包含金属掺杂的硅基凝胶材料的空气过滤介质制造技术

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，这些凝胶优选在处于湿态的情况下用多价金属盐处理。将这些特殊的性质和金属掺杂剂组合起来，允许进行高度有效的有毒气体过滤，因此可以获得吸收和穿透结果，与原有的介质过滤产品相比尤为显著。使用方法和具体过滤设备也包括在本发明专利技术之内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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 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，从封闭的 环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要满足特殊的孔隙度要求 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。将这些特殊的性质和金属掺杂剂组合起来，可以 进行髙度有效的有毒气体过滤，因此可以获得极佳的吸收(uptake)和穿透 (breakthrough)结果，与之前的介质过滤产品相比尤为显著。使用方法和具体过 滤设备也包括在本专利技术之内。
技术介绍
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、引发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，使其免受作为恐怖主义活动的一部分而释放出的有毒空气中的蒸气 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，以免受某些 有毒气体的伤害。大体来说，不论在民用设施还是军用设施中，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)根本无法抵抗有毒蒸气。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O.001微米)的时候，常规的市售HEPA过滤器无法拦截和控制空气 中这些种类的作用物。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。这种炭基气 体过滤已经被应用于各种各样的蒸气相过滤应用，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碳除去所有的有毒 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碳材料，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，直至在馏出物中 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%)。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碳除去气体的应用中，使用浸渍的活性碳。这些 现有技术的浸渍的活性碳配剂通常包含浸渍在活性碳上的铜、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。除了浸渍在活性碳上的许多种其它的无机材料以外，己经发现各种有机浸 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-三亚乙基二胺的碳过滤很宽范围的有毒化学蒸 气和气体。但是己经证明这种特定的碳基过滤器对于氨、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 的量存在时(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制来弥补这些缺陷，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(设计限 制)。对于环氧乙垸，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，而最终不会发生洗脱(eluting)并通过过滤器。已经认识到二氧化硅基组合物能够制得极佳的气体过滤器介质。然而,至于 通过以大规模应用可接受的水平永久性提供吸收和穿透水平的能力，相关现有 技术几乎没有提供什么。吸收基本上是过滤介质俘获特定体积的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)。目前使用的标 准过滤器对于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。关于使用掺杂有金属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 是考虑提供一种过滤介质，用来对收集的气体进行再生以备进一步应用，而不 是永久性从地大气中除去。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)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(这意味着随时间推 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，最终是铜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，过滤介质包含掺杂有多价金属的硅基凝胶材料， 所述材料的BET表面积为100-300米"克；通过氮气孔隙度法测得，孔体积约为 0.18-0.7立方厘米/克；测得孔径为20-40人的所有孔的累积表面积为50-150米V克; 以所述硅基凝胶材料的总量为基准计，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人的所有孔 的累积表面积为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 基凝胶过滤介质对氨气/空气组合物的穿透测量值至少为60分钟a)当其作为l 厘米高的过滤床处于直径为4.1厘米的烧瓶中的时候，b)当其在常温和常压下与 固定氨气浓度为1000毫克/米3的氨气接触的时候，c)当同时处于15X的相对湿度 的时候；所述过滤介质在达到35毫克/米3的穿透浓度之后，不会表现出任何超过所述穿透浓度的氨气洗脱。较佳的是，穿透时间至少为120分钟。另外，本专利技术 的另一个方面涉及一种多价金属惨杂的硅基凝胶材料，该材料在处于与上述相同的条件下以及相同的测试过程(只是相对湿度为80%)的时候，穿透时间至少 为60分钟。较佳的是，所述接触高相对湿度的测试例的穿透时间也至少为120分钟。根据本专利技术的另一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过滤介质，其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；通过氮气孔隙度法测得孔体积约为０．１８－０．７立方厘米／克；所有的孔径为２０－４０＊的孔测得的累积表面积为５０－１５０米↑［２］／克；以所述硅基凝胶材料的总量为基准计，所述掺杂在硅基凝胶材料之上和之内的多价金属含量为５－２５重量％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：FA辛克莱尔，DK弗里德，MC威瑟曼，
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：US[]