JP2014502208A

JP2014502208A - 酸化亜鉛を含有する濾材及びその形成方法

Info

Publication number: JP2014502208A
Application number: JP2013537699A
Authority: JP
Inventors: ジェフリーアール．ダーン，; リサエム．クロル，; ジョックダブリュー．エイチ．スミス，; ジェニファーブイ．ロメロ，
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: CN103201012B; US20140045682A1; CN103201012A; KR20130132465A; US8585808B2; US8753434B2; EP2637764A4; WO2012064507A1; BR112013011415A2; KR101894114B1; US20120111335A1; EP2637764A1

Abstract

活性炭微粒子及び活性炭微粒子の表面上に配置される酸化亜鉛粒子を含む濾材。酸化亜鉛粒子は約５０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。
【選択図】図２

Description

活性炭、アルミナ、ゼオライト等は、濾過装置で広く用いられている。これらの種類の材料は、その構造、及び流体に成分を収着する（吸着及び吸収する）ことにより流体と相互作用する固有の能力により、時に、まとめて「活性微粒子」と呼ばれる、Ｓｅｎｋｕｓらの米国特許第５，６９６，１９９号を参照。その優れた濾過特性は、表面積の大きい、高度に多孔質である又は回旋状である表面構造に起因する。

特に、活性炭は、有毒ガス、工業薬品、溶媒、及び臭気化合物を含む、種々の毒性又は有害蒸気を人間が吸入するのを防ぐために、広く用いられている。その表面の多孔性は、典型的には、製造中の制御酸化から生じる。活性炭は、例えば、石炭又はヤシ殻に由来し、粉末、顆粒、及び成形製品の形態で生産され得る。それは、ガスマスク用の個々の吸収缶又はパッドに一般的に使用されている。市販の活性炭製品の重要な特性としては、その粒径に加えて細孔構造に関連するものが挙げられる。

多くのフィルタで一般的に使用されているが、活性炭は、沸点の低い気体及び蒸気を除去する能力がそれほど高くない。したがって、このような気体及び蒸気に対する高められた濾過能をもたらすために、化学物質を炭素表面上及び炭素孔内に配置する処理が考案されている。これら処理プロセスは、一般的に、「含浸」法として知られており、処理の結果、含浸活性炭が得られる。

広範な化学物質を除去するための種々の含浸剤が開発されている。業界では、有害物の性質が予め知られており、行われたのは既知の有害物に適した濾材を選択することであった。結果として、工業用途では、特定の化学物質の種類又は部類の除去に有効なフィルタが用いられることが多い。

やがて、保護具の設計が、必要とされる性能要件を満たすことができることを保証する許可制度と共に、呼吸保護具の選択及び使用のための規制構造が発展した。欧州規格（European Standard）（ＥＮ）制度が、欧州及び他の場所で広く導入されてきた。別の例は、米国、カナダ、及び特定の他の国で導入されてきた、国立労働安全衛生研究所（ＮＩＯＳＨ）である。

緊急時対応要員の場合、化学物質放出地点付近で種々の任務を負う人員には、濾過に基づく保護システムが適切である。速やかな対応が望ましい場合が多いが、適切なフィルタを選択するために、対応要員が周囲空気中の毒性成分をまず同定する必要がある場合、遅れが避けられない場合もある。多くの異なるフィルタの商品を持ち運ぶことを避けるため、種々の有害物からの保護を提供し得る１種類のフィルタを有することが有益である。

最初の米国特許は、化学薬品が用いられた第１次世界大戦において人員を保護するための開発から生まれた、種々の気体を除去する処理炭素について記載されていた。ＲｏｂｅｒｔＥ．Ｗｉｌｓｏｎ及びＪｏｓｈｕａＣ．Ｗｈｅｔｚｅｌによる１９２４年の特許（米国特許第１，５１９，４７０号）は、金属及びその酸化物に顆粒活性炭を含浸する幾つかの方法について記載している。大部分の目的に対して、好ましい含浸剤は、金属銅及び酸化銅であった。この特許に記載されている方法により作製された製品は、後に「ウェトラライト（whetlerite）」として知られるようになった。後にＥｄｇｅｗｏｏｄＡｒｓｅｎａｌの社員が、銅含浸技術を進歩させ、１９４０年代前半までに、「Ａ型」ウェトラライトと命名された銅含浸炭素は、米国軍隊用マスクの標準吸収缶充填材となった。この収着剤は、アンモニア溶液中において、活性炭を銅アンミンカーボネートで処理することにより調製された。処理された炭素を１５０℃以上に加熱した場合、アンミンカーボネートは分解されて、炭素孔内で酸化銅を形成する。アンモニア及び二酸化炭素が、乾燥中遊離した。酸化物含浸剤が、酸性又は酸化性気体及び蒸気の保持のための酸化及び塩基性媒体として作用した。この種類の含浸炭素微粒子の調製は、Ｏｇｌｅｓｂｙらに対する米国特許第１，９５６，５８５号に記載される。しかしながら、このような銅化合物で処理される活性微粒子は、シアン化水素（ＨＣＮ）と反応し、同等に毒性の気体である、シアン（ＮＣＣＮ）を生成し得ることが現在知られている。Ｗｉｌｓｏｎらの技術により他の変形物も開発された（例えば、以下の特許を参照されたい：米国特許第２，９２０，０５１号、独国特許第１，０８７，５７９号、仏国特許第１，６０５，３６３号、日本特許第７３−２４９８４号、及びチェコスロバキア国特許第１４９，９９５号）。

１９２４年のＷｉｌｓｏｎらによる活性炭に対する具体的な進歩では、ＨＣＮと銅系塩との反応により生成されるＮＣＣＮを除去しやすくするために、クロム（ＶＩ）塩が用いられた、米国特許第１，９５６，５８５号、及び同第２，９２０，０５０号を参照。しかし、近年では、このようなクロム系物質の使用は、環境及び健康上の問題により制限されている。含浸製剤に関する綿密に掘り下げられた報告については、「ＭｉｌｉｔａｒｙＰｒｏｂｌｅｍｓｗｉｔｈＡｅｒｏｓｏｌｓａｎｄＮｏｎｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔＧａｓｅｓ」，Ｃｈａｐｔｅｒ４：「ＩｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎｏｆＣｈａｒｃｏａｌ」，ｂｙＧｒａｂｅｎｓｔｅｔｔｅｒ，Ｒ．Ｊ．，ａｎｄＢｌａｃｅｔ，Ｆ．Ｅ．，Ｄｉｖｉｓｉｏｎ１０ＲｅｐｏｒｔｏｆＵＳＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｍｍｉｔｔｅｅ（１９４６）ｐｐ．４０〜８７に見出すことができる。クロムを用いることにより得られる好ましい特性は、モリブデン、バナジウム、又はタングステン等の金属の使用によっても実現することができる。これら金属を含有するウェトラライトは、米国特許第４，８０１，３１１号、及び同第７，００４，９９０号を含む幾つかの特許に記載されている。

その後の研究によっても、炭素に含浸した有機化合物を用いる貯蔵寿命の改善について調べられている。塩化シアン（ＣＫ）チャレンジに対して貯蔵寿命を改善することが見出された１つの物質は、トリエチレンジアミン（ＴＥＤＡ、ＤＡＢＣＯ、又は１，４−ジアザビシクロ［２．２．２］オクタンなどの他の名称でも知られている）である。炭素に含浸させたときに、ＴＥＤＡは塩化シアンと直接反応することができ、臭化メチル及びヨウ化メチルを除去することができることが見出された。

１９９３年のＤｏｕｇｈｔｙらの特許（米国特許第５，４９２，８８２号）には、亜鉛及びモリブデン酸化物の存在下における、炭酸銅及び硫酸銅の使用について記載されていた。この製剤は、ＨＣＮ反応生成物ＮＣＣＮに対する容量を増加させ、以前のものでみられたクロムの使用を避ける酸化モリブデンを組み込むため、Ｗｉｌｓｏｎらによる研究及び他の研究を超えた進歩であった。更に、Ｄｏｕｇｈｔｙらは、アンモニア等の塩基性ガスも除去した。以下で論じるように、Ｄｏｕｇｈｔｙらの方法は、一般的に、含浸プロセス中にアンモニア性溶液及び塩を使用することにより制限される。これら化学物質及び溶液は、一般的に、製造規模で取り扱うには高価である、その理由は、健康及び安全上の問題、並びに環境放出基準を満たすために特殊な換気及び洗浄設備を必要とするためである。

米国特許第７，３０９，５１３号において、Ｂｒｅｙらは、ＮＣＣＮ及びアンモニア等の他の塩基性ガスを除去する能力を保持しながら、比較的高価なモリブデン化合物をタングステンに置換することにより進歩させた。この進歩にもかかわらず、Ｂｒｅｙらはまた、金属を活性炭及び他の基材に含浸させるために、アンモニア系塩及び溶液の使用に頼った。

活性炭微粒子、及び活性炭微粒子の表面上に配置される酸化亜鉛粒子を含み、酸化亜鉛粒子が約５０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する濾材が本明細書で開示される。

空気から汚染物質を除去するためのフィルタもまた、本明細書で開示され、本フィルタは含浸活性微粒子の層を含み、含浸活性微粒子は活性炭微粒子、及び活性炭微粒子の表面上に配置される酸化亜鉛粒子を含み、酸化亜鉛粒子は約５０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。

濾材の製造方法もまた開示され、本方法は、硝酸亜鉛を含む含浸溶液を提供する工程、基材を含浸溶液と接触させ、基材上に硝酸亜鉛を含浸させる工程、及び含浸溶液を加熱し、硝酸亜鉛を酸化亜鉛へ転化する工程を含む。

以下の本開示の異なる実施形態の詳細な説明を添付図面と併せて考慮することで、本開示のより完全な理解が可能である。

図面の縮尺は必ずしも正確ではない。図面で用いられる同様の番号は同様の構成要素を示すものとする。しかしながら、特定の図中のある要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその要素を限定するものではないことは理解されよう。
本明細書で開示されるフィルタカートリッジ１２を使用し得る、呼吸装置１０の例。本明細書で開示されるとおり使用され得る、フィルタカートリッジ１２の断面図。ＳＯ_２、ＮＨ_３、及びＨＣＮ突破試験に用いられる管試験装置の概略図。実施例７、６、及び５から得られるＸ線回折パターンを示す。実施例５、１４、及び１６から得られるＸ線回折パターンを示す。

以下の説明文において、本明細書の一部を構成する添付の図面を参照し、幾つかの特定の実施形態を例として示す。本開示の範囲及び趣旨から逸脱することなく、他の実施形態が想到され、実施されうる点は理解されるはずである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

本明細書で使用する全ての科学用語及び専門用語は、特に断らない限り、当該技術分野において一般的に使用される意味を有する。本明細書において与えられる用語の定義は、本明細書において頻繁に使用される特定の用語の理解を促すためのものであって、本開示の範囲を限定しようとするものではない。

他に指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴の大きさ、量、物理特性を表わす数字は全て、どの場合においても用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。それ故に、そうでないことが示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲で示される数値パラメータは、当業者が本明細書で開示される教示内容を用いて、目標対象とする所望の特性に応じて、変化し得る近似値である。

終点による数の範囲の記述は、その範囲内（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲に包含される全ての数を含む。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するところの単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容によって明らかに示されない限りは複数の指示物を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するところの「又は」なる用語は、その内容によって明らかに示されない限り、「及び／又は」を含む意味で一般的に用いられる。

濾材及び濾材の形成方法が本明細書で開示される。開示される濾材は、汚染気流から気体を除去するために使用され得る。例示の開示される濾材は、汚染気流から有機蒸気、酸性成分、主要成分、及びシアン化気体を除去するために使用され得る。開示される濾材は、それらは高められた濾過特性を提供可能であるか、生産するのに経済的であることが可能であるか、濾過の間、望ましくない成分を生産しないか、又はそれらのいくつかの組み合わせが可能であるため、有利であり得る。

本明細書で開示される方法は、濾材を形成又は製造するために、一般的に使用され得る。例示の開示される方法は、含浸溶液を提供する工程、基材を含浸溶液に接触させ、含浸させた基材を形成する工程、及び含浸させた基材を加熱する工程を含み得る。含浸溶液を提供する工程は、含浸溶液を得る工程、含浸溶液を形成する工程、含浸溶液を購入する工程等を含み得る。

含浸溶液は、一般的に水溶液である。本明細書で使用される用語「水溶液」は、水及び１つ以上の溶質を含有する均一混合物を指す。実施形態では、本明細書で使用され得る含浸溶液は、著しい量のアンモニア（ＮＨ_３）を含まない。含浸溶液中の「著しい量のアンモニア」は、アンモニアの検出に一般的に使用される技術を使用して、アンモニアが溶液中に、又は生じた含浸させた基材中に検出され得るのに十分な多さのアンモニアの量を一般的に指す。

一般的に、本明細書で使用される含浸溶液は、硝酸亜鉛（ＺｎＮＯ_３）を含む。硝酸亜鉛及びその水和物（例えば、Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）は、室温で一般的に固体であり、室温で水中に溶解され得る。含浸溶液は硝酸亜鉛の種々の濃度を含み得る。実施形態では、含浸溶液は、約０．５Ｍ（モル濃度＝ＺｎＮＯ_３のモル／水溶液のリットル）〜約５Ｍの硝酸亜鉛を含み得る。実施形態では、含浸溶液は、約１Ｍ〜約３Ｍの硝酸亜鉛を含み得る。実施形態では、含浸溶液は、約２．２Ｍ〜約２．６Ｍの硝酸亜鉛を含み得る。

本明細書で議論される例示の基材と接触させるために使用される含浸溶液はまた、任意で他の成分も含み得る。実施形態では、含浸溶液は、硝酸（ＨＮＯ_３）を含み得る。含浸溶液に含まれる場合、硝酸は、硝酸亜鉛の前か、硝酸亜鉛の後か、又は硝酸亜鉛と同時に添加され得る。硝酸は、水溶液として一般的に使用され、任意の便利な濃度を有し得る。含浸溶液中に含まれるときに、含浸溶液は、少なくとも約０．５Ｍ（硝酸のモル／含浸溶液のリットル）の硝酸濃度を有し得る。硝酸が含浸溶液に含まれる実施形態では、硝酸は少なくとも約２．０Ｍの濃度を有し得る。硝酸が含浸溶液に含まれる実施形態では、硝酸は少なくとも４．０Ｍの濃度を有し得る。

確信があるわけではないが、含浸溶液への硝酸の添加は、基材に影響を与え得ると考えられる。例えば、硝酸を含有する含浸溶液が、基材として活性炭と接触される実施形態では、硝酸は活性炭の表面を酸化し得る。活性炭の酸化は、乾燥プロセスの間、活性炭に含浸溶液の接触角を小さくする表面官能基の形成をもたらし得る。これは、乾燥の間、溶液の拡散、及びよく分配された含浸剤の形成をもたらし得る。

例示の含浸溶液はまた、濾材を他の汚染物質の除去に好適にするために、他の非亜鉛、亜鉛系物質、又はそれらの組み合わせも含有してもよい。使用され得るこのような他の物質の例としては、例えば、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２、ＣｕＣｌ_２、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３、Ａｌ（ＮＯ_３）_３、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＺｎＣｌ_２、酢酸亜鉛、酢酸銅など、及びそれらの組み合わせ若しくは水和物が挙げられる。任意で、他の塩としては、モリブデン酸塩又はタングステンアニオンのポリオキソメタレートを含む可溶性銀塩及び可溶性塩が挙げられ、塩の金属オキソアニオン部分が、２つを超えるモリブデン又はタングステン原子か、あるいは２つを超えるモリブデン及びタングステン原子の組み合わせを含有する。モリブデン及びタングステンに加えて、含浸溶液はまた、例えば、コバルト、ホウ素、ケイ素、リン、ゲルマニウム、及び／又は鉄などの追加元素を任意で含有してもよい。実施形態では、この追加元素はケイ素又はリンであり得る。このような任意の非亜鉛系物質は、硝酸亜鉛と同一の含浸溶液中に含まれ得るか、又は第２の（又は結果として生じた）含浸溶液を介して、基材と接触され得る。

含浸溶液又は第２の（又は結果として生じた含浸溶液）中に任意で含まれ得る特定の例示の塩としては、例えば、化学量論の組成物を有する塩、Ｈ_３ＰＭｏ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｈ_３ＰＷ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｎａ_３ＰＷ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｎａ_２ＰＷ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｎａ_３ＰＭｏ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｎａ_３ＳｉＭｏ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、Ｈ_４ＳｉＷ_１２Ｏ_４０．ｘＨ_２Ｏ、Ｈ_４ＳｉＭｏ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、（ＮＨ_４）_６Ｈ_２Ｗ_１２Ｏ_４２・ｘＨ_２Ｏ、（ＮＨ_４）_６Ｈ_２Ｗ_１２Ｏ_４０・ｘＨ_２Ｏ、及び（ＮＨ_４）_６Ｍｏ_７Ｏ_２４・４Ｈ_２Ｏが挙げられ、式中、ｘは、水和水の変数を表す。これらの塩のカチオン部分は、水にポリオキソメタレートアニオンを溶解させ得る任意のカチオンも含み得る。これらのカチオンは、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、及びＬｉ^＋などのアルカリ金属カチオンに加えて、アンモニウム及びヒドロニウムカチオン、並びにこれらのカチオンの組み合わせを含み得る。任意の非亜鉛系塩はまた、溶液中に、リンモリブデン酸塩、リンタングステン酸塩、シリコモリブデン酸塩、又はシリコタングステン酸塩アニオン（silicotugstate anions）を生成するものを含み得る。

任意の、非亜鉛系物質は、０．００１Ｍ〜５Ｍの濃度で、含浸溶液か、又は結果として生じた含浸溶液に含まれてもよい。実施形態では、非亜鉛塩は、０．０２Ｍ〜３Ｍの濃度で、含浸溶液に任意で含まれ得る。

更に、基材はまた、任意で、他の物質で処理され得る。例えば、１種以上の高分子量アミン官能性含浸剤を有利に組み込み得る。これらの物質は、アンモニア（分子量１７）のものよりはるかに高い分子量を有し、そのため低揮発性を有するので、高分子量アミンとして記載され得る。好適なアミンは、室温で固体か、又は液体かのいずれかであり得、アミンの初期状態に応じて、水溶液のスプレー、純正液体のスプレーによってか、又は昇華によって、基材に適用され得る。アミンは、塩化シアン（ＣＫ）、臭化メチル、及び／又はヨウ化メチル除去能を提供する傾向がある。好適なアミンの代表的な例としては、例えば、トリエチレンジアミン（ＴＥＤＡ）、トリエチルアミン（ＴＥＡ）、ピリジン、ピリジン−４−カルボン酸（Ｐ４ＣＡ）、それらの組み合わせ等が挙げられる。実施形態では、ＴＥＤＡはＣＫ除去に特に好適であり得る。基材に組み込まれるアミンの量は、広範囲に変化してもよい。通常、あまりにも少量しか使用されない場合、得られたフィルタのＣＫ耐用期間は所望されるものよりも短くなり得る。一方で、過剰なアミンの使用は、空気又は他の気体から有機蒸気を除去するフィルタの能力を不当に低下させる傾向を有し得る。更に、ある程度の含浸濃度を超えると、更に多くのアミンを使用しても、追加的な効果はほとんど観察され得ない。これらの懸念のバランスをとると、フィルタは、一般的に、含浸させた基材物質の総重量に基づく約０．５〜１５重量パーセントのアミンを、又はいくつかの実施形態では、含浸させた基材物質の総重量に基づく約１〜５重量パーセントのアミンを、任意で含み得る。

先に議論されたものなどの含浸溶液が、基材と接触させられる。基材は十分に回旋状、又は多孔質である表面を典型的に有し得る。実施形態では、基材は、少なくとも酸化亜鉛の累積ベースの重量で、基材が少なくとも約５％、典型的に少なくとも約１０％、より典型的に少なくとも約１５％以上で含浸されることができるように、微視的及び／又は巨視的レベルの多孔質であり得る。例示の基材としては、例えば、織物又は不織布、接着、融合、又は焼結ブロック、表面積拡大化粒子等が挙げられ得る。好適な表面積拡大化基材粒子は、少なくとも約８５平方メートル／グラム（ｍ^２／ｇ）、実施形態では、約５００ｍ^２／ｇ〜２０００ｍ^２／ｇ、及び実施形態では、約９００ｍ^２／ｇ〜約１５００ｍ^２／ｇの特定の表面積のＢＥＴを有し得る。粒子のＢＥＴ比表面積は、ＩＳＯ９２７７：１９９５（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載の手順により測定され得る。

活性微粒子基材は、典型的には、ＩＵＰＡＣＣｏｍｐｅｎｄｉｕｍｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２ｎｄＥｄ．（１９９７）の適用条項に定義されているような、微多孔性、メソ多孔性、及び／又はマクロ多孔性を有し得る。典型的な微粒子の集団は、微多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性の組み合わせを含む傾向を有する。典型的に、例えば、濾材粒子が溶液含浸工程を含む方法によって形成されるときに、活性微粒子の少なくとも一部分は、マクロ多孔性である。このような実施形態では、含浸剤は、基材の孔構造により十分且つ完全に含浸することができる。

表面積拡大化基材は、広範な大きさのうちいずれであってもよい。フィルタ業界における基材粒子サイズは、メッシュサイズの観点で表され得る。典型的なメッシュサイズの表示は「ａ×ｂ」で示され、「ａ」は、ほぼ全ての粒子が通り抜けるメッシュ密度を示し、「ｂ」はほぼ全ての粒子を保持するのに十分な高さのメッシュ密度を示す。例えば、１２×３０のメッシュサイズは、粒子の実質的に全てが１２ワイヤ／インチ（４．７２ワイヤ／ｃｍ）のメッシュ密度を有するメッシュを通り抜け、粒子の実質的に全てが３０ワイヤ／インチ（１１．８ワイヤ／ｃｍ）の密度を有するメッシュ密度によって保持されるであろうことを意味する。１２×３０のメッシュサイズによって特徴付けられる活性微粒子は、約０．５〜１．５ｍｍの直径を有する粒子の集団を含む。

基材粒子に適切なメッシュサイズを選択することは、密度及び空気流動抵抗に対するフィルタ容量のバランスをとることに関連する。一般的に、細かいメッシュサイズ（即ち、小さい粒子）は、密度及びフィルタ容量が大きいだけでなく、空気流動抵抗も大きい傾向がある。これらの懸念のバランスをとると、ａとｂとの間の差が一般的に約５〜約３０の範囲であるという条件で、「ａ」は典型的に約５〜２０であり得、「ｂ」は典型的に約１５〜約４０であり得る。好適であると判明した特定の例示のメッシュサイズとしては、例えば、１２×２０、１２×３０、１２×３５、１２×４０、及び２０×４０が挙げられ得る。しかしながら、４０×１４０及び６０×３２５などの細かい粒子は、トリミング層としてフィルタに組み込まれてもよい。これらの細かい粒子は、顆粒層として組み込まれるか、又は米国特許公開第２００９／０２１５３４５Ａ１号（Ｂｒｅｙら）などの何らかの方法で支持されてもよい。

表面積拡大化基材の代表的な例としては、活性炭、ゼオライト、アルミナ、シリカ、微粒子触媒担体、これらの組み合わせ等の活性微粒子が挙げられる。実施形態では、複数の種類の基材が単一の濾材に使用され得る。実施形態では、複数の種類の活性微粒子が単一の濾材に使用され得る。実施形態では、基材は活性炭などの活性微粒子を含み得る。例示の種類の活性炭は、例えば、石炭、ヤシ、泥炭、それらの組み合わせ等を含む、幅広い種類の供給源（複数可）に由来し得る。本明細書で使用され得る例示の市販の活性炭としては、例えば、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能なＫｕｒａｒａｙＧＣが挙げられ得る。濾材に使用される基材にはまた、例えば、Ｉｎｓｌｅｙらに対する米国特許第６，２９０，６８５号に記載される構造を有する、微細複製された表面も含まれ得る。実施形態では、基材は、硝酸亜鉛含有溶液で含浸される前に、任意で調節又は処理され得る。

少なくとも硝酸亜鉛を含有する含浸溶液が、一般的に、基材と接触される。基材は、例えば、基材を含浸溶液に浸漬することによって、含浸溶液と接触させられてもよい。基材を含浸溶液（複数可）に浸漬又は液浸することに代わるものとして、スプレー技術がまた使用され得る。一般的に、スプレー技術は、対応する溶液を基材上へスプレーし、硝酸亜鉛をその上に含浸させることを含み得る。更に、スクリュー供給機を使用して、槽を通してそれを供給することによって、基材を含浸溶液（複数可）と接触させ得る。振盪装置又は混合デバイスもまた、基材と含浸溶液との間の優れた接触を確実にするために使用され得る。含浸溶液は、典型的に、最高「浸染限界」まで適用され得、これは基材表面の構成成分（複数可）が、完全に湿潤される地点である。浸染限界は、十分溶液で湿潤しているがあふれてはいないスポンジと同様に、流出を引き起こすことなしに適用され得る含浸溶液の最大量である。浸染限界はまた、初期湿潤点（incipient wetness point）と称され得る。基材が少なくとも１つの硝酸亜鉛を含有する含浸溶液と接触させられると、その基材は含浸させた基材と称され得る。

方法の実施形態は、複数の含浸溶液の使用を含み得る。複数の含浸溶液が使用されるときに、含浸溶液は、単一工程プロセス又は多工程プロセスにおいて、基材と接触させられ得る。多工程プロセスは、２つ以上の含浸溶液に対して同一の接触技術を使用し得るか、あるいは２つ以上の含浸溶液に対して異なる接触技術を使用し得る。

２つ以上の含浸溶液を使用する多工程プロセスにおいて、基材は、各含浸溶液との接触の後に乾燥され得るか、あるいは最終含浸の後でのみ乾燥され得る。乾燥は、基材の更なる取扱を必要とする場合がある、言い換えると、フィルタ性能に悪影響を与え得る摩耗を引き起こす恐れがある。したがって、乾燥工程数は、最低限に維持されることが望ましい。実施形態では、基材は最終含浸溶液との接触の後でのみ乾燥される。

実施形態では、基材は加熱なしに乾燥され得る（含浸させた基材の加熱工程が開始される前）。乾燥（加熱なし）は、含浸させた基材を空気流動、真空、又はそれらのいくつかの組み合わせに曝すことによって、室温の場所で含浸させた基材を維持することによって影響され得る。別の方法としては、含浸させた基材は加熱工程の間に乾燥され得る。

実施形態では、基材は含浸後、典型的に（例えば、溶媒で）洗浄されず、それは、このような洗浄工程（複数可）は含浸類を除去し得るためである。

含浸させた基材が任意で乾燥されるか、又はされないかに関わらず、次の工程は含浸させた基材の加熱である。含浸させた基材は不活性気体又は真空において、大気圧で加熱され得る。一般的に、含浸させた基材が加熱される温度は、例えば、熱分解を介して、硝酸亜鉛を酸化亜鉛に転化させるのに十分である。

実施形態では、含浸させた基材は、少なくとも約１８０℃の温度、少なくとも約２００℃の温度、又は少なくとも約３００℃の温度まで加熱され得る。実施形態では、含浸させた基材は約１４０℃〜約３００℃の温度まで加熱され得る。少なくとも約１８０℃の温度まで加熱することは、硝酸亜鉛を酸化亜鉛へ転化するよう機能する。約３００℃を上回る温度まで加熱することは、事前によく分配された金属、金属酸化物、及び塩を大きな平均晶子寸法を有するクラスターと合体させ得る。チャレンジガスとの反応が有効である含浸剤（複数可）の表面積が減少されるため、大きな平均晶子寸法を有する含浸剤を含有する収着剤は、乏しい（乾式）気体除去能を有する傾向がある。実施形態では、含浸させた基材は約１４０℃〜約２００℃の温度まで加熱され得る。加熱は、加熱工程の多工程又は勾配型において達成され得る。

加熱は、不活性雰囲気において典型的に行われる。オーブン又はコンベア又は容器を、加熱を行うためのチャンバとして用いることができる。不活性雰囲気は、アルゴン又は窒素、及びそれらの混合物、並びに約２重量％未満の酸素を含んでもよい。不活性雰囲気の使用は、活性微粒子基材を損傷することなく、含浸剤（例えば、硝酸亜鉛）の熱分解をしやすくし得る。

いくつかの実施形態では、水はまた、望ましい、任意の含浸剤であり得る。水は、酸化亜鉛などの他の含浸剤で処理された後、含浸させた基材に添加され得る。水含浸剤は、酸性気体、アンモニア等に対する濾過効率を高めることができる。含浸させた基材物質の総重量に基づく約０．２〜２０重量パーセントの水が存在する場合、それは有効であり得、いくつかの実施形態では、含浸させた基材物質の総重量に基づく、約１〜５重量パーセントの水が好適である。他の好適な任意の含浸剤は、「ＭｉｌｉｔａｒｙＰｒｏｂｌｅｍｓｗｉｔｈＡｅｒｏｓｏｌｓａｎｄＮｏｎ−ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔｇａｓｅｓ，ＳｕｍｍａｒｙｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔｏｆＤｉｖｉｓｉｏｎ１０」、ＮＤＲＣ（１９４６）に記載されており、この全文は参照することにより本明細書に組み込まれる。

濾材が形成されると、それは、気流から気体汚染物質を除去するために使用され得る。除去され得る気体汚染物質としては、例えば、シアン化水素（ＨＣＮ）などの化合物、アンモニア（ＮＨ_３）などの塩基性ガス、二酸化硫黄（ＳＯ_２）などの酸性気体、及び有機蒸気が挙げられ得る。

本明細書で開示される濾材は、基材の表面上の少なくとも一部分に配置される酸化亜鉛粒子を有する基材を含み得る。本明細書において使用されるところの、酸化亜鉛粒子は、酸化亜鉛の個々の粒子、酸化亜鉛の単原子層又は単層、又はこれらの組み合わせを含み得る。本明細書において使用されるところの、語句「基材の表面」は、基材の外側表面、基材の細孔の表面とも称され得る基材の内側表面、又はそれらの組み合わせを含み得る。実施形態では、濾材は、基材の少なくとも外側表面の部分及び基材の少なくとも内側表面の部分（すなわち、細孔内）上に配置される、酸化亜鉛粒子を含み得る。

実施形態では、酸化亜鉛粒子は比較的小さなサイズを有する粒子である。実施形態では、酸化亜鉛粒子は約１００ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。実施形態では、酸化亜鉛粒子は約５０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。実施形態では、酸化亜鉛粒子は約３０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。実施形態では、酸化亜鉛粒子は約２０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。実施形態では、酸化亜鉛粒子は約１０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する。

酸化亜鉛粒子の平均晶子寸法は周知の方法で測定され得る。酸化亜鉛粒子の平均晶子寸法を測定するために使用され得る例示の方法は、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、及び透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）を含む。

実施形態では、酸化亜鉛粒子の平均晶子寸法は、Ｘ線回折及びシェラーの式（Scherrer equation）を使用して測定され得る。Ｘ線回折は、異なるＸ線回折装置の番号を使用して実行され得る。例えば、銅ターゲットＸ線管を装備されたＲｉｇａｋｕＭｉｎｉＦｌｅｘＸ線回折装置が使用された。使用される典型的な動作値は、０．０５°／工程のスキャン速度、及び３０秒／工程の滞在時間を含み得る。ＲｉｇａｋｕＭｉｎｉＦｌｅｘＸ線回折装置は、散乱角が変化するにつれて、サンプル上のＸ線ビームのサイズを一定に保つために、可変スリットを使用する。銅ターゲットＸ線管を装備されたＰｈｉｌｌｉｐｓ回折装置はまた、粉末ＸＲＤ実験を実施するために使用され得る。Ｐｈｉｌｌｉｐｓ回折装置は固定スリットを使用し、ＩｎｅｌＣＰＳ１２０湾曲検出器に連結され得る。Ｐｈｉｌｌｉｐｓ回折装置に使用される典型的なスキャン条件は、１２００秒／サンプルの滞在時間を含み得る。比較的長い滞在時間は、優れた信号対雑音比が調査下のサンプルから得られることを確実にし得る。これは、含浸剤回折ピークの適切な解像度を提供するため、含浸剤の平均晶子寸法がシェラーの式を使用して算出され得る。分析の前に、サンプルは、乳鉢及び乳棒を使用して粉末まですりつぶされ得る。

Ｘ線回折実験より収集されるデータは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔｅｘｃｅｌ、ｆｉｔｙｋ、Ｇ−ｆｉｔ、Ｍａｐｌｅ、Ｇｒａｐｈｅｒ、又は任意の他の好適なプログラムなどのコンピュータプログラムを使用して分析され得る。概算は、強度対散乱角としてプロットされるときに、データセットの視覚分析によって行われ得る。含浸剤の平均晶子寸法、Ｌは、回折ピークの分析からシェラーの式を使用して算出され得る。シェラーの式に必要とされる情報は、入射Ｘ線照射の波長、λ、対象となる散乱角に中心がある回折ピークの半値全幅（ラジアンにおける）、Ｂ、及び対象となる散乱角の値、２θである。フィッティング定数、Ｋ（＝０．９）は、同様に、一般的にシェラーの式に使用される。シェラーの式の詳述は、文献中に見出すことができ、関連例は、Ｈ．Ｐ．ＫｌｕｇａｎｄＬ．Ｅ．Ａｌｅｘａｎｄｅｒ，Ｘ−ｒａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＰｒｏｃｅｄｕｒｅｓ：ＦｏｒＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅａｎｄＡｍｏｒｐｈｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９７４）である。本明細書で使用され得るシェラーの式の形態は、
Ｌ＝Ｋλ／［Ｂｃｏｓ（θ）］である。

実施形態では、開示される濾材は、種々の空気汚染物質に対する所望のレベルのフィルタ能力を提供するのに十分な酸化亜鉛の量を含み得る。実施形態では、開示される濾材は、濾材の重量に基づく、少なくとも約５重量％、少なくとも１０重量％、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、又は少なくとも２５重量％の酸化亜鉛を含み得る。実施形態では、開示される濾材は、濾材の重量に基づく、約５重量％〜約３０重量％の酸化亜鉛を含み得る。実施形態では、開示される濾材は、濾材の重量に基づく、約１５重量％〜約２５重量％の酸化亜鉛を含み得る。濾材に関連する酸化亜鉛の量は、多数の方法で測定され得る。例えば、濾材の酸化亜鉛の量の測定は、酸化亜鉛を生産するために使用される硝酸亜鉛の量に基づき得る。最初に使用される硝酸亜鉛の量が知られている場合、１００％転換、又は実験結果に基づく別の値が使用され、酸化亜鉛の存在量が測定され得る。

濾材に形成される基材はまた、より大きな物品に接触されるか、又はより大きな物品に形成され得る。例えば、濾材はウェブに形成され得るか、又は異なる物質から形成されるウェブに加えられ得る。

開示される濾材は、単独か、又は他の気体濾材と共に使用され得る。他の気体濾材と併用するとき、２種以上の媒体を混合及び／又は別個の濾床層に配置し得る。各種気体濾過粒子の相対量は、広範囲に変動し得る。このようなフィルタ構造の例は、例えば、Ｓｍｉｔｈらに対する米国特許第６，３４４，０７１号、及びＦｒｕｎｄに対する同第５，７１４，１２６号に見出すことができる。

図１は、マスク本体１４に取り付けられたフィルタカートリッジ１２を有する呼吸装置１０を示す。フィルタカートリッジ１２は、１つ以上の開示される濾材の層を含み得る。呼吸装置１０はまた、ハーネス１６を有し、これは着用者の鼻及び口上にマスク本体１４を支持しやすくする。マスク本体１４は、弾性顔面接触部１８及び剛性構造部１９を含み得る。フィルタカートリッジ１２は、剛性構造部１９に取り付けられ、必要に応じて取り替え可能である。

図２に示されるとおり、フィルタカートリッジ１２は、カートリッジ入り口をわたって延在する、スクリム又はカバーウェブ２０を含んでもよい。含浸活性微粒子フィルタ２２の層は、特に空気から気体及び蒸気汚染物質を除去するのに適した気体濾過層として、カバーウェブ２０と出口ウェブ２４との間に配置される。気体濾過層２２は、例えば、充填床、接合吸着構造、複雑な構造、及び／又は接着構造であり得る。例えば、Ｂｒａｕｎらに対する米国特許第５，０７８，１３２号、Ｓｅｎｋｕｓらに対する同第５，６９６，１９９号、Ｓｐｒｉｎｇｅｔｔらに対する同第６，２３４，１７１号、並びにＴｒｅｎｄらに対する米国特許出願第２００６／０２５４４２７号、及びＢｒｅｙらに対する同第２００６／００９６９１１号を参照されたい。したがって、吸入された空気は、カバーウェブ２０、収着空気フィルタ２２、及び出口スクリム２４を連続的に通過して、プレナム２６に入る。次いで、プレナム２６から、吸入された空気は、出口２８を通過して、内部気体空間に入り、そこで着用者により精製された空気が吸入され得る。フィルタカートリッジ１２は、取り外し可能な取り付け部３０を含み得る。カートリッジは、例えば、Ｙｕｓｃｈａｋらの米国特許第ＲＥ３９，４９３号に教示されているようなスナップ嵌め係合機構を用いてマスク本体に取り付けられてもよく、又は例えば差し込み若しくはねじ式取り付け具であってもよい。フィルタカートリッジ１２はまた、典型的には活性炭フィルタ２２の上流に、粒子フィルタを含み得る。粒子フィルタは、カバーウェブ２０と収着層２２との間に配置され得る、又はカバーウェブ２０の代わりに使用され得る。

粒子フィルタは、種々の形態に成り得、その例は、不織布帯電繊維ウェブである。粒子濾過層は、典型的には、所望の濾過効果を実現し、一般にそれを通過する気体流に懸濁している高い割合の粒子を除去するよう選択される。繊維性粒子フィルタ層については、通常は、成型作業中に接着してしまわないように、濾過する物質に基づいて選択された繊維が選ばれる。粒子フィルタ層は、多様な形状及び形態で供給されてもよいが、典型的には、約０．２ミリメートル（ｍｍ）〜１センチメートル（ｃｍ）、より典型的に約０．３ｍｍ〜０．５ｃｍの厚さを有し、それは一般的に平面状のウェブであり得るか、又はそれは拡張された表面積を提供するために、波状化され得る（例えば、Ｂｒａｕｎらに対する米国特許第５，８０４，２９５号及び同第５，６５６，３６８号を参照のこと）。粒子濾過層はまた、接着剤又は別の他の好適な方法によって、一緒に接合される複数の濾過層を含んでもよい。基本的に、粒子濾過層の形成に知られている（又は後に開発された）好適な任意の材料を、濾過材料として使用することができる。Ｗｅｎｔｅ，ＶａｎＡ．，ＳｕｐｅｒｆｉｎｅＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＦｉｂｅｒｓ，４８ＩＮＤＵＳ．ＥＮＧＮ．ＣＨＥＭ．，１３４２そして以下のもの（１９５６）に教示されるこれらなどの、メルトブローン繊維のウェブは、特に、持続性の帯電（エレクトレット）形態の場合に、特に有用である（例えば、Ｋｕｂｉｋらに対する米国特許第４，２１５，６８２号を参照のこと）。これらのメルトブローン繊維は、約２０マイクロメートル（μｍ）未満（「ブローンマイクロファイバー」をＢＭＦと称する）、一般に約１〜１２μｍの有効繊維直径を有するマイクロファイバーであってもよい。有効な繊維直径は、Ｄａｖｉｅｓ，Ｃ．Ｎ．，ＴｈｅＳｅｐａｒａｔｉｏｎＯｆＡｉｒｂｏｒｎｅＤｕｓｔＰａｒｔｉｃｌｅｓ，ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＳ，Ｌｏｎｄｏｎ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ１Ｂ，１９５２に従って決定され得る。実施形態では、ポリプロピレン、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、又はそれらの組み合わせから形成される繊維を含有するＢＭＦウェブが使用され得る。ヴァン・テュルンハウト（van Turnhout）（米国再特許第３１，２８５号）に教示されている帯電小繊維化フィルム繊維も適している場合があり、またロジン−ウール繊維ウェブ、及びグラスファイバー若しくは溶液ブローンのウェブ、又は静電スプレー繊維、特にマイクロフィルム形態のものも適している場合がある。電荷は、米国特許第６，８２４，７１８号（Ｅｉｔｚｍａｎｅｔａｌ．）、同第６，７８３，５７４号（Ａｎｇａｄｊｉｖａｎｄｅｔａｌ．）、同第６，７４３，４６４号（Ｉｎｓｌｅｙｅｔａｌ．）、同第６，４５４，９８６号及び同第６，４０６，６５７号（Ｅｉｔｚｍａｎｅｔａｌ．）、並びに同第６，３７５，８８６号及び同第５，４９６，５０７号（Ａｎｇａｄｊｉｖａｎｄｅｔａｌ．）に開示されているように、繊維を水と接触させることにより、繊維に付与することができる。電荷はまた、米国特許第４，５８８，５３７号（Ｋｌａｓｓｅｅｔａｌ．）に開示されているようなコロナ帯電により、又は、同第４，７９８，８５０号（Ｂｒｏｗｎ）に開示されているような摩擦帯電（tribocharging）により、繊維に付与されてもよい。

カバーウェブ（入口及び出口）は、典型的には、粒子濾過構造に任意の実質的な濾過効果を提供しないが、それは粒子濾過層を保護することができ、粒子濾過層外部（又は上流）に配置されるときプレフィルタとして作用し得る。カバーウェブは、約５〜５０ｇ／ｍ^２（典型的に約１０〜３０ｇ／ｍ^２）の坪量を有するように構築されてもよい。カバーウェブに用いられる繊維は、平均繊維直径が約５〜２４マイクロメートル、典型的には７〜１８マイクロメートル、より典型的には８〜１２マイクロメートルであることが多い。

カバーウェブに好適な材料は、ブローンマイクロファイバー（ＢＭＦ）材料、具体的にはポリオレフィンＢＭＦ材料、例えばポリプロピレンＢＭＦ材料（ポリプロピレンブレンド及びポリプロピレンとポリエチレンのブレンドも含む）である。カバーウェブ用のＢＭＦ材料を製造するために好適なプロセスは、米国特許第４，０１３，８１６号（サビー（Sabee）ら）に記載されている。ウェブは、平滑面、典型的には平滑面ドラム上に繊維を集めることにより形成してもよい。スパンボンド繊維を使用することもできる。

典型的なカバーウェブは、ポリプロピレン又は約５０重量パーセント以上のポリプロピレンを含有するポリプロピレン／ポリオレフィンブレンドから作製されてもよい。カバーウェブで使用するのに好適なポリオレフィン材料としては、例えば、単一のポリプロピレン、２種のポリプロピレンのブレンド、ポリプロピレンとポリエチレンのブレンド、ポリプロピレンとポリ（４−メチル−１−ペンテン）のブレンド、及び／又はポリプロピレンとポリブチレンのブレンドを挙げることができる。カバーウェブの繊維の一例としては、ポリプロピレン樹脂「エスコレン（Escorene）３５０５Ｇ」から製造されたエクソン社（ExxonCorporation）製のポリプロピレンＢＭＦがあり、これは坪量が約２５ｇ／ｍ^２であり、繊維は０．２〜３．１デニールの範囲である（平均、約０．８デニールの繊維１００本超で測定）。他の好適な繊維はポリプロピレン／ポリエチレンＢＭＦ（樹脂「エスコレン（Escorene）３５０５Ｇ」８５パーセントと、エチレン／α−オレフィンコポリマー「エグザクト（Exact）４０２３」（これもエクソン社（Exxon Corporation）製）１５％を含む混合物から製造される）であり、これは坪量が約２５ｇ／ｍ^２であり、繊維は平均約０．８デニールである。好適なスパンボンド材料は、ＣｏｒｏｖｉｎＧｍｂＨ（Ｐｅｉｎｅ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から商品名「ＣｏｒｏｓｏｆｔＰｌｕｓ２０」、「ＣｏｒｏｓｏｆｔＣｌａｓｓｉｃ２０」、及び「ＣｏｒｏｖｉｎＰＰ−Ｓ−１４」で入手可能であり、カードポリプロピレン／ビスコースは、Ｊ．Ｗ．ＳｕｏｍｉｎｅｎＯＹ（Ｎａｋｉｌａ，Ｆｉｎｌａｎｄ）から商品名「３７０／１５」で入手可能である。本明細書において使用され得るカバーウェブの例は、例えば、Ａｎｇａｄｊｉｖａｎｄに対する米国特許第６，０４１，７８２号、Ｂｏｓｔｏｃｋらに対する米国特許第６，１２３，０７７号、及びＢｏｓｔｏｃｋらに対する国際公開第ＷＯ９６／２８２１６Ａ号に開示される。

溶液調製方法：
ＨＮＯ_３を含有する溶液を、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡから購入した７０％濃縮試薬用ＨＮＯ_３を蒸留水で希釈することにより調製した。

Ｚｎ（ＮＯ_３）_２を含有する溶液を、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡから購入した所望の量のＺｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏを蒸留水中に溶解することによって調製した。

Ｚｎ（ＮＯ_３）_２及び非銅金属を含有する溶液を、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡから購入した所望の量のＺｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ及びＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡから購入した所望の量のＦｅ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏを蒸留水中に溶解することによって調製した。

Ｚｎ（ＮＯ_３）_２及び非銅金属を含有する溶液を、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡから購入した所望の量のＺｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ及びＡｌｆａＡｅｓａｒ，ＷａｒｄＨｉｌｌ，ＭＡ，ＵＳＡから購入した所望の量のＨ_３ＰＯ_４・１２ＭｏＯ_３・ｘＨ_２Ｏを蒸留水中に溶解することによって調製した。１錯体当たりの水分子数ｘは、５℃／分のスキャン速度で、室温から６００℃まで、空気中にて、４５ｍｇのＨ_３ＰＯ_４・１２ＭｏＯ_３・ｘＨ_２ＯをＴＧＡ中にて加熱することにより決定した。加熱前後のデータを分析することにより、ｘ＝２７±２であると推定された。

含浸方法
調製された溶液を水に溶解し、所望の濃度を得た。単一工程プロセスにおいて、全ての溶液を一緒に混合し、次いで、活性炭を含浸させるために使用した。次いで、活性炭を、その浸染限界に達するのに十分な食塩水で含浸させた。これにより、顆粒が密着し始めた。食塩水で浸染後、炭素を記載された温度（複数可）で乾燥した。

気体試験方法
全般：
活性炭基材を「そのまま」で試験するか、又はアルゴン下で高温で乾燥するか、又は約８５％の相対湿度（ＲＨ）環境を生じる塩スラリーを含有するチャンバ中の恒量を加湿するかのいずれかによって試験される前に、事前調整した。塩スラリーは、１００ミリリットル（ｍＬ）の脱イオン（ＤＩ）水中に５００グラム（ｇ）のＫＢｒを含んでいた。「乾燥」のラベルを付けたサンプルを恒量に乾燥させ、次いでＲＨ１５％未満のチャレンジガス流を用いて試験した。チャレンジガスは、ＳＯ_２、ＮＨ_３、ＨＣＮ、又はＣ_６Ｈ_１２を含む空気であった。「湿潤」のラベルを付けたサンプルを恒量に加湿し、次いでＲＨ８０％チャレンジガス流を用いて試験した。

ＳＯ_２突破試験：
体積が０．７５ｇのＫｕｒａｒａｙＧＣに等しい、所与の実施例に従って調製された含浸炭素の小さなサンプルを計り分け、図３に示される構造を有する管試験装置に移動させた。肉眼で著しい体積減少が観察されなくなるまで、炭素を「軽く打ち」つけた。次いで、管中の炭素サンプルを、１０００百万分率（ｐｐｍ）の二酸化硫黄（ＳＯ_２）を含有する２００ｍＬ／分の調整空気（＜１５％ＲＨ又は８０％ＲＨ）の試験流に曝露した。活性炭サンプルの下流の空気を、１００ｍＬの洗浄液（蒸留水及び約０．５ｇのＫＣｌ若しくはＮａＣｌからなる）に吹き込んだ。洗浄液のｐＨを、ＳＯ_２突破用ｐＨ電極を用いてモニタした。突破時間は、３６ｐｐｍＳＯ_２の濃度が炭素サンプルの下流で観察された時間として定義された。

ＮＨ_３突破試験：
体積が０．７５ｇのＫｕｒａｒａｙＧＣに等しい、所与の実施例に従って調製された含浸炭素の小さなサンプルを計り分け、図３に示される管試験装置に移動した。肉眼で著しい体積減少が観察されなくなるまで、炭素を「軽く打ち」つけた。次いで、管中の炭素サンプルを、１０００ｐｐｍのアンモニア（ＮＨ_３）を含有する２００ｍＬ／分の調整空気（＜１５％ＲＨ又は８０％ＲＨ）の試験流に曝露した。炭素サンプルの下流の空気を１００ｍＬの洗浄液（蒸留水及び約０．５ｇのＫＣｌ若しくはＮａＣｌからなる）に吹き込んだ。洗浄液のｐＨを、ＮＨ_３突破用ｐＨ電極を用いてモニタした。突破時間は、３６ｐｐｍ濃度が炭素サンプルの下流で観察された時間として定義された。

ＨＣＮ突破試験：
体積が０．７５ｇのＫｕｒａｒａｙＧＣに等しい、所与の実施例に従って調製された含浸炭素の小さなサンプルを計り分け、図３に示される装置に類似しているが、炎イオン化検出器（ＧＣ−ＦＩＤ）を備えるガスクロマトグラフを備える管試験装置に移動させた。肉眼で著しい体積減少が観察されなくなるまで、炭素を「軽く打ち」つけた。次いで、管中の炭素サンプルを、約２０００ｐｐｍのシアン化水素（ＨＣＮ）を含有する２６０ｍＬ／分の調整空気（＜１５％ＲＨ又は８０％ＲＨ）の試験流に曝露した。炭素サンプルの下流の空気を、ＨＣＮ、チャレンジガス、及びシアン（ＮＣＣＮ）（ＨＣＮの一般的な分解産物）について、ＧＣ−ＦＩＤシステムを用いて突破をモニタした。突破時間は、５ｐｐｍ濃度が炭素サンプルの下流で観察された時間として定義された。

Ｃ_６Ｈ_１２突破試験：
体積が０．７５ｇのＫｕｒａｒａｙＧＣに等しい、所与の実施例に従って調製された含浸炭素の小さなサンプルを計り分け、図３に示される管試験装置に移動した。肉眼で著しい体積減少が観察されなくなるまで、炭素を「軽く打ち」つけた。次いで、管中の炭素サンプルを、２０００ｐｐｍのシクロヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１２）を含有する２００ｍＬ／分の調節された空気（＜１５％ＲＨ又は８０％ＲＨ）の試験流に曝露した。炭素サンプルの下流の空気を、ＭｉｒａｎＳａｐｐｈＩＲｅＩＲを使用して、突破をモニタした。５ｐｐｍの濃度が炭素サンプルの下流で観察された時間として突破時間を画定した。

（実施例１）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。蒸留水中に４モル濃度（モル／リットル：「Ｍ」）のＨＮＯ_３を含有する酸性溶液を金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１６０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。水中に０．５モル濃度の（モル／リットル：「Ｍ」）ＨＮＯ_３を含有する酸性溶液を、金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１６０℃の温度で３時間乾燥した。

（実施例３）
ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な、ＫｕｒａｒａｙＧＣ活性炭、１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣのサンプルを、２つの工程プロセスで含浸させた。まず、活性炭１グラムに対して０．７ｍＬの含浸溶液の比で、炭素のサンプルを１．２ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２、０．０１８ＭのＨ_３ＰＯ_４・１２ＭｏＯ_３、及び２．０ＭのＨＮＯ_３水溶液で含浸させた。含浸炭素を、不活性雰囲気下で、１２５℃にて２時間乾燥させた。次いで、この処理された炭素を、処理された活性炭１グラムに対して、１．２ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２、０．０１８ＭのＨ_３ＰＯ_４・１２ＭｏＯ_３、及び２．０ＭのＨＮＯ_３である０．７ｍＬの第２の水溶液で含浸させた。アルゴン下で、２００℃の温度で２時間、含浸炭素を２度乾燥した。

（実施例４）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏを蒸留水に溶解することによって、最終含浸溶液を調製した。金属塩は２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１６０℃の温度で２時間乾燥した。

（実施例５）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で１８０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例５を実施例１に記載のとおり調製した。

（実施例６）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で１８０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例６を実施例２に記載のとおり調製した。

（実施例７）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で１８０℃の温度で２時間乾燥させたことを除き、実施例７を実施例４に記載のとおり調製した。

（実施例８）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で２００℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例８を実施例１に記載のとおり調製した。

（実施例９）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で２００℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例９を実施例２に記載のとおり調製した。

（実施例１０）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で２００℃の温度で２時間乾燥させたことを除き、実施例１０を実施例４に記載のとおり調製した。

（実施例１１）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で２５０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１１を実施例１に記載のとおり調製した。

（実施例１２）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で２５０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１２を実施例２に記載のとおり調製した。

（実施例１３）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏを蒸留水に溶解することによって、最終含浸溶液を調製した。金属塩は２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、３００℃の温度で３時間乾燥した。

（実施例１４）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で３００℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１４を実施例１に記載のとおり調製した。

（実施例１５）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で３００℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１５を実施例２に記載のとおり調製した。

（実施例１６）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で４５０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１６を実施例１に記載のとおり調製した。

（実施例１７）
含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で４５０℃の温度で３時間乾燥させたことを除き、実施例１７を実施例１３に記載のとおり調製した。

（実施例１８）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。蒸留水中に４モル濃度（モル／リットル：「Ｍ」）のＨＮＯ_３を含有する酸性溶液を金属塩と混合することによって、最終含浸溶液を調製し、１．２ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２及び１．２ＭのＦｅ（ＮＯ_３）_３の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例１９）
用いた活性炭がＣａｌｇｏｎＣａｒｂｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ製のＣＤＮＤ１２３０であったことを除き、実施例１９に記載したように実施例１を調製した。また、含浸溶液及び活性炭混合物をアルゴン雰囲気で１８０℃の温度で３時間乾燥した。

（実施例２０）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。蒸留水を金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、１．２ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２及び１．２ＭのＦｅ（ＮＯ_３）_３の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２１）
ＣａｌｇｏｎＣａｒｂｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡから入手可能な活性炭、ＣＤＮＤ１２３０を基材として使用した。蒸留水を金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２２）
ＷｅｓｔｖａｃｏＣｈｅｍｉｃａｌＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ，ＶＡより入手可能な活性炭、ＮＵＣＨＡＲＷＶ−Ｂ１０×２５メッシュを基材として使用した。蒸留水を金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を、約１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２３）
ＷｅｓｔｖａｃｏＣｈｅｍｉｃａｌＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ，ＶＡより入手可能な活性炭、ＮＵＣＨＡＲＷＶ−Ｂ１０×２５メッシュを基材として使用した。蒸留水中に４モル濃度（モル／リットル：「Ｍ」）のＨＮＯ_３を含有する酸性溶液を金属塩と混合することによって最終含浸溶液を調製し、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を、約１ｇ：０．９ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２４）
ＷｅｓｔｖａｃｏＣｈｅｍｉｃａｌＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ，ＶＡより入手可能な活性炭、ＮＵＣＨＡＲＷＶ−Ｂ１０×２５メッシュを基材として使用した。蒸留水を金属塩と混合することによって最終含浸溶液調製し、１．２ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２及び１．２ＭのＦｅ（ＮＯ_３）_３の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を、約１ｇ：１ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物をアルゴン雰囲気で、１８０℃の温度で約３時間乾燥した。

（実施例２５）
活性炭、ＫｕｒａｒａｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手可能な１２×３５型ＫｕｒａｒａｙＧＣを基材として用いた。Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏを蒸留水に溶解することによって、最終含浸溶液を調製した。金属塩は２．３ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２の濃度を達成した。炭素及び含浸溶液を１ｇ：０．８ｍＬの比で混合した。次いで、この混合物を空気中にて、１４０℃の温度で５時間乾燥した。

実施例１〜２５のサンプルを、上記試験方法を用いて蒸気又気体でチャレンジした。試験結果は、市販のＣａｌｇｏｎＵＲＣ、銅及びモリブデンの塩を使用して調整されたウェトラライトマルチガス炭素、並びに別の銅系ウェトラライトタイプマルチガス炭素について記載し、その中で高価なモリブデン塩はタングステン塩に置き換えられた、米国特許第７，３０９，５１３号から再現されるサンプルの試験結果と共に、以下の表１中に示される。

^１ＣａｌｇｏｎＵＲＣ、ＣａｌｇｏｎＣａｒｂｏｎＣｏｍｐａｎｙ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ，ＵＳＡから市販
^２試験前に、サンプルを約１２０℃で空気中にて乾燥し、含水量を減少させた。
^３サンプルに関して、ＨＣＮ試験の間、ＮＣＣＮの生成を観察しなかった場合には、ＮＣＣＮ突破時間をＮとして記載する。

^１ＣａｌｇｏｎＵＲＣ、ＣａｌｇｏｎＣａｒｂｏｎＣｏｍｐａｎｙ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ，ＵＳＡから市販
^２試験及び加湿の前に、サンプルを約１２０℃で空気中にて乾燥した。
^３サンプルに関して、ＨＣＮ試験の間、ＮＣＣＮの生成を観察しなかった場合には、ＮＣＣＮ突破時間をＮとして記載する。

図４は、実施例７、６、及び５から得られるＸ線回折パターンを示す。サンプルは（アルゴン中で）Ｔ_ｆ＝１８０℃まで加熱された。この図は、含浸溶液のＨＮＯ_３の濃度が増加するにつれて、ＺｎＯ回折ピークの相対強度は減少し、広がり、それは、シェラーの式によって推論され得るとおり、ＺｎＯ平均晶子寸法の減少を暗示するということを示す。

図５は、２．４ＭのＺｎ（ＮＯ_３）_２／４ＭのＨＮＯ_３含浸溶液から調製されるサンプルから得られるＸ線回折パターンを示す。サンプルはそれぞれ、（アルゴン中で）Ｔ_ｆ＝１８０℃（実施例５）、３００℃（実施例１４）、及び４５０℃（実施例１６）まで加熱された。これらのサンプルに対する平均ＺｎＯ含浸剤粒度は、シェラーの式、並びに約３０°及び４０°の散乱角の間のデータを使用して算出された。平均含浸剤粒度は、≦２ｎｍ（実施例５）、（６±３）ｎｍ（実施例１４）、及び（１６±１）ｎｍ（実施例１６）であった。

このように、酸化亜鉛を含有する濾材及びその形成方法の実施形態が開示される。本開示を、開示されたもの以外の実施形態によって実施することが可能な点は当業者には認識されるであろう。開示された実施形態は、説明を目的として提示されるものであって、限定を目的として提示されるものではなく、本開示は以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims

濾材であって、
活性炭微粒子と、
前記活性炭微粒子の表面上に配置される酸化亜鉛粒子と、を含み、
前記酸化亜鉛粒子が、約５０ｎｍ以下の平均晶子寸法を有する、濾材。
前記濾材が、少なくとも約５重量％の酸化亜鉛を含む、請求項１に記載の濾材。
前記濾材が、約１５重量％〜約２５重量％の酸化亜鉛を含む、請求項１に記載の濾材。
前記平均晶子寸法が、３０ｎｍ以下である、請求項１に記載の濾材。
前記平均晶子寸法が、２０ｎｍ以下である、請求項１に記載の濾材。
空気から汚染物質を除去するためのフィルタカートリッジであって、前記フィルタカートリッジが、
ハウジング内に含有される含浸活性微粒子の層を備え、前記含浸活性微粒子が請求項１に記載の濾材を備える、フィルタカートリッジ。
前記酸化亜鉛粒子が、約２０ｎｍ以下の平均結晶寸法を有する、請求項６に記載のフィルタカートリッジ。
請求項１に記載の濾材を含有するフィルタカートリッジを備える、呼吸装置。
濾材の製造方法であって、
硝酸亜鉛を含む含浸溶液を提供する工程と、
基材上に前記硝酸亜鉛を含浸させるために、前記基材を前記含浸溶液と接触させる工程と、
前記硝酸亜鉛を酸化亜鉛へ転化するために、前記含浸溶液を加熱する工程と、を含む、方法。
前記含浸溶液が、少なくとも約０．５Ｍの濃度の硝酸を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記硝酸が、少なくとも約２．０Ｍの濃度を有する、請求項１０に記載の方法。
前記基材を第２の含浸溶液と接触させる工程を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記基材を高分子量アミンと接触させる工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。
前記高分子量アミンが、トリエチレンジアミン（ＴＥＤＡ）である、請求項１２に記載の方法。
前記含浸溶液が、非亜鉛塩を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記非亜鉛塩が、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３である、請求項１５に記載の方法。
前記含浸溶液が、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２、ＣｕＣｌ_２、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３、Ａｌ（ＮＯ_３）_３、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３、Ｃａ（ＮＯ_３）_２、ＺｎＣｌ_２、酢酸亜鉛、酢酸銅、又はそれらの組み合わせを含む、請求項９に記載の方法。
加熱前に前記含浸させた基材を乾燥させる工程を更に含む、請求項９に記載の方法。
前記含浸させた基材が、約１８０℃〜約３００℃まで加熱される、請求項９に記載の方法。
前記方法が、１つの工程で行われる、請求項１０に記載の方法。