通过时间变化的对比曲线图。在该图中，过滤器A是根据本发明采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的。过滤器B1是一种普通的化学过滤器，是将用碳酸钾浸渍过的活性炭粉末固定到可透空气的脲烷材料垫层上制成的。过滤器B3也是一种包括蜂窝状构件的普通化学过滤器，是由用碳酸钾浸渍过的活性炭纤维制成的。上面所用的所有过滤器的深度都制成50mm。过滤氯化氢气体的条件如下。在实际净室空气中所含HCl气体的浓度：2-3ppb(体积)；过滤速度(表观速度)：0.9m/s；温度：23℃；和相对湿度：45％。从该图可以看出，关于对氯化氢气体的防护效率，本发明的过滤器A优于化学过滤器B1和B3。
图31是表示根据本发明的过滤器和一些其它普通的化学过滤器对硫化氢气体的防护效率随通过时间变化的对比曲线图。在该图中，过滤器A是根据本发明采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的。过滤器B1是一种普通的化学过滤器，是将用碳酸钾浸渍过的活性炭粉末固定到可透空气的脲烷材料垫层上制成的。过滤器B3也是一种包括蜂窝状构件的普通化学过滤器，是由用碳酸钾浸渍过的活性炭纤维制成的。上面所用的所有过滤器的深度都制成50mm。过滤硫化氢气体的条件如下。在实际净室空气中所含硫化氢气体的浓度：900ppb(体积)(为了加速而故意超负荷)；过滤速度(表观速度)：0.9m/s；温度：23℃；和相对湿度：45％。从该图可以看出，对于硫化氢气体的防护效率，本发明的过滤器A决不比化学过滤器B1和B3差。
图32是表示根据本发明的过滤器A，对气态硼酸(H3BO3)和三氟化硼气体(BF3)的防护效率随通过时间变化的对比曲线图。该过滤器A是采用无机粘结剂将丝锌铝石矿物粉末和锰的氧化物粉末固定到蜂窝状构件表面上制成的。过滤器B5只是用于进行对比，它是采用无机粘结剂只将锰的氧化物粉末固定到蜂窝状构件的表面上制成的。过滤气态硼酸(H3BO3)和三氟化硼气体(BF3)的条件如下。在过滤器A上游的实际空气中所含的气态硼酸(H3BO3)和三氟化硼气体(BF3)的浓度分别为：H3BO3 162ppb(硼含量：80000ng/m3)，和BF3 17ppb(硼含量：8560ng/m3)；过滤速度(表观速度)0.9m/s。蜂窝状构件的深度为50mm，在上述的表观速度下其压降为1.5mmAq。从图32的曲线可以看出，按照净室空气中通常硼含量为80ng/m3计算，过滤器A的防护效率至少为80％时，对气态硼酸(H3BO3)可维持至少6年，对三氟化硼气体(BF3)可维持至少1年。此外，从图32的曲线还可以看出，与过滤器A相比，过滤器B5对气态硼酸(H3BO3)的防护效率显著降低。因此，可以肯定，丝锌铝石矿物粉末的存在使对气态硼酸(H3BO3)的防护效率在很大程度上增加。
              本发明的工业实用性
根据本发明的过滤器和采用该过滤器的洁净室，能除去造成基片表面污染的气态无机和有机杂质，从而生产适合制造半导体器件和LCD器件的优选空气。此外，除了采用高锰酸盐的情况以外，本发明使制造只由不可燃材料构成的过滤器成为可能。因此，这种过滤器能够满足从防止灾害的观点提出的安全要求。
根据本发明的过滤器和采用该过滤器的洁净室，不仅能除去酸性和碱性这二种无机杂质，而且还能除去有机杂质。这有助于降低吸附层体积、过滤器压降以及制造吸附层的费用等。特别是，如果在过滤器的第一和第二两个无机层中包括对气态硼化合物具有较大亲合力的无机材料，例如硅石，由于硅石量的增加，其对气态硼化合物的防护效率随通过时间变化很小，所以过滤器对气态硼化合物的使用寿命可以明显地延长。
此外，根据本发明的过滤器和采用该过滤器的洁净室，可以除去对制造半导体器件、液晶基片、磁记录媒体等产生不利影响的硫的氧化物SOx。

Claims (21)

1．一种空气过滤器，它包括载体和无机材料层，该无机材料层是采用无机物质粉末作为粘结剂，将丝锌铝石矿物粉末固定到载体表面上制成的。
2．一种空气过滤器，它包括载体、由丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末制成的第一无机材料层，和由无机物质粉末制成的第二无机材料层，其中或第一无机材料层或第二无机材料层直接固定到载体的表面上，余下的一个无机材料层再固定到先固定的无机材料层的表面上。
3．一种空气过滤器，它包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是由丝锌铝石矿物粉末与作为粘结剂的无机物质粉末的混合物造粒制备的。
4．一种空气过滤器，它包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是先由丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末的混合物造粒，然后用无机物质粉末包覆制备的，或者团粒是先由无机物质粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
5．一种空气过滤器，它包括用许多团粒装满的壳体，其中团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒制备的，或者团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后用无机物质粉末包覆制备的，或者团粒是先由无机物质粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
6．一种空气过滤器，它包括载体和无机材料层，该无机材料层是采用无机物质作为粘结剂，将混合物固定到载体的表面上制成的，该混合物是由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末构成的。
7．一种空气过滤器，它包括载体、由丝锌铝石矿物和作为粘结剂的无机物质粉末制成的第一无机材料层、和由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末与作为粘结剂的无机物质粉末制成的第二无机材料层，其中或第一无机材料层或第二无机材料层，直接固定到载体的表面上，余下的一个无机材料层再固定到先固定的无机材料层的表面上。
8．一种空气过滤器，它包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒制备的。
9．一种空气过滤器，它包括载体和由固定到载体表面上的许多团粒制成的团粒层，其中团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆制备的，或团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
10．一种空气过滤器，它包括用许多团粒装满的壳体，其中团粒是先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末与锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末的混合物造粒，或先采用无机物质粉末作为粘结剂，由丝锌铝石矿物粉末造粒，然后采用无机物质作为粘结剂，用锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末包覆制备的，或者团粒是先采用无机物质作为粘结剂，由锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末造粒，然后采用无机物质粉末作为粘结剂，用丝锌铝石矿物粉末包覆制备的。
11．权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的空气过滤器，其中所述的载体是蜂窝状构件。
12．权利要求6、7、8、9或10的空气过滤器，其中所述锰氧化物，既可以是四氧化三锰(Mn3O4)，也可以是三氧化二锰(Mn2O3)或二氧化锰(MnO2)。
13．权利要求6、7、8、9或10的空气过滤器，其中所述的高锰酸盐，既可以是MⅠMnO4(MⅠ：碱金属)，也可以是MⅡ(MnO4)2(MⅡ：碱土金属)。
14．权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10的空气过滤器，其中所述的无机材料是滑石、高岭土矿物、膨润土、硅藻土、硅石、矾土、硅石和矾土的混合物、铝硅酸盐、活性矾土、多孔玻璃、具有带状晶体结构的水合硅酸镁粘土矿物、活性粘土和活性膨润土中的至少一种。
15．权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10的空气过滤器，其中所述的无机材料层和/或所述的团粒可以包括无机粘结助剂。
16．一种制造空气过滤器的方法，其包括以下步骤：
将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体，干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的无机材料层。
17．一种制造空气过滤器的方法，其包括以下步骤：
将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中，将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体；
干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的第一无机材料层，
将具有第一无机材料层的载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将无机物质粉末分散成胶体，
干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到第一无机材料层表面上的第二无机材料层；或
先制成固定到载体表面上的所述第二无机材料层，
再制成固定到所述第二无机材料层表面上的所述第一无机材料层。
18．一种制造空气过滤器的方法，其包括以下步骤：
将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末、锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末以及作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体，和
干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的无机材料层。
19．一种制造空气过滤器的方法，其包括以下步骤：
将载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将丝锌铝石矿物粉末和作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体，
干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到载体表面上的第一无机材料层，
将具有第一无机材料层的载体浸渍在悬浮液中，在该悬浮液中将锰的氧化物和/或高锰酸盐粉末以及作为粘结剂的无机物质粉末分散成悬浮胶体，
干燥用该悬浮胶体浸渍过的载体，从而制成固定到第一无机材料层表面上的第二无机材料层；或
先制成固定到载体表面上的所述第二无机材料层，和
再制成固定到所述第二无机材料层表面上的所述第一无机材料层。
20．一种高效的空气净化制备，用于保持特定的空间或室达到所要求的净度水平，该设备包括空气循环通道，权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10中所述的过滤器，和颗粒过滤器，所述的过滤器被安装在该空间或室的适宜部分，所述的颗粒过滤器被配置在所述空间或室的上游侧和所述过滤器的下游侧，从而所述的空间或室被其中通过所述空气循环通道循环的空气所净化。
21．权利要求20的高效的空气净化设备，其中所述的过滤器和所述的颗粒过滤器被安装在所述的空间或室的顶棚部分上。
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