分層或混合式吸附劑床防護過濾裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明
[0002] 本發(fā)明在美國陸軍研究開發(fā)和工程指揮部（U. S. Army Research,Development and Engineering Command ,(RDECOM))授予的合同編號W911SR-09-C-0037下，由政府支持 而作出。美國政府擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于除去呼吸空氣中的污染物的濾料。
【背景技術(shù)】
[0004] 擴展表面積基材粒子，諸如活性炭、氧化鋁、沸石等等，由于它們能夠除去空氣中 的大范圍污染物而被廣泛用于空氣過濾。這些材料的高度多孔結(jié)構(gòu)提供大表面積，從而非 常適于過濾目的。就活性炭而言，多孔性源于在制造的"活化"階段期間受控的氧化作用。
[0005] 此類炭能夠除去空氣中的污染物一般涉及直接吸收，并且取決于氣體分子和炭表 面之間的分子級相互作用。這種相互作用的程度可取決于以下因素，包括:炭的物理和化學(xué) 表面特性、氣體化合物的分子形狀和大小、待過濾氣體流中氣體化合物的濃度、炭床中的停 留時間、溫度、壓力、以及其他化學(xué)物質(zhì)的存在。根據(jù)經(jīng)驗，就單一污染物而言，吸附程度主 要取決于沸點。一般來講，沸點越高，炭除去化學(xué)物質(zhì)的能力越大。
[0006] 因此，非浸漬的炭自身并不具有很大的除去空氣中低沸點氣體(包括反應(yīng)性氣體） 或蒸汽的能力。已設(shè)想出將化學(xué)物質(zhì)摻入到炭中的處理方式以得到改善的污染物除去能 力。這些處理方式一般稱為"浸漬"法，并且此類處理的結(jié)果為"浸漬"炭。
[0007] 美國軍隊化學(xué)和生物個人防護裝置包括M40、M42、M50和M51化學(xué)-生物(CB)聯(lián)合軍 種通用面具（Joint Service General Purpose Mask(JSGPM))通常采用充裝有浸漬炭的可 替換的濾毒罐/過濾器組件。要求該濾毒罐/過濾器組件針對抵抗各種氣體而規(guī)定的最小時 間提供穿透防護，例如在針對在M50和戰(zhàn)斗車輛M51JSGPM領(lǐng)域使用的M61可替換的濾毒罐/ 過濾器組件的軍隊征集部門（Department of the Army Solicitation)W911SR-ll-R_0002 所附的性能說明書PRF-EA-C-2251中所述。類似地，國家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究院(National Institute for Occupational Safety and Health(NIOSH))從化學(xué)、生物學(xué)、放射學(xué)、核能 (CBRN)機構(gòu)為呼吸器和呼吸防護設(shè)定標(biāo)準。操作型過濾器和逃生型過濾器的NIOSH CBRN標(biāo) 準要求合格的裝置能夠除去生物微粒和其他微粒，以及被選中代表毒性化合物家族的10種 氣體的列表。該10種NIOSH氣體為二氧化硫(SO 2)、硫化氫(H2S)、甲醛(H2CO)、氨氣(NH3)、氰 化氫(HCN)、氯化氫(ClCN或CK)、二氯化鈷(COCl 2)、環(huán)己燒(C6Hi2)、二氧化氮(NO2)和磷化氫 (PH 3)。通常，符合美國軍隊或NIOSH標(biāo)準的過濾器已經(jīng)使用能夠除去所有此類氣體的炭進 行構(gòu)造，或者使用總體除去所列出的所有類型化合物的炭層進行構(gòu)造。通常，所列出的氣體 中的一種氣體驅(qū)動對粒子狀吸附劑材料數(shù)量的需求的增長。在當(dāng)前的炭技術(shù)的情況下，這 種氣體通常是氨氣或二氧化硫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 相對于提供防護來抵抗目標(biāo)氣體，高度期望改善當(dāng)前軍事和工業(yè)可替換的濾毒 罐/過濾器組件。盡管在許多情況下適用的標(biāo)準是性能表準而非設(shè)計標(biāo)準，但是期望使濾毒 罐/過濾器的總體積和深度減到最小。這樣做有助于保持使用者的視野并限制濾毒罐/過濾 器組件的總重量以及在佩戴時施加在使用者頸部肌肉上的作用力。
[0009] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可通過用新型濾料組合替換當(dāng)前全浸漬炭充裝典型濾毒罐/過濾器組件 來獲得有用的性能改善。因此，在一個方面，本發(fā)明提供過濾裝置，該過濾裝置包括：
[0010] a)炭流體不可透過的外殼，該外殼具有氣體入口和氣體出口；和
[0011] b)置于該外殼內(nèi)的多個第一濾料粒子和多個第二濾料粒子，該第一濾料粒子包括 含有至少一種金屬浸漬劑的擴展表面積基材，該第二濾料粒子包括擴展表面積氫氧化鋯基 材和(氫)氧化鋅；
[0012] 其中所述第一濾料粒子或所述第二濾料粒子還包含胺官能材料和銀或銀化合物。
[0013] 在此類裝置的一個優(yōu)選實施例中，第一濾料粒子和第二濾料粒子在不同的層內(nèi)存 在，即，包括多個第一濾料粒子的第一層，該第一濾料粒子包括含有至少一種金屬浸漬劑的 擴展表面積基材，和包括多個第二濾料粒子的第二層，該第二濾料粒子包括擴展表面積氫 氧化錯基材和(氫)氧化鋅。
[0014] 在另一個方面，本發(fā)明提供一種用于制備過濾裝置的方法，該方法包括：
[0015] a)提供流體不可透過的外殼，所述外殼具有氣體入口和氣體出口；
[0016] b)將多個第一濾料粒子和多個第二濾料粒子置于所述外殼中，所述第一濾料粒子 包括含有至少一種金屬浸漬劑的擴展表面區(qū)域基材，所述第二濾料粒子包括擴展表面區(qū)域 氫氧化鋯基材和(氫)氧化鋅；
[0017] 其中所述第一濾料粒子或所述第二濾料粒子還包含胺官能材料和銀或銀化合物。
[0018] 此類方法的優(yōu)選實施例涉及將第一濾料粒子和第二濾料粒子置于外殼中不同的 層內(nèi)，即，包括多個第一濾料粒子的第一層，該第一濾料粒子包括含有至少一種金屬浸漬劑 的擴展表面積基材，和包括多個第二濾料粒子的第二層，該第二濾料粒子包括擴展表面積 氫氧化錯基材和(氫)氧化鋅。
[0019] 所公開的過濾裝置和方法可用于個人防護或集體防護，以及軍事和非軍事應(yīng)用。 例如，所公開的方法可用于制造個人呼吸防護裝置(包括被動空氣凈化呼吸器或非動力呼 吸器，以及動力空氣呼吸器），以及用于制造用于建筑物、坦克、帳篷、船只和其他人們居住、 工作或聚集的地方的集體防護裝置(包括HVAC過濾器和車輛過濾器）。所公開的過濾裝置和 方法針對二氧化氮、硫化氫、氨氣和甲醛在穿透時間方面提供特別有用的改善。在優(yōu)選的實 施例中，相比于針對具有相同內(nèi)部體積但充裝僅第一濾料粒子或充裝僅第二濾料粒子的濾 毒罐/過濾器而觀測到的突破時間，針對二氧化氮、硫化氫和甲醛的可替換的濾毒罐/過濾 器突破時間以協(xié)同方式改善。
[0020] 在以下【具體實施方式】中，將顯而易見本發(fā)明的這些方面和其它方面。然而，在任何 情況下都不應(yīng)將上述
【發(fā)明內(nèi)容】
理解為是對要求防護的主題的限制，該主題僅由如在審查期 間可以進行修改的所附權(quán)利要求書限定。
【附圖說明】
[0021] 圖1是根據(jù)本公開的示例性過濾裝置的示意性剖視圖。
[0022] 圖2是根據(jù)本公開的包括過濾裝置的示例性個人呼吸器的透視圖。
[0023] 圖3是根據(jù)本公開的另一示例性過濾裝置的示意性剖視圖。
[0024] 圖4是根據(jù)本公開的包括示例性過濾裝置的另一示例性個人呼吸器的透視圖。
[0025] 圖5是根據(jù)本公開的示例性集體防護裝置的示意圖、局部剖視圖。
[0026] 圖6是比較用于抵抗若干目標(biāo)氣體的濾毒罐/過濾器外殼的性能的圖表，該濾毒 罐/過濾器外殼僅充裝有第一濾料粒子、僅充裝有第二濾料粒子、或者僅充裝有等深度層 (在壓縮前)的第一濾料粒子和第二濾料粒子。
[0027] 在附圖的各張圖中，相似的參考標(biāo)記指示類似的元件。圖中的元件未必按比例繪 制。
【具體實施方式】
[0028] 術(shù)語"胺官能材料"意指包含具有孤對電子的至少一個氮原子的材料。更優(yōu)選地， 術(shù)語"胺官能材料"意指包含鍵合到三個部分的氮的有機材料，其中該部分中的至少一個部 分不是氫。鍵合到氮的此類部分中的多于一個部分可以是環(huán)結(jié)構(gòu)的共同成員。
[0029] 術(shù)語"堿"意指能夠結(jié)合質(zhì)子（即，氫離子）以形成新型化合物的任何材料。水溶性 堿在水性溶液中使pH大于7.0。
[0030] 當(dāng)關(guān)于微粒材料使用時，術(shù)語"擴展表面積基材"意指這樣的粒子:這些粒子的表 面，包括此表面中的任何孔，（優(yōu)選地在微觀水平)足夠大、不規(guī)則、換句話講成褶皺狀，使得 該粒子能夠用至少一種金屬浸漬劑諸如元素金屬或金屬鹽來浸漬。
[0031] 術(shù)語"濾料"意指能夠用于除去流動的氣體流中的一種或多種污染物的結(jié)構(gòu)（例 如，包封的粒子床)或制品（例如，非織造纖維網(wǎng)）。
[0032] 當(dāng)關(guān)于浸漬劑使用時，術(shù)語"過濾功效"意指相比如缺少該浸漬劑的相同介質(zhì)，結(jié) 合了該浸漬劑的濾料具有用于除去流動的氣體流的指定污染物的更大的能力。在優(yōu)選的實 施例中，過濾功效意指根據(jù)期望的政府法規(guī)諸如美國或其他地方的可應(yīng)用軍事標(biāo)準、或者 可應(yīng)用非軍事標(biāo)準諸如美國NIOSH標(biāo)準、歐洲CEN標(biāo)準或其他地方類似標(biāo)準，浸漬劑能夠提 供針對指定的污染物的過濾防護。浸漬劑可依靠自身或當(dāng)與一種或多種其他浸漬劑組合使 用時具有此類過濾功效。
[0033] 當(dāng)關(guān)于濾料的外殼使用時，術(shù)語"流體不可透過的"意指液體和氣體完全不可透過 以在使用之前實現(xiàn)此類濾料的令人滿意的儲存而沒有污染的結(jié)構(gòu)或材料(除了此類外殼的 氣體入口或出口）。
[0034] 當(dāng)關(guān)于金屬化合物使用時，術(shù)語"(氫)氧化物"總體指此類金屬的氧化物、氫氧化 物和氧氫氧化合物。例如，術(shù)語(氫)氧化鋅是指氧化鋅、氫氧化鋅和羥基氧化鋅。
[0035] 術(shù)語"浸漬劑"意指用于浸漬濾料基材的材料。