JP5384532B2 - アミンとポリカルボン酸との付加物、並びにこのような付加物を含む濾材 - Google Patents
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Description
アミンとポリカルボン酸とを組み合わせることにより形成される付加物が本明細書に開示される。様々な実施形態では、アミンは、一級、二級又は三級であってもよく、室温(すなわち、約25℃)、101.3kPa(1atm)において固体であっても液体であってもよい。好ましいアミンは、シアン化塩素及びこれに類するものなどの有毒ガスを除去する少なくともある程度の能力を有する。様々な実施形態では、好適なアミンの代表的な例には、トリエチルアミン(TEA)又はキヌクリジン(QUIN)、トリエチレンジアミン(TEDA)、ピリジン、ピリジン−4−カルボン酸(P4CA)などのピリジンカルボン酸、これらの組み合わせなどを挙げてもよい。現時点で好ましい実施形態では、アミンは、トリエチレンジアミン(通常、TEDAと略される)であり、これはまた1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(通常、DABCOと略される)としても知られる。
本明細書で使用するとき、用語「ポリカルボン酸」は、少なくとも2つのカルボン酸基を含有する有機分子を意味する。このような分子は、一般形式では、R(COOH)xと書くことができ、式中、xは2以上であり、Rは共有結合(シュウ酸の場合)又は炭化水素部分(例えば、アルキル、芳香族、アルケニルなどの基)を含むことができる。一実施形態では、ポリカルボン酸は、2つのカルボン酸(COOH)基を含む。それゆえに、好適なポリカルボン酸には、例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、マレイン酸、フマル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸及びこれらの組み合わせを挙げてもよい。別の実施形態では、ポリカルボン酸は3つのカルボン酸基を含む。このタイプの好適なカルボン酸には、例えば、クエン酸が挙げられる。更に別の実施形態では、ポリカルボン酸は4つ以上のカルボン酸基を含む。特定の実施形態では、ポリカルボン酸は高分子性である。例えば、ポリカルボン酸は、ポリ(アクリル酸)により例示されるようなペンダントカルボン酸基を有する比較的長鎖の主鎖を含むことができる。
本明細書に開示されている、TEDAと様々なポリカルボン酸との付加物は錯体として記載することもでき、本明細書により教示される方法に従って再現性良く製造可能であり、本明細書に開示されるような再現可能な特性を呈する。発明者らは、このような付加物がTEDAの欠点及び副作用を低減させるのに有用である一方で、TEDAがシアン化塩素を除去する能力を保存する又は潜在的には更に高めることを発見した。
様々なポリカルボン酸とのTEDAの付加物が本明細書において開示される。特定の実施形態では、付加物は、TEDA分子とポリカルボン酸分子との間で約1:1の化学量論比を有する(しかしながら、このような化学量論比は、特定の化学結合を形成するためにいずれかの種類の特定の化学反応が、付加物の形成において生じることを意味しない)。
好適に制御された条件下で、TEDA及び好適なポリカルボン酸は、組み合わせて付加物を形成するために、結び付けることができる。このことは必ずしも、TEDAと酸との間の確定した化学結合(例えば、共有結合、イオン結合など)の形成を意味するものではない。更に、これは必ずしも、特定の分子構造を有する生成物の形成を意味するものでもない。むしろ、上述のように、TEDAとポリカルボン酸との組み合わせの付加生成物は、錯体又は多形体として説明され得る。
一実施形態では、TEDA及びポリカルボン酸は、濾材を形成するために支持体上に提供される(例えば、通過する空気から汚染物質を除去するために設計された、通気性構造体、組立体、マトリックス、粒子の集合体など)。
一実施形態では、付加物が形成され、その後、形成された付加物は支持体上/中に組み込まれる(特定の支持体、例えば、多孔質材料、に関しては、このような上/中の区別は特徴付けるのが困難であり、いずれの用語も、付加物が支持体の内側及び/又は外側表面と接触して配置される任意のプロセスを広く包含することを意図されている)。例えば、前述の混合/粉砕プロセスにより予備形成された付加物を、支持体上に付着することができる。別の実施形態では、付加物は、支持体上にその場で形成される。例えば、TEDAは支持体上に組み込む(例えば、付着、含浸、圧縮など)ことができ、その後、ポリカルボン酸が添加されて付加物を形成する。あるいは、ポリカルボン酸を支持体上に組み込むことができ、その後、TEDAが添加されて付加物を形成する。
TEDA/ポリカルボン酸付加物を含む濾材を含むことに加えて、1つ以上の触媒を含む濾過システムが本明細書で開示される。様々な実施形態では、このような触媒は、TEDA/ポリカルボン酸付加物と同一の支持体上に、又は、別個の支持体上に配置されてもよい。このような別個の支持体は、TEDA/ポリカルボン酸付加物を含む支持体と混ぜ合わされてもよく(図1の実施形態において本明細書で後に詳細に説明されるように)、又は、TEDA/ポリカルボン酸付加物を含む支持体からは別個の位置(例えば、カートリッジ内の別個の層の中、別個のカートリッジ内)であってもよい。例えば、使用される特定の触媒の性能がTEDA/ポリカルボン酸付加物の存在に何らかの形で感受性を有する場合には、触媒が付加物の上流にあるように、触媒を濾過システム内に配置してもよい(本文においては、上流とは、濾過システムの作動時に、濾過システムを通って流れるガス流が、TEDA/ポリカルボン酸付加物に遭遇するのに先立って、触媒に遭遇することを意味する)。逆に、付加物の性能が触媒の存在に何らかの形で感受性を有する場合には、TEDA/ポリカルボン酸付加物を触媒から上流の濾過システム内に配置してもよい。
以下の実施例では、全ての化学試薬は、特に断らない限り、Sima−Aldrich(St.Louis,MO)から入手した。
50mLの水の中にTEDA(11.8g、0.1mole)の溶液を調製した。5.9g(0.05モル)のコハク酸を50mLの水の中に攪拌して、これは曇って見える懸濁液又は溶液を提供した。TEDA溶液及びコハク酸溶液を組み合わせて攪拌し、この点で透明で無色の溶液を得た。水を減圧下で50℃において除去し、このプロセス中に固体生成物が溶液から沈殿した。固体を16時間間、動的真空下に維持し、その後、最終固体生成物は11.2gの重さであった。
コハク酸(5.9g、0.05モル)及びTEDA(5.6g、0.05モル)を60℃で500mLのエタノール中に溶解した。透明な溶液をビーカーの中に配置し、蒸発させた。3日後、約50mLだけ溶液が残っていた。濾過は、9.4g(81%)の白色の結晶を生じ、これを5mLの冷たいエタノールで2度洗浄し、次に空気乾燥させた。4℃に冷却後、濾液と洗浄液との組み合わせが1.3gの追加的生成物に付着した。
元素分析(C10H20N2O5についての実験判明値VS.計算値):
炭素48.3(48.4);水素7.7(8.1);窒素9.8(11.3)。
TEDA(11.2g、0.1モル)及び酒石酸(L−(+)−酒石酸、15.0g、0.1モル、Merck Co.(Rahway,N.J.))を50mLの温水中で攪拌しながら組み合わせた。ロータリーエバポレーターを使用して、水を60℃で除去した。残留物を60℃で24時間にわたって動的真空下に維持した。白色の塊として25.6g(98%)の生成物が残った。
炭素45.9(45.8);水素7.0(6.9);窒素10.8(10.7)。
マロン酸(10.4g、0.1モル)を50mLエタノール中の11.2g(0.1モル)TEDAの溶液に加えた。1時間にわたる攪拌後、混合物を加熱して沸騰させ、次に室温に冷却した。濾過により、白色結晶として9.4g(44%)の生成物を得た。
炭素49.9(50.0);水素7.1(7.4);窒素12.7(13.0)。
示差走査熱量分析は、いかなる観察可能な溶解吸熱も明らかにしなかった。
無水クエン酸(19.2g、0.1モル、Biorad Corp.(Richmond,Cal.))を75mLのエタノール中のTEDA(11.2g、0.1モル)の溶液に加えた。混合物を加熱して沸騰させ、室温に冷却し、次に14時間にわたって攪拌した。濾過により、真空乾燥後に白色結晶として生成物29.0g(96%)を得た。
炭素46.5(47.4);水素6.5(6.6);窒素9.1(9.2)。
DL−リンゴ酸(13.4g、0.1モル、Sigma Chemical Co.(St.Louis,Mo.)を100mLの温エタノール中に溶解した。激しく攪拌しながら、25mLのエタノール中の11.2g(0.1モル)のTEDAを加えた。粘稠な白色沈殿として生成物が分離した。濾過により単離し、吸引して乾燥させ、次に真空下で乾燥させた。収量は22.6g(92%)であった。
炭素49.1(48.8);水素7.2(7.3);窒素11.3(11.4)。
TEDA(11.2g、0.1モル)を150mLの温水中の14.7g(0.1モル)のL−グルタミン酸の懸濁液に加えた。生じた透明な溶液をロータリーエバポレーター上で乾燥状態にさせた。生成物を乳鉢内で粉末化し、60℃で16時間にわたって真空乾燥させた。収量は24.7g(95%)であった。
炭素51.2(51.0);水素7.9(8.1);窒素15.7(16.2)。
実施例1〜7(実施例2は除く)の熱重量試験データを表1に示す。これらのデータでは、Tmax(付加物)は、付加物の測定されたTmax(重量喪失率が最大の温度)であり、Tmax(酸)は、カルボン酸単独の測定されたTmaxである。
図4は、ガス流からのシアン化塩素の除去についての吸着試料の性能を評価するために、様々な吸着試料をシアン化塩素負荷にかけるのに使用される試験システムを示す。調節器(3M Model W−2806 Air Filtration and Regulation Panel,3M(St.Paul,MN)により、高圧力圧縮空気を圧力降下し、調節し、濾過して、微粒子及び油を除去した。流量計(デュワーインスツルメント社(DwyerInstruments)、インディアナ州ミシガンシティ(MichiganCity))により計測されながら0〜200SCFHの範囲で所望の主要な気流速度に設定されて、弁(ホーク社(HokeInc)、サウスカロライナ州スパタンバーグ(Spartanburg))が使用される。流量計は、乾燥ガス試験測定器(American Meter、model DTM−325、図示せず)を使用して較正される。
シアン化塩素の5重量%のピロリン酸ナトリウムを安定剤として加えた。シアン化塩素のレクチャーボトルは、シアン化塩素蒸気の流れを供給する。
金CO酸化触媒における様々な材料(例えば、TEDA/ポリカルボン酸付加物試料)の影響を判定するために、触媒を害する試験を行う。全ての場合で、使用される金触媒は、米国特許出願公開第2007/0207079号、実施例3に記載されているものと同様の方法で調製される。
米国特許出願公開第2007/0207079号、実施例3に列挙されているものと同様の方法で金触媒の試料を調製し、TEDA又は付加物への任意の曝露がないことを除き上記金触媒CO値試験に概要が示されている手順に従って熟成させた。
以下の手順に概要が示されるものと同様の方法で、初期湿潤コーティングにより、12×20 Kuraray GG活性炭(Kuraray Chemical Company(Osaka JP))上にTEDAをコーティングした:炭素質量に基づいておよそ3%のTEDAを含有する水性混合物を供給した。初期湿潤点に到達したように見える(目視検査による)まで、小さな漸増量の混合物をおよそ50gのGG炭素に加えた。これによって初期湿潤条件に相当する水の炭素に対する比率が判定され、水性TEDA混合物を初期湿潤率における炭素に加えたときには、100部当たり3部の、炭素上の名目TEDA荷重が生じ得るように、選択されたTEDA濃度で、選択された量の水性混合物を調製した。次に、目標の初期湿潤率に到達するまで、活性炭のバッチに水性TEDA混合物を小さな漸増量で頻繁に攪拌しながら加えた。次に、炭素を時折混合しながら2時間にわたって浸漬させておいた。次に、炭素をガラス製ベーキング皿の中に単層で広げ、105℃で2時間にわたって乾燥させた。
米国特許第5,344,626号、実施例6に記載されている方法と同様の方法で活性炭を調製した。比較例2に上述されているものと同様の方法で、初期湿潤率を決定し、その後、TEDAの水性混合物を調製し、初期湿潤コーティングにより活性炭上に付着させた。
Kuraray GG活性炭について、初期湿潤点に対応する水の重量比を決定した。表1(「水の質量」、「TEDAの質量」及び「酸の質量」の列)に示されている量で材料を計量し、水中で攪拌することにより、TEDAとポリカルボン酸との水性混合物を作製した。各水性混合物に加えられるTEDAの量は、その量の混合物が炭素100重量部当たり約3重量部のTEDAの最終付着量を生じるように組み合わせるために選択された(各試料について特定の、炭素上に付着したTEDAの計算された最終重量%が、表2の「最終重量%」の列に示される)。各水性混合物に加えられたポリカルボン酸の量は、名目上1:1のポリカルボン酸のTEDAに対する化学量論比を提供するように選択された。
米国特許第5,344,626号、実施例6に記載されている方法と同様の方法で活性炭を調製した。初期湿潤点に対応する水の重量比を決定した。実施例8〜11について上述したのと同様の方法で、TEDAとポリカルボン酸との水性混合物を作製し、炭素上に付着させ、乾燥させた。再び、炭素100部当たり約3部のTEDAの最終比率に相当するTEDA量を目標にし、名目上1:1のポリカルボン酸のTEDAに対する化学量論比を提供するように、ポリカルボン酸の量を選択した。次に、TEDA/ポリカルボン酸付加物が付着している活性炭をシアン化塩素耐用期間試験及び金触媒試験で試験したが、この結果は表5に示されている。
米国特許第5,344,626号、実施例6に記載されている方法と同様の方法で活性炭を調製した。500mLビーカーの中で磁気攪拌しながら、平均Mw=250,000のポリ(アクリル酸)の35重量%水溶液12.59グラムを214.12グラムのDI水と組み合わせた。6.90グラムのTEDAをゆっくりと加え、溶解するまで攪拌した。199.86グラムの溶液を1Lビーカーの中で250.53グラムの活性炭に注ぎ、わずかに攪拌し、16時間にわたって放置した。次に、活性炭を105℃で2時間にわたって乾燥させた。次に、TEDA/ポリ(アクリル酸)が付着している活性炭をシアン化塩素耐用期間試験及び金触媒試験で試験したが、この結果は下の表6に示されている。
Wente,Van A.,「Superfine Thermoplastic Fiber」,Industrial and Engineering Chemistry,vol.48.No.8,1956,pp 1342〜1346に記載のものと同様の溶融吹込方法によって、多孔質高分子不織布ウェブを調製した。米国特許出願公開第2003/0134515号に記載のものと同様の方法を使用して、C3F8を含有する雰囲気中におけるプラズマ処理によって、ウェブをフッ素化した。米国特許出願公開第2003/0134515号に記載のものと同様の方法を使用して、ウェブ上に水を衝突させることにより、ウェブを充電した。
エレクトレットウェブの濾過特性への様々な材料(例えば、TEDA/ポリカルボン酸付加物試料)の影響を判定するために、多孔質高分子エレクトレットウェブ試験を行う。75mlの試料(例えば、様々な付加物を含有する活性炭など)を0.9L(32オンス)ガラス瓶の中に注ぐ。瓶をかき混ぜて均一層を作る。多孔質高分子ウェブの13.2cm(5.25”)ディスク4枚を瓶の壁に対して垂直に配置する。次に、0.9L(32オンス)瓶に蓋をして、7日間にわたって71℃の炉内に配置する。炉から取り出し、室温に冷却した後で、瓶を開け、試験ウェブを取り出し、性能試験が行われるまで密閉した瓶の中に配置する。
Certitest Model 8130 Automated filter Test(TSI,Inc.(Shoreview,MN)から入手可能)を使用し、NIOSH Determination of Particulate Filter Penetration to Test Against Liquid Particulates for Negative Pressure Air Purifying Respirators Standard Test Procedure No.RCT−APR−0051に記載のものと同様の装置及び手順を42CFR,Part 84,Subpart G,Section 84.63(a)(c)(d)及びSubpart K,Section 84.181;Volume 60,No.110,June 8 1995に記載されているように使用して、フタル酸ジオクチル(DOP)エアゾール負荷浸透試験を行う。DOP粒子は、およそ185nmの名目幾何平均直径で生成される。1分当たりおよそ42.5リットルの流速で、およそ25秒の期間にわたって、ガス流中で多孔質高分子エレクトレットウェブの試料(およそ100cm2の露出試料面積)上に粒子を衝突させる。いかなるイオナイザー又はエアゾール中和剤も試験中には作用しない。所与の試料についてのDOP透過%は、(光散乱によって測定されるような)ウェブ試料から上流及び下流のガス流における測定されたDOP濃度に基づいて計算される。浸透は%で報告される。
上述のように多孔質高分子エレクトレットウェブの試料を調製し、71℃での劣化に曝露した。表8に示されるように、試料は、8.3%のDOP透過を呈することが判明した。
多孔質高分子エレクトレットウェブの試料を上述のように調製し、いかなるTEDA又は付加物も存在しないことを除いてエレクトレット劣化試験に概要が示されている手順に従って71℃で劣化させた。表8に示されるように、試料は、18.1%のDOP透過を呈することが判明した。
米国特許第5,344,626号、実施例6に記載されている方法と同様の方法で活性炭を調製した。比較例3に上述されているものと同様の方法で、TEDAの水性混合物を調製し、初期湿潤コーティングにより活性炭上に付着させた。この実施例では、水性混合物中のTEDA濃度及び水性混合物の量は、TEDA活性炭上のTEDAの名目荷重1.5%を提供するように選択された。TEDAが付着しているこの活性炭の試料を、105℃で6時間にわたって乾燥させた。
Claims (3)
- 濾材であって、
支持体、及び
前記支持体上に提供されるトリエチレンジアミンとポリカルボン酸との1:1化学量論的付加物、を含み、
前記ポリカルボン酸が、コハク酸、リンゴ酸、酒石酸、マロン酸およびクエン酸から成る群から選択される、濾材。 - ガス流からシアン化塩素を除去する方法であって、
支持体上に提供されたトリエチレンジアミンとポリカルボン酸との1:1化学量論的付加物を有する前記支持体を含む濾材を供給する工程、
及び
前記ガス流を前記濾材に曝露する工程、を含み、
前記ポリカルボン酸が、コハク酸、リンゴ酸、酒石酸、マロン酸およびクエン酸から成る群から選択される、方法。 - 濾過システムであって、
トリエチレンジアミンとポリカルボン酸との1:1化学量論的付加物を含む支持体を含む濾材、
及び
一酸化炭素の酸化に活性である触媒、を含み、
前記ポリカルボン酸が、コハク酸、リンゴ酸、酒石酸、マロン酸およびクエン酸から成る群から選択される、濾過システム。
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