金属掺杂的硅基凝胶材料的制备方法技术

本发明专利技术一般涉及用于能够高效地过滤掉有毒气体(例如氨)的空气处理系统中的环境控制单元。这种过滤系统使用新颖的金属掺杂的二氧化硅基凝胶，从密闭环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要具有特殊的孔隙度和密度测量值。另外，为了进行最有效的金属掺杂，必须在这些凝胶处于湿态的情况下进行处理。结合这些特殊的性质和金属掺杂剂使得能够进行高度有效的有毒气体过滤，从而获得与之前的二氧化硅凝胶过滤产品相比尤为显著的吸收和穿透结果。使用方法和具体过滤设备也包括在本发明专利技术之内。

Method for preparing metal doped silicon based gel material

The present invention relates generally to an environmental control unit in an air handling system capable of efficiently filtering out toxic gases such as ammonia. This filtration system uses novel metal doped silica based gels to capture and remove these non desired gases from a confined environment. These gels require special porosity and density measurements. In addition, in order to carry out the most effective metal doping, the gel must be treated in a wet state. In combination with these special properties and metal dopants, it is possible to carry out a highly effective filtration of toxic gases, so as to obtain a particularly significant absorption and penetration result compared with the prior silica gel filtration products. The method of use and the specific filtering device are also included in the present invention.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术一般涉及用于能够高效地过滤掉有毒气体(例如氨)的空气处理系统中的环境控制。这种过滤系统使用新颖的金属掺杂的二氧化硅基凝胶，从封闭环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要具有特殊的孔隙度和密度测量值。另外，为了进行最有效的金属掺杂，这些凝胶优选在处于湿态的情况下用多价金属盐处理。结合这些特殊的性质和金属掺杂剂，使得能够进行高度有效的有毒气体过滤，从而获得与之前的介质过滤产品相比尤为显著的极佳吸收和穿透结果。使用方法和具体过滤设备也包括在本专利技术之内。专利技术背景人们对于具有以下特征的空气处理系统的需求一直在不断地增加，所述空气处理系统包括空气过滤系统，该空气过滤系统能够保护封闭场所免受该场所附近空气中的有毒蒸气以及颗粒的影响。每年都有许多有毒蒸气污染建筑物环境、导致疾病和破坏的事件发生。目前人们还在努力保护建筑物和其它重要的封闭场所(enclosure)免受作为恐怖主义活动的一部分而释放出的有毒的空气中的蒸气和颗粒的影响。结果，新的过滤器设计的要求受到了军方的推动，以进行保护，使得免受某种有毒气体的伤害。大体来说，不论在民用设施或军用设施中，仅含颗粒过滤器的常规空气过滤系统(例如具有纸板框架的玻璃纤维垫过滤器)根本无法防护有毒蒸气。市售的静电纤维过滤器对较小的颗粒的去除效率高于标准的尘土过滤器，但是它们仍然不具有蒸气过滤能力。HEPA(＂高效率颗粒空气＂)过滤器用来高效率地过滤<br>超细固体和液体颗粒的空气分散体，所述颗粒是例如尘土和花粉，放射性微粒污染物以及气溶胶。然而，当面临的威胁是气态化合物或者极小尺寸的气态颗粒(即小于<0.001微米)的时候，常规的市售HEPA过滤器无法拦截和控制这些种类的空气中的作用物。最常用的从污染空气中除去蒸气和气体的过滤技术是活性炭。这种活性炭-->基气体过滤已经被应用于许多各种各样的蒸气相过滤应用中，包括防毒面具和军用车辆以及隐蔽所的保护。在这些应用中，使用浸渍有金属盐的活性炭除去所有的有毒蒸气(例如胂、沙林气体等)。这些有毒气体通常需要大多数商业应用所不需要的高过滤效率。与之相对的是，常规的商业过滤器通常包括位于非织造织物(例如纤维垫)之上或结合在其之内的活性炭材料，还包含共存的填充吸附剂颗粒的大固定床。通常这些用于空气纯化的商业过滤器一直使用，直至在流出物中测得意图除去的化学物质的浓度达到容易测量的百分量(例如10％)时为止。对于防毒面具和/或军用车辆应用，需要更高的长期效率。在无法通过未浸渍的活性炭除去气体的应用中，使用浸渍的活性炭。这些现有技术的浸渍的活性炭配方通常包含浸渍在活性炭上的铜、铬和银。这些吸附剂能够有效地除去许多种有毒材料，例如氰化物基气体和蒸气。除了浸渍在活性炭上的许多种其它的无机材料以外，已经发现各种有机浸渍物可以有效地在军事用途中除去氯化氰。它们的例子包括三亚乙基二胺(TEDA)和吡啶-4-羧酸。人们已经提出用于建筑物保护的各种高效的过滤器系统(商用型和军用型的)，其使用浸渍有铜-银-锌-钼-三亚乙基二胺的活性炭来过滤许多种有毒化学蒸气和气体。但是已经证明这种特殊的活性炭基过滤器对于氨、环氧乙烷，甲醛和氮氧化物之类的其它气体是无效的。这些气体在工业中是非常常见的，当以足够量存在的时候(特别是在密闭空间内)对人体是有害的，迄今为止，已经证明其它过滤器装置不适于环境处理和/或其去除，人们无疑仍需要一种过滤机理来弥补这些缺陷，特别是在高相对湿度(RH)和低相对湿度的环境下弥补这些缺陷。各种化学物质会受到吸附的水的不同的影响。对于氨，由于吸附的水实际上会提高氨与目标吸附剂的亲和性，所以很难在低相对湿度条件下进行过滤(设计的限制)。对于环氧乙烷，情况则相反，这是由于在设计合适的过滤器系统的时候，处于高湿度条件下会带来问题。迄今为止，尚无包含少量过滤介质的过滤系统能够在其设计限制RH之下、在较高的吸收对象浓度之下(例如1000ppm)，长时间有效地除去这些气体，而最终不会发生从过滤器洗脱(eluting)的现象。已经认识到二氧化硅基组合物是极佳的气体过滤器介质。然而，在现有技术中几乎没有提供关于通过在永久性基底上的过滤介质、以大规模应用可接受的水平提供吸收(uptake)和穿透水平的能力的情况。吸收基本上是过滤介质俘获-->特定体积目标气体的能力的度量；穿透是用来说明过滤介质俘获的饱和点的标志。因此，人们极为需要具有高吸收(因此能够快速俘获大量有毒气体)和长穿透时间(因此与吸收结合起来，不仅能够实现快速俘获，还能经过长时间才达到饱和)的合适过滤介质。目前使用的标准过滤器对于氨之类的有毒气体受限于缓慢的吸收和较快的穿透时间。人们需要开发一种能够提高吸收和穿透的新的过滤介质。关于使用金属掺杂的潜在的二氧化硅基化合物除去氨之类的气体的最接近的现有技术是Kemira Agro Oy在WO 00/40324中揭示的。但是这种体系主要是考虑使提供的过滤介质在对收集的气体进行再生、用于进一步的应用，而不是永久性从大气中除去这些气体。不幸的是，这种通过升温或改变压力而很容易地使所述有毒气体再生(即允许俘获的气体被释放)的能力带来了对目标环境的威胁。相反地，现在提出的体系的一个优点是提供有效的长时间穿透(说明随时间推移，能够完全而有效地从目标空间基本除去所有的不希望有的气体)，而且根据吸收的度量，能够完全而有效地吸收基本上所有的这些气体。Kemira的参考文献还具体涉及提供二氧化硅和金属(具体来说主要是铜I盐)的干混合物，如该参考文献所述，该混合物能够提供有效的吸收和再生能力，而不是从目标环境中永久性地有效地除去气体(例如氨)。下文中更深入地讨论了本专利技术过滤介质的细节。专利技术简述根据本专利技术的一个方面，过滤介质包含多价金属掺杂的硅基凝胶材料，所述材料的BET表面积为100-300米2/克；通过氮孔隙度测量测得，孔体积约为0.18-0.7立方厘米/克；测得孔径为20-40的所有孔的积分表面积为50-150米2/克；以所述硅基凝胶材料的总重量为基准计，掺杂在所述硅基凝胶材料之上和之内的多价金属的含量为5-25重量％。较佳的是，所述过滤介质的BET表面积为150-250米2/克；孔体积约为0.25-0.5立方厘米/克；测得孔径为20-40的所有孔的积分表面积为80-120米2/克；所述多价金属的含量约为8-20％。根据本专利技术的另一个方面，在以下条件a)、b)、c)之下，多价金属掺杂的硅...

【技术保护点】
1. 一种制备金属掺杂的硅凝胶基颗粒的方法，所述方法依次包括以下步骤：a)提供硅基凝胶材料；b)使所述硅基凝胶材料与至少一种多价金属盐湿反应，制得金属掺杂的硅基凝胶材料；c)干燥所述多价金属掺杂的硅基凝胶材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2005.6.20 US 11/156，5121.一种制备金属掺杂的硅凝胶基颗粒的方法，所述方法依次包括以下步骤：
a)提供硅基凝胶材料；
b)使所述硅基凝胶材料与至少一种多价金属盐湿反应，制得金属掺杂的硅
基凝胶材料；
c)干燥所述多价金属掺杂的硅基凝胶材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多价金属盐是具有选自钴、
铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、铟、钨、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、
及其任意组合的金属的盐。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多价金属是铜。
4.一种制备金属掺杂的硅凝胶基颗粒的方法，所述方法依次包括以下步
骤：
a)提供硅基凝胶材料；
b)使所述硅基凝胶材料与至少一种多价金属盐湿反应，制得金属掺杂的硅
基凝胶材料；
c)干燥所述多价金属掺杂的硅基凝胶材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤a)在1-5的pH值进行。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a)在等于或低于2的pH值
进行。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·C·威瑟曼，F·A·辛克莱尔，D·K·弗里德，
申请(专利权)人：JM休伯有限公司，俄亥俄州亨特制造公司，
类型：发明
国别省市：美国;US