JP2004528970A - 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、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を有する繊維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内に充満されることが好ましい。繊維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。繊維が複数のＴ形ローブを含むこともやはり好ましい。

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願は１９９９年１０月２０日頃出願の米国特許出願第０９／４２２０３９号の一部継続出願であり、２０００年１０月１７日出願のＰＣＴ／ＵＳ００／２８６８０号に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
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５０５７，３６８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。マルチローブの繊維は、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満される灯心型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満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）。灯心型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、繊維の空洞内に充満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、汚染空気流から非可逆的な形式で臭気および気体分子を容易に吸収して第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号と第５，７０４，９６６号参照、そ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り、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】
優先出願は、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、吸着性固体に充満さ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、あるいは類似した形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供給する必要がまだある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【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、しかし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、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充満さ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ローブかまたは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、同様の番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記号は同様もしくは同一の品目を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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スピナレット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、そこから３つのローブ６が外に向かって延びる。ローブ６のそれぞれはローブ６の端部に直角に取り付けられるキャップ８で終端化する。ローブ６と隣接するキャップ８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。炭素粉末はキャップ８によって捕捉されることでいかなる液体も使用することなく溝１０内に機械的に保持することができる。溝１０内への粉末の捕捉は、繊維内へと粉末を払い、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内に充満される。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を満たす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、それらは繊維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に一体化する。あるいは、繊維２は、試薬１２中に繊維２を浸して余剰の試薬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、好ましくは従来の滴下器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内に充満さ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】
ここ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】
ここ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】
ここ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】
ここ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の繊維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は液体汚染物質の重量で約１００％、固体粉末の重量で２５％から１２５％までのどこかを溝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の繊維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内に充満されるものであり、反応性の液体もしくは固体試薬、好ましくは両方の酸である可能性があり、繊維マット１００は支持用ネットワークとして使用されることで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。マルチローブの繊維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状物質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で酸試薬１２と組み合わされ、マルチローブの繊維２の溝１０内に充満さ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内に充満さ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で充満された繊維マット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。範例となる図解では、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で充満されたマルチローブの繊維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】
マルチローブの繊維２内で塩基性試薬１２を利用する繊維マット１００は様々な応用例で、例えば繊維マット１００を形成するためにマルチローブの繊維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は従来式の金属、例えばアルミニウムから設計することのできるハウジング１８で構成され、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糊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もやはり入口１４と出口１６を有し、空気流２０が濾過チャンバ１０２を通過してその間で繊維マット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供給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で充満され、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へと組み合わされる。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、本発明の主題は添付の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】
【００３０】
【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内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広角の図である。
【図４】酸を充満さ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内に配置され、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内に充満される、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. 複数の前記繊維のそれぞれが３ローブのものである、請求項１に記載のフィルタ。
10. 複数の前記繊維のそれぞれが４ローブのものである、請求項１に記載のフィルタ。
11. 複数の前記繊維のそれぞれが複数のＴ形ローブを含む、請求項１に記載のフィルタ。
12. 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、
    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気体から酸性またはｐＨ中性の気体状前記汚染物質をフィルタで濾過する方法。
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内に充満される、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. 複数の前記繊維のそれぞれが複数のＴ形ローブを含む、請求項２２に記載の方法。

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