KR20210149158A - 연도 가스 여과 매체 - Google Patents
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Abstract
연도 가스 여과에 유용한 필터 매체가 개시되며, 상기 필터 매체는 부직 섬유 웹을 포함하고, 상기 부직 섬유 웹은 섬유 및 피브리드의 중량을 기준으로 적어도 80 중량%의 메타-아라미드 섬유 및 0.1 내지 20 중량%의 메타-아라미드 피브리드를 갖는다. 부직 섬유 웹은 20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기, 100 마이크로미터의 최대 기공 크기, 적어도 7 kg/cm2의 건조 뮬렌 파열 강도, 산 사이클링 후 건조 뮬렌 파열 강도의 80%의 유지율, 2.5 미크론 입자에 대해 적어도 95%의 여과 효율, 및/또는 2시간 동안 건조 오븐 내 205℃에서 가열된 후 2% 미만의 수축률. 필터 매체의 제조 방법은, 메타-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 피브리드의 공급물을 습식 적층하는 단계; 부직 섬유 웹을 형성하기 위해 건조시키는 단계; 바람직하게는, 캘린더링하는 단계; 및 선택적으로, 결합제 수지로 포화시키고, 경화시키는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2019년 4월 5일에 출원된 미국 출원 번호 62/829,827의 이익을 청구하며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
기술분야
본 발명은 여과용 매체, 특히 부직 연도 가스 여과 매체(non-woven flue gas filtration media)를 사용한 연도 가스 여과에 관한 것이다.
고온 분진을 제거하기 위한 연도 가스의 여과는 미립자 오염을 제한하거나 또는 제거하기 위해 폐기물 소각로, 야금 산업, 석탄 화력 발전소 및 연도 가스를 제조하는 다른 산업에서 중요하다.
예를 들어, 필터 백(filter bag)이 연도 가스 여과에 사용되어 왔으며, 여기서 백은 제직사(woven yarn), 펠트, 니들 펠트(needle felt) 또는 스크림(scrim)-지지된 니들 펠트 필터 매체를 포함한다. 이들 필터 매체는 전형적으로 PPS (폴리페닐렌 술피드), 메타-아라미드, PI (폴리이미드) 및 PTFE (폴리테트라플루오르에틸렌)와 같은 고온 내성 섬유로 제조된다. 그러나, 필터 백 매체는 매체의 개방 구조로 인하여 매우 낮은 여과 효율을 갖는다. 이는 또한 여과 시스템에 큰 부피의 매체가 필요하게 하고, 높은 운영 비용을 발생시킨다.
카트리지 필터를 사용하는 펄스 제트 세정 시스템(pulse jet cleaning system)은 백 필터 시스템에 대한 대체 필터 시스템이다. 펄스 제트 세정 시스템은, 입자가 표면 여과를 통해 여과되기 때문에, 높은 효율 및 조밀한 여과 매체를 필요로 한다. 연도 가스 여과를 위한 다수의 현재 상업적으로 입수가능한 카트리지 필터는 여전히, 니들 펀칭된 펠트 또는 스펀-레이스드 펠트(spun-laced felt) (이들 필터 매체가 펄스 제트 세정 동안 낮은 여과 효율 및 낮은 성능을 가짐에도 불구하고)를 사용하고 있다. 펠트 매체는 또한, 이들이 역압으로 펄스화되는 경우 파열될 수 있기 때문에 부적합하다.
높은 내열성, 높은 여과 효율 및 우수한 내산성(acid-resistance)을 갖는 비용 효과적인 필터 매체에 대한 필요성이 남아있다. 필터 매체가 평활한 표면 및 펄스 제트 세정과 같은 메커니즘에 의한 세정을 위한 충분한 기계적 강도를 갖는 경우, 이는 추가의 이점이 될 것이다.
부직 섬유 웹(non-woven fibrous web)을 포함하는 필터 매체, 예컨대 특히 연도 가스 필터 매체가 본원에 개시되며, 상기 부직 섬유 웹은, 각각 섬유 및 피브리드(fibrid)의 총량을 기준으로 적어도 80 중량%의 메타-아라미드 ("m-아라미드") 섬유 및 0.1 내지 20 중량%의 메타-아라미드 피브리드를 포함한다.
또한, 부직 섬유 웹을 포함하는 필터 매체, 예컨대 특히 연도 가스 필터 매체가 개시되며, 상기 부직 섬유 웹은 20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기, 100 마이크로미터의 최대 기공 크기, 제곱 센티미터당 적어도 7 킬로그램의 건조 뮬렌 파열 강도(dry Mullen burst strength), 산 사이클링(acid cycling) 후 건조 뮬렌 파열 강도의 80%의 유지율, 2.5 미크론 입자에 대해 적어도 95%의 여과 효율 및 2시간 동안 건조 오븐 내 205℃에서 가열된 후 2% 미만의 수축률을 특징으로 한다.
또한, 연도 가스 여과에서의 상기 연도 가스 필터 매체의 용도가 본원에 개시된다.
또한, 연도 가스 입구 매니폴드, 연도 가스 출구 매니폴드, 및 연도 가스 입구 매니폴드 및 연도 가스 출구 매니폴드 사이에 위치한 여과 장치를 포함하는 조립체가 본원에 개시되며, 여기서 여과 장치는 필터 매체 (특히, 본원에 개시된 연도 가스 필터 매체)를 포함한다.
또한, 메타-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 피브리드를 포함하는 공급물(furnish)을 습식 적층(wet-laying)하여 매트(mat)를 형성하는 단계; 매트를 건조시켜 부직 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 바람직하게는 부직 섬유 웹을 캘린더링(calendering)하는 단계를 포함하는, 필터 매체 (특히, 연도 가스 필터 매체)의 제조 방법이 본원에 개시된다.
도 1은 종래 메타-아라미드 펠트 (예를 들어, 니들 펀칭된 펠트)의 표면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 필터 매체의 부직 섬유 웹 표면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 3은 분진 로딩 후의 메타-아라미드 펠트 재료의 SEM이다.
도 4는 분진 로딩 후의 본 발명에 따른 필터 매체의 SEM이다.
도 5는 분진 로딩 및 후속 제트 펄스 세정 후의 메타 아라미드 펠트 재료의 SEM이다.
도 6은 분진 로딩 및 후속 제트 펄스 세정 후의 본 발명에 따른 필터 매체의 SEM이다.
도 2는 본 발명에 따른 필터 매체의 부직 섬유 웹 표면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 3은 분진 로딩 후의 메타-아라미드 펠트 재료의 SEM이다.
도 4는 분진 로딩 후의 본 발명에 따른 필터 매체의 SEM이다.
도 5는 분진 로딩 및 후속 제트 펄스 세정 후의 메타 아라미드 펠트 재료의 SEM이다.
도 6은 분진 로딩 및 후속 제트 펄스 세정 후의 본 발명에 따른 필터 매체의 SEM이다.
필터 매체, 특히 폐기물 소각로, 야금 산업 공정, 석탄 화력 발전소 및 원치 않는 미립자를 함유하는 연도 가스를 제조하는 다른 산업에 사용하기 위한 연도 가스 필터 매체가 본원에 개시된다. 상기 매체는 부직 섬유 웹을 포함하며, 바람직하게는 건조 후 캘린더링을 사용하여 습식 적층 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 매체는 메타-아라미드 섬유 및 피브리드의 조합을 포함한다. 메타-아라미드 섬유를 사용하는 이점 중 하나는, 이들이 탁월한 기계적 강도를 제공하면서 동시에 또한 습식 적층 작업에 사용될 수 있다는 것이다. 특정의 다른 고온 내성 중합체 (예를 들어, 폴리이미드 및 PTFE)는 습식 적층 작업에 사용하기에 적합하지 않을 수 있으며, 유리 섬유는 습식 적층될 수 있지만, 더 낮은 매체 강도를 갖는다. 메타-아라미드 섬유는 5 초과 (예를 들어, 5.1, 5.2 또는 5.3) g/데니어(denier)의 섬유 강성(fiber tenacity)을 가질 수 있다. 메타-아라미드 섬유 및 피브리드는, 예를 들어 200℃까지의 고온 내성을 특징으로 한다. 메타-아라미드 섬유 및 피브리드가, 사용되는 유일한 섬유일 수 있으며, 다른 섬유 또는 피브리드는 포함되지 않는다. 메타-아라미드 피브리드는 메타-아라미드 섬유 및 피브리드의 총 중량을 기준으로 최대 20 중량%의 양으로 존재한다. 캘린더링은 높은 밀도, 강도 및 평활한 표면을 달성하는 것을 용이하게 한다. 캘린더링된 매체는 더 큰 강도 및 내산성을 얻기 위해 수지, 예를 들어 페놀 수지에 의해 추가로 포화될 수 있다. 이 매체는 하기 성질 중 하나 이상 또는 모두를 나타낸다: 내열성, 고온에서의 우수한 치수 안정성, 내산성, 여과 효율, 평활한 표면, 또는 펄스 제트 세정을 견디기 위한 충분한 강도. 본원에 사용된 바와 같은 "내산성"은 본원에 기술된 바와 같은 산 사이클링 후 ASTM D751에 따라 결정된 파열 강도의 적어도 50%를 유지하는 필터 매체를 의미한다.
이론에 의해 얽매이길 원치 않으면서, 메타-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 피브리드의 조합은 조밀한 구조를 가능하게 할 수 있고 및/또는 m-아라미드 피브리드는 매체를 위한 결합제로서 작용할 수 있다고 믿어진다. 이는, 특히 열 및/또는 산 환경에서 기계적 성질 (예를 들어, 파열 강도)을 유지하는 매체를 용이하게 할 수 있다. 이는 본원에 개시된 필터 매체가 우수한 장기간 고온 내성, 난연성 및 치수 안정성을 갖는 것을 가능하게 한다. 메타-아라미드 섬유는 파라-아라미드 섬유보다 더 낮은 강성을 갖지만, 본 발명의 매체에서 메타-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 피브리드의 조합은 매체가 임의의 관련된 결점을 극복하고 본원에 기술된 바람직한 성질을 갖는 것을 가능하게 한다.
사용될 수 있는 메타-아라미드 섬유 (또한 본원에서 플록(floc)으로서 지칭됨)는 임의의 알려져 있는 메타-아라미드 섬유일 수 있다. 이러한 플록은 Huvis 및 Toray Chemical로부터 상업적으로 입수가능한 플록을 포함한다. 이들 섬유는 하기 중 하나 이상 또는 모두를 특징으로 할 수 있다: 적어도 0.3 또는 1 및 최대 10 또는 5 g/9000 m (즉, 0.3 내지 10, 또는 0.3 내지 5, 또는 1 내지 10, 또는 1 내지 5 g/9000m)의 데니어; 및 5 또는 10 내지 32 또는 23 마이크로미터 (μm) (즉, 5 내지 32, 5 내지 23, 10 내지 32, 또는 10 내지 23 마이크로미터)의 섬유 직경. 메타-아라미드 섬유는 알려져 있는 공정, 예를 들어 건식 용매 방사(solvent spinning), 습식 용매 방사에 의해 제조될 수 있다. 하기에서 논의되는 바와 같이 습식 적층 공정에서 사용되는 경우, 메타-아라미드 플록은 당업계에서 스테이플 섬유(staple fiber)로 지칭될 수 있는 세그먼트로 절단된다. 일 측면에서, 이들 세그먼트는 적어도 1 또는 3 내지 50 또는 30 mm (즉, 1 내지 50, 1 내지 30, 3 내지 50, 또는 3 내지 30 mm)의 길이를 가질 수 있다. 메타-아라미드 플록은 직선형 또는 주름형일 수 있다. 섬유는 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유는 불규칙하거나 또는 규칙적인 형상을 갖는 단면을 가질 수 있다. 다양한 단면 형상의 예는 도그-본(dog-bone), 타원, 삼각단면(trilobal) 또는 원형 (둥근) 형상을 포함한다. 둥근 형상은 공기 유동의 낮은 제한을 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 더 복잡한 형상, 예를 들어 도그-본은 여과에서의 효율을 제공할 수 있다. 일 측면에 따르면, 메타-아라미드 섬유의 하나의 유형이 사용된다. 또 다른 측면에 따르면, 상이한 특성 (예를 들어, 단면 형상, 직경 등)을 갖는 메타-아라미드 섬유의 2종 이상의 유형의 조합이 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 메타-아라미드 피브리드는 임의의 알려져 있는 메타-아라미드 피브리드일 수 있고, 320℃ 초과의 융점 또는 분해점을 가질 수 있다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 피브리드는 섬유가 아니라, 웹에 의해 상호연결된 비과립, 섬유상 (섬유 유사) 또는 필름상(filmy) 입자이다. 메타-아라미드 피브리드는 0.1 또는 0.2 내지 2 또는 1 밀리미터 (mm) (즉, 0.1 내지 2mm, 0.1 내지 1 mm, 0.2 내지 2 mm, 또는 0.2 내지 1 mm의 범위)의 평균 길이 및 5:1 내지 50:1의 종횡비 (길이:폭)를 가질 수 있다. 특정 측면에 따르면, 피브리드는 15 내지 50 미크론의 폭 치수를 가질 수 있다. 피브리드 웹의 두께 치수는 2 mm 미만 또는 1 mm 미만이며, 전형적으로 마이크로미터의 분수(a fraction of a micrometer) 정도이다. 피브리드는 필터 매체의 제조에 사용될 수 있으며, 필터 매체의 다른 성분에 물리적으로 얽혀 결합제로서 작용할 수 있다. 피브리드는, 예를 들어 US 3018091에 개시된 유형의 피브리드화 장치에 의한 것을 포함하는 임의의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 여기서 중합체 용액은 단일 단계에서 침전 및 전단된다. 적합한 피브리드는 Huvis 및 Toray Chemical로부터 상업적으로 입수가능하다. 피브리드는 매체에 사용된 메타-아라미드 플록과 동일하거나 또는 상이한 화학적 조성을 가질 수 있다.
메타-아라미드 섬유 및 피브리드는 알려져 있는 제지 공정에 의해 부직 섬유 웹으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 공정은 매트 또는 섬유의 웹을 제공하는 단계 및 바람직하게는 매트 또는 웹을 캘린더링하는 단계를 포함한다. 매트 또는 웹은 습식 적층 공정, 공기 적층(air laid) 공정 또는 폼 적층(foam laid) 공정에 의해 제조될 수 있다. 일 측면에 따르면, 부직 섬유 웹은 임의의 종래 "습식 적층" 제지 기술에 의해 제조될 수 있다. 습식 적층 부직 섬유 웹의 이점은 고밀도, 우수한 강도 (예를 들어, 적어도 7 kg/cm2의 건조 뮬렌 파열 강도), 평활한 표면, 작은 기공 및 높은 필터 효율 중 하나 이상이다. 따라서, 예를 들어, 사전결정된 양의 섬유 및 피브리드 (유리 섬유, 염기성 열가소성 섬유 및/또는 첨가제와 같은 임의의 선택적인(optional) 성분과 함께) 및 물이 펄퍼(pulper) 또는 비터(beater)에 배치될 수 있다. 섬유는 펄퍼 또는 비터에 의해 물 중에 균일하게 혼합 및 분산되어 슬러리 배치(batch)를 형성한다. 투과도, 표면 성질 및 섬유 구조와 같은 물리적 파라미터에 영향을 미치도록 섬유 상에서 일부 기계적 작업이 또한 수행될 수 있다. 그 후, 슬러리 배치는, 추가의 물이 첨가되고 섬유가 균질하게 블렌딩되는 혼합 체스트(mixing chest)로 옮겨질 수 있다. 이어서, 블렌딩된 슬러리는, 하나 이상의 슬러리 배치가 조합될 수 있는 기계 체스트(machine chest)로 옮겨져, 배치로부터 연속 공정으로의 이동을 허용할 수 있다. 슬러리 농도(consistency)가 규정되고, 섬유의 균일한 분산을 보장하기 위해 교반에 의해 유지된다. 이에 관하여, 슬러리는 물리적 파라미터를 조정하기 위해 선택적으로(optionally) 정제기를 통해 통과될 수 있다. 이어서, 슬러리 (이는 또한 공급물로서 지칭됨)는, 중력 및 흡입에 의해 물이 제거되는 이동 와이어 스크린(moving wire screen)으로 옮겨진다. 물이 제거됨에 따라, 섬유는, 예를 들어 슬러리 유량, 기계 속도 및 배수 파라미터를 포함하는 다수의 공정 변수에 의해 결정되는 특성을 갖는 부직 섬유 웹으로 형성된다. 형성된 매트는, 종이를 압축하고 및/또는 이의 표면 특성을 개질하기 위해 여전히 습윤 상태에서 선택적으로 압축될 수 있다. 이어서, 습윤 섬유 매트는 가열된 롤러 (또는 당업계 용어로 "캔(can)")로 구성된 건조 섹션을 통해 이동하며, 여기서 남아있는 혼입된 물 대부분은 제거되어 부직 섬유 웹을 형성한다.
메타-아라미드 섬유 및 피브리드의 상대적인 양은 필터 매체의 부직 섬유 웹에서 목적하는 성질을 제공하도록 선택되고, 각각 섬유 및 피브리드의 총 중량을 기준으로 적어도 80 중량%의 메타-아라미드 섬유, 및 0.1 또는 1 또는 2 또는 3 또는 4 중량%의 메타-아라미드 피브리드, 및 20 또는 15 중량% 이하의 메타-아라미드 피브리드일 수 있다. 20 중량% 초과의 피브리드를 포함하는 것은, 여과 성능이 손상되도록 하는 조밀한 다공성 구조를 갖는 구조를 낳을 수 있다. 즉, 필터 매체의 부직 섬유 웹은 섬유 및 피브리드의 총 중량을 기준으로 80 내지 99.5, 80 내지 99, 80 내지 98, 80 내지 97, 80 내지 96, 85 내지 99.5, 85 내지 99, 85 내지 98, 85 내지 97, 또는 85 내지 96 중량%의 메타-아라미드 섬유를 포함할 수 있다. 또한, 필터 매체의 부직 섬유 웹은 섬유 및 피브리드의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 20, 0.1 내지 15, 1 내지 20, 1 내지 15, 2 내지 20, 2 내지 15, 3 내지 20, 3 내지 15, 4 내지 20, 또는 4 내지 15 중량%의 메타-아라미드 피브리드를 포함할 수 있다. 선택적으로, 파라-아라미드 섬유, 유리 섬유 및 습윤/건조 지력 증강제(wet/dry strength agent)는, 이들이 본 발명의 성능을 저하시키지 않는 경우 첨가될 수 있다.
이어서, 부직 섬유 웹이 캘린더링된다. 예를 들어, 습식 적층 공정에서, 형성된 부직 섬유 웹은 추가의 가공을 위해 롤 상에 권취되거나 또는 캘린더링 섹션으로 직접 전달될 수 있다. 캘린더링 섹션은 적어도 한 쌍의 대향하는 캘린더링 롤로 구성되며, 이는 습식 적층 섬유 덩어리를 압축하고 통합하도록 작동한다. 캘린더링은, 예를 들어 100℃ 또는 150℃ 또는 180℃ 내지 250℃ 또는 230℃ 범위 (100 내지 250, 100 내지 230, 150 내지 250, 150 내지 230, 180 내지 250, 또는 180 내지 230℃ 범위)의 온도에서 및 예를 들어 1kN/m 내지 150kN/m 범위의 압력에서 일어날 수 있다. 캘린더링 기계 라인 속도는, 예를 들어 약 1 m/분 내지 약 50 m/분이도록 선택될 수 있다. 부직 섬유 웹의 메타-아라미드 플록 및 피브리드는 캘린더링 온도의 상기 범위에서 용융될 수 없지만, 플록 및 피브리드는 수축 및 압축될 수 있다. 캘린더링은 매체 표면의 평활도를 개선하는 것으로 확인되었으며, 연도 가스 카트리지 필터에서 목적되는 더 높은 밀도 및 강도를 매체에 제공한다.
부직 섬유 웹은 결합제 수지로 포화될 수 있다. 예를 들어, 결합제 수지는 임의의 종래 수단, 예컨대 침지, 분무 코팅, 롤러 (그라비아(gravure)) 도포 등에 의해 부직 섬유 웹에 도포될 수 있다. 이어서, 후속으로 열을 가하여, 포화된 부직 섬유 웹을 건조시키고, 수지를 경화시킬 수 있다. 결합제 수지는 중합체, 공중합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합제 수지는 페놀, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌이민 또는 에폭시를 포함할 수 있다. 결합제 수지는 바람직하게는 페놀 수지이다. 결합제 수지는 메타 아라미드를 포함하는 부직 섬유 웹의 내열성 및 불연성 특성의 어떠한 손상 없이 매체의 강도 및 내산성을 개선하도록 선택된다. 예를 들어, 페놀 수지는 Kangnam Chemical 및 Kolon Chemical로부터 상업적으로 공급받을 수 있다. 부직 섬유 웹은 캘린더링 후에 페놀 수지로 포화될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 부직 섬유 웹은 캘린더링 전에 페놀 수지 포화로 포화될 수 있다.
부직 섬유 웹을 포함하는 필터 매체는 하기 성질 중 하나 이상 또는 모두를 가질 수 있다:
필터 매체의 부직 섬유 웹은 적어도 80, 적어도 100, 적어도 150, 적어도 200 또는 적어도 250 그램/m2의 평량(basis weight 또는 grammage)을 가질 수 있다.
필터 매체의 부직 섬유 웹은 0.3 또는 0.5 내지 3 또는 2 mm (즉, 0.3 내지 3, 0.3 내지 2, 0.5 내지 3, 또는 0.5 내지 2 mm)의 두께를 가질 수 있다. 매체의 캘리퍼 (두께)는 국제 표준화 기구 (International Organization for Standardization; ISO) 표준 ISO 534(2011), "두께, 밀도 및 비부피(specific volume)의 종이 판자-결정(Paper and board-Determination)"에 따라 측정된다. 또한, 필터 매체의 부직 섬유 웹은 적어도 0.3 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
필터 매체의 부직 섬유 웹은 150 마이크로미터 (μm) 이하, 또는 120 μm 이하, 또는 100 μm 이하의 최대 기공 크기를 가질 수 있다. 평균 기공 크기는 20 또는 30 또는 40 마이크로미터 내지 100 μm 또는 90 μm 또는 80 μm (20-100, 20-90, 20-80, 30-100, 30-90, 30-80, 40-100, 40-90, 40-80 μm의 평균 기공 크기 범위)일 수 있다. 기공 크기 (μm)는 미국 재료 시험 학회 (American Society of Testing and Materials; ASTM) 표준 316-03 (2011)에 의해 결정된다.
필터 매체의 부직 섬유 웹은, 각각 ASTM D751에 따라 결정된 바와 같은, 적어도 7 또는 적어도 10 또는 적어도 12 킬로그램/제곱 센티미터 (kg/cm2)의 건조 뮬렌 파열 강도를 가질 수 있다.
필터 매체의 부직 섬유 웹은, 산 사이클 시험 후 ASTM D751에 따라 결정된, 이의 본래 건조 뮬렌 파열 강도의 적어도 50% 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 75% 또는 적어도 80%를 유지할 수 있다. 산 사이클 시험은 샘플을 5분 동안 1N 황산 용액 중에 침지한 다음, 10분 동안 350°F (175℃)에서 열 노출을 수행하고, 4 사이클 동안 반복하는 것을 포함한다.
필터 매체 (및/또는 부직 섬유 웹)는 하기와 같이 ISO5011 시험 표준을 따라 "공기 시험"에 의해 시험된다. 필터 매체의 100 cm2 면적에 100mg/m3의 분진 농도 및 20cm/s의 면 속도(face velocity)에서 ISO A2 미세 시험 분진을 묻힌다(challenged). 분진 포집 효율(dust capture efficiency)은 광검출기를 사용하여 측정된다. 효율은 각각의 입자 크기에 대해 보고되며, 식 [1-(C/C0)]*100%을 사용하여 측정되고, 여기서 C는 필터 매체를 통한 통과 후 측정된 분진 농도이고, C0는 필터 매체 내로의 통과 전의 농도이다. 본 발명의 필터 매체는 직경이 2.5 μm인 입자에 대해 90%, 또는 95% 초과의 여과 효율을 갖는다. 공기 시험에 대해 Palas MFP1000 기기가 사용될 수 있다.
본원에 개시된 필터 매체의 부직 섬유 웹은 고온 내성을 가질 수 있다. 예를 들어, 매체는 영국 표준 4790에 따라 시험되는 경우 점화되지 않는다. 매체는 최대 200℃의 온도 내성을 가질 수 있다. 추가의 예에 대해, 건조 오븐 내 205℃에서 2시간 후 매체의 수축률은 2% 미만, 또는 1% 미만, 또는 0.75% 미만이다.
필터 매체의 부직 섬유 웹은 ASTM 표준 D737: 텍스타일 직물의 공기 투과도에 대한 표준 시험 방법에 따라 125 Pa에서 분당 적어도 15 또는 적어도 20 입방 피트의 투과도를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 메타-아라미드 펠트 또는 니들 펀칭된 펠트 매체의 표면은 매우 개방된 구조 및 거친 표면을 가져, 이들이 펄스 제트 세정 시스템을 채택하는 연도 가스 카트리지 필터에 적합하지 않도록 한다. 대조적으로, 본원에 개시된 바와 같은 필터 매체는 도 2에 도시된 바와 같이 보다 조밀한 구조 및/또는 평활한 표면을 제공할 수 있다. 습식 적층 공정 및 열간 캘린더링 처리는 이러한 구조 및/또는 표면을 달성하는 데 효과적이다.
부직 섬유 웹은 하나 이상의 다른 층에 적층될 수 있다. 예를 들어, 상술한 부직 섬유 웹 (제1 부직 섬유 웹)은, 제1 부직 섬유 웹과 동일하거나 또는 상이한 제2 부직 섬유 웹에 적층될 수 있다. 또 다른 예로서, 부직 섬유 웹은 중합체 시트, 필름 또는 막과 같은 또 다른 기재에 적층될 수 있다. 이러한 재료의 예는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌 (ePTFE) 막을 포함한다. 이러한 적층 구조는 최대 200℃의 탁월한 고온 내성을 나타낼 수 있다. 필터 매체에 와이어 백킹(wire backing)이 제공될 수 있다.
매체는 연도 가스 여과를 위한 카트리지 필터에 사용될 수 있다. 연도 가스 필터 조립체는 연도 가스 입구 매니폴드, 연도 가스 출구 매니폴드, 및 연도 가스 입구 매니폴드 및 연도 가스 출구 매니폴드 사이에 위치한 적어도 하나의 카트리지 필터를 포함하며, 적어도 하나의 카트리지 필터는 필터 매체를 포함한다. 필터 매체는, 예를 들어 와이어 케이지 지지대(wire cage support) 위에 지지될 수 있다. 필터 매체는 여과 장치에서 제거가능한 카트리지로서 제공될 수 있다.
매체는 또한, 다른 가스 여과 또는 액체 여과와 같은 다른 여과에 사용될 수 있다.
본 발명은 하기 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시된다.
실시예
실시예에 사용된 재료는 하기 표 1에 기술되어 있다.
<표 1>
실시예 1 - 필터 매체의 제조
4 중량%의 메타-아라미드 피브리드, 48 중량%의 메타-아라미드 플록-1 및 48 중량%의 메타-아라미드 플록-2의 섬유 레시피(recipe)를 사용하여 핸드시트 형성기에 의해 (예를 들어, 펄프-시험을 위한 핸드시트를 제조하는 JIS P8209 방법을 사용하여) 핸드시트를 제조하였다. 섬유 슬러리의 농도는 1.5% (즉, 수중 고체 1.5%)였다. Huvis의 메타-아라미드 플록-1은 습식 용매 방사 방법에 의해 제조하였으며, 이는 둥근 형상을 가져, 이것이 공기 유동의 낮은 제한에 우수하도록 한다. Toray Chemical의 메타-아라미드 플록-2는 건식 용매 방사 방법에 의해 제조하였으며, 이는 도그본 섬유 단면을 가져, 이것이 높은 효율에 우수하도록 한다. 핸드시트를 50kN/m의 압력으로 170℃에서 열간 캘린더링에 의해 처리하였고, 열간 캘린더링의 기계 속도는 4m/분이었다. 캘린더링 후, 매체를 페놀 수지로 포화시켰으며, 건조기 오븐에 의해 완전히 경화시켰다. 포화된 매체의 수지 함량은 30 중량%였다. 매체는 하기 표 2에 나타낸 성질을 가졌다. 또한, 표 2에는 상업적으로 입수가능한 m-아라미드 백 필터의 성질이 나타내어져 있다.
<표 2>
투기도는 ASTM 표준 D737: 텍스타일 직물의 투기도에 대한 표준 시험 방법에 따라 결정되었다. 매체를 통한 공기 유동은 샘플의 제곱 피트당 분당 입방 피트 (cfm/sf 또는 cfm)로 보고된다.
건조 뮬렌 파열 강도는 ASTM D751에 따라 결정되었다.
기공 크기는 미국 재료 시험 협회 (ASTM) 표준 316-03 (2011)에 따라 결정되었다.
실시예 2 - 건조 수축률의 시험.
샘플을 2시간 동안 205℃에서 건조 오븐 내에 위치시키기 전 및 후에 샘플의 치수를 측정함으로써 수축률을 평가하였다. (하기 표 3 참조) 수축비는 0.67%이다. 이는 2시간 동안 205℃ 건조 가열 후 2% 미만의 수축비의 목적하는 사양을 초과한다.
<표 3>
실시예 3 - 내열성 및 난연성의 시험
영국 표준 4790 (텍스타일 바닥 마무리재(textile floor coverings)에 대한 작은 발화원의 효과의 결정 (고온 금속 너트 방법(hot metal nut method)))에 따라 내열성 및 난연성에 대해 시편을 시험하였다. 이 시험 방법은 발화원의 효과를 결정한다. 이 시험을 실행하기 위해, 금속 너트를 머플 로(muffle furnace)에서 900℃까지 가열한 다음, 필터 매체 상에 30초 동안 노출시켰다. 결과는 하기 표 4에 나타냈다. 부직 매체는 이 시험에서 발화를 갖지 않았다.
<표 4>
실시예 4 - 내산성 시험
내산성 성질을 결정하기 위해, 시편을 1N 황산 용액 중에서 시험하였으며, 상기 방법은 5분 동안의 침지 및 4 사이클 동안 10분 동안 350°F (175℃)로의 열 노출로 이루어진다. 종래의 100% m-아라미드 필터 백 매체는 산 사이클 시험 후 이의 본래의 건조 뮬렌 파열 강도 (ASTM D751)의 대략 10%를 유지한다. 결과는 하기 표 5에 나타냈으며, 여기서 kgf/cm2는 제곱 센티미터당 킬로그램-힘(force)이다. 본원에 개시된 바와 같은 매체는 산 사이클 시험 후 이의 본래의 건조 뮬렌 파열 강도의 86.6%를 유지한다.
<표 5>
실시예 5 - 여과 효율 시험
ISO A2 미세 분진을 갖는 Palas MFP 1000 기기를 사용하여 본 발명의 매체의 핸드시트를 본원에 기술된 바와 같은 공기 시험으로 시험하였다. 2.5 μm 입자 크기 (PM 2.5)에서의 효율은 대략 95%이다.
실시예 6
추가의 핸드시트를 실질적으로 실시예 1에 제시된 공정에 따라 제조하였지만, 피브리드의 양은 변화시켰다. 또한, 레시피에 피브리드가 없는 경우, 부적절한 결합으로 인하여 필터 매체가 적절하게 형성되지 않을 것임이 확인되었다. 너무 많은 피브리드가 존재하는 경우, 투기도는 효과적인 사용에 너무 낮게 된다. 하기 표 6을 참조한다.
<표 6>
실시예 7 - 펄스 제트 세정
실시예 1에 기술된 바와 같은 공정에 따라 제조된 필터 매체 및 메타-아라미드 펠트 필터 백으로부터의 샘플을 분진 로딩 및 제트 펄스 세정에 대해 비교하였다. 분진 로딩을 위해, 샘플을 ISO A2 미세 분진용 Palas MFP1000 상에 위치시켰으며, 20분 동안 1030 rpm, 8 mm/시간의 RBG 1000 설정 값을 가졌다. 펄스 세정을 위해, 5 kgf/cm2에서의 압축 공기를 30초 동안 필터 샘플의 깨끗한 측 상으로 향하게 하였다. 에어 건(air gun) 및 샘플 사이의 거리는 15 cm였다. 샘플을 절단하고, 분진 로딩 동안 그리고 펄스 세정 후 주사 전자 현미경 (SEM) 하에 단면을 조사하였다. 도 3은 금속 아라미드 펠트 필터 백 재료의 분진 로딩을 나타내는 SEM이다. 도 4는 실시예 1에서와 같은 여과 매체의 분진 로딩을 나타내는 SEM이다. SEM은 실시예 1의 필터 매체가 메타 아라미드 펠트 필터 재료와 비교하여 표면 상에 더 많은 분진을 포집함을 예시한다. 도 5는 펄스 세정 후의 메타-아라미드 백 필터 매체를 나타내는 SEM이며, 매체 내부에 여전히 위치하는 분진을 나타낸다. 도 6은 펄스 세정 후의 실시예 1에서와 같은 필터 매체를 나타내는 SEM이며, 제트 펄스 세정 후에 얻어진 깨끗한 표면을 나타낸다.
본 개시는, 청구범위를 제한하도록 의도되지 않는 하기 측면에 의해 추가로 예시된다.
측면 1. 필터 매체, 바람직하게는 연도 가스 필터 매체로서, 상기 매체는 부직 섬유 웹을 포함하며, 상기 부직 섬유 웹은, 각각 섬유 및 피브리드의 총량을 기준으로 적어도 80 중량%의 메타-아라미드 섬유 및 0.1 내지 20 중량%의 메타-아라미드 피브리드를 포함하는, 필터 매체.
측면 2. 측면 1에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 캘린더링된, 필터 매체.
측면 3. 측면 1 또는 2에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 결합제 수지, 바람직하게는 페놀 수지를 추가로 포함하는, 필터 매체.
측면 4. 측면 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 하기 중 하나 또는 둘 모두를 갖는, 필터 매체: 150 마이크로미터, 120 마이크로미터 또는 100 마이크로미터의 최대 기공 크기; 또는 20 내지 100, 또는 20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기 (여기서, 기공 크기 (μm)는 미국 재료 시험 협회 (ASTM) 표준 316-03 (2011))에 의해 결정됨).
측면 5. 측면 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 제곱 미터당 적어도 80, 적어도 100, 적어도 150, 적어도 200 또는 적어도 250 그램의 평량을 갖는, 필터 매체.
측면 6. 측면 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 제곱 센티미터당 적어도 7 또는 적어도 10 킬로그램의 건조 뮬렌 파열 강도를 갖는, 필터 매체.
측면 7. 측면 6에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이, 4 사이클 동안 산 사이클링 후 ASTM D751에 따라 결정된 바와 같은, 이의 건조 뮬렌 파열 강도의 적어도 75% 또는 적어도 80%를 유지하는, 필터 매체.
측면 8. 측면 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, ISO5011 공기 시험 표준을 사용하여 본원에 기술된 바와 같은 공기 시험에서 2.5μm 입자 크기에서 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%의 여과 효율을 갖는 필터 매체.
측면 9. 측면 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 건조 오븐 내 205℃에서 2시간 후 2% 미만의 수축률을 갖는, 필터 매체.
측면 10. 측면 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 적어도 0.3 g/cm3의 밀도를 갖는, 필터 매체.
측면 11. 측면 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 최대 200℃의 온도 내성을 갖는 필터 매체.
측면 12. 측면 1 내지 11 중 어느 하나에 따른 필터 매체의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은 메타-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 피브리드를 포함하는 공급물을 습식 적층하여 매트를 형성하는 단계; 상기 매트를 건조시켜 부직 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 선택적으로 상기 부직 섬유 웹을 캘린더링하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
측면 13. 측면 12에 있어서, 상기 부직 섬유 웹을 결합제 수지로 포화시킨 다음, 상기 결합제 수지를 경화시키는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
측면 14. 측면 13에 있어서, 상기 포화가 상기 캘린더링 후에 일어나는, 제조 방법.
측면 15. 측면 12 또는 13에 있어서, 상기 캘린더링이 상승된 온도에서 일어나는, 제조 방법.
측면 16. 부직 섬유 웹을 포함하는, 캘린더링된 연도 가스 부직 필터 매체로서, 상기 부직 섬유 웹은 하기를 특징으로 하는, 캘린더링된 연도 가스 부직 필터 매체: 20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기, 100 마이크로미터의 최대 기공 크기, 제곱 센티미터당 적어도 7 킬로그램의 건조 뮬렌 파열 강도, 산 사이클링 후 건조 뮬렌 파열 강도의 75%의 유지율, 2.5 미크론 입자에 대해 적어도 90%의 여과 효율 및 2시간 동안 건조 오븐 내 205℃에서 가열된 후 2% 미만의 수축률.
측면 17. 측면 1 내지 11 및 16 중 어느 하나의 측면에 있어서, 상기 부직 섬유 웹에 적층된 제2 재료를 추가로 포함하는 필터 매체.
측면 18. 측면 17에 있어서, 상기 제2 재료가 제2 부직 섬유 웹인, 필터 매체.
측면 19. 측면 17에 있어서, 상기 제2 재료가 중합체 시트 또는 필름, 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌인, 필터 매체.
측면 20. 연도 가스 여과에서의, 측면 1 내지 11 및 16 내지 19 중 어느 하나의 측면에 따른 필터 매체의 용도.
측면 21. 연도 가스 필터 조립체로서, 연도 가스 입구 매니폴드, 연도 가스 출구 매니폴드, 및 상기 연도 가스 입구 매니폴드 및 상기 연도 가스 출구 매니폴드 사이에 위치한 여과 장치를 포함하며, 상기 여과 장치는 측면 1 내지 11 및 16 내지 19 중 어느 하나의 측면에 따른 연도 가스 필터 매체를 포함하는, 연도 가스 필터 조립체.
조성물, 물품, 장치 및 방법은 택일적으로 본원에 개시된 임의의 적절한 성분 또는 단계를 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 이로 본질적으로 이루어질 수 있다. 조성물, 물품, 장치 및 방법은 추가적으로 또는 대안적으로, 본원에 기술된 기능 또는 목적의 달성에 달리 필요하지 않은 임의의 단계, 성분, 재료, 구성성분, 아주반트(adjuvant), 종(species), 성분 또는 단계가 없거나 또는 실질적으로 없도록 제형화될 수 있다. "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 용어 "제1", "제2" 등은 임의의 순서, 수량 또는 중요성을 나타내기 보다는, 하나의 요소를 또 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 단수 용어 및 "상기"는 수량의 제한을 나타내지 않으며, 본원에 달리 나타내거나 또는 문맥상 명확히 모순되지 않는 한, 단수 및 복수 둘 모두를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "또는"은 달리 명확히 언급되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일 측면", "또 다른 측면", "~일 수 있다", "가질 수 있다" 등에 대한 지칭은, 해당 측면과 관련하여 기술된 특정한 요소가 본원에 기술된 적어도 일부 측면에 포함되며, 다른 측면에 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있음을 의미한다. 또한, 기술된 요소들은 다양한 측면에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본원에서 수치 값은, 특히 이들이 중합체 또는 중합체 조성물에 관한 것일 때, 평균 값을 반영한다. 모순되게 나타내지 않는 한, 수치 값은, 동일한 수의 유효 숫자로 축소되는 경우 동일한 수치 값 및 값을 결정하기 위해 본원에 기술된 유형의 종래 측정 기술의 실험 오차 미만만큼 언급된 값과 상이한 수치 값을 포함한다. 본원에 개시된 모든 범위는 인용된 종점을 포함하고, 독립적으로 조합가능하다 (예를 들어, "2 내지 10 g, 바람직하게는 3 내지 7 g"의 범위는 종점 2 g, 7 g 및 10 g, 3 내지 10 g과 같은 범위 및 모든 중간 값을 포함함). 모든 시험 방법은 본원의 우선일부터 유효한 가장 최근의 방법이다. 또한, 언급된 상한 및 하한은 조합되어 범위를 형성할 수 있다 (예를 들어, "적어도 1 또는 적어도 2 중량%" 및 "최대 10 또는 5 중량%"는 "1 내지 10 중량%", 또는 "1 내지 5 중량%", 또는 "2 내지 10 중량%", 또는 "2 내지 5 중량%" 범위로서 조합될 수 있음).
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업계의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 모든 인용된 특허, 특허 출원 및 다른 참조문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합되지만, 본원에서의 용어가 통합된 참조문헌의 용어와 상충하는 경우, 본원으로부터의 의미가 통합된 참조문헌으로부터의 상충 용어보다 우선순위를 갖는다.
본원에 개시된 재료, 방법 및 예는 단지 예시적이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 바람직한 방법 및 재료가 본원에 기술되어 있지만, 본원에 기술된 것과 유사하거나 또는 균등한 방법 및 재료가 본 개시의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있다.
Claims (16)
- 부직 섬유 웹(non-woven fibrous web)을 포함하는 필터 매체로서, 상기 부직 섬유 웹은 각각 섬유 및 피브리드(fibrid)의 총량을 기준으로
적어도 80 중량%의 메타-아라미드 섬유, 및
0.1 내지 20 중량%의 메타-아라미드 피브리드를 포함하는, 필터 매체. - 제1항에 있어서, 또한 상기 부직 섬유 웹이 캘린더링(calendering)된, 필터 매체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 결합제 수지, 바람직하게는 페놀 결합제 수지를 추가로 포함하는, 필터 매체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 하기 중 하나 또는 둘 모두를 갖는, 필터 매체:
100 마이크로미터의 최대 기공 크기; 또는 20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 제곱 미터당 적어도 80 그램의 평량(grammage)을 갖는, 필터 매체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 제곱 센티미터당 적어도 7 킬로그램의 건조 뮬렌 파열 강도(dry Mullen burst strength)를 갖는, 필터 매체.
- 제6항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이, 산 사이클링 후 ASTM D751에 따라 결정된 바와 같은, 이의 건조 뮬렌 파열 강도의 적어도 80%를 유지하는, 필터 매체.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, ISO5011을 사용하여 본원에 기술된 바와 같은 공기 시험에서 2.5μm 입자 크기에서 적어도 약 90%, 바람직하게는 적어도 약 95%의 여과 효율을 갖는 필터 매체.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 건조 오븐 내 205℃에서 2시간 후 2% 미만의 수축률을 갖는, 필터 매체.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹에 적층된 또 다른 재료를 추가로 포함하는 필터 매체.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직 섬유 웹이 적어도 0.3 g/cm3의 밀도를 갖는, 필터 매체.
- 하기 단계를 포함하는, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 필터 매체의 제조 방법:
상기 메타-아라미드 섬유 및 상기 메타-아라미드 피브리드를 포함하는 공급물(furnish)을 습식 적층하여(wet-laying) 매트(mat)를 형성하는 단계;
상기 매트를 건조시켜 부직 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 선택적으로(optionally)
상기 부직 섬유 웹을 캘린더링하는 단계. - 제12항에 있어서, 상기 제조 방법이, 상기 부직 섬유 웹을 결합제 수지로 포화시킨 다음, 상기 결합제 수지를 경화시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 포화는 바람직하게는 상기 캘린더링 후 일어나는, 제조 방법.
- 하기를 특징으로 하는 부직 섬유 웹을 포함하는 필터 매체:
20 내지 80 마이크로미터의 평균 기공 크기,
100 마이크로미터의 최대 기공 크기,
제곱 센티미터당 적어도 7 킬로그램의 건조 뮬렌 파열 강도,
산 사이클링 후 건조 뮬렌 파열 강도의 80%의 유지율,
2.5 미크론 입자에 대해 적어도 95%의 여과 효율, 및
2시간 동안 건조 오븐 내 205℃에서 가열된 후 2% 미만의 수축률. - 연도 가스(flue gas) 여과에서의, 제1항 내지 제11항 및 제14항 중 어느 한 항의 필터 매체의 용도.
- 연도 가스 필터 조립체로서,
연도 가스 입구 매니폴드, 연도 가스 출구 매니폴드, 및 상기 연도 가스 입구 매니폴드 및 상기 연도 가스 출구 매니폴드 사이에 위치한 여과 장치를 포함하며, 상기 여과 장치는 제1항 내지 제11항 및 제14항 중 어느 한 항의 필터 매체를 포함하는, 연도 가스 필터 조립체.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |