JP2004511337A - 化学反応性濾過のための装置と方法 - Google Patents

Abstract

化学反応性の酸化剤１２、酸または塩基、配位剤、錯化剤、または潮解剤を含む内部空洞１０を有する繊維２を使用して、気体汚染物質が濾過される。汚染物質が塩基性である場合、試薬１２は酸化剤であることが好ましい。汚染物質が酸性である場合、試薬１２は塩基性であることが好ましく、Ｉ族またはＩＩ族の金属カチオンを含むことがさらに好ましい。試薬１２が、リン酸塩、キトサン、次亜塩素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物を含むこともやはり有利になる可能性がある。汚染物質が中性である場合、試薬１２は酸化剤、錯化剤、配位剤、または潮解剤であることが好ましい。試薬１２は、例えば炭素粉末、ゼオライト、酸化アルミニウム、またはシリカを含む吸着性固体に含められることが好ましい。繊維２は、マルチローブのものであることが好ましく、３ローブまたは４ローブのいずれかであることが最も好ましい。繊維２が複数のＴ形ローブ６を含むこともやはり好ましい。

Description

【０００１】
本出願は、２０００年１０月１７日出願のＰＣＴ／ＵＳ００／２８６８０に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は濾過システムに関し、特に、固体および液体の試薬を使用するシステムに関する。
【０００３】
発明の背景
空気流から不純物を除去するために吸着素子として活性炭および他の材料を使用することは、従来から知られている。効果的な繊維断面の出現に伴って、部分的に中空の繊維を作製することが可能になっている。特に効果的な断面は、Ｌａｒｇｍａｎらの米国特許第５，０５７，３６８号、「Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ　Ｈａｖｉｎｇ　Ｔｒｉｌｏｂａｌ　Ｏｒ　Ｑｕａｄｒｉｌｏｂａｌ　Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ」に記載されるような、中央コアから延びる３つのＴ形ローブを有するものであり、その開示を参照により本明細書に組み込む。従来のフィルタは、様々な応用例の中で、固体または液体の材料でコーティングされた濾過媒体を使用してきた。しかしながら、これらの応用例の多くは吸着ではなくて吸収に頼ってきた。吸着は、除去対象の粒子がフィルタ材料素子の表面に付着する場合に生じ、それに対して吸収は、１つの区域から別の区域に不要な粒子を非機械的な形で移すように、分子の移動度が活用される場合に生じる。マルチローブ繊維は、ある種の汚染物質除去液体もしくは固体が、繊維内に形成された空洞に充填されるウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）繊維として特に効果的であった。
【０００４】
固体のフィルタ粒子で充填されたマルチローブ繊維は、吸着による空気濾過および臭気除去の応用例に使用されてきた。そのようなフィルタ粒子には、炭素粒子、ゼオライト、重曹、シクロデキストリン、およびある種の汚染物質を吸着可能な固体の使用が含まれた（米国特許第５，７５９，３９４号参照、その開示を参照により本明細書に組み込む）。ウィッキング繊維としてマルチローブタイプの繊維を利用する他の応用例には、繊維の空洞内に充填されるある種の液体の吸収特性もまた含まれる。これらの液体は、通常、汚染空気流から可逆的な方法で臭気および気体分子を軽く吸収して、第２の空気流へのこれらの分子の最終的な分散を助長するように選択された（米国特許第５，８９１，２２１号および第５，７０４，９６６号参照、それらの開示を参照により本明細書に組み込む）。
【０００５】
汚染物質の無い環境を維持することは、集積回路の製造で特に重要である。なぜならウェハは、小さな粒子および低レベルのある種の化学物質に極めて敏感だからである。これは、濾過された空気を備えたクリーンルームの中でウェハを製造することによってなされ得る。フィルタは、粒子および化学物質レベルを極端に低レベル（１ｐｐｂ未満）まで下げるのに使用される。半導体装置はまた、しばしば環境制御機器をも装備され、それが加工処理中に局所的な超清浄空気流を供給する。しかしながら、従来の化学的フィルタは極めて短い寿命期間であり、頻繁な交換を必要とし、かつある種の化学物質を効率的に濾過するのに効果的でない。
【０００６】
以前の特許出願は、塩基性気体と化学的に反応する試薬を含む長手方向に延びる内部空洞を有する繊維を使用する、塩基性気体の濾過を教示するものである。好ましい試薬は、酸、配位剤、錯化剤、および潮解剤を含み、吸着性固体に含められると有利になる可能性がある。その時点では、酸化剤を使用して塩基性気体もやはり濾過可能であること、あるいは類似した方法で酸性または中性の気体が濾過可能であることは判らなかった。したがって、様々な気体を濾過するための装置と方法を提供する必要がまだある。
【０００７】
発明の概要
本発明は、化学的に反応性の酸化剤、水素イオン受容体もしくは供与体、配位剤、錯化剤、または潮解剤を含む内部空洞を有する繊維を使用して、気体汚染物質が濾過される装置と方法を提供する。
【０００８】
気体汚染物質は、酸性、塩基性、またはｐＨ中性であり得る。汚染物質が塩基性である場合、試薬はいかなる酸であってもかまわないが、酸化剤であることが好ましい。汚染物質が酸性である場合、試薬は塩基性であることが好ましく、Ｉ族またはＩＩ族の金属カチオンを含み、好ましくは次のアニオン、すなわちリン酸塩、キトサン、次亜塩素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物の金属カチオンを含むことがさらに好ましい。汚染物質が中性である場合、試薬は、錯化剤、配位剤、酸化剤、または潮解剤であることが好ましい。
【０００９】
好ましい実施形態では、試薬は金属カチオン、特にＩ族またはＩＩ族の金属カチオンを含む。試薬はまた、有利には、リン酸塩、キトサン、次亜塩素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物を含むことができる。
【００１０】
試薬は、例えば炭素粉末、ゼオライト、酸化アルミニウム、またはシリカを含む吸着性固体に含められることが好ましい。
【００１１】
繊維はマルチローブであることが好ましく、３ローブ（ｔｒｉｌｏｂａｌ）かまたは４ローブ（ｑｕａｄｒｉｌｏｂａｌ）のいずれかであることが最も好ましい。繊維が複数のＴ形ローブを含むこともやはり好ましい。
【００１２】
本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面と共に、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明からさらに明白になるであろう。
【００１３】
異なる図中の同じ参照符号は、同様もしくは同一の品目を示す。
【００１４】
詳細説明
図１は、個々のマルチローブ繊維２の断面の詳細な図を示す。繊維２は、熱可塑性のポリマーで作製されたタイプの繊維であり、上記で参照した米国特許第５，０５７，３６８号に記載されているように、従来の紡糸口金を通じて繊維構造を紡ぐといった従来の繊維形成技術によって形成される。繊維２は、コア４を有し、コア４から３つのローブ６が外に向かって延びる。それぞれローブ６は、ローブ６の端部に垂角に取り付けられたキャップ８で終端する。ローブ６と隣接するキャップ８との間に形成される空洞は、マルチローブ繊維２の全長に沿って走り、長手方向の溝１０を形成する。マルチローブ繊維２は、粉末炭素のような粉末状の粒子物質を保持する能力を有する。炭素粉末は、いかなる液体も使用することなく、キャップ８によって捕捉されることで、溝１０内に機械的に保持されることができる。溝１０内への粉末の捕捉は、繊維へ粉末を振りかけ、それから余剰の粉末を振り落とすか、または送風機で余剰の粉末を吹き飛ばすことによって達成することができる。
【００１５】
繊維２は、毛管力を通じて液体を溝１０内に保持できることが好ましい。図２は、繊維マット１００の拡大図を示しており、そこでは液体試薬１２が網目にされた繊維２の溝１０内に充填される。液体試薬１２は、液滴浸透繊維マット１００を有し、繊維２の表面との衝突の後に溝１０内に運ぶことによって、溝１０を充填するのに利用することができる。液滴が繊維２と衝突すると、その後、液滴は、繊維２の間に空隙を残して、繊維マット１００を通る妨害の無い空気流を可能にしながら迅速に溝１０と一体になる。あるいは、繊維２は、試薬１２中に繊維２を浸しかつ余剰の試薬１２を除外することによって、毛管力で溝１０内に試薬１２を運び上げることができる。
【００１６】
試薬１２は、機械的な噴霧器に試薬１２を押し通すか、好ましくは従来の液体ドロッパを使用することによるなどの様々な方法で、液滴に形成することが可能である。試薬１２は、酸、塩基、酸化剤、還元剤、錯化剤、配位剤、潮解剤といった多様な液体に及ぶことがあり得る。
【００１７】
試薬１２として使用するための酸は、例えば、ホウ酸、好ましくはリン酸、硫酸といった無機酸を含む。無機酸ではなく有機酸もまた使用することができる。有機酸は、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸、およびトリカルボン酸を含み、これらのタイプの有機酸は、クエン酸、乳酸、マレイン酸、フマル酸、カプロン酸、ラウリン酸、シュウ酸、マロン酸、酒石酸、コハク酸、サリチル酸、およびリンゴ酸を含む。また別の実施形態では、液体の酸の代わりに粉末にされた酸が使用され、炭素粉末について上記に述べたのと同様の方法で、溝１０に含められることもやはりあり得る。代替実施形態では、非塩基性の汚染物質を濾過するのに粉末にされた塩基が使用されることもある。そのような粉末塩基は、例えば炭酸水素ナトリウム（重曹）、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸三ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化カリウム、および四ホウ酸ナトリウムを含むことがあり得る。また試薬１２は、遷移金属、例えば銅、スズ、鉄、亜鉛、およびチタンを含む配位剤、ならびに捕捉剤、例えばシクロデキストリンを含む錯化剤を含むこともあり得る。
【００１８】
試薬１２として使用する塩基は、例えばＩ族またはＩＩ族の金属カチオンを含み、やはりリン酸塩、キトサン、次亜塩素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物を含むことが有利となることもあり得る。特に検討される塩基は水酸化ナトリウムおよびカリウム、リン酸カリウムおよびナトリウム、酸化もしくは水酸化されたカルシウムまたはマグネシウム、炭酸ナトリウムまたはカリウムである。
【００１９】
本明細書で検討される酸化剤は、Ｉ族またはＩＩ族金属の過マンガン酸塩、過酸化水素ならびにその他の無機および有機の過酸化物、Ｉ族またはＩＩ族金属の次亜塩素酸塩、亜鉛、スズ、鉄、チタンなどを含む金属酸化物を含む。
【００２０】
本明細書で検討される錯化剤は、尿素、シクロデキストリン、クラウンエーテルなどを含む。
【００２１】
本明細書で検討される配位剤は、亜鉛およびスズの酢酸塩などを含む。
【００２２】
本明細書で検討される潮解剤は、リチウムおよびカリウムのハロゲン化物（臭化物および塩化物を含む）、フルクトース、プロピレンおよびエチレングリコールなどを含む。
【００２３】
図３は、繊維マット１００の拡大図を示す。繊維２は、プリーツにされるか、または層に成形されて多様な構造の繊維マット１００を形成することができる。概して、溝１０内の容積は、マルチローブ繊維２の容積の約半分を構成し、汚染物質の密度に応じて、繊維２は、液体汚染物質を重量で約１００％、固体粉末を重量で２５％から１２５％まで程度を溝１０内に取り込むことができる。液体または固体汚染物質の両方を捕捉するためにマルチローブ繊維２の特性を利用し、試薬１２は、吸着および吸収濾過の応用例に使用される。試薬１２は、意図的に溝１０に含められるものであり、反応性の液体もしくは固体試薬であることができ、好ましくは両方とも酸であることができる。繊維マット１００は、支持ネットワークとして使用され、吸着性および吸収性分子の汚染物質の除去のために高度に分散した構成に試薬１２を保つ。マルチローブ繊維２は、液体もしくは固体の（酸の）試薬１２を保持可能であるばかりでなく、液体試薬と固体粒子の組合せを保持することにもまた効果的である。ゼオライト、酸化アルミニウム、活性炭（浸漬処理および未処理の両方）、化学修飾されたシリカといった固体吸着剤が、液体または固体形態のいずれかの酸試薬１２と組み合わされ、マルチローブ繊維２の溝１０に含められることもあり得る。固体吸着剤はまた、塩基試薬１２との組合せで使用され、溝１０に含められることもあり得る。
【００２４】
繊維マット１００は、通過する流体流から酸または塩基の汚染物質を濾過するのに特に効果的である。検討される酸性汚染物質は、化学技術において従来から酸と称されるいずれかの化学物質または化合物であり、水素イオン供与体および電子受容体を含む（ルイス酸）。検討される塩基性汚染物質は、化学技術において従来から塩基と称されるいずれかの化学物質または化合物と考えられ、水素イオン受容体および電子供与体を含む（ルイス塩基）。特に検討される酸汚染物質は、無機酸と有機酸であって、特に塩酸、硫黄酸化物の酸、有機酸を含む。特に検討される塩基性汚染物質は、アンモニアとアミンである。
【００２５】
ｐＨ中性汚染物質もまた、本明細書の本発明の技術を使用して濾過することができる。特に検討されるｐＨ中性汚染物質は、砒素およびその誘導体、アルコール、炭化水素、および酸素付与された炭化水素である。そのような中性汚染物質のために特に検討される試薬は配位剤、酸化剤、および錯化剤である。
【００２６】
液体の塩基性試薬１２が含められた繊維マット１００は、特に窒素もしくは硫黄含有酸、硫黄酸化物、窒素酸化物、硫化水素を含む無機もしくは有機酸といった酸性汚染物質を、通過する流体流から特に吸収するのに特に効果的である。例となる図では、硫酸で汚染された空気流が、繊維マット１００を通過する。水酸化ナトリウムのような塩基性試薬１２が含められたマルチローブ繊維２にわたって汚染物質が通過すると、酸と塩基が化学的に反応して、水と不揮発性の硫酸ナトリウム塩を生成する。そのとき、繊維２は、塩のいくぶんかまたは全部を保持する。
【００２７】
マルチローブ繊維２で塩基性試薬１２を利用する繊維マット１００は、様々な応用例で使用することができ、例えば繊維マット１００を形成するためにマルチローブ繊維２をプリーツまたは層にして使用することができる。一実施形態では、図４に示したように、繊維マット１００は、濾過チャンバ１０２内の濾過素子として使用されることもあり得る。チャンバ１０２は、従来の金属、例えばアルミニウムから構成することのできるハウジング１８からなり、取扱いと現場据付けに適応する。プリーツまたは層にされた繊維マット１００は、好ましくは接着剤または脱ガスの少ないグルーによって、ハウジング１８に取り付けられる。代替実施形態では、フレームに取り付けられる繊維マット１００を有することもやはりあり得る（フレームは図示せず）。繊維マット１００を備えたこのフレームは、その後、ハウジング１８内で交換できるように着脱可能である。ハウジング１８も、入口１４と出口１６とを有し、空気流２０が、濾過チャンバ１０２を通過して繊維マット１００を通して濾過されるのを可能にする。チャンバ１０２が、粒子および／または化学的濾過を提供するために使用されることもあり得る。
【００２８】
図５は、繊維マット１００の代替実施形態を示す。図６は、繊維マット１００が多層の繊維マット１００’に置き換わっていることを除いて、ほとんどの点で図４のチャンバ１０２と同様である。多層の繊維マット１００’は、いくつかの個別の隣接層から構成されるフィルタである。各個別層は、上記で検討した試薬のいずれかが含められ、各層が異なる試薬を備えたいくつかの個別層が、単一の多層繊維マットに組み合わされる。層の数は１からＮにわたり、繊維マット１００’は、所望の機能性に応じていかなる層と試薬の組合せを含むこともあり得る。
【００２９】
こうして、化学反応性濾過のための装置と方法の特定の実施形態と応用例が、開示されてきた。しかしながら、記載したものに加えてさらに多くの修正形態が、本明細書の発明の概念から逸脱することなく考慮されることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の主題は、特許請求の範囲の精神を除いて制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
個々のマルチローブ繊維の詳細な断面図である。
【図２】
それぞれのマルチローブ繊維に配置された試薬を備えたマルチローブ繊維で作製された繊維マットの拡大図である。
【図３】
図２の繊維マットのさらに拡大した図である。
【図４】
酸が含められたマルチローブ繊維フィルタで、空気流を濾過するのに使用するための一実施形態のチャンバを示す図である。
【図５】
多層化されたマルチローブ繊維フィルタを備えた図４のチャンバを示す図である。

Claims (23)

1. 各繊維が長手方向に延びる複数の内部空洞を画定する細長い複数の繊維と、
   前記繊維の内部空洞に配置され、かつ酸化剤と塩基から成るグループから選択される試薬とを含むガスフィルタ。
2. 前記試薬が前記塩基を含む、請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記試薬が金属カチオンを含む、請求項１に記載のフィルタ。
4. 前記試薬がＩ族またはＩＩ族の金属カチオンを含む、請求項１に記載のフィルタ。
5. 前記試薬がリン酸塩、キトサン、次亜塩素酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物を含む、請求項１に記載のフィルタ。
6. 前記試薬が吸着性固体に含められる、請求項１に記載のフィルタ。
7. 前記吸着性固体が炭素粉末を含む、請求項６に記載のフィルタ。
8. 前記吸着性固体が、ゼオライト、酸化アルミニウム、およびシリカから成るグループから選択される、請求項６に記載のフィルタ。
9. それぞれ複数の前記繊維が３ローブである、請求項１に記載のフィルタ。
10. それぞれ複数の前記繊維が４ローブである、請求項１に記載のフィルタ。
11. それぞれ複数の前記繊維が複数のＴ形ローブを含む、請求項１に記載のフィルタ。
12. 気体から酸性またはｐＨ中性の気体状汚染物質をフィルタで濾過する方法であって、
    長手方向に延びる複数の内部空洞を備えたフィルタを供給するステップと、
    前記汚染物質と反応する試薬を前記内部空洞に配置するステップとを含み、
    前記試薬が、酸化剤、塩基、配位剤、錯化剤、および潮解剤から成るグループから選択される方法。
13. 前記汚染物質が酸性である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記汚染物質がｐＨ中性である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記試薬が酸化剤である、請求項１２に記載の方法。
16. 前記試薬が塩基である、請求項１２に記載の方法。
17. 前記試薬が錯化剤である、請求項１２に記載の方法。
18. 前記試薬が潮解剤である、請求項１２に記載の方法。
19. 前記試薬が、リン酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、水酸化物、または酸化物を含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記試薬が吸着性固体に含められる、請求項１２に記載の方法。
21. 前記吸着性固体が粉末を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記空洞がマルチローブの繊維によって画定される、請求項１２に記載の方法。
23. それぞれ複数の前記繊維が複数のＴ形ローブを含む、請求項２２に記載の方法。

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