JP2007514536A - 自己浄化フィルター - Google Patents

Abstract

濾過材に隣接した又はその内部に配置された水溶性ポリマー材料中に含まれる重金属浄化剤を有する自己浄化フィルター。また、汚染されたフィルターを重金属浄化剤の水性スラリーに接触させることによって従来型の重金属汚染フィルターを浄化する方法も提供する。

Description

鉛、亜鉛及びクロム等の重金属は多くの産業用途がある。塗料業界では、上記物質は顔料として使用されることや、構造物、飛行機、ボート及びその他の乗り物の金属表面を保護するために用いられる防食塗料の製造に使用されることが多い。例えばクロム酸亜鉛は、そのアルミニウム保護能力、熱安定性、及び飛行機が経験する熱衝撃に対する耐性のために、航空宇宙産業においてアルキド、エポキシ及びポリウレタンのプライマー中に幅広く使用されている。上記用途に関しては、代替は容易ではない。あいにく、クロム酸亜鉛及びその他の重金属を含有する塗料、材料及びそれらの粉塵は毒性がある。

クロム酸亜鉛を含有するプライマー及び塗料が表面に噴霧されるとき、及び再塗装の前にこれらが取り除かれるときには、浮遊微小粒子が生じる。他の工業プロセスでは重金属の粉塵及びエアロゾルも生じる。粉塵及びエアロゾルは定常的に空気を濾過することによって作業環境内で制御される。作業者は防護服及び作り付けのフィルターの付いたフェイスマスクにより有害な粉塵から保護されるのが通常である。従って、航空機を再塗装するプロセスや多数のその他の産業用途では、汚染した衣服、個人用空気フィルター、換気フィルター、その他の環境フィルター、及び濾滓の廃棄物の流れが生じる。そのような廃棄物の安全な処理及び処分はほとんどの管轄区域で規制されている。

重金属の粉塵やその他の危険性廃棄物を含むエアロゾル及び粒状物質の捕獲に非常に有効なフィルターが考案されてきたが、典型的にはこれらは危険物質で汚染された使用済みのフィルターの問題を無視している。これらのフィルターを埋立地で処分することは環境上無責任であり、様々な規制により禁止される可能性がある。地下水、風、雨、その他の環境条件に曝されると、重金属の微粒子を含有する使用済みのフィルターは、これらの重金属微粒子が周囲地域へ浸出する傾向があるために、重大な環境災害を引き起こす。捕獲した鉛及びその他の重金属を浄化することのできる改良されたフィルターの必要性が高い。

本発明の一側面においては、自己浄化（レメディエーション：remediation）フィルターが提供され、これは濾過材に隣接した又は濾過材内部に配置された水溶性ポリマー材料中に含有される重金属浄化剤を有する。一実施形態においては、該フィルターは、少なくとも一つの濾過材に隣接した又はその内部に配置された、重金属浄化剤を含有する少なくとも一つの水溶性ポリマーの小包を有する。共に、小包及び浄化剤は重金属用の統合固定システム（ＩＦＳ）を提供する。従って、水溶性の小包は浄化剤を浄化される予定の重金属（この場合は濾過材内に捕獲された金属微粒子）から分離するポリマーマトリクスとして機能する。使用済みのフィルターを水中に置くと、小包が溶解し、浄化剤を放出し、次いで重金属を“固定”する。これにより効果的に金属は非浸出化及び／又は不溶化され、その他の方法よりも低コストでフィルターを埋立地に廃棄することが可能となる。

本発明の別の一実施形態では、各々が浄化剤を含有する複数の水溶性ポリマーの“リボン小包”が、２層又は３層以上の濾過材の間に積み重ねられ、或いは１層又は２層以上の濾過材の内部に散在する。リボン小包はスリーブシール機を用いて製造する。

別の一実施形態では、浄化剤を含有する水溶性ポリマー小包は製造中にフィルターのハウジング内（例えば濾過材の周辺）に作り付けられる。

本発明は多種多様なフィルター（例えば塗装ブースに用いる空気フィルター、建物用のパネルフィルター、及び個人向け濾過マスク用のフィルターカートリッジ）に対して改良を加える。

本発明の別の一側面においては、浄化剤は、フィルターの処分前に、捕獲した重金属粒子を含有するフィルターに添加する。浄化剤は例えば水性スラリーとして適用することができる。

本発明のまた別の一側面においては、製錬及び精製に使用するフィルターマトリクスが提供され、これは分解性ポリマーマトリクス内に封入された重金属浄化剤を含有するペレットを充填したカラムを備える。

本発明の上記及びその他の特徴及び実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することでより良く理解されるだろう。

本発明の一側面においては、自己浄化フィルターが提供され、これは濾過材に隣接した又は濾過材内部に配置された水溶性ポリマー材料中に含有される重金属浄化剤を有する。濾過材は典型的にはサブミクロン又はそれよりも大きい寸法の微粒子（例えば重金属微粒子）を濾過する能力のある１層又は複数層の材料とすることができる。有利なことに、フィルターが微粒子で閉塞したりこれ以上使用できないと判断されたりした後には、これを水中に浸漬し又はこれに水を噴射してから環境に対して責任ある方法で処分することができる。

水溶性ポリマー材料及び重金属浄化剤は“統合固定システム”として特徴付けることができる。この用語は米国特許出願第０９／６４６，５４４号（Ｗｅｂｓｔｅｒ及びＨｕｒｌｅｙ）で使用されており、その全内容を本明細書に援用する。水溶性ポリマー材料は浄化剤をフィルター内に捕獲された重金属から分離するポリマーマトリクスとして機能する。ポリマー材料が水により作動（溶解）すると、浄化剤が放出されて、不溶性の（又は少なくとも実質的に溶解性が低下した）形態への化学的変換により又は金属を物理的に封入することにより重金属を“固定”し、その後の環境への浸出を防止する。

浄化剤の非限定的な例としては、硫化カルシウム、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、硫化マグネシウム、リン酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、カルシウム−マグネシウム含有炭酸塩−リン酸塩混合物、アパタイト、リン酸水素二カルシウム、リン酸二水素カルシウム、重過燐酸石灰、ドロマイト、リン酸及びその塩、リン酸−Ｘ−カルシウム（Ｘは金属イオン）、ケイ酸アルカリ土類、ケイ酸、アルミナ水和物、金属吸収粘土（ベントナイト及びフーラー土等）、並びにこれらの混合物が挙げられる。“重過燐酸石灰”（ＴＰＳ）はＣａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂・Ｈ₂Ｏ（ＣＡＳ Ｎｏ．６５９９６−９５−４）である。鉱物アパタイトＣａ₅（ＰＯ₄）₃（Ｆ，Ｃｌ，ＯＨ）は機能するが遅い。ケイ酸アルカリ土類（例：ケイ酸カルシウム）は、高いアルカリ性の結果として収着により作用するので、その効果は永続的ではないであろう。単独で使用するときは、リン酸塩が鉛の浄化に好適であると考えられるが、これは他の金属を浄化しない。事実、リン酸塩をヒ素に適用すると浸出を悪化させ得る。

好ましい浄化剤はSolucorp Industries社（ニューヨーク州、ウェストナイアック）から市販されているMolecular Bonding System（登録商標）のブランド名の浄化剤であるＭＢＳ（登録商標）２．１である。ＭＢＳ（登録商標）２．１は炭酸カルシウム／硫化カルシウム／重過燐酸石灰の３：２：１（ｗｔ／ｗｔ）混合物である。この試薬は空気フィルターに捕獲された有害金属を不溶化して、米国ユニバーサル・トリートメント・スタンダード（ＵＴＳ）の基準未満の濃度にすることができる。

ＭＢＳ（登録商標）２．１はｐＨ依存性ではなく、鉛をｐＨ１〜ｐＨ１３の範囲の条件下で浄化することができる。対照的に、リン酸塩及びケイ酸塩はｐＨ依存性であり、リン酸塩は概ね中性条件下（ｐＨ６〜８）で機能し、ケイ酸塩は強アルカリ条件下（＞ｐＨ１０）で機能する。更に、ＭＢＳ（登録商標）浄化剤は溶解性の鉛塩を経口投与しても無害な硫化鉛に変換する。従って、これを使用することで鉛微粒子を含有するフィルターは無毒化されるであろう。

採用する浄化剤の量は多くの因子、例えばフィルターの用途、遭遇する可能性のある重金属の種類、浄化剤の選択、濾過材の種類、フィルターの寸法及び多孔度に依存する。ＭＢＳ（登録商標）浄化剤で強化され（又は使用後に処理され）、クロムベースの塗料を脱塗装（剥離）する作業を行う時に塗装ブース内で使用することが意図されるフィルターについては、浄化剤対フィルター中に捕獲された塗料残渣のｗｔ／ｗｔ比は約１：４〜約１：１が代表的であり、処理が困難なＣｒ（ＶＩ）廃棄物の浸出をＵＴＳ基準値未満に低減するためには約１：１とするのが好ましい。ＴＣＬＰで８００ｍｇ／ＬのＣｒ（ＶＩ）を浸出する１０ｃｍ角の領域内に含有される１００ｇのクロム（ＶＩ）塗料残渣を水性スラリー中の５０ｇのＭＢＳ２．１で処理すると、浸出量はたったの２０ｍｇ／ＬのＣｒ（ＶＩ）にまでに減少する。対照的に、ＭＢＳ浄化剤の量をフィルターに捕獲された塗料残渣の量に等しくして処理すると浸出量がＵＴＳ基準値である０．６ｍｇ／Ｌ未満の全クロムとなる。鉛や亜鉛をベースとしたその他の廃棄物では必要とされるＭＢＳ試薬はより少ない。所与のフィルター、重金属及び用途に対する浄化剤の最適量は当業者であれば過度な実験をすることなく確認することができる。

本発明の一実施形態においては、重金属浄化剤はポリマー小袋又は小包を構成する水溶性ポリマー材料内部に事前に包装されて密封される。そのような小包の非限定的な例としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ酢酸ビニル、及びそれらのコポリマー、並びに類似材料で作られたものが挙げられる。水溶性の包装は種々の形状及び材料で入手可能であり、高温水で溶解するものや、低温水で溶解するものがある。非限定的な例は、Aquafilm Ltd社（MonoSol LLCの一部（インディアナ州ポーテージ及び英国ウースターシャー、ハートルベリー））より販売されている“冷水溶解性ＰＶＡバッグ（Cold Water Soluble PVA Bag）”であり、顧客の指定する寸法及びフィルム厚で手に入る。

別の一実施形態においては、垂直成形充填スリーブシール機により、水溶性ポリマー小包のリボン（詳細は図１に示す）を成形して、浄化剤を充填する。リボン１０は、間隔の空いた複数の小包又は小袋２０（それぞれは浄化剤を充填することができる。）を有する。各小包は小さなシール領域３０により分離される。特定の寸法に限定されるものではないが、一実施形態においては、小包リボンは５０〜１００ミクロンの厚さの冷水溶解性ＰＶＡフィルムで成形され、各小包は幅２．５ｃｍで長さ１０ｃｍ程度であり、それぞれ正味５０ｇの浄化剤を保持する。

本発明の幾つかの実施形態においては、小包作動時の浄化剤の分散及び重金属微粒子の近傍への放出を向上するために分散剤又はその他の乳化剤を有するのが有利である。分散剤は、重金属浄化剤と共に又は重金属浄化剤と分離して、水溶性ポリマー材料（例：上述したような小袋又は小包）中に収めることができる。分散剤の非限定的な例には、陰イオン性及び非イオン性の超分散剤（hyperdispersant）（例：Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社（シャルロット、ノースカロライナ州）のＳｏｓｐｅｒｓｅ １２０００、２２０００、４３０００、及び４４０００；脂肪アルコールアルコキシレート（例：Ｕｎｉｑｅｍａ ＢＶ社（ハウダ、オランダ）のＢｒｉｊ（登録商標）；ソルビタンエステル（例：Ｕｎｉｑｅｍａ ＢＶ社のＳｐａｎ（登録商標）；エステルアルコキシレート（例：Ｕｎｉｑｅｍａ ＢＶ社のＴｗｅｅｎ（登録商標）；及び慣例の陽イオン性洗剤が挙げられる。分散剤又は乳化剤の典型的な濃度は分散剤又は乳化剤の性質によって１００ｍｇ／Ｌ〜１０ｇ／Ｌで変化し得る。浄化剤の迅速で均等な分散を容易にするために充分な量を用いるべきである。

濾過材の選択はフィルターが使用されるべく設計された用途、フィルターが曝されるであろう環境に依存する。濾過材の非限定的な例にはガラス繊維、紙、綿、布、合成繊維、及びこれらの混合物か挙げられる。フィルターは数多くの何れの形態（例えば、ロール、パッド、布バッグ、ジェリー・ロール構造、アコーディオン・プリーツ、ハニカム、単層、多層、そしてフィルターの設計及び使用分野における当業者に良く知られたその他の形態）としてもよい。遮断原理を利用した乾燥フィルター、並びに粘性の薬剤又はオイルを利用する粘性式濾過器を利用することもできる。

さて、図２を参照すると、自己浄化フィルターの一実施形態が示されている。フィルター５０は粗い不織ポリエステル繊維６０の第一層と、粗い不織ポリエステル繊維７０の第二層と、これらに挟まれた複数の水溶性ポリマー小包８０を有する。小包は上述したようなリボン状である。各小包は重金属浄化剤を含有する。リボン小包は、１０×１０ｃｍの区画毎に浄化剤（例：ＭＢＳ（登録商標）２．１）の５０ｇ小包があるように、１０ｃｍの間隔で並列に置かれる。追加的な濾過材が微細な不織ポリエステル繊維９０として設けられている。組立品の全体は、隣接する濾過材層の間に小包リボンを設置する追加的工程を除き、慣例の方法により作製される。

代替的な実施形態においては、小包リボンにはフィルターパネルの幅にわたってフィルターパネルの粗い部分の中央を糸が通っている。

図３は、離散した複数の小包１１０（それぞれ重金属浄化剤を含む）が濾過材１２０の層に隣接して置かれた構造を示している。各小包は上述したような水溶性ポリマー材料でできている。

本発明に係る自己浄化フィルターは幾多の寸法及び構造を有することができ、幅広い産業及びその他の用途での使用に適している。例えば、一実施形態において濾過材は粗い不織ポリエステル繊維でできた１ｍ角、３〜１０ｃｍ厚のパネルである。例えば塗装ブース用のパネルフィルターは１層又は２層以上の濾過材と、１又は２以上の浄化剤小包、及び（随意的に）ハウジングを有する。別の一実施形態においては、図４に示すように、個人向けの空気フィルター用のフィルターカートリッジが提供される。カートリッジ１５０は、カートリッジのハウジング１９０内部に保持された濾過材１７０、１８０の２層間に散在した複数の浄化小包１６０を有する。

本発明に係る改良されたフィルターは慣例の方法により使用することができる。使用寿命の終了時には、フィルターを水中に浸漬し又は水を噴霧することができる。水はフィルター内の統合固定システムを作動し、捕獲された重金属の近傍にある濾過材の内部及び周囲に浄化剤を分散させる。この結果、金属は固定されて、水不溶性となり及び／又は非浸出性の状態で封入される。政府の規制に従うと、その後フィルターは乾燥され、非危険廃棄物として処分することができる。浄化剤をフィルターに組み込むことで、処理前にフィルターを破壊する必要がなくなる。従って、危険廃棄物の取扱者への危険性が減少する。同様に、使用済みフィルターの取扱コストが低減する。

本発明の別の一側面においては、フィルター又はフィルターハウジングの内部に浄化剤を含むのではなく、使用後の処分前に、捕獲された重金属粒子を含有する従来型のフィルターに浄化剤を添加する。浄化剤は例えば水溶性スラリーとして適用することができる。随意的に、（上述したような）分散剤もスラリー中に含める。該実施形態の非限定的な例を以下に提供する。

クロメート残渣を含有する破壊した使用済みのフィルターをＴＣＬＰで試験したところ、５９８ｍｇ／Ｌのクロム（ＶＩ）を浸出することが分かった。ＭＢＳ（登録商標）２．１の１０％ｗ／ｗ水性スラリーを調製し、汚染されたフィルター材料を定期的に撹拌しながらスラリー中に４８時間浸漬した。次いで、残渣を除去して乾燥した。ＴＣＬＰによる処理後の分析によるとクロム（ＶＩ）は検出されなかった（検出限界：０．１００ｍｇ／Ｌ）。

本発明の別の一側面においては、例えば貴重な及び／又は揮発性の重金属の製錬及び精製において必要となるであろう重金属の濃縮、回収、及び再利用のために設計されたフィルターマトリクスは、本明細書に記載した原理によって向上する。水溶性ＰＶＡペレット（直径が約５ｍｍ）を国際出願（国際公開９８／３９３８２）（Ｈａｍｉｌｔｏｎ及びＨｕｒｌｅｙ）に記載のように製作し、重金属浄化剤を含浸又はこれと混合する。水溶性チップ＋浄化剤を水溶性又は生分解性表面被覆層（例：ポリエチレングリコールワックス）でタンブル被覆して、米国特許出願第０９／６４６，５４４号（Ｗｅｂｓｔｅｒ及びＨｕｒｌｅｙ）に記載されたものに類似の統合固定システム（ＩＦＳ）を形成する。ＩＦＳフィルムは典型的には被覆されたペレットの０．５〜２０重量％を構成する。ＩＦＳペレットは冷却筒のついたコンデンサーのカラムに詰める。揮発性重金属（例えばヒ素又は水銀）を含有する排ガスは、この冷却カラムを通過させる。揮発性金属はＩＦＳペレットの表面上で凝縮する。ＩＦＳペレットが重金属で飽和したと考えられるときは、カラムの詰め物を取り除いて水中に浸漬する。ペレットの水溶性内部が溶解し、カラムの詰め物の当初重量の０．５〜２０％の濃縮された不溶性残渣として重金属を残す。次いで、残渣を濾過により回収して、政府の規制を受けつつ、非危険廃棄物として処分することができる。また、電解、製錬、その他の認識されている金属抽出手順により潜在的に価値のある金属を残渣から回収してもよい。

本手法の利点は、生じる浄化後のスラッジの量が減少することである。金属を含有しない水性部分は排水管に捨てることができる。より価値の高い鋳造廃棄物、更には金、白金及びパラジウム蒸気については、スラッジを濃縮して貴金属鉱石としてリサイクルすることができる。

本発明を種々の実施形態及び側面に言及しながら説明してきたが、当業者が本開示を読めばその他の改変は明らかであろうから、本発明はこれらに限定されるものではない。そのような改変及び均等物も本発明の範囲内にあると考えられ、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の一実施形態に係る重金属浄化剤を保持するのに好適な水溶性小包のリボンの概略図である。 本発明の一実施形態に係る浄化用フィルターの概略図である。 複数の浄化小包が濾過材に隣接している代替的実施形態を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る自己浄化フィルターカートリッジの概略断面図である。

符号の説明

１０ 水溶性小包リボン
２０ 小袋
３０ シール領域
５０ 自己浄化フィルター
６０ 不織ポリエステル繊維の第一層
７０ 不織ポリエステル繊維の第二層
８０ 水溶性ポリマー小包
９０ 不織ポリエステル繊維の簿層
１１０ 重金属浄化剤を含有する小包
１２０ 濾過材
１５０ カートリッジ
１６０ 浄化小包
１７０ 濾過材
１９０ カートリッジのハウジング

Claims (20)

1. 濾過材に隣接した又は濾過材内部に配置された水溶性ポリマー材料中に含有される重金属浄化剤を有する自己浄化フィルター。
2. 重金属浄化剤が硫化カルシウム、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、硫化マグネシウム、リン酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、カルシウム−マグネシウム含有炭酸塩−リン酸塩混合物、アパタイト、リン酸水素二カルシウム、リン酸二水素カルシウム、重過燐酸石灰、ドロマイト、リン酸及びその塩、リン酸−Ｘ−カルシウム（Ｘは金属イオン）、ケイ酸アルカリ土類、ケイ酸、アルミナ水和物、金属吸収粘土、並びにこれらの混合物よりなる群から選択される請求項１に記載の自己浄化フィルター。
3. 重金属浄化剤が炭酸カルシウム、硫化カルシウム、及び重過燐酸石灰の混合物を含む請求項１に記載の自己浄化フィルター。
4. ポリマー材料がポリマー小包を構成する請求項１に記載の自己浄化フィルター。
5. ポリマー小包がポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、又はそれらのコポリマーで作られる請求項４に記載の自己浄化フィルター。
6. ポリマー材料が複数のポリマー小包を有する小包リボンを構成し、重金属浄化剤は該小包中に含有される請求項１に記載の自己浄化フィルター。
7. 分散剤を更に有する請求項１に記載の自己浄化フィルター。
8. 分散剤がポリマー材料中に含有される請求項７に記載の自己浄化フィルター。
9. 分散剤が陰イオン性超分散剤、非イオン性超分散剤、脂肪アルコールアルコキシレート、ソルビタンエステル、エステルアルコキシレート、及び陽イオン性洗剤よりなる群から選択される請求項１に記載の自己浄化フィルター。
10. 濾過材がガラス繊維、紙、綿、布、合成繊維、及びこれらの混合物から選択される請求項１に記載の自己浄化フィルター。
11. 濾過材にはポリエステル繊維のパネルが含まれる請求項１に記載の自己浄化フィルター。
12. 水溶性ポリマー材料が２層の濾過材に挟まれている請求項１に記載の自己浄化フィルター。
13. ２層の濾過材が粗いポリエステル繊維で構成されていることを含む請求項１２に記載の自己浄化フィルター。
14. １層の濾過材に隣接した微細な不織ポリエステル繊維の比較的薄い層を更に有する請求項１３に記載の自己浄化フィルター。
15. 重金属浄化剤を含有する水性スラリーに重金属で汚染されたフィルターを接触させることを含む該フィルターの浄化方法。
16. 重金属浄化剤が硫化カルシウム、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、硫化マグネシウム、リン酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、カルシウム−マグネシウム含有炭酸塩−リン酸塩混合物、アパタイト、リン酸水素二カルシウム、リン酸二水素カルシウム、重過燐酸石灰、ドロマイト、リン酸及びその塩、リン酸−Ｘ−カルシウム（Ｘは金属イオン）、ケイ酸アルカリ土類、ケイ酸、アルミナ水和物、金属吸収粘土、並びにこれらの混合物よりなる群から選択される請求項１５に記載のフィルターの浄化方法。
17. スラリーが分散剤を更に含む請求項１５に記載のフィルターの浄化方法。
18. 分散剤が陰イオン性超分散剤、非イオン性超分散剤、脂肪アルコールアルコキシレート、ソルビタンエステル、エステルアルコキシレート、及び陽イオン性洗剤よりなる群から選択される請求項１７に記載のフィルターの浄化方法。
19. ハウジングと、
    カートリッジ内部の濾過材と、
    濾過材に隣接した又は濾過材内部に配置された水溶性ポリマー材料中に含有される重金属浄化剤と、
    を有する自己浄化フィルターカートリッジ。
20. ポリマー材料がポリマー小包を構成する請求項１９に記載の自己浄化フィルターカートリッジ。

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