CN102548635B - 具有一体式初级过滤器和增泽过滤器的活性颗粒空气过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空气过滤器，所述空气过滤器包括初级过滤器和增泽过滤器。所述初级过滤器包括一体式过滤器(10)，所述一体式过滤器(10)含有活性颗粒。所述待过滤空气沿大致平行于所述通道(12)的路径穿过所述初级过滤器。所述增泽过滤器(36)具有第一主表面和第二主表面并且也含有活性颗粒。所述增泽过滤器通常被布置成使得空气在穿过其中时从所述第一主表面流到所述第二主表面。本发明的过滤器显示具有特别的性能，所述特别的性能优于同样的初级过滤器和增泽过滤器单独呈现的性能。

Description

具有一体式初级过滤器和增泽过滤器的活性颗粒空气过滤器
本发明涉及包括一体式过滤器和增泽过滤器(polishing filter)两者的新型活性颗粒空气过滤器。本发明还涉及制备包括一体式过滤器和增泽过滤器两者的新型活性颗粒空气过滤器的方法以及涉及用于使用这种过滤器过滤空气的方法。
背景技术
活性颗粒通常用于过滤器中，以移除空气中的气体污染物。在美国专利7,501,012、7,004,990、6,391,429、5,763,078、5,510,063、5,344,626以及国际专利公开WO99/15259中示出了此类空气过滤器的实例。一体式过滤器和波状活性颗粒气体过滤器也已经开发出来，参见例如美国专利7,276,098、6,413,303、6,273,938、5,914,294以及3,172,747。然而，一体式过滤器对于呼吸性空气过滤并非好的候选品，参见Activated Carbon InEnvironmental Remediation，pp.508-510，Elsevier Press(2006)(《环境治理中使用的活性炭》，第508-510页，Elsevier出版社，2006年)。虽然多年来已开发出多种用于过滤空气的过滤器构造，但却没有任何也已采用活性颗粒增泽过滤器的一体式活性颗粒空气过滤器。也没有认识到这种组合在空气过滤方面可以提供特别的改进。如下文所指出的那样，本发明提供了这种组合。
发明内容
本发明提供了空气过滤器，该空气过滤器包括：(a)一体式初级过滤器，其在其大致平行的通道中包含活性颗粒；和(b)增泽过滤器，其具有第一主表面和第二主表面并且也含有活性颗粒。增泽过滤器通常相对于一体式过滤器布置成使得流出一体式过滤器的空气在穿过其中时将从第一主表面流到第二主表面。
本发明还提供了制备空气过滤器的新方法，该方法包括：(a)提供一体式过滤器，该一体式过滤器具有入口和出口并且在其大致平行的通道中包含活性颗粒；以及(b)使增泽过滤器和一体式过滤器并置在其第二出口末端处。
本发明还提供了过滤空气的方法，该方法包括：(a)将空气引入到含有活性颗粒的一体式过滤器的第一末端；(b)使空气沿与通道平行的方向穿过一体式过滤器，使得流体在第二末端处流出一体式过滤器；以及然后(c)使空气穿过增泽过滤器。
本发明与已知的活性颗粒过滤器的不同之处在于，它结合活性颗粒增泽过滤器使用一体式活性颗粒过滤器，以及待过滤空气穿过平行于通道的初级一体式过滤器并且增泽过滤器被布置成大致垂直于该空气的运动方向。发明人发现，通过这种过滤元件的组合，可在气体过滤性能方面、特别是在这些单独元件中的每一个的性能方面及其组合时预期的性能方面实现特别改进。该过滤性能如此非凡以至于本发明的过滤器可适用于呼吸性空气过滤，即，适用于提供经过滤的清洁空气供人呼吸的滤筒及其它装置。
术语表
“活性颗粒”意指特别适于对流体或流体组分执行某些活动或功能的粒子或颗粒剂，所述活动或功能为(例如)污染物移除或分子改变或催化；
“空气”意指气体混合物，该气体混合物形成地球大气，主要含有氮气和氧气，并且可能含有少量的其它分子，如氩、CO2、氖和氦；
“清洁空气”意指已经被过滤以移除污染物的一定体积的大气环境空气；
“污染物”意指粒子(包括粉尘、薄雾和烟雾)和/或一般来讲不会被视为粒子但可能悬浮在空气中的其它物质(如有机蒸气等)；
“波状形”意指具有一系列峰和谷，该一系列峰和谷可以是U形或V形；
“嵌入的”意指保持在另一介质的空隙空间内；
“空气过滤器”意指从空气中移除不期望的组分从而得到清洁空气供人呼吸的制品；
“并置的”意指被设置成彼此相邻但不必彼此直接接触；
“纵向维度”意指穿过(不是横穿)开口的方向，即图1所示“y”维度的方向；
“一体式过滤器”意指含有待过滤流体可从其中穿过的一系列大致平行的通道的过滤器；
“与波状平行”和“与通道平行”意指与波状或通道的纵向维度大致相同的方向；
“增泽过滤器”意指过滤层，该过滤层位于初级过滤器下游并布置成使得待过滤气体流过曲折的路径；以及
“初级过滤器”意指在过滤装置的性能中发挥首要作用的过滤器。
附图说明
图1为可用于本发明的一体式过滤器10的透视图。
图1A示出了图1所示的一体式过滤器10的放大的截面。
图2为根据本发明的滤筒22的局部横截面图。
图3示出了制备复合结构56的方法，该复合结构适用于制备可结合本发明使用的一体式过滤器。
图4-6示出了根据本发明的过滤器的可供选择的构造。
具体实施方式
图1和图1A示出了可在本发明空气过滤器中用作初级过滤器的一体式过滤器10的实例。一体式过滤器10具有一系列大致平行的通道12，该通道由波状过滤层14和保持层16限定。保持层16起到保持波状过滤层14处于其波状条件下的作用，并且还可有助于限定平行通道12。一体式过滤器10还具有第一入口端18和第二出口端20。待过滤流体从第一入口端18流过大致平行的通道12并且从第二出口端20流出。波状过滤层14含有适于对流过大致平行的通道的空气或空气组分执行某些活动或功能的活性颗粒。就此而言，活性颗粒流体连通流过通道12的空气。保持层16可为实心片材，或其可为一系列股线或纤维或非织造纤维网，参见授予Braun等人的美国专利5,763,078中可用于保持波状图案的形状保持装置的实例。形状保持层还可含有(例如)在非织造纤维网中或由PSA微粒保持在一起的活性颗粒，参见以下美国专利：3,971,373(授予Braun)、6,391,429(授予Senkus等人)以及6,234,171和6,102,039(均授予Springett等人)。波状过滤层14允许待过滤流体与活性颗粒直接接触。如图所示，通道可为U形。当沿横截面观察时，它们还可呈其它构型。例如，通道可为V形、三角形、矩形、五边形、六边形等。
图2示出了滤筒22的横截面图。滤筒22具有进气表面24和空气出口26。壳体28由一个或多个侧壁30和基部32限定。一体式过滤器10设置在壳体28内。多孔滤筒盖34设置在一体式过滤器10的第一入口端18处。增泽过滤器36位于一体式过滤器10的第二出口端20处。待过滤空气穿过滤筒盖34，以在第一入口端18处进入一体式过滤器10。空气然后流过大致平行的通道12，以在第二出口端20处流出一体式过滤器10。空气流出一体式过滤器10后，接着穿过增泽过滤器36。随后，空气穿过充气室38，然后穿过出口26。滤筒22还可包括一系列螺纹40，以使得滤筒可固定到佩戴者鼻部和口部(以及眼部)上方的面罩主体。或者，可采用卡口式连接或搭扣配合连接，参见美国专利申请公开2005/0145249A1(授予Solyntjes等人)、美国专利5,579,761(授予Yuschak等人)以及美国专利5,062,421(授予Burns等人)。本发明的滤筒可用在多种半面罩式和全面罩式呼吸器和罩子上。以下专利中公开了此类呼吸器的实例：7,419,526(授予Grear等人)、7,104,264(授予Lee等人)、6,895,960(授予Fabin)、6,874,499(授予Viner等人)以及6,227,178(授予Holmquist-Brown等人)。本发明的滤筒还可结合动力空气净化呼吸器(PAPR)使用。PAPR的实例在美国专利6,948,191和6,823,867(均授予Avery等人)以及6,666,209(授予Bennett等人)中有所描述。本发明还可更大规模的使用，从而建筑物和临时设施(例如帐篷和人员安全壳结构)中的人员得到共同的过滤防护，参见(例如)美国专利7,425,521和6,383,241。
图3示出了制备层式过滤介质的方法，该层过滤介质可用于形成根据本发明的一体式过滤器。在制备可用于本发明的一体式过滤器中的波状过滤介质的层时，将含有嵌入聚合物纤维中的活性颗粒的网42从辊44拉到第一齿辊46上，第一齿辊46与第二齿辊48啮合以形成一对压波形辊。当第一辊46的齿与第二辊48啮合时，网42呈现波状或褶皱形图案。然后将形状保持层或片材16施加到波状网14上，以有助于其保持在褶皱或波状条件下。形状保持片材16可从介于齿辊48和驱动辊或支撑辊54之间的膜挤出机52拉出。可以加热驱动辊54，以使保持片材16粘合到波状结构14，以形成复合结构56，该复合结构包括波状层14和保持片材16。可将复合结构56卷绕在收卷辊上，在此处其可随后转变为适用于本发明的过滤器的一体式过滤器。
可用作用于形成复合结构的原料的网在(例如)美国专利申请公开2006/0096911A1(授予Brey等人)以及2006/0254427A1(授予Trend等人)中有所描述，该复合结构适合用于制备根据本发明的一体式过滤器。网原料可为波状，从而得到一系列平行通道。通道通常为非曲折的之处在于，它们沿预定的路径延伸。通道可为直的或可采取弯曲路径，但总体上往往无阻挡。通道可包括多孔片材制品，该制品包括聚合物纤维的自支承非织造网和嵌入网中的吸附剂粒子。吸附剂粒子可嵌入网中，通常使得有至少约60重量％的吸附剂粒子嵌入网中。含粒子的网中所用的纤维通常具有显著大于类似纤维的结晶收缩性。纤维通常包含聚丙烯，吸附剂粒子通常均匀分布在网中，以使得网的吸附系数A为至少1.6×104/毫米(mm)水。多孔片材制品通常显示具有低压降，具有较长使用寿命，并且具有超过填充床炭的吸附系数A。可利用类似于Wood的Journal Of The AmericanIndustrial Hygiene Association，55(1)：11-15(1994)(《美国工业卫生协会杂志》，第55卷第1期，第11-15页，1994年)中所述的参数或测量值来计算吸附系数A。有关吸附系数A的更多信息可存在于本段落中上文引用专利申请中的任一篇中。这些网是用于形成一体式过滤器的良好候选品，因为尽管受到制备一体式过滤器所必需的条件的限制，但活性颗粒保持了其过滤/吸附功能中的多数。可适用于本发明的一体式过滤器还可通过挤出工艺制备，其中聚合物或陶瓷糊剂与活性颗粒被一同挤出。或者，包含通道的聚合物块可先被部分碳化，再被活化。参见美国专利文件2008/0132408、2007/0261557和6,284,705中关于炭块的讨论。在本发明的典型的空气过滤器中，一体式过滤器中的通道的截面积为约0.1平方毫米(mm2)至100mm2，更通常为约0.5mm2至20mm2。一体式过滤器中通道的长度可为约0.5厘米(cm)至100cm，更通常为约2cm至10cm。对于滤筒应用，通道长度为约1cm至5cm。
可结合本发明使用的增泽层可具有类似于用于制备一体式过滤器的上述组件的构造。与包括一体式过滤器通道的材料不同的是，增泽过滤器必须为多孔的或空气可渗透的，因为空气穿过层本身，而不是由层形成的通道。相对于一体式过滤器，空气在穿过增泽过滤器时穿过多孔介质中的曲折路径。还可使用活性颗粒的填充床，以及活性颗粒的渗透性成形结构，所述渗透性成形结构与(例如)PSA微粒-参见美国专利6,391,429(授予Senkus等人)-或如美国专利5,033,465(授予Braun等人)中所述的粘合吸附剂粒子保持在一起。美国专利申请No.2005/0169820A1示出了含有活性颗粒的纤维基质的实例，并且该渗透性成形结构可用作本发明中的增泽过滤器。根据应用情况，增泽层可与一体式过滤器出口直接接触。增泽层还可在出口下游而在空间上分隔，例如处于下游0.5厘米(cm)至100cm。增泽过滤器的厚度通常为约0.1毫米(mm)至20mm，更通常为约0.5mm至3mm。
可用于本发明的一体式过滤器和增泽过滤器的活性颗粒包括粒子或颗粒剂，该粒子或颗粒剂适于执行某些活动或功能，这是由于某些特性或性质，包括化学变化特性(例如反应、催化以及离子交换)和/或物理特性(例如表面积大、孔隙度高以及尺寸和形状相对小)。活性颗粒的一个实例为与流体中的组分相互作用以移除或改变其组成的粒子。流体中的组分可被吸附到活性颗粒上或吸附到活性颗粒中，或它们可被反应而使其组成更适宜。因此，活性颗粒可为吸附性、催化性或反应性的。可结合本发明使用的活性颗粒材料的实例包括吸附剂微粒颗粒剂，例如活性炭、经化学表面处理的活性炭、氧化铝、硅胶、膨润土、高岭土、硅藻土、粉末状沸石(天然的和合成的两者)、离子交换树脂和分子筛以及颗粒，例如催化性粒子和含有封装化合物的粒子。通常的活性颗粒包括活性炭、经化学处理的炭以及氧化铝颗粒。可用于本发明的市售的活性炭的实例包括Kuraray12×20型GG(可得自Kuraray Chemical Corporation(Osaka，Japan))和Calgon 12×30URC(可得自Calgon Carbon Corporation(Pittsburgh，PA))。描述可用于本发明的各种类型的活性颗粒的专利包括以下美国专利：7,309,513(授予Brey等人)、7,004,990和6,391,429(均授予Senkus等人)、5,763,078(授予Braun等人)以及5,496,785(授予Abler)。
图4示出了可结合本发明使用的一体式过滤器58的实例的端视图。复合结构56可组装成以U形构型设置的多个层。增泽过滤器可被设置在U形一体式过滤器58的出口端处。充气室也可被设置在U形一体式过滤器58的出口端处，该一体式过滤器引导过滤器流体进入槽60中，其中过滤器流体可被引导至另一个位置。
图5示出了可供选择的U形结构，其中流体在入口端72处进入可供选择的一体式过滤器70并且在端74处流出。在该实施例中，通道从入口72至出口74进行180°的转弯。通道76在从入口72至出口74的方向上移动时具有可变的长度。充气室也可设置在出口端74处，其引导收集的流体流到另一个导管。
图6示出了圆盘成形的过滤器90，其中流体在入口端92处进入过滤器并且在94处流出。圆盘的中心96形成充气室，通过该充气室，经过滤的空气可在流过增泽过滤器前被收集。或者，圆盘过滤器的中心96可具有位于其中的增泽过滤器，以使得在第二出口端94处流出过滤器90的流体可立即再被增泽过滤器过滤。示出了通道98在从入口92至出口94移动时在直径上交汇。可适用于本发明的其它一体式过滤器的实例在以下文献中示出：美国专利6,986,804(授予Dominiak等人)、6,752,889(授予Insley等人)、6,413,303(授予Gelderland等人)、6,273,938(授予Fanselow等人)、5,914,294(授予Park等人)以及美国专利申请公开2008/0132408A1和EP1,666,123A1。
实例
压降测定
测定方法类似于NIOSH测定方法RCT-APR-STP-0007。测定流速为42.4升/分钟(lpm)。采用适配器将过滤器直接附接到设备上而不附接到头形物体上。采用等效的设备。
使用寿命测定
为确定过滤装置的使用寿命，用1000份每一百万份(ppm)的环己烷在50％相对湿度下以10升/分钟来测定过滤装置。当装置允许5ppm的环己烷流出过滤器时所用去的时间量确定使用寿命。测定方法类似于NIOSH测定方法RCT-APR-STP-0046。采用等效的设备。
样品组装
按照下列方式制备波状一体式过滤介质。
采用美国专利申请公开US2006/0254427中所描述的技术制备加载炭的网。为网所选的聚合物为VistamaxxTM2125，并且炭为得自Philippine JapanCarbon Corporation的80×325有机蒸气炭。聚合物与炭的比率为30∶70。网的总基重为350克/平方米(g/m2)。
在大约170°F下将网从0.055英寸(1.397mm)压延至0.020英寸(0.51mm)。
然后，将得自步骤2的压延网在两个齿辊(各自具有10个齿/英寸)之间进行波状压制。采用图3所示的流程制成波状制品。
参照该图，波纹压制辊46和48分别设定在110°F和170°F。将用于挤出的支撑辊冷却至40°F。介于辊48和54之间的间隙设定为0.050英寸(1.27mm)。聚丙烯膜采用TotalTM5571聚丙烯挤出，其熔融温度为450°F。膜厚为0.1mm。将波状炭加载的网层压到介于辊48和挤出支撑辊54之间的聚丙烯膜16。层合压力为50PLI(磅/线英寸)。将所得网卷绕成一卷。
增泽过滤器由一卷炭加载的BMF网制成，该网采用上述同样的工艺制备，不同的是聚合物与炭的比率为10∶90，并且炭为得自PACCOInternational(Warrendale，Pennsylvania)的FHW 40×140。网的总重为450g/m2。
将过滤装置组装成34毫米(mm)直径的管，以用于评价。增泽网垂直于空气流设置，并且波状初级过滤器与空气流平行。在过滤装置中采用3英寸(76.2mm)波状初级过滤器材料。将波状材料撕成3英寸(7.62cm)的条，卷绕成带有与纵向平行的空气通道的圆柱体，然后胶合在34mm的管中。增泽网也以垂直于直径为34mm的圆柱体的方式胶合。制备了6个样品：4个比较例(C1-C4)和2个本发明的实例(I5-I6)。如上所述测定样品的压降和使用寿命。结果示于下表1中：
表1
表1中所示的数据证明，使用根据本发明的初级过滤器和增泽过滤器两者的构造可取得特别长的过滤器使用寿命。本发明的实例I5和I6的压降比比较例C1至C4的压降最多大113％((33.6-15.9)/15.9×100)，但显示具有的使用寿命在最好情况下延长了无穷大((38-0)/0×100)并且在最差情况下延长了106％((36-17.5)/17.5×100)。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行各种修改和更改。因此，本发明并不限于上述内容，而是受以下权利要求书和其任何等同物提及的限制的控制。
本发明也可以在不存在本文未具体描述的任何元件的情况下适当地实施。
以上引用的所有专利和专利申请，包括在背景技术部分中的那些，均以全文引用方式并入本文中。当这些并入的文件中的公开内容与上述说明书之间存在冲突或差异时，应以上述说明书为准。

Claims (20)

1.一种空气过滤器，包括：
(a)一体式初级过滤器，所述一体式初级过滤器意指含有待过滤流体可从其中穿过的一系列大致平行的通道的过滤器，所述一体式初级过滤器在其一系列大致平行的通道中包含活性颗粒；和
(b)增泽过滤器，所述增泽过滤器意指过滤层，该过滤层位于所述一体式初级过滤器下游并布置成使得待过滤气体流过曲折的路径，所述增泽过滤器具有第一主表面和第二主表面并且也含有活性颗粒，所述增泽过滤器通常被布置成使得空气在穿过其中时将从所述第一主表面流到所述第二主表面。
2.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述一体式初级过滤器中的所述活性颗粒被嵌入在纤维网中。
3.根据权利要求2所述的空气过滤器，其中所述纤维网包含聚合物纤维，所述聚合物纤维含有热塑性弹性体。
4.根据权利要求3所述的空气过滤器，其中所述活性颗粒包括活性炭。
5.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述活性颗粒通过吸附从所述空气中移除污染物。
6.根据权利要求2所述的空气过滤器，其中所述增泽过滤器中的所述活性颗粒被嵌入在纤维网中。
7.根据权利要求2所述的空气过滤器，其中所述纤维网为波状网。
8.根据权利要求7所述的空气过滤器，其中所述波状制品由片材固定就位。
9.根据权利要求8所述的空气过滤器，其中所述片材包括非织造纤维网，所述非织造纤维网含有活性颗粒。
10.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述一体式初级过滤器包括挤出结构，所述挤出结构含有活性颗粒。
11.一种滤筒，包括根据权利要求1所述的空气过滤器。
12.一种呼吸器，包括面罩主体和根据权利要求1所述的空气过滤器。
13.一种制备空气过滤器的方法，所述方法包括：
(a)提供一体式初级过滤器，所述一体式初级过滤器意指含有待过滤流体可从其中穿过的一系列大致平行的通道的过滤器，所述一体式初级过滤器具有入口和出口并且在其一系列大致平行的通道中包含活性颗粒；以及
(b)使增泽过滤器与所述一体式初级过滤器并置在所述一体式初级过滤器的所述出口处，所述增泽过滤器意指过滤层，该过滤层位于所述一体式初级过滤器下游并布置成使得待过滤气体流过曲折的路径。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述增泽过滤器被布置成垂直于所述空气穿过所述一体式初级过滤器的流动方向，并且其中空气在穿过所述一体式初级过滤器时沿曲折路径流动。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述增泽过滤器在非织造纤维网中包含活性颗粒。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述一体式初级过滤器包括波状网，所述波状网含有活性颗粒。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述活性颗粒被嵌入在纤维网中。
18.一种过滤空气的方法，所述方法包括：
(a)将所述空气引入到一体式初级过滤器的第一端，所述一体式初级过滤器意指含有待过滤流体可从其中穿过的一系列大致平行的通道的过滤器，所述一体式初级过滤器在其一系列大致平行的通道内含有活性颗粒；
(b)使所述空气在与所述通道平行的方向上穿过所述一体式初级过滤器，使得所述流体在第二端处流出所述一体式初级过滤器；以及然后
(c)使所述空气穿过增泽过滤器，所述增泽过滤器意指过滤层，该过滤层位于所述一体式初级过滤器下游并布置成使得待过滤气体流过曲折的路径。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述增泽过滤器具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面中的至少一者被布置成大致垂直于穿过所述一体式初级过滤器的流体流，所述空气在从所述第一主表面流到所述第二主表面时穿过曲折通道。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述一体式初级过滤器在挤出结构中包含活性颗粒。
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