DE60017079T2

DE60017079T2 - Breitspektrum-filtersystem zur filtrierung von verunreinigungen aus luft oder aus anderen gasen

Info

Publication number: DE60017079T2
Application number: DE60017079T
Authority: DE
Inventors: J. Simon SMITH; A. Jamie HERN
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: AU770694B2; JP2003522012A; CA2356292A1; AU7998400A; BR0007249B1; EP1144109A1; JP4627615B2; DE60017079D1; EP1144109B1; CA2356292C; AR026228A1; TW526087B; WO2001030491A1; BR0007249A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Filtermedien, die zur Entfernung von Schadstoffen aus Luft oder anderen Gasen verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Medien, die zwei oder mehrere verschiedene Arten von Filtermedienteilchen enthalten, um eine Filterleistung mit breitem Spektrum bereitzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche, wie Aktivkohle, Aluminiumoxid, Zeolithe und dergleichen, werden wegen der Fähigkeit solcher Materialien, einen breiten Bereich an verschiedenen Materialien zu entfernen, weit verbreitet zur Luftfiltration verwendet. Die Filtereigenschaften dieser Materialien rühren von einer hochgradig porösen oder verschachtelten Oberflächenstruktur her. Im Fall von Aktivkohle resultiert die Oberflächenporosität aus der kontrollierten Oxidation während des „Aktivierungs" stadiums der Herstellung. Aktivkohle wird seit vielen Jahrzehnten zur Luftfiltration verwendet.
Die Fähigkeit des Kohlenstoffs, durch direkte Adsorption einen Schadstoff aus der Luft zu entfernen, hängt von einer Wechselwirkung in molekularer Größenordnung zwischen einem gasförmigen Molekül und der Kohlenstoffoberfläche ab. Das Ausmaß dieser Wechselwirkung hängt von Faktoren ab, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche des Kohlenstoffs, die molekulare Gestalt und Größe der gasförmigen Verbindung, die Konzentration der gasförmigen Verbindung im zu filtrierenden Gasstrom, die Verweilzeit im Kohlenstoffbett, Temperatur, Druck und die Anwesenheit anderer Chemikalien einschließen. Als grobe Abschätzung hängt bei einem einzelnen Schadstoff das Ausmaß der Adsorption in erster Linie vom Siedepunkt ab. Im Allgemeinen gilt, dass je höher der Siedepunkt ist, desto größer die Fähigkeit des Kohlenstoffs zur Entfernung der Chemikalie ist.
Demgemäß hat Kohlenstoff als solcher keine große Fähigkeit zur Entfernung von Gasen mit niedrigerem Siedepunkt. Es wurden Behandlungen entworfen, bei denen Chemikalien auf den Kohlenstoff aufgetragen wurden, um Filtrierfähigkeiten für Gase mit niedrigerem Siedepunkt bereitzustellen. Diese Behandlungen sind im Allgemeinen als „Imprägnier" verfahren bekannt und das Resultat der Behandlung ist „imprägnierter" Kohlenstoff.
Im Verlauf dieses Jahrhunderts ist die Entwicklung der Imprägniertechniken so weit fortgeschritten, dass eine Vielzahl von Imprägnierungsmitteln zur Entfernung eines weiten Bereichs an verschiedenen Chemikalien verfügbar ist. Der Fortschritt hat sich in Kriegszeiten beschleunigt, als tatsächliche und wahrgenommene Bedrohungen die Entwicklung von spezialisierten Kohlenstoffen vorantrieben. Jedoch besteht bislang eine Unterscheidung zwischen den Typen von Filtermedienteilchen, die zu militärischen Anwendungen verwendet werden, und denen, die in industriellen Anwendungen verwendet werden. Militärische Anforderungen erfordern, dass die Filtermedienteilchen einen Bereich von Chemikalien entfernen können, und so wurden mehrkomponentige Imprägnierformulierungen entworfen. In der Industrie, wo die Art der Gefahrstoffe im Voraus bekannt ist, war es Praxis, einen Filter zu wählen, der dem bekannten Gefahrstoff angemessen war. Folglich wurden für industrielle Anwendungen Filter mit Fähigkeiten für einen spezifischen Typ von Chemikalie oder Klasse von Chemikalien entwickelt.
Im Verlauf der Zeit haben sich Zulassungsstrukturen für die Auswahl und Verwendung von Atemschutzausrüstung zusammen mit Genehmigungssystemen herausgebildet, wodurch sichergestellt ist, dass die Bauarten der Ausrüstung auf dem Markt die notwendigen Leistungsanforderungen erfüllen können. Solche Genehmigungssysteme sind für industrielle Zwecke über internationale Grenzen hinweg entwickelt worden. Diese schließen das System der europäischen Norm ein, das weit verbreitet in Europa und in der übrigen Welt angenommen wurde. Ein weiteres Beispiel sind die Anforderungen an die Genehmigung durch das US National Institute for Occupational Safety and Health, die in den USA, Kanada und bestimmten anderen Ländern angenommen wurden. Für militärische Anforderungen werden die Leistungsspezifikationen durch den jeweiligen nationalen Bedarf bestimmt, auch wenn es innerhalb des Nordantlantikpakts (NATO) einige international anerkannte Standards gibt.
Das erste U.S.-Patent für eine Behandlung von Kohlenstoff zur Entfernung einer Vielzahl von militärischen Gasen rührte von Entwicklungen zum Schutz von Personal in Schlachten des ersten Weltkriegs her, in denen Chemikalien im Übermaß eingesetzt wurden. Das Patent von Joshua C. Whetzel und R. E. Wilson (US Patent 1,519,470, 1924) beschrieb die Verwendung einer ammoniakalischen Lösung von Kupfercarbonat zur Imprägnierung von kornförmiger Aktivkohle. Diese Technik wurde als „Whetlerisieren" und das Kohlenstoffprodukt als „Whetlerit" bekannt. Im Verlauf der Zeit sind Varianten dieser Technik entwickelt worden. ( US 2,902,050 , US 2,902,051 , DE 1,098,579 , FR 1,605,363 , JP 7384,984 , CZ 149,995 ).
Während des zweiten Weltkriegs sind beträchtliche technische Untersuchungen in Richtung der Verwendung von imprägnierten Kohlenstoffen unternommen worden. Die U.S.-Forschung auf diesem Gebiet wird in „Military Problems with Aerosols and Nonpersistent Gases", Kapitel 4: „Impregnation of Charcoal", von R. J. Grabenstetter und F. E. Blacet, Division 10 Report des US National Defense Research Committee (1946), S. 40–87, zusammengefasst. Dieser Bericht deckt ausführlich eine Vielzahl von Imprägierungsformulierungen ab.
Das Vereinigte Königreich verfolgte einen etwas anderen Ansatz zur Imprägnierung. Dort wurde Kupferoxid vor dem Carbonisieren und Aktivieren mit Kohle gemischt, so dass die Aktivkohle metallisches Kupfer, verteilt in der gesamten Struktur, enthielt. Dieses Material war die Basis für die im zweiten Weltkrieg eingesetzten Filterkohlenstoffe.
Die Fähigkeit von Kohlenstoff zur Entfernung von Chlorcyan (CK) wurde durch das Aufbringen des Amins Pyridin oder getrennt durch Imprägnierung mit Chrom in Form von Natriumdichromat verbessert. Diese Form von Kohlenstoff wurde in Kombination mit einem Pyridinimprägnierungsmittel in militärischen Atemwegsfiltern verwendet, die in den 70er Jahren hergestellt wurden.
Die Forschung nach dem zweiten Weltkrieg hat erkundet, wie die Zugabe von organischen Verbindungen zu imprägniertem Kohlenstoff die Lagerstabilität verbessern kann. Im UK, in Frankreich und anderswo wurden Experimente mit verschiedenen Aminen durchgeführt. Ein solches Material, von dem gefunden wurde, dass es die Lagerstabilität gegenüber Chlorcyan verbessert, ist Triethylendiamin (auch als TEDA oder 1,4-Diazabicyclo-2,2,2-octan bekannt). Wenn Kohlenstoff damit imprägniert ist, wurde gefunden, dass TEDA als solches direkt mit Chlorcyan reagieren kann und auch sehr gut Methylbromid und Methyliodid entfernen kann. TEDA wird fest auf Kohlenstoff adsorbiert, ist stabil, in geringen Mengen wirksam und hat im Vergleich zu anderen Aminverbindungen eine minimale Toxizität. TEDA ist bei Zimmertemperatur ein Feststoff, sublimiert aber leicht.
Chrom wurde traditionell in militärischen Anwendungen als Kohlenstoffprägnierungsmittel verwendet, da es die zufriedenstellende Entfernung von Cyanwasserstoff und Chlorcyan (CK) erleichtert. Da die sechswertige ionische Form von Chrom als potentielles Lungencarcinogen identifiziert wurde, haben Arbeiten, die in jüngster Zeit durchgeführt wurden und bis in die frühen 70er Jahren zurückdatieren, Formulierungen erforscht, die die Menge an Chromatsalzen als Imprägnierungsmittel verringern oder diese vermeiden.
In jüngster Zeit hat sich die traditionelle Rolle der Militärkräfte von einem mehr oder weniger vorhersagbaren Konflikt auf dem Schlachtfeld dahingehend verändert, dass sie Frieden schaffende und Frieden erhaltende Rollen und die Unterstützung ziviler Autoritäten in Notfällen umfasst. Solche Aktivitäten können das Eingehen auf die zufällige oder absichtliche Freisetzung von Chemikalien beinhalten. Die absichtliche Freisetzung von Chemikalien, die als „chemischer Terrorismus" bezeichnet wird, ist in der Tat eingetreten und wurde oft angedroht. Diese Vorfälle können Chemikalien betreffen, die traditionell als militärische Bedrohung angesehen werden, oder können gefährliche Chemikalien betreffen, die normalerweise in der Industrie verwendet werden. Das Eingehen auf diese Gefahren wird letztendlich wahrscheinlich sowohl zivile als auch militärische Autoritäten betreffen und erfordert wahrscheinlich Schutzsysteme, die industriellen Genehmigungen ebenso wie militärischen Leistungsanforderungen entsprechen.
Auf Filtration basierende Schutzsysteme sind für Personal angemessen, das verschiedene Aufgaben in einiger Entfernung zum Ort der Chemikalienfreisetzung durchführt. In solchen Fällen ist es sehr erwünscht, dass man rasch und ohne Verzögerung der Gefahr begegnen kann. Herkömmlicherweise wird jedoch eine Verzögerung unausweichlich sein, da es notwendig sein kann, zuerst die Bedrohung zu identifizieren, damit ein passender Filter gewählt werden kann. Damit man einem weiten Bereich möglicher Gefahren begegnen kann, ist es notwendig, Bestände an vielen verschiedenen Filterarten vorzuhalten. Es ist viel wünschenswerter, eine Art von Filter zu haben, die Schutz gegen viele verschiedene Gefahren bereitstellen kann. Ein solcher Vielzweckfilter genügt wünschenswerterweise sowohl industriellen als auch militärischen Anforderungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Filtermedien mit sehr breiten Filterfähigkeiten bereit. Die Filtermedien sind besonders zur primären Anwendung beim persönlichen Atemschutz geeignet, um einen weiten Bereich an toxischen Gasen und Dämpfen, die sich in industriellen Umgebungen finden, und auch Chemikalien zu entfernen, die als chemische Kampfstoffe verwendet werden. Die Filtermedien erreichen erfolgreich Leistungsniveaus, die sowohl von Genehmigungsvorschriften für industriell anwendbare Filter als auch von international anerkannten Leistungsvorschriften für militärische Filter verlangt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise Behandlungen, die auf Aktivkohle angewendet werden, um die Fähigkeit von Aktivkohle zu verbessern, toxische Gase mit niedrigem Siedepunkt zu entfernen. In bevorzugten Anwendungen werden die resultierenden Filtermedien zur Filterung von Atemluft in Verbindung mit Atemschutzausrüstung verwendet. Jedoch ist die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht auf Atemschutzausrüstung begrenzt, sondern kann auch zur Reinigung von Luft oder anderen Gasen in Verbindung mit industriellen Verfahren eingesetzt werden.
Die breiten Fähigkeiten der Filtermedien ermöglichen den Aufbau von Filtern, die in einer breiten Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, einschließlich, dass sie auf eine Gesichtsmaske eingepasst oder einzeln oder mehrfach auf ein Atemschutzsystem zur Reinigung von Gebläseluft eingepasst werden. Ein solches Gebläsesystem ist im Handel unter dem Warenzeichen „BREATHE-EASY" von der Minnesota Mining and Manufacturing Company (3M) erhältlich.
Vorteilhafterweise stellen die Filtermedien nicht nur eine Filterleistung mit breitem Spektrum bereit, sondern sind dabei auch noch kompakt und bequem in der Anwendung. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Filtermedien in dieselben Gehäuse und Kanister eingebracht werden, die in aktuellen, im Handel erhältlichen Filtersystemen verwendet werden. Die Leistung mit breitem Spektrum und Bequemlichkeit werden erzielt, während auch die ausgezeichneten Luftströmeigenschaften erhalten bleiben. Der Luftstromwiderstand der vorliegenden Filtermedien erfüllt leicht die aktuellen industriellen und militärischen Vorschriften.
Wegen der Filtereigenschaften mit breitem Spektrum ermöglichen die erfindungsgemäßen Filtermedien dem Personal, auf Chemieunfälle, bei denen die genaue Art der vorliegenden Chemikalie unbekannt oder nicht im Voraus vorhersagbar ist, zu reagieren und sich an damit verbundenen Hilfstätigkeiten zu beteiligen. Diese Flexibilität bei der Raktion vermeidet die Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung eines großen Bestands an unterschiedlichen Filtern. Unter vielen Umständen ermöglicht die Verwendung der Filtermedien, dass ohne Verzögerung reagiert werden kann, da der Schutz mit breitem Spektrum, der von den Filtermedien bereitgestellt wird, die Dringlichkeit reduziert, zuerst die betreffende(n) Chemikalie(n) zu analysieren, die Chemikalien zu identifizieren, dann ein passendes Filter auszuwählen und erst dann auf die Gefahr zu reagieren.
Vorzugsweise können die erfindungsgemäßen Filtermedien in Verbindung mit einem Teilchenfilter hoher Effektivität verwendet werden, wodurch ein kombinierter Schutz gegen Gas-, Dampf- und teilchenförmige Verunreinigung bereitgestellt wird.
In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Filtermedium, das mindestens zwei Arten von Filtermedienteilchen enthält. Eine erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen enthält ein Substrat mit ausgedehnter Oberfläche, umfassend mindestens ein Übergangsmetall-Imprägnierungsmittel. Eine zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen enthält ein Substrat mit ausgedehnter Oberfläche, umfassend mindestens ein Amin-Imprägnierungsmittel. In bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens eine und sind vorzugsweise beide der Arten von Filtermedienteilchen im Wesentlichen frei von Chrom und enthalten stärker bevorzugt kein nachweisbares Chrom.
Es wurde nun gefunden, dass das Vorhandensein des Amins auf der einen Art von Filtermedienteilchen die Leistung der Imprägnierungsmittel auf der anderen Art von Filtermedienteilchen und umgekehrt über das hinaus erhöht, was zu erwarten ist. Beispielsweise ist zu erwarten, wenn eine Art von Teilchen ein bestimmtes Maß an Schutz gegen ein Chemikalie bereitstellt, aber eine zweite Art von Teilchen wenig Wirkung, wenn überhaupt, dagegen aufweist, dass das Vereinigen der zwei verschiedenen Arten von Teilchen wenig zusätzlichen Schutz, wenn überhaupt, gegen dieselbe Chemikalie bereitstellt. Dennoch stellen die erfindungsgemäßen Kombinationen einen höheren Leistungsgrad bereit, als nach solch vernünftiger Logik zu erwarten ist. Als Beispiel für die günstigen Wirkungen, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, wird die Lebensdauer von Filtermedien in Ammoniak dramatisch um rund 50% verlängert, indem mit einem tertiären Amin imprägnierte Aktivkohle in Kombination mit einer imprägnierten Aktivkohle mit Schutzwirkung gegen Ammoniak verwendet wird. Dieser Leistungsschub ist dahingehend unerwartet, da mit einem tertiären Amin imprägnierte Kohlenstoffe an sich in der Regel wenig Schutz gegen Ammoniak, wenn überhaupt, bieten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehend erwähnten und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung und die Art und Weise, wie sie erreicht werden können, werden unter Bezug auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu nehmen ist, klarer und die Erfindung selbst lässt sich damit besser verstehen, wobei:
1 eine schematische Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Filtersystems ist.
2 eine schematische Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filtersystems ist.
3 ein schematisches Fließdiagramm ist, das einen Ansatz zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters zeigt.
4 ein schematisches Fließdiagramm ist, das einen weiteren Ansatz zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sollen weder umfassend sein noch die Erfindung auf die exakten, in der folgenden ausführlichen Beschreibung offenbarten Formen begrenzen. Vielmehr werden die Ausführungsformen ausgewählt und beschrieben, so dass andere Fachleute die Prinzipien und Praktiken der vorliegende Erfindung schätzen und verstehen können.
Erfindungsgemäße Filtermedien enthalten im Allgemeinen eine erste und zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen. Jede Mehrzahl an Teilchen enthält unabhängig voneinander ein oder mehrere Imprägnierungsmittel (weiter unten beschrieben), die auf einem oder mehreren Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche aufgebracht wurden. Der Begriff „Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche" bedeutet Teilchen, bei denen die Oberfläche ausreichend verschachtelt oder porös ist, vorzugsweise auf einem mikroskopischen Niveau, so dass die Teilchen mit mindestens 5 Gew.%, stärker bevorzugt mindestens 10 Gew.% an CuCl₂-Salz imprägniert werden können. Geeignete Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche weisen in der Regel spezifische Oberflächen von mindestens etwa 85 m²/g, typischer von mindestens etwa 500 m²/g bis 2000 m²/g und vorzugsweise von etwa 900 m²/g bis etwa 1500 m²/g auf. Repräsentative Beispiele für Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche schließen Aktivkohle, Zeolith, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Katalysatorträgermaterialien, Kombinationen davon und dergleichen ein. Die Substratteilchen für die erste und zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen können dieselben oder verschieden sein.
Die Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche können jede Größe aus einem weiten Größenbereich aufweisen. Die Substratteilchengröße wird in der Filterindustrie im Allgemeinen in mesh angegeben. Ein typischer Ausdruck für die Größe in mesh ist „a × b", wobei „a" eine Siebdichte bedeutet, durch die im Wesentlichen alle Teilchen durchfallen, und „b" eine Siebdichte bedeutet, die genügend hoch ist, so dass im Wesentlichen alle Teilchen zurückgehalten werden. Beispielsweise bedeutet eine Größe von 12 × 30 mesh, dass im Wesentlichen alle Teilchen durch ein Sieb mit einer Dichte von 12 Drähten pro Zoll durchfallen und im Wesentlichen alle Teilchen von einem Sieb mit einer Dichte von 30 Drähten pro Zoll zurückgehalten werden. Filterteilchen, die sich durch eine Größe von 12 × 30 mesh charakterisieren lassen, schließen einen Teilchenbestand mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm ein.
Die Auswahl einer geeigneten Größe in mesh für die Substratteilchen umfasst das Abwägen von Dichte und Filterkapazität gegen Luftstromwiderstand. Im Allgemeinen stellt eine feinere Größe in mesh (z. B. kleinere Teilchen) in der Regel nicht nur größere Dichte und Filterkapazität, sondern auch höheren Luftstromwiderstand bereit. Wägt man diese Belange ab, liegt „a" typischerweise im Bereich von 5 bis 20 und beträgt „b" typischerweise 15 bis etwa 40, mit der Maßgabe, dass die Differenz zwischen a und b im Allgemeinen im Bereich von etwa 5 bis etwa 30 liegt. Spezifische Größen in mesh, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung als geeignet gefunden wurden, schließen 12 × 20,12 × 30 und 12 × 40 ein.
Die erste Mehrzahl an Substratteilchen enthält mindestens ein Imprägnierungsmittel, das ein Übergangsmetall umfasst. Beispiele für solche Imprägnierungsmittelmaterialien schließen Verbindungen ein, die Cu, Zn, Mo, Cr, Ag, Ni, V, W, Co, Kombinationen davon und dergleichen enthalten. Da die sechswertige Form von Cr als potenzielles Carcinogen identifiziert wurde, schließt die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen jedoch auf Grund des Risikos, dass andere Formen von Cr, z. B. Cr (IV), zu Cr (VI) oxidiert werden können, vorzugsweise keine nachweisbaren Mengen an Cr (VI) und stärker bevorzugt kein nachweisbares Cr welcher Valenz auch immer ein. Die Metalle können in metallischer Form vorliegen, werden aber typischer als Salze imprägniert.
Die Auswahl, welche der einen oder mehreren Übergangsmetallverbindungen in die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen eingebracht werden sollen, hängt insoweit von dem gewünschten Bereich der Filterfähigkeiten ab, als dass jedes der verschiedenen Übergangsmetalle in der Regel Schutz vor bestimmten Luftschadstoffen bietet. Beispielsweise helfen Cr, Mo, V und Y oder W unabhängig voneinander beim Filtrieren von Gasen, wie Chlorcyan und Cyanwasserstoff, aus Luftströmen, wenn sie in Kombination mit einem Cu-Imprägnierungsmittel verwendet werden. Repräsentative Filtermedienteilchen können 0,1 bis 10 Gew.% eines oder mehrerer Imprägnierungsmittel einschließen, die Mo, V, W und/oder Cr enthalten. Auf Grund der potenziellen Toxizität von Cr wird die Verwendung von Mo-, V- und/oder W-Materialien bevorzugt. In der gesamten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen bezieht sich Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der imprägnierten Teilchen.
Cu hilft in der Regel beim Filtrieren vieler Gase, wie HCN, H₂S, saure Gase und dergleichen, aus Luftströmen. Repräsentative Filtermedienteilchen können 0,1 bis 15 Gew.% eines oder mehrerer Imprägnierungsmittel, die Cu enthalten, einschließen.
Zn in verschiedenen Formen hilft in der Regel beim Filtrieren von HCN, Chlorcyan, Dicyan und NH₃ aus Luftströmen. Repräsentative, erfindungsgemäße Filtermedienteilchen können 1 bis 20 Gew.% eines oder mehrerer Imprägnierungsmittel, die Zn enthalten, einschließen.
Ag hilft in der Regel beim Filtrieren arsenhaltiger Gase aus einem Luftstrom. Ag wirkt katalytisch und wird im Allgemeinen nicht im Filtrierbetrieb verbraucht. Demgemäß können Filtermedienteilchen verhältnismäßig geringe katalytische Mengen, z. B. etwa 0,01 bis 1, vorzugsweise 0,1 Gew.% eines oder mehrerer Ag-haltiger Imprägnierungsmittel enthalten.
Ni und Co helfen jeweils unabhängig voneinander beim Filtrieren von HCN aus Luftströmen. Repräsentative Filtermedienteilchen können 0,1 bis 15 Gew.% eines oder mehrerer Ni-haltiger Imprägnierungsmittel und/oder Co-haltiger Imprägnierungsmittel enthalten.
Außer einem oder mehreren Imprägnierungsmitteln, die Übergangsmetalle enthalten, kann die erste Mehrzahl an Substratteilchen gegebenenfalls eine oder mehrere andere Arten von Imprägnierungsmitteln einschließen. Beispielsweise helfen Ammoniak oder Ammoniumsalze in der Imprägnierlösung nicht nur bei der Verbesserung der Löslichkeit der Übergangsmetallverbindungen während der Herstellung der Teilchen, sondern verbleibende adsorbierte Mengen helfen auch bei der Entfernung saurer Gase aus Luftströmen. Von Sulfatsalzen wird angenommen, dass sie bei der Kontrolle des pH-Werts während des Gebrauchs der Filtermedien helfen. Ammoniumsulfat bildet beispielsweise, wenn es auf einem Substrat, wie Kohlenstoff, imprägniert und bei 145°C getrocknet wurde, ein saures Sulfat. Saures Sulfat ist ausreichend sauer, so dass es mit Ammoniak reagiert, wodurch die Entfernung von Ammoniak aus einem Strom von Luft oder anderem Gas erleichtert wird. Durch das Imprägnieren und Trocknen imprägnieren stark saure Ammoniumsalze den Kohlenstoff während des Trocknungsverfahrens, ohne dass das sich bildende basische Oxid/Hydroxid-Imprägnierungsmittel beschädigt wird. Dies führt zu verbesserter Ammoniaknutzungsdauer einer Kartusche, die den resultierenden imprägnierten Kohlenstoff enthält. Repräsentative Filtermedienteilchen können 0,1 bis 10, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 Gew.% Sulfat enthalten. Feuchtigkeit hilft günstigerweise bei der Entfernung saurer Gase aus Luftströmen. Gegebenenfalls kann deshalb die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen bis zu etwa 15 Gew.%, vorzugsweise etwa 6 bis 12 Gew.% Wasser enthalten.
Imprägnierungsmittel können mit herkömmlichen Vorgehensweisen in die erste Mehrzahl an Substratteilchen eingebracht werden. Solche Imprägnierungsmittel werden typischerweise als Salze, Oxide, Carbonate oder dergleichen bereitgestellt und werden mittels Lösungsverarbeitung, Sublimationsverarbeitung, Fließbettverarbeitung und dergleichen imprägniert. Repräsentative Techniken für eine solche Verarbeitung sind weit verbreitet in der Literatur beschrieben, einschließlich den Patent- und Literaturdokumenten, die hier im Abschnitt Hintergrund zitiert sind.
Für eine Filterleistung mit breitem Spektrum umfasst eine besonders bevorzugte erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen ein Aktivkohlesubstrat, das mit 6 bis 13 Gew.% Cu-haltigem Imprägnierungsmittel, 0 bis 10 Gew.% Zn-haltigem Imprägnierungsmittel und 1 bis 4 Gew.% Mo-haltigem Imprägnierungsmittel imprägniert ist. Besonders bevorzugte Filtermedienteilchen umfassen ferner nicht nur Cu-, Zn- und Mo-haltige Imprägnierungsmittel, sondern auch eines oder mehrere aus 2,5 bis 4,5 Gew.% Sulfatsalz und/oder 1 bis 25 Gew.% Wasser. Solche Filtermedienteilchen sind im U.S. Pat. Nr. 5,492,882 beschrieben. Eine spezifische Ausführungsform solcher Teilchen ist im Handel unter der Handelsbezeichnung „Calgon URC" von Calgon Carbon Corporation erhältlich.
Eine weitere bevorzugte erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen umfasst ein Aktivkohlesubstrat, das 1 bis 10 Gew.% Zink-haltiges Imprägnierungsmittel, z. B. ZnCl₂, und gegebenenfalls Feuchtigkeit im Bereich von 1 bis 15, vorzugsweise 9 bis 12 Gew.% enthält. Ein spezifisches Beispiel für Aktivkohlefilter, der mit Zinkchlorid imprägniert ist, ist im Handel unter der Handelsbezeichnung „C-Chem Chemsorb 620" von C*Chem, einer Abteilung der Ionex Corp., erhältlich.
Die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen umfasst im Allgemeinen ein oder mehrere Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche, die ein oder mehrere Amin-Imprägnierungsmittel, vorzugsweise ein oder mehrere tertiäre Amin-Imprägnierungsmittel, enthalten. Wenn die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen, die das Amin-Imprägnierungsmittel enthält, in Kombination mit der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen verwendet wird, stellt sie zahlreiche Vorteile bereit. Zuerst helfen die Amin-haltigen Teilchen bei der Entfernung von Chlorcyan (CK) aus Luft oder anderen Gasen. Außerdem wurde nun gefunden, dass das Vorhandensein der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen unerwarteterweise das Leistungsvermögen der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen steigert und umgekehrt. Praktisch bedeutet dies, dass die erfindungsgemäßen Filtermedien weniger Material benötigen, um ein gegebenes Filterleistungsniveau zu erreichen. Dies wiederum ermöglicht die Herstellung von Filtern mit breiten Fähigkeiten, die durch geringe, kompakte Größe, niedrigeren Atmungswiderstand, weniger Gewicht und mehr Komfort gekennzeichnet sind, verglichen mit herkömmlichen Filtern, die zur Entfernung desselben Bereichs an Schadstoffen verwendet werden sollen.
Als Beispiel für eine beobachtete Leistungssteigerung kann die Verwendung eines Filtersystems, dessen Aufnahmeraum für Filtermedienteilchen mit beiden Arten von Filtermedienteilchen (entweder in diskreten Filterbetten und/oder miteinander vermischt) gefüllt ist, die Lebensdauer bei der Ammoniakentfernung um bis zu 50% in bevorzugten Ausführungsformen erhöhen, verglichen mit demselben System, dessen Aufnahmeraum für Filtermedienteilchen mit lediglich einer Art von Filtermedienteilchen gefüllt ist. Die Fähigkeit einer Kombination von Filtermedienteilchen, erhöhte Fähigkeiten zur Ammoniakentfernung bereitzustellen, ist insofern unerwartet, als dass die Amin-Imprägnierungsmittel an sich im Allgemeinen in der Regel wenig, wenn überhaupt, Fähigkeit zur Ammoniakentfernung aufweisen. Bei einer Kombination, umfassend beide Arten von Filtermedienteilchen, wurde auch beobachtet, dass sie wesentlich besseres Leistungsvermögen bei organischen Dämpfen und CK aufweist, verglichen mit ansonsten identischen Filtersystemen, die lediglich eine Art von Filtermedienteilchen enthalten. Diese Leistungssteigerung wurde auch für andere Gase und Dämpfe beobachtet.
Das eine oder mehrere Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen kann unabhängig voneinander aus jedem Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche gewählt werden, wie sie vorstehend hinsichtlich der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen beschrieben wurden. Die Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche, die für die erste und zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen verwendet werden, können dieselben oder verschieden sein. Außer dem Amin, das die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen imprägniert, können die anderen Imprägnierungsmittel auf der ersten und zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen dieselben oder verschieden sein.
Ein weiter Bereich an Amin-Imprägnierungsmitteln kann nutzbringend in die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen eingebracht werden. Geeignete Amine können monomer, oligomer oder polymer sein. Bevorzugte Amine sind bei Zimmertemperatur entweder ein Feststoff oder eine Flüssigkeit. Bevorzugte Amine stellen die Fähigkeit zur Entfernung von CK, Methylbromid und/oder Methyliodid bereit. Repräsentative Beispiele für geeignete Amine umfassen Triethylendiamin (TEDA), Triethylamin (TEA), Pyridin, Pyridin-4-carbonsäure (P4CA), Kombinationen davon und dergleichen. Davon wird TEDA am stärksten bevorzugt.
Die Menge an Amin, die in die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen eingebracht wird, kann in einem weiten Bereich variieren. Im Allgemeinen kann, wenn zu wenig verwendet wird, die CK-Lebensdauer der resultierenden Medien unter dem liegen, was erwünscht ist. Außerdem kann, wenn zu wenig Amin verwendet wird, die synergistische Steigerung der Filterfähigkeiten (z. B. Lebensdauer bei organischen Dämpfen, CK und Ammoniak) nicht beobachtet werden, wenn sie in Kombination mit anderen Arten von Teilchen verwendet wird. Andererseits kann die Verwendung von zu viel Amin in der Regel ungebührlich die Fähigkeit der Filtermedienteilchen zur Entfernung von organischen Dämpfen aus Luft oder anderen Gasen verschlechtern. Außerdem kann oberhalb eines gewissen Imprägnierungsniveaus wenig zusätzlicher Nutzen aus der Verwendung von mehr Amin beobachtet werden. Wägt man diese Belange ab, umfasst die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen im Allgemeinen 0,5 bis 15, stärker bevorzugt 1 bis 5 Gew.% Amin, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen.
Außer dem Amin kann die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen gegebenenfalls ein oder mehrere andere Imprägnierungsmittel umfassen, wie die vorstehend hinsichtlich der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen beschriebenen. Beispielsweise umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen ein Aktivkohlesubstrat, das mit 2 bis 6 Gew.% Cu, 0,03 bis 1 Gew.% Ag, 1 bis 10 Gew.% Zn, 1 bis 6 Gew.% Mo und 1 bis 3,5 Gew.% TEDA imprägniert ist. Ein spezifisches Beispiel für solchen Kohlenstoff ist im Handel unter der Handelsbezeichnung „Calgon-ASZM-TEDA" von Calgon Carbon Corp. erhältlich. Es ist besonders wünschenswert, diesen speziellen Typ von Filtermedienteilchen als mindestens einen Teil der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen in Kombination mit einer mit Zn und Feuchtigkeit imprägnierten Aktivkohle, wie die „C-Chem Chemsorb 620" Filtermedienteilchen, als mindestens einem Teil der ersten Mehrzahl an Substratteilchen zu verwenden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen umfasst ein Aktivkohlesubstrat, das mit 0,5 bis 10 Gew.% tertiärem Amin, wie TEDA, und gegebenenfalls 0,5 bis 5, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.% Feuchtigkeit imprägniert ist. Eine solche Aktivkohle, die mit TEDA imprägniert, aber im Wesentlichen frei von anderen Imprägnierungsmitteln mit der Ausnahme von Feuchtigkeit ist, stellt insofern gute Filterfähigkeiten für CK und organische Dämpfe bereit, als dass andere Imprägnierungsmittel nicht vorliegen, die die Oberfläche des Kohlenstoffs belegen, die ansonsten zur Lagerung des Amins und/oder zur Adsorption organischer Dämpfe während des Filterbetriebs verwendet werden kann. Ein spezifisches Beispiel für eine Aktivkohle, die lediglich mit TEDA imprägniert ist, ist im Handel unter der Handelsbezeichnung „Pica Nacar-B" von Pica USA, Inc. erhältlich. Es ist besonders wünschenswert, diesen Typ von Filtermedienteilchen in Kombination mit Filtermedien mit breitem Spektrum zu verwenden, wie die „Calgon URC" Filtermedienteilchen, die Aktivkohle, die mit Cu, Zn, Mo, Sulfat, Ammonium und Wasser imprägniert ist, enthalten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen wird durch Imprägnieren eines Amins, wie TEDA, auf Teilchen aus einem Substrat mit ausgedehnter Oberfläche in Kombination mit mindestens zwei anderen, vorzugsweise mindestens drei anderen Imprägnierungsmitteln hergestellt. Diese Imprägnierungsmittel können gleichzeitig oder in jeder gewünschten Reihenfolge auf die Substratteilchen aufgebracht werden. Beispielsweise können solche Filtermedienteilchen bereitgestellt werden, indem ein tertiäres Amin-Imprägnierungsmittel, wie TEDA, so auf die „Calgon URC" Filtermedienteilchen aufgebracht wird, dass das Endprodukt Cu, Zn, Mo, Sulfat, Ammonium, Wasser und das Amin enthält. Dieses Imprägnieren kann mittels jeder gewünschten Imprägniertechnik durchgeführt werden. Jedoch wird, wenn TEDA das Amin ist, das normalerweise bei Zimmertemperatur ein Feststoff ist, das Imprägnieren von TEDA auf die Teilchen vorzugsweise mittels einer Sublimationstechnik erreicht, wie sie nachstehend beschrieben wird.
Wenn eine gewünschte Art von mit Amin imprägniertem Filtermedienteilchen nicht im Handel erhältlich ist, sind eine Vielzahl von Techniken zum Imprägnieren eines Amins auf Teilchen mit ausgedehnter Oberfläche verfügbar. Diese schließen beispielsweise Lösungsimprägnieren, ein Fließbettverfahren (Ro et. Al., U.S. Patent 5,792,720) und ein Niederdrucksublimationsverfahren (Liang et. al., U.S. Patent 5,145,820) ein. Wenn ein Feststoff, wie TEDA, auf Substratteilchen imprägniert werden soll, die bereits andere Imprägnierungsmittel enthalten, kann Lösungsimprägnieren die anderen Imprägnierungsmittel wegwaschen. Um den Verlust der anderen Imprägnierungsmittel zu vermeiden, wird das Imprägnieren unter diesen Umständen vorzugsweise mittles Sublimationstechniken durchgeführt.
Nach einem bevorzugten Ansatz bei der Verwendung von Sublimation zum Imprägnieren eines Amins auf Substratteilchen wird ein Rotationsvakuumapparat (handelsübliche Standardausrüstung, erhältlich von Quellen, wie Paul O. Abbé Corp.) verwendet. Der Rotationsvakuumtrockner, der von der Paul O. Abbé Corp. erhältlich ist, ist ein Gefäß in Gestalt von zwei Kegeln mit gemeinsamer Grundfläche. Das Gefäß kann um eine Achse rotiert werden, die sich im Allgemeinen durch die Grundflächen der Kegel erstreckt. Der Apparat umfasst eine innere Düse, durch die Flüssigkeiten in das Gefäß gesprüht werden können, falls gewünscht. Das Gefäß ist doppelwandig und kann mittels eines heißen Fluids, wie Dampf oder Öl, das innerhalb der doppelten Wände zirkuliert, erhitzt werden. Das Innere des Gefäßes kann auch mit einer Vakuumpumpe oder dergleichen verbunden werden, um den Innendruck zu senken. Ein Kondensationssystem ist eingeschlossen, um verdampftes Material, falls gewünscht, wieder aufzufangen, auch wenn dieses Merkmal im Allgemeinen eher imprägnierte Flüssigkeit oder Lösung als Sublimination betrifft.
Zur Durchführung der Sublimation werden die zu imprägnierenden Substratteilchen zusammen mit der gewünschten Menge an festem Amin in das Gefäß gegeben. Um beispielsweise 5 Gew.% TEDA auf ein Aktivkohlesubstrat zu imprägnieren, werden etwa 5 Gewichtsteile TEDA und 95 Gewichtsteile des Kohlenstoffsubstrats in das Gefäß gegeben. Das Gefäß kann dann ausreichend lang unter solchen Bedingungen rotiert werden, dass das Amin innig mit den Kohlenstoffteilchen dispergiert werden kann, aber nicht so lang, dass übermäßiges Vermahlen oder Zerbrechen der Kohlenstoffteilchen bewirkt wird. Die Sublimation kann unter einem weiten Bereich von Temperaturen, Drücken und Zeitdauern durchgeführt werden. Als empfohlene Richtlinien kann die Sublimation bei einer Temperatur im Bereich von etwa Normaltemperatur bis zum Schmelzpunkt des Amins, aber nicht darüber erfolgen. Im Fall von TEDA beträgt diese vorzugsweise 30°C bis etwa 75°C, stärker bevorzugt etwa 50°C. Der Druck kann 0,01 bis etwa 2, vorzugsweise 0,5 bis 1, stärker bevorzugt etwa 0,1 Atmosphären betragen. Der Arbeitsschritt der Sublimation kann für eine Zeitdauer im Bereich von 1 Minute bis 72 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden bis 48 Stunden, stärker bevorzugt etwa 24 Stunden durchgeführt werden.
Erfindungsgemäße Filtermedien können ein, zwei oder mehrere Schichten einschließen, in denen die erste und zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen vermischt und/oder in getrennten Filterbettschichten angeordnet sind. Die relativen Mengen an jeder Art von Filtermedienteilchen können über einen weiten Bereich variieren. Als allgemeine Richtlinie liegt das Verhältnis der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen zur zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen im Bereich von 1:19 bis 19:1, vorzugsweise 1:5 bis 5:1, stärker bevorzugt etwa 1:1.
Als Option können die erfindungsgemäßen Filtermedien außer der ersten und zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen ferner ein oder mehrere zusätzliche Mehrzahlen an Filtermedienteilchen umfassen. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Filtermedium gegebenenfalls drei, vier oder mehr Mehrzahlen von Filtermedienteilchen einschließen, die in einem einzigen Filterbett vermischt oder in jeweiligen Filterbetten aufgeschichtet sind. Falls sie geschichtet sind, können eine oder mehrere solcher Schichten die jeweiligen Kombinationen solcher Filtermedienteilchen einschließen, die vermischt sind. Beispielsweise kann eine spezifische Ausführungsform eines Filters mit drei Filterbetten ein erstes Filterbett, umfassend den „URC" imprägnierten Kohlenstoff, erhältlich von Calgon Carbon Corp., ein zweites Filterbett, umfassend einen mit Amin (vorzugsweise TEDA) imprägnierten Kohlenstoff, und ein drittes Filterbett, umfassend einen Kohlenstoff ohne Imprägnierungsmittel mit Ausnahme von optionaler Feuchtigkeit, einschließen.
1 veranschaulicht schematisch ein Filtersystem 10, umfassend Filterkanister 12, in dem eine erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen 14 mit einer zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen 16 in einer einzigen Filterbettschicht 19 vermischt ist. Ein Luftstrom 21, einschließlich eines oder mehrerer Schadstoffe 18, tritt in den Filterkanister 12 durch Einlassseite 20 ein, wird beim Durchlaufen der Filterbettschicht 19 filtriert und tritt dann durch Auslassseite 22 aus.
In einer anderen Ausführungsform können die zwei Arten von Filtermedienteilchen in getrennten Filterbettschichten angeordnet sein. Beispielsweise veranschaulicht 2 schematisch ein Filtersystem 30, umfassend Filterkanister 32, in dem eine erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen 34 im Filterbett 36 angeordnet ist. Die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen 38 ist im Filterbett 40 angeordnet. Ein Luftstrom 42, einschließlich eines oder mehrerer Schadstoffe 44, tritt in den Filterkanister 32 durch Einlassseite 46 ein, wird beim Durchlaufen der Filterbetten 36 und 40 filtriert und tritt dann durch Auslassseite 48 aus.
In 2 befindet sich die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen 34 in Bett 36 nahe der Einlassseite 46, während sich die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen 38 (die das Amin, wie TEDA, enthält) in Bett 40 fern von der Einlassseite befindet. Diese spezielle Anordnung der Teilchen 34 und 38 wird in den Fällen bevorzugt, in denen die Teilchen 34 etwas restlichen Ammoniak in sich tragen können. Die Masse der Teilchen 38, die sich stromabwärts von solchen Teilchen 34 befindet, hilft dabei, solchen Ammoniak herauszufiltrieren, falls der Ammoniak aus den Teilchen 34 ausgast. Ansonsten ist die Anordnung der Teilchen 34 und 38 in den Betten 36 und 40 austauschbar, wie es gewünscht wird.
3 ist ein schematisches Fließdiagramm eines Ansatzes 60 zum Einbringen einer Kombination von Filtermedienteilchen in einen Filter. In Schritt 62 wird eine Mehrzahl an Substratteilchen mit ausgedehnter Oberfläche bereitgestellt. In Schritt 64 werden diese Substratteilchen mit mindestens einem Übergangsmetall imprägniert. Die resultierenden imprägnierten Teilchen werden dann in zwei Teile 67 bzw. 69 aufgeteilt. In Schritt 66 wird Teil 67 mit mindestens einem Amin imprägniert. Somit sind die zwei Arten von Filtermedienteilchen identisch, ausgenommen dass ein Teil mit einem Amin imprägniert ist, während der andere dies nicht ist. In Schritt 68 werden der mit einem Amin imprägnierte Teil 67 und der andere Teil 69 in einem Filter vereint. Wie gewünscht, können die zwei Arten von Filtermedienteilchen vermischt und/oder in Filterbetten geschichtet werden.
4 ist ein schematisches Fließdiagramm eines anderen Ansatzes 70 zum Einbringen einer Kombination von Filtermedienteilchen in einen Filter. In Schritt 72 wird eine Mehrzahl an Substratteilchen mit ausgedehnter Oberfläche bereitgestellt. In Schritt 74 werden diese Teilchen mit Imprägnierungsmittel, umfassend ein Amin, imprägniert. In der Zwischenzeit wird in Schritt 78 eine weitere Mehrzahl an Substratteilchen mit ausgedehnter Oberfläche (diese Grundteilchen können dieselben, wie die in Schritt 72 bereitgestellten, sein oder davon verschieden) bereitgestellt. Diese werden mit einem oder mehreren Imprägnierungsmitteln, umfassend mindestens ein Übergangsmetall, in Schritt 80 imprägniert. Die Filtermedienteilchen, die aus den Schritten 74 und 80 resultieren, werden dann in Schritt 76 in Kombination in einen Filter eingebracht. Wie gewünscht, können die zwei Arten von Filtermedienteilchen vermischt und/oder in Filterbetten geschichtet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter unter Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Filtermedienteilchen
In allen Beispielen waren die Filtermedienteilchen #1 eine mit Kupfer, Zink, Molybdän, Ammonium, Sulfatsalz und Wasser imprägnierte Aktivkohle. Dieses Material wurde kommerziell als Kohlenstoff Typ „URC" von Calgon Carbon Corp. mit der Größe 12 × 30 mesh erhalten.
Die Filtermedienteilchen #2 waren Kohlenstoff auf Kokosnussschalenbasis, imprägniert mit 5 Gew.% TEDA. Dieses Material wurde kommerziell als Kohlenstoff „NACAR B" mit einer Größe von 12 × 20 mesh von Pica USA, Inc. (früher North American Carbon) erhalten.
Die Filtermedienteilchen #3 wurden hergestellt, indem die Filtermedienteilchen #1 mit 2,5 Gew.% TEDA mittels Sublimation in einem Rotationsvakuumapparat imprägniert wurden. Die Sublimation wurde etwa 24 Stunden lang bei 50°C und 0,1 atm durchgeführt.
Die Filtermedienteilchen #4 waren Aktivkohle, imprägniert mit Cu, Zn, Mo, Ag und TEDA. Dieses Material wurde kommerziell als Kohlenstoff Typ „ASZM-TEDA" von Calgon Carbon Corp. mit der Größe 12 × 30 mesh erhalten.
Die Filtermedienteilchen #5 waren mit Zinkchlorid imprägnierte Aktivkohle, von der angenommen wurde, dass sie 9 bis 12 Gew.% Feuchtigkeit enthielt. Dieses Material wurde kommerziell als Kohlenstoff Typ „620 G12" von Ionex Corp. (C*Chem-Abteilung) mit der Größe 12 × 20 mesh erhalten.
Beispiel 2
Herstellungsverfahren für Filterproben
Zur Herstellung von Filterproben wurden die Filtermedienteilchen #1, #2, #3, #4 und/oder #5, je nachdem, mit dem Verfahren der Schneesturmbefüllung in Filterkörper gefüllt. Bei diesem Verfahren werden die Teilchen ein Rohr mit Querdrähten heruntergegossen, die so angeordnet sind, dass sichergestellt ist, dass der Kohlenstoff gleichmäßig fällt und sich zu einer so hohen Packungsdichte wie praktisch möglich in den Behälter packt. Die verwendeten Behälter waren zylindrische Kunststoffkörper mit geeignetem Volumen. Am Boden jedes Behälterkörpers war eine Scheibe mit Löchern darin. Eine Vliesfilterschicht wurde darüber gelegt, um den Kohlenstoff zurückzuhalten, aber Strömen von Luft zu ermöglichen und Entkommen von Staub zu verhindern. Nach dem Befüllen mit Teilchen wurde ein Vliesfilter mittels Ultraschall mit einer oberen Scheibe mit Löchern darin verschweißt. Dieser Scheibenaufbau wurde dann über die Oberseite des/der Filterbetts/en pfahlgeschweißt. Die Filterherstellung wurde durch Einbringen eines hochwirksamen Teilchenfilterelements auf Glasfaserbasis an der Einlassseite des Filters beendet. Dieses Element wird dazu verwendet, die Fähigkeit zur Entfernung von festen und flüssigen Aerosolen aus Luft oder anderen Gasströmen zu verleihen. Diese Fähigkeit ist bei Anwendungen zum Schutz von Individuen nützlich.
Beispiel 3
Teststandards und Prüfung
Die Leistung der in diesen Beispielen beschriebenen Filter wurde gemäß den NIOSH-Anforderungen zur Genehmigung und den offenen (1973) NATO-Militärspezifikationen geprüft. Dies schließt die Eignung der beschriebenen Bauarttypen zur Erfüllung anderer industrieller oder militärischer Standards, entweder wie sie sind oder unter Änderung des Verhältnisses der Kohlenstoffbefüllung oder der Grade der Imprägnierung, nicht aus.
Die NIOSH-Standards sind im offiziellen Dokument, das bei Titel 42, Kapitel 84 des Code of Federal Regulations (42 CFR 84) erscheint, für die Anwendung bei negativem Druck und in einem Änderungsschreiben für die Anwendung bei Gebläseluft definiert. Der offene NATO-Militärstandard (Triptych AC/225 (Panel VII) D/103 (Rev.)) ist offiziell lediglich für Ausrüstung bei negativem Druck definiert und der Standard wurde durch Prüfen bei höheren Luftströmen in diesen Beispielen an die Verwendung mit Gebläseluft angepasst.
Die Filter, die aus den verschiedenen Filtermedienteilchen aufgebaut wurden, wurden in einem System geprüft, das einen konstant strömenden Strom von feuchter Luft unter kontrollierten Bedingungen von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit erzeugt. Ein flüssiger Schadstoff wurde für einen Dampftest in diesen Luftstrom verdampft oder ein gasförmiger Schadstoff wurde für einen Gastest über einen Durchflussmengenregler in den Strom abgemessen. Der resultierende Luftstrom, der den Schadstoff enthielt, wurde dem Testfilterkörper zugeleitet, der in einer Kammer montiert war. Das System wies ein geeignetes Verfahren zur Beprobung des Prüfluftstroms auf, um die angewandte Konzentration des Schadstoffs im Luftstrom zu ermitteln. Ein Analysator eines für das Testgas geeigneten Typs befindet sich stromabwärts vom Filter, um die Konzentration des Schadstoffs in der aus dem Filter ausströmenden Luft zu messen. Für die Anforderungen der industriellen und militärischen Tests wurde die Zeit gemessen, die es dauert, bis die Konzentration eines Testagens einen festgelegten Wert erreicht. Gemäß dem jeweiligen Standard muss diese Zeit, bis die Schadstoffkonzentration in der ausströmenden Luft den festgelegten Wert erreicht, eine minimale Zeit übersteigen, damit das Testergebnis als bestanden angesehen wird.
Bei einigen hier angegebenen Testbedingungen wurde mit den Filtern vor der Prüfung eine Vorbehandlung durchgeführt. Jede Vorbehandlung umfasste, dass bestimmte Filter in einem Satz vor der Prüfung einem fließenden Strom von feuchter Luft mit Gehalten, die bei realer Verwendung für hohe oder niedrige Luftfeuchtigkeit stehen, ausgesetzt wurden. Dieses Aussetzen wurde bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt, je nachdem ob der Filter für Anwendung bei negativem Druck oder positivem Druck ausgelegt war. In jedem Fall wurde die Vorbehandlung 6 Stunden durchgeführt. Die nicht vorbehandelten Filter werden in den nachstehenden Tabellen als „wie erhalten" bezeichnet. Bei bestimmten militärischen Anwendungen gab es eine Vorbefeuchtung mit einem Gehalt, der für hohe Feuchtigkeit stand, bis zur konstanten Gewichtsaufnahme des Filters. Eine andere Vorbehandlung umfasste eine Vertikalstoßprüfung gemäß europäischen Prüfungsanforderungen, bei denen die vollständigen Filter mit der Einlass-Auslass-Achse horizontal hingelegt werden, so dass sie sich etwas bewegen können, jedoch nicht frei herumrollen. Diese Anordnung sitzt auf einem schweren Metalltrog, der von einem motorisch angetriebenen Exzenter 2 cm nach oben bewegt wird und unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten fallen kann. Anheben und Fallenlassen wird 20 Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 100 Zyklen pro Minute durchgeführt. Die Vorgehensweise stellt eine Prüfung der physischen Integrität eines Filters dar.
In allen Tabellen in dieser Beschreibung werden die folgenden Vorbehandlungscodes in den Tabellen verwendet, die die Testbedingungen und -Ergebnisse enthalten:

1. Filter geprüft wie erhalten
2. Filter geprüft nach 6 Stunden Durchfluss von Luft mit 25±5% r. F., 25±2,5°C bei 45 oder 57 1/min gemäß dem Testfluss
3. Filter geprüft nach 6 Stunden Durchfluss von Luft mit 85±5% r. F., 25±2,5°C bei 45 oder 57 1/min gemäß dem Testfluss
4. Filter geprüft nach dem Durchfluss von Luft mit 80±5% r. F., 24±3°C bis zu konstanter Gewichtsaufnahme
5. 20 Minuten grobe Vertikalstosshandhabung mit 2 cm Auslenkung bei 100 Zyklen pro Minute an Kanistern, die mit der Einlass-Auslass-Achse horizontal montiert sind.

Beispiel 4
Schichtfilterbett: Probe A
Ein Filterbett wurde hergestellt, bei dem das untere Auslassfilterbett 155 cm³ Filtermedienteilchen #2 und das obere Filterbett 150 cm³ Filtermedienteilchen #1 umfasste. Dieser Filter wurde auf die Übereinstimmung mit NIOSH-Anforderungen an die Genehmigungsprüfung für zwei oder drei Filter an einem Atemschutzsystem zur Reinigung von Gebläseluft und der offenen NATO-Militärspezifikation bei den gleichen Fließgeschwindigkeiten hin geprüft. Dies bedeutete die Prüfung des Filters bei 57 1/min (LPM) pro Filter. Die Ergebnisse werden nachstehend in den Tabelle IA und IB aufgeführt. (A für industrielle Bedingungen, B für militärische Bedingungen).
Beispiel 5
Schichtfilterbett: Probe B
Ein Filter wurde wie in Beispiel 4 hergestellt, ausgenommen dass das untere Filterbett 125 cm³ Filtermedienteilchen #2 umfasste und das obere Filterbett 125 cm³ Filtermedienteilchen #1 umfasste. Dieser Filter wurde auf die Übereinstimmung mit NIOSH-Anforderungen an die Genehmigungsprüfung für Zwillingsfilterverwendung an einem Atemschutzsystem zur Reinigung von Gebläseluft mit einem Ausstoss von 90 LPM geprüft. Die Filter wurden deshalb bei jeweils 45 LPM geprüft.

1. Die Ergebnisse der Tests sind in den Tabellen IA-1, IA-2, IA-3 und IB (A für industrielle Bedingungen, B für militärische Bedingungen) angegeben.

Bei einigen Tests wurden mehrfache Ansätze durchgeführt. Die Ergebnisse werden für jeden Ansatz, getrennt durch ein Komma, aufgeführt. Ein „>" vor einem Ergebnis bedeutet, dass der Test bei der angegebenen Zeit abgebrochen wurde, ohne dass die Konzentration des betreffenden Schadstoffs in der ausströmenden Luft die im Standard angegebene Durchbruchkonzentration erreicht hatte.
Es ist offensichtlich, dass für die meisten Anforderungen die Leistung der erfindungsgemäßen Filterproben bei weitem die minimalen zulässigen Filterlebensdauern übersteigt. Bei drei dieser Tests ist der Unterschied zwischen der Leistung der Filterproben und den minimalen Anforderungen geringer als bei den anderen Tests. Diese waren:

a. 85% r. F. vorbefeuchteter organischer Dampftest;
b. „wie erhalten"-Ammoniaktest; und
c. 80% r. F. vorbefeuchteter Chlorcyantest.

Es ist Zufall, dass diese Testchemikalien für drei unterschiedliche Mechanismen der Schadstoffentfernung stehen. Der organische Dampftest steht für ein Maß des physisorptiven Aufnahmevermögens des Filters. Ammoniak bzw. Chlorcyan werden beide durch eine chemische Reaktion mit den Imprägnierungsmitteln entfernt, es sind aber unterschiedliche Reaktionen betroffen. Es wurde gefunden, dass wenn eine Filterprobe diese drei speziellen Tests besteht, die Filterprobe in der Regel die übrigen Tests recht leicht besteht.
Beispiel 6
Gemischtes Filterbett: Probe C
125 cm³ Filtermedienteilchen #1 und 125 cm³ Filtermedienteilchen #2 wurden innig vermischt und dann in einen Filterkörper geladen. Die hergestellte Anordnung wurde bei 45 LPM geprüft. Die Testergebnisse werden zusammen mit vergleichbaren Ergebnissen für die Proben A und B zu Vergleichszwecken in Tabelle II aufgeführt.
Beispiel 7
Vergleichsproben

Um festzustellen, dass die Verwendung der einzelnen Elemente dieses Filteraufbaus nicht einzeln das notwendige Leistungsniveau bereitstellen können, wurden die jeweiligen Proben der Filtermedienteilchen #1 oder #2 in Filterkörper geladen, um die Fähigkeiten jedes Typs von Filtermedienteilchen für sich zu bewerten. Die folgenden Vergleichsproben wurden hergestellt und geprüft:

Probe D	155 cm³ Filtermedienteilchen #2 (5% TEDA Kohlenstoff)
Probe E	150 cm³ Filtermedienteilchen #1 (URC Kohlenstoff)
Probe F	305 cm³ Filtermedienteilchen #2 (5% TEDA Kohlenstoff)
Probe G	305 cm³ Filtermedienteilchen #1 (URC Kohlenstoff)

Die Ergebnisse für diese Proben ebenso wie für die Probe A werden in Tabelle III aufgeführt. Die Testbedingungen waren dieselben Gebläseluftanforderungen, wie sie für Probe A verwendet wurden.
Die folgenden Beobachtungen können an den Daten, die in den Tabellen IA-1, IA-2, IA-3, IB, II und III dargestellt sind, gemacht werden:
Die Proben A und B können beide die NIOSH-Genehmigungsstandards und die offenen NATO-Militäranforderungen bei ihren jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten erfüllen.
Die Proben C, verglichen mit B, zeigen an, dass inniges Vermischen bei den kritischsten Tests für Leistungsvermögen sorgt, das den getrennten Schichten gleichwertig ist.
Der Hauptvorteil der geschichteten oder vermischten Kombination der zwei verschiedenen Arten von Filtermedienteilchen ist beim Vergleich der Ergebnisse der Proben A, D und E zu sehen. Auch wenn die Änderung der Lebensdauer beim Vereinigen von Kohlenstoffbetten nicht notwendigerweise der arithmetischen Summe ihrer einzelnen Fähigkeiten (3 Minuten Lebensdauer bei allen) entspricht, ist die Beobachtung einer durchschnittlichen Lebensdauer von 18 Minuten beim organischen Dampftest bei Probe A dennoch eine unerwartete Zunahme. Insbesondere springt, auch wenn der TEDA-Kohlenstoff an sich kein merkliches Aufnahmevermögen für Ammoniak zu haben scheint, wenn er in Kombination mit einer Schicht des URC-Kohlenstoffs verwendet wird, die Ammoniaklebensdauer, die vom URC-Kohlenstoff beigetragen wird, von 22 Minuten auf 32 bis 34 Minuten. Eine ähnliche synergistische Wirkung wird auch bei der Chlorcyanlebensdauer beobachtet, die vom mit TEDA imprägnierten Kohlenstoff beigetragen wird.
Die Proben F und G zeigen die Leistung eines normal großen Filters, der aus den jeweiligen Kohlenstoffkomponenten hergestellt wurde. Es ist zu sehen, dass keine die volle Breite der Fähigkeiten des vereinten Ansatzes im Bereich von entfernten Chemikalien erfüllt, und beim befeuchteten organischen Dampftest wird die Fähigkeit des vereinten Filterbetts A weder vom mit TEDA noch vom mit URC imprägnierten Kohlenstoff erreicht.
Beispiel 8
Schichtfilterbett: Probe H
Ein Filterbett wurde hergestellt, bei dem das untere Auslassfilterbett 155 cm³ Filtermedienteilchen #3 und das obere Filterbett 150 cm³ Filtermedienteilchen #1 umfasste.
Beispiel 9
Vergleichsprobe I
Ein Filterbett wurde hergestellt, indem 305 cm³ Filtermedienteilchen #3 in einen Filterkörper geladen wurden.
Beispiel 10
Prüfung der Proben A und H
Die Proben A und H wurden unter den in Tabelle IV aufgeführten Bedingungen geprüft. Die Daten für Probe H in Tabelle IV zeigen, dass die Schicht ohne TEDA derselbe Grundkohlenstoff (Filtermedienteilchen #1) sein kann, der zum TEDA-Imprägnieren mit dem zur Erzeugung der Teilchen #3 verwendeten Verfahren verwendet wurde. In diesem Falle scheint es eine minimale Verringerung der befeuchteten organischen Dampflebensdauer und eine beträchtliche Verbesserung der CK-Lebensdauer zu geben, auch wenn die Nettomenge an TEDA, die im Filterbett vorliegt, halb so groß wie in Beispiel A ist.
Beispiel 11
Schichtfilterbett, Probe J
Ein geschichteter Filter wurde hergestellt, bei dem das untere Auslassfilterbett 80 cm³ Filtermedienteilchen #5 und das obere Filterbett 250 cm³ Filtermedienteilchen #4 umfasste.
Beispiel 12
Schichtfilterbett, Probe K
Ein geschichteter Filter wurde hergestellt, bei dem das untere Auslassfilterbett 45 cm³ Filtermedienteilchen #5 und das obere Filterbett 225 cm³ Filtermedienteilchen #4 umfasste.
Beispiel 13
Prüfung der Probe J
Die Probe J wurde unter den folgenden, in den Tabellen VA und VB aufgeführten Bedingungen geprüft. Die industriellen Testbedingungen entsprechen dem NIOSH-Gebläseluft-„Canister"-Standard für ein dicht sitzendes System und wurden bei 40 LPM durchgeführt. Dieselbe Strömungsgeschwindigkeit wurde bei den militärischen Tests bei Bedingungen eingesetzt, die ansonsten dem offenen NATO-Standard gleichwertig waren.
Beispiel 14
Prüfung der Probe K
Die Probe K wurde unter den in Tabelle VIA und VIB aufgeführten Bedingungen geprüft. Die industriellen Tests entsprechen den Bedingungen, die von der europäischen Norm EN 141 gefordert werden, für Filter, die direkt an einer Gesichtsmaske verwendet werden. Die militärischen Bedingungen entsprechen den Elementen der US und kanadischen Militärspezifikationen für Atemluftkanuister mit negativem Druck.
Die Daten zeigen, dass ein praktisches Produkt erhalten werden kann, wenn das TEDA mit dem Kohlenstoff, der Kupfer, Zink, Molybdän und Silber enthält, verbunden wird, und es ein getrenntes Bett von Kohlenstoff, der Zinkchlorid enthält, gibt.

Claims

Filtermedium, umfassend: eine erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen, die ein mindestens ein Übergangsmetall-Imprägnierungsmittel umfassendes Substrat mit einer ausgedehnten Oberfläche umfassen; und eine zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen, die ein ein Amin-Imprägnierungsmittel umfassendes Substrat mit einer ausgedehnten Oberfläche umfassen.
Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen jeweils im wesentlichen frei von Chrom sind.
Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen ferner Cu-, Ag-, Zn- und Mo-Imprägnierungsmittel umfasst.
Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen ferner bis zu etwa 15 Gew.-% Feuchtigkeit umfasst.
Filtermedium nach Anspruch 3, wobei die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen Cu-, Zn- und Mo-Imprägnierungsmittel umfasst.
Verfahren zum Filtern von Schadstoffen aus einem Gas, umfassend den Schritt des Fließenlassens des Gases durch ein Filtermedium, welches einschließt: (a) eine erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen, die ein mindestens ein Übergangsmetall-Imprägnierungsmittel umfassendes Substrat mit einer ausgedehnten Oberfläche umfassen; (b) eine zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen, die ein ein Amin-Imprägnierungsmittel umfassendes Substrat mit einer ausgedehnten Oberfläche umfassen; und (c) das Einschließen der ersten Mehrzahl an Filtermedienteilchen in ein erstes Filterbett und das Einschließen der zweiten Mehrzahl an Filtermedienteilchen in ein zweites Filterbett umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Filtermedium einen Einlass, durch den ein Gas in das Filtermedium eintritt, und einen Auslass, durch den das Gas das Filtermedium verlässt, aufweist, und wobei das erste Filterbett nahe dem Einlass und das zweite Filterbett nahe dem Auslass liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen ferner Cu-, Ag-, Zn- und Mo-Imprägnierungsmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen ferner bis zu etwa 15 Gew.-% Feuchtigkeit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die erste Mehrzahl an Filtermedienteilchen ein Zn-Imprägnierungsmittel umfasst, und wobei die zweite Mehrzahl an Filtermedienteilchen TEDA und Cu-, Ag-, Zn- und Mo-Imprägnierungsmittel umfasst.