(57)【要約】【課題】工場環境または家庭環境に存在する空気から汚染物質を除去するための、化学フィルタを提供する。【解決手段】本発明は、インサイチュで生成されるかまたは基質上に沈着される乾燥剤を有する基質から形成されるマトリックスを含む、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタであって、前記乾燥剤が、金属ケイ酸塩、シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、活性炭または疎水性ゼオライトおよびそれらの任意の混合物からなる群から選択され、前記基質が、酸化剤、またはアルカリ金属水酸化物、または強酸もしくは弱酸、または還元剤のうちの1種または複数でさらに含浸される、化学フィルタを提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
インサイチュで生成したまたは基質上に沈着した乾燥剤を有する基質から形成されたマトリックスを含む、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタであって、前記乾燥剤が、金属ケイ酸塩、シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、活性炭およびそれらの任意の混合物からなる群から選択され、前記基質が、酸化剤、またはアルカリ金属水酸化物、または強酸もしくは弱酸、または還元剤のうちの1種または複数をさらに含浸している、化学フィルタ。
【請求項２】
前記基質が、無機物質もしくは有機物質またはそれらの混合物を含む、請求項1に記載の化学フィルタ。
【請求項３】
前記物質が、繊維またはパルプの形態である、請求項2に記載の化学フィルタ。
【請求項４】
前記無機繊維が、ガラス繊維、クラフト紙、セラミック紙およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項3に記載の化学フィルタ。
【請求項５】
前記無機繊維がガラス繊維である、請求項4に記載の化学フィルタ。
【請求項６】
前記乾燥剤が、金属ケイ酸塩およびシリカゲルまたは金属ケイ酸塩と活性炭ならびに/またはHISIVおよびZSM-5から選択されるゼオライトなどの疎水性乾燥剤との組合せから選択される、請求項1に記載の化学フィルタ。
【請求項７】
前記金属ケイ酸塩が、ケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムから選択される、請求項6に記載の化学フィルタ。
【請求項８】
前記ケイ酸塩が、中性グレードのケイ酸ナトリウムである、請求項7に記載の化学フィルタ。
【請求項９】
前記ケイ酸ナトリウム中において、SiO2のNa2Oに対する比が、1:2.0から1:4.0の範囲であり、好ましくは、1:3の範囲である、請求項8に記載の化学フィルタ。
【請求項１０】
前記含浸される物質が、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、リン酸およびチオ硫酸ナトリウムからなる群から選択される、請求項1に記載の化学フィルタ。
【請求項１１】
前記マトリックス中の前記含浸される物質の充填率が、4%から40%の範囲であり、好ましくは、約20%である、請求項10に記載の化学フィルタ。
【請求項１２】
結合剤が好ましくは存在しない、請求項1から11のいずれか一項に記載の化学フィルタ。
【請求項１３】
活性炭および/またはHISIVもしくはZSM-5などの疎水性乾燥剤物質が、インサイチュで生成される乾燥剤と共に加えられる、請求項1から12のいずれか一項に記載の化学フィルタ。
【請求項１４】
前記基質の基本重量が、50gsmから150gsmの範囲である、請求項1から13のいずれか一項に記載の化学フィルタ。
【請求項１５】
前記基質の基本重量が、80gsmから120gsmの範囲である、請求項1から14のいずれか一項に記載の化学フィルタ。
【請求項１６】
(i)100℃以上の温度でマクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤担持ハニカムマトリックスを脱水する工程、
(ii)脱水された前記乾燥剤担持ハニカムマトリックスに好適な含浸剤を含浸し、次いで、前記マトリックスを水分含有量を15%〜30%の範囲に保持して乾燥する工程
を含む、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタの製造方法。
【請求項１７】
(i)基質材料を、金属ケイ酸塩、シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、活性炭およびそれらの任意の混合物からなる群から選択される乾燥剤形成物質または乾燥剤で処理する工程であって、前記乾燥剤形成物質が15%〜40%の範囲の濃度を有する溶液の形態である、工程、
(ii)処理された前記材料を乾燥して、その水分含有量を15%〜40%の範囲に低減する工程、
(iii)前記基質マトリックスを水溶性金属塩または強酸もしくは弱酸に浸漬して、ヒドロゲルを形成してゲルマトリックスを得る工程、
(iv)工程(iii)で得られた前記ゲルマトリックスを洗浄して、過剰な反応物質および望ましくない副生成物を除去する工程、
(v)温度およびpHの制御条件下で前記ゲルマトリックスを乾燥して、ヒドロゲルをエアロゲルマトリックスに変換する工程、
(vi)前記エアロゲルマトリックスを酸化剤、またはアルカリ金属水酸化物、または強酸もしくは弱酸、または還元剤のうちの1種または複数で処理する工程、
(vii)上記工程(vi)の処理された前記エアロゲルマトリックスを50℃〜140℃の範囲の温度で乾燥して、前記化学フィルタを得る工程
を含む、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
前記基質が、無機物質もしくは有機物質またはそれらの混合物を含む、請求項16に記載の方法。
【請求項１９】
前記物質が、繊維またはパルプの形態である、請求項16に記載の方法。
【請求項２０】
前記無機繊維が、ガラス繊維、クラフト紙、セラミック紙およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記無機繊維がガラス繊維である、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記乾燥剤が、金属ケイ酸塩およびシリカゲルから選択される、請求項18に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属ケイ酸塩が、ケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムから選択される水溶性ケイ酸塩である、請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
前記ケイ酸塩が、中性グレードのケイ酸ナトリウムである、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記ケイ酸ナトリウム中において、SiO2のNa2Oに対する比が、1:2.0から1:4.0の範囲であり、好ましくは、1:3である、請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
前記含浸される物質が、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、リン酸およびチオ硫酸ナトリウムからなる群から選択される、請求項16に記載の方法。
【請求項２７】
前記基質中の前記含浸される物質の充填率が、4%から40%の範囲であり、好ましくは、30%である、請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
結合剤が好ましくは存在しない、請求項16から27のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
活性炭または疎水性ゼオライトが、インサイチュで生成される乾燥剤と共に添加される、請求項16から28のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記乾燥剤含有マトリックスの水分含有量が、好ましくは20%である、請求項16に記載の方法。
【請求項３１】
工程(vii)が、10℃から90℃の範囲の温度で5分から60分間実施される、請求項17に記載の方法。
【請求項３２】
工程(vii)が、70℃の温度で、好ましくは、15分の間で実施される、請求項31に記載の方法。
【請求項３３】
気体、臭気元素または揮発性有機化合物を含む汚染物質を空気供給流から除去する際に使用するための、請求項1から15のいずれか一項に記載の化学フィルタ。
【請求項３４】
請求項1から15のいずれか一項に記載の化学フィルタを備える、乾燥剤ホイール式交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場環境または家庭環境に存在する空気から汚染物質を除去するための、化学フィルタに関する。より具体的には、本発明は、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタに関する。本発明は、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタの製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のように、本発明は、工場環境または家庭環境に存在する空気から汚染物質を除去するための、ハニカム化学フィルタなどの乾燥剤担持化学フィルタに関する。本発明は、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタの製造方法も提供する。
【０００３】
除去すべき汚染物質は、典型的には気体状汚染物質であるが、従来の方法によっては簡単に除去できない、微細な液滴の形態の汚染物質も含み得る。
【０００４】
本明細書で使用される用語「乾燥剤」は、マクロ多孔質およびミクロ多孔質の両方の乾燥剤を包含することが意図される。本発明で使用される乾燥剤または乾燥剤担持ハニカムマトリックスは、種々の含浸物質を含浸させる。本発明は、前記化学フィルタを使用して、気体状汚染物質、汚染因子および臭気を工業プロセスから除去する方法も提供する。本発明は、空気に含まれる気体状汚染物質または空気中の臭気を除去するための、種々の含浸剤を含浸された、マクロ多孔質/ミクロ多孔質の乾燥剤または乾燥剤担持ハニカムマトリックスの製造方法にも関する。
【０００５】
空気によって運ばれる分子状汚染物質は、所与の領域に存在するそのような粒子を計数および/または測定することが困難であるため、管理することが難しいことがよく認識されている。この困難は、主に、気体は粒子と異なることに起因している。人間の生命のみならず生産性に対する汚染物質の影響は、適切に注意を払わなければ深刻なものになり得る。化学汚染物質の存在は、10億分の1(ppb)の濃度においてでさえ、周囲環境の化学的性質を変え、人間の生命および生産性に悪影響を与え得る。従来のフィルタは、気体状汚染物質、特に、粒子検出器によって検出されずにいる、アンモニア、アミン、オゾン、硫黄の酸化物、窒素酸化物、硫化物および他の分子状汚染物質などの無機汚染因子から所与の環境を保護することにおいて不十分であった。
【０００６】
当技術分野における課題は、特に工場環境において、空気によって運ばれる分子状汚染物質のかなりの部分を構成する揮発性有機成分の除去に利用できるいくつかの解決法に関する、以下の解説から理解されよう。
【０００７】
当技術分野における1つの課題により、臭気を制御しつつ、人間の快適さと健康に望ましい湿度レベルを犠牲にしないことを保証することである。しかし、既存の除湿機器は空気から過剰に水分を除去するか、または臭気の除去が不十分であるため、臭気制御と同時に適切なレベルの湿度を維持することは特に課題となっている。
【０００８】
工場環境、さらには運搬用車両の車室などの非工場環境における臭気は、循環している空気中に存在する揮発性有機化合物に起因している。これらの有機化合物は、エンジン排気、溶媒、ガスタービン、熱併給プラント、石油化学プラントから、そして廃気が溶媒蒸気、インク、ペンキなどの物質を含有する多くの工業プロセスにおいて、高レベルだが比較的低濃度で形成される。揮発性有機化合物は、飽和、不飽和、芳香族のいずれであれ、炭化水素を含むのみならず、アルコール、エステル、エーテルおよび酸などの酸素化された物質、窒素含有化合物(主にアミン)、硫黄含有物質(メルカプタンおよびチオエーテル)ならびにハロゲン含有物質、とりわけ、塩素置換炭化水素も、さらには有機フッ化物および有機臭素化物をも含有する。気体流中のこのような化合物の存在は健康リスクと認識され、かつ/または気体流が不快で望ましくない臭気を有する原因となっている。
【０００９】
従来における高湿な空気からの溶媒回収方法は、典型的には、出口気体流中の溶媒濃度が検出可能なあらかじめ定められたブレークスルーレベルに達するまで運転される、吸着システムを備えていた。このレベルに達すると、吸着器への気体の流れが停止するというものであった。次いで、溶媒が負荷された気体流の入口相対湿度に応じて、溶媒、他の凝縮可能な有機汚染物質、および幾分の量の水を吸着材床に含ませるというものであった。
【００１０】
この方法は、その後、飽和または過熱した高温の不活性ガスまたはスチームの導入によって改変された。これにより、溶媒は吸着材から移動し、凝縮時に溶媒/水混合物を生成する。典型的には、2つの吸着材床を使用し、一方の床が再生している間に他方の床が吸着を行うというものであった。
【００１１】
溶媒の吸着材床からの再生および回収のさらなる発展には、不活性ガスまたは空気の使用および再生中の気体/空気からの溶媒の低温凝縮が含まれる。しかし、これらの技法は、必要とされる所与の状況すべてに直接適用することはできない。
【００１２】
揮発性有機化合物は、温度スイング吸着などの吸着によって空気から除去することができることが知られている。処理を必要とする空気流は、大半の化学プラントおよび製造プラント、とりわけ、溶媒を使用するプラントにおいて見出され得る。500ppmから15,000ppmまでの濃度レベルでは、活性炭吸着材を熱的に再生させるために使用される流れからのVOCの回収は、経済的に合理的である。15,000ppmを超える濃度は、典型的には爆発範囲にあり、再生のためには空気ではなく高温不活性ガスの使用が必要である。約500ppm未満では回収は経済的に合理的でないものの、環境的な関心により、多くの場合、吸着による回収の後に廃棄することが要求される。活性炭はこれらの用途に対する従来の吸着材であり、その用途としては2番目に多い。
【００１３】
米国特許第4,421,532号は、VOCを脱着させるための密閉サイクルにおいて循環する高温不活性ガスの使用を含む、温度スイング吸着による工場廃気からのVOC回収方法を開示している。
【００１４】
家、船舶または建築物などの隔離された領域内の空気を、空気1ポンドあたりの水が0.001lbになるまで乾燥させるために用いられる1つの機器が、米国特許第4,134,743号で解説されている。この文献は、吸着体が、約10重量%から90重量%の十分に分割されたモレキュラーシーブ物質を含有する繊維状材料の薄いシートまたは層からなるホイールである、方法および装置を開示している。この装置は、処理される空気をホイールを通して一方向に送るための手段と、再生可能な空気流の対向流を処理される空気に送るための手段とを備える。さらに、冷却流が空気流と並流する方向に設けられる。
【００１５】
米国特許第4,887,438号は、吸着材ホイールを基礎とする、除湿され冷却された空気を調節される空間に送達するための乾燥剤補助式空気調節システムを開示している。Mecklerは、空気から水分を除去するための、シリカゲル、または好ましくは、吸湿性塩、塩化リチウムで被覆された乾燥剤ホイールの使用を教示している。この引用文献は、再活性化空気を加熱するための冷却凝縮装置からの廃熱の使用を教示しており、容積型圧縮機の圧力比を高めて「温度のダンプバック(thermal dumpback)」の問題に対処するために、圧縮機へ液体冷媒を注入することを採用している。温度のダンプバックは、ホイールが加熱された再生空気に曝露されることを受けて発生する、乾燥剤ホイールから処理された空気へ伝導した随伴熱である。この随伴熱は、冷却システムに対する全体的な冷却負荷を与える。
【００１６】
米国特許第5,242,473号は、2つの除湿ロータを用いた、処理された気体に高度の乾燥レベルを与える改善された除湿効率を示し、第2のロータが合成ゼオライトを使用する気体除湿装置を開示している。除湿される気体は、最初にシリカゲルで被覆されたロータに送られ、次いで、ゼオライトで被覆されたロータに送られる。これらのロータは、第1のロータの吸着材が第2のロータのゼオライトより低い温度で再生されるように、加熱された気体の流れを第2のロータ、次いで、第1のロータを通して供給することによって再生される。処理された気体の一部は、再生後にロータを対向流によって冷却するために使用される。
【００１７】
低濃度の揮発性有機汚染物質を吸着によって気体流から除去する技法のうち、最も一般的なものは、米国特許第4,402,717号に例示されている。この文献は、吸着材で均一に被覆され、円盤またはホイールの形状に成形された段ボール紙からなる円筒形ハニカム構造体を備える、気体流から水分および臭気を除去する装置を教示している。紙の波形によって形成される吸着材に被覆された多重な平行流路が、気体中の成分となっている水および臭気を除去する領域と、吸着材の再生のための領域とに分離された、複数の気体通路として働く。除去および再生のためのこれらの領域は、ホイールがその中心線の周りを周方向に回転するので、連続的に遷移可能である。ラビリンスシールが、回転構造体の外面を密閉されたケーシングの円筒壁から隔てる。
【００１８】
ハニカムマトリックスを使用する先行技術の試みに関連する課題の1つは、使用する吸着材である。シリカゲルなどの親水性吸着材が除湿用途に典型的には選択されるが、揮発性有機汚染物質の除去に対しては劣った吸着材である。このような方法の1つの組合せが米国特許第5,181,942号で解説されている。一方、高シリカゼオライトなどの疎水性吸着材がVOC除去用途に典型的に推奨されるが、除湿用途に対しては劣った吸着材である。したがって、除湿およびVOC除去の両方に対する用途においては、典型的には両方の種類の吸着材が要求され得る。
【００１９】
単一の吸着材を両方の作用を求めて使用することができる、数々の試みがなされてきた。さらに、吸着材被覆紙およびいくつかの吸着材塩は、構造の完全性を維持できる湿度および温度の範囲が限定されている。この欠点はまた、乾燥した中程度の温度の気体および空気に対する再生媒体を限定する。吸着材と気体流との間の接触、したがって、VOCに対する吸着容量は、繊維の表面にある、吸着材の非常に薄い層に限定される。この特徴はまた、吸着材ホイールの最長許容寿命を限定し、結果として、ホイールを頻繁に交換することになる。
【００２０】
空気によって運ばれる分子状汚染物質の制御において使用するためには、化学濾過戦略が理想的であると認識されている。しかし、ハニカムマトリックスを基礎とする乾燥剤の使用は、湿度制御および化学吸着の両方を確実に実現することが困難であるため、一般に考慮されてこなかった。
【００２１】
フィルタは、一般に、物体または物質を遮断または封じ込める一方で、他の物体または物質を通過させるように設計された、膜または層などの機器である。濾過媒体は、一般に、機械的、生物学的および化学的なものの3種類からなる。所与の環境において気体状汚染物質を除去するには化学フィルタが好ましく、これは、化学フィルタが、酸化作用を制御することにより、過マンガン酸カリウムなどの吸着材/含浸吸着材が臭気の吸着および吸収の両方を行うことによって、空気の清浄化を実現するためである。
【００２２】
気体状汚染物質は、無機または有機のいずれでもあり得る。気体状汚染物質を除去するために、気体を吸着する吸着材または気体/含浸剤を吸着する反応物質の選択は、化学フィルタ媒体にとって非常に重要である。以上で解説した通り、単一の化学フィルタ媒体は、複数の汚染物質またはAMCの複数のクラスを十分に制御できない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第4,421,532号
【特許文献２】米国特許第4,134,743号
【特許文献３】米国特許第4,887,438号
【特許文献４】米国特許第5,242,473号
【特許文献５】米国特許第4,402,717号
【特許文献６】米国特許第5,181,942号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の1つの目的は、乾燥剤がインサイチュで生成され、気体状汚染物質を除去する/封じ込めるための酸化性化学物質、酸性もしくはアルカリ性化学物質、または還元性化学物質を含浸された、含浸剤の充填百分率が当技術分野で可能と考えられるよりも著しく高い、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタを提供することである。
【００２５】
本発明の主な目的は、より多量の含浸剤を使用することによって、酸性、アルカリ性、有機のいずれであれ、気体状汚染物質を除去する能力を高め、化学フィルタの寿命を延長することである。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、気体状汚染物質を除去するための種々の含浸剤/反応物質を含浸するための活性炭または疎水性ゼオライトを含むかまたは含まない、乾燥剤担持ハニカムマトリックスを作製することである。
【００２７】
本発明の別の目的は、圧力損失が最小化された乾燥剤担持ハニカムマトリックスを提供することである。乾燥剤は、活性炭または疎水性ゼオライトを含有していても含有していなくてもよく、種々の汚染物質の除去を促進するための含浸剤を含浸されていても含浸されていなくてもよい。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、省エネルギーをもたらし、一方で臭気制御の促進をも可能にする、活性炭または疎水性ゼオライトを有していても有していなくてもよく、種々の含浸剤を含浸していても含浸していなくてもよい、乾燥剤担持ハニカムマトリックス化学フィルタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
したがって、先行技術において直面する課題を克服するために、本明細書の以下で記述するように、本発明は、化学フィルタとして使用するための、インサイチュで調製された乾燥剤を含むハニカムマトリックスを提供する。
【００３０】
本発明は、インサイチュで生成したまたは基質上に沈着する乾燥剤を有する基質から形成されたマトリックスを含む、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタであって、前記乾燥剤が、金属ケイ酸塩、シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、活性炭または疎水性ゼオライト、およびそれらの任意の混合物からなる群から選択され、前記基質が、酸化剤、またはアルカリ金属水酸化物、または強酸もしくは弱酸、または還元剤のうちの1種または複数をさらに含浸している、化学フィルタを提供する。
【００３１】
基質は、無機物質もしくは有機物質またはそれらの混合物を含む。
【００３２】
さらなる実施形態において、物質は、繊維またはパルプの形態である。
【００３３】
さらなる実施形態において、無機繊維は、ガラス繊維、クラフト紙、セラミック紙およびそれらの任意の組合せからなる群から選択され、好ましくは、ガラス繊維である。
【００３４】
別の実施形態において、乾燥剤は、金属ケイ酸塩およびシリカゲルまたは金属ケイ酸塩と活性炭ならびに/またはHISIVおよびZSM-5から選択されるゼオライトなどの疎水性乾燥剤との組合せから選択される。
【００３５】
金属ケイ酸塩は、ケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムから選択され、好ましくは、ケイ酸塩は中性グレードのケイ酸ナトリウムである。
【００３６】
好ましい実施形態において、ケイ酸ナトリウム中において、SiO2のNa2Oに対する比は、1:2.0から1:4.0の範囲であり、好ましくは、1:3の範囲である。
【００３７】
本発明の別の実施形態において、含浸物質は、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、リン酸およびチオ硫酸ナトリウムからなる群から選択される。
【００３８】
本発明のさらなる実施形態において、マトリックス中の含浸物質の充填率は、4%から40%の範囲であり、好ましくは、約20%である。
【００３９】
本発明のさらなる実施形態において、結合剤は好ましくは存在しない。
【００４０】
本発明のさらなる実施形態において、基質の基本重量は、50gsmから150gsmの範囲、好ましくは、80gsmから120gsmの範囲である。
【００４１】
本発明は、
(i)100℃以上の温度でマクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤担持ハニカムマトリックスを脱水する工程、
(ii)脱水された乾燥剤担持ハニカムマトリックスに好適な含浸剤を含浸し、次いで、前記マトリックスを水分含有量を15%〜30%の範囲に保持して乾燥する工程
を含む、乾燥剤担持ハニカム化学フィルタの製造方法も提供する。
【００４２】
乾燥剤のインサイチュ生成を含む状況において使用される場合、本方法は、以下の工程
(i)基質材料を、金属ケイ酸塩、シリカゲル、モレキュラーシーブ(親水性または疎水性)、活性アルミナ、活性炭およびそれらの任意の混合物からなる群から選択される乾燥剤形成物質または乾燥剤で処理する工程であって、乾燥剤形成物質が15%〜40%の範囲の濃度を有する溶液の形態である、工程、
(ii)処理された材料を乾燥して、その水分含有量を15%〜40%の範囲に低減する工程、
(iii)基質マトリックスを水溶性金属塩または強酸もしくは弱酸に浸漬して、ヒドロゲルを形成してゲルマトリックスを得る工程、
(iv)工程(iii)で得られたゲルマトリックスを洗浄して、過剰な反応物質および望ましくない副生成物を除去する工程、
(v)温度制御条件下でゲルマトリックスを乾燥して、ヒドロゲルをエアロゲルマトリックスに変換する工程、
(vi)エアロゲルマトリックスを酸化剤、またはアルカリ金属水酸化物、または強酸もしくは弱酸、または還元剤のうちの1種または複数で処理する工程、
(vii)上記工程(vi)の処理されたエアロゲルマトリックスを50℃〜140℃の範囲の温度で乾燥して、前記化学フィルタを得る工程
を含む。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明は、乾燥剤を使用するハニカムを基礎とする化学フィルタを使用して、化学汚染物質の吸着の最大効率を確実に実現するという、当技術分野における課題の解決策を提供する。ハニカムマトリックスは、「紙」様である、プラスチックシート、金属/アルミニウム箔、有機および/もしくは無機繊維基質などの多様な基質から形成することができ、完全に多孔質であってもよい。基質上への乾燥剤物質の沈着量または充填率は、一般に、基質の選択、沈着または充填される乾燥剤の量および空気/マトリックスの使用が意図される温度の関数である。乾燥剤を基質上に沈着または充填してマトリックスを調製する公知の技法には、被覆、含浸およびインサイチュ合成がある。
【００４４】
被覆および含浸は、乾燥剤粉末が大量に製造され、HVAC空気処理以外の工業的用途が意図される場合に選択される。インサイチュ合成は、一般に、シリカゲルおよび金属ケイ酸塩などの乾燥剤物質の場合に選択される。
【００４５】
本発明の乾燥剤担持ハニカム化学フィルタにおいて、乾燥剤はインサイチュで生成され、気体状汚染物質を除去し/封じ込めるために、酸化性化学物質、酸性またはアルカリ性化学物質を含浸し、含浸剤の充填百分率は、当技術分野で可能と考えられているよりも著しく高い。
【００４６】
驚くべき発見だが、これにより、酸性、アルカリ性、有機のいずれであれ、気体状汚染物質を除去する能力が高まり、より多量の含浸剤の使用によって化学フィルタの寿命が延長した。
【００４７】
乾燥剤担持ハニカムマトリックスは、気体状汚染物質を除去するための種々の含浸剤/反応物質を含浸するための活性炭または疎水性ゼオライトを用いても用いなくても作製することができる。本発明のもう1つの顕著な特徴は、乾燥剤担持ハニカムマトリックス中の圧力損失が最小化されることである。乾燥剤は、活性炭または疎水性ゼオライトを含有していても含有していなくてもよく、種々の汚染物質の除去を促進するための含浸剤を含浸されていても含浸されていなくてもよい。
【００４８】
本発明の乾燥剤担持ハニカムマトリックス化学フィルタはまた、省エネルギーをもたらし、活性炭を有していても有していなくてもよく、種々の含浸剤を含浸されていても含浸されていなくてもよく、一方で臭気制御の促進をも可能にする。
【００４９】
上で述べた通り、処理される空気、特に、外気は、一般に、例えば、VOC、臭気などの数種の気体状汚染物質を含有する。これらを乾燥剤マトリックスによって除去することが望ましい。処理される空気において、特に、空気が飽和近くまで事前冷却される場合、このような気体状汚染物質は時に水溶性であり、主に毛管吸着によってマクロ多孔質の乾燥剤中で共に凝結する。先行技術は、ミクロ多孔質の乾燥剤の使用に対する参照をいくつか含んでいる。しかし、これらの乾燥剤は、一般に、毛管吸着が限定されており、したがって、気体状汚染物質の吸着が限定されている。
【００５０】
先行技術はまた、乾燥剤は一般に基質上に被覆されるかまたは含浸されるという事実のために、乾燥剤および任意の含浸剤の両方に対する充填能力に限界を呈している。このように、これらの場合における吸着は、表面現象である。これにより、必然的により低密度(典型的には20gsmから80gsmの厚さの範囲)の紙の使用につながる。基質の被覆の必要性は、一般に、基質選択の制限要因であり、吸着に必要な表面積について妥協することなく基質の密度を増加させることは実現不可能であると考えられていた。
【００５１】
当技術分野において直面する課題は、本明細書において以下で記述するように、化学フィルタとして使用するための、インサイチュで調製される乾燥剤を含むハニカムマトリックスを提供することによって、本発明において解決される。
【００５２】
本発明は、マクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤担持ハニカムマトリックスによって達成される。基質は、多様な無機もしくは有機物質またはそれらの組合せから作製される。物質は、繊維またはパルプとすることができる。無機繊維は、ガラス繊維、クラフト紙、セラミック紙などから選択され、好ましくは、ガラス繊維である。インサイチュで合成することができる乾燥剤は、好ましくは、高い吸着容量をもたらす金属ケイ酸塩/シリカゲルを含む。
【００５３】
これより、ガラス繊維を基質として使用する例示的で非限定的な実施形態を参照して本発明を記述する。本方法は、水ガラス処理/含浸されたガラス繊維を、ハニカムまたはブロックのいずれかの形状で積層する工程を含む。マトリックスを水溶性塩(二価、三価のいずれであれ)または任意の酸(有機、無機のいずれであれ)で処理して、水ガラスケイ酸塩を、10Å〜70Åの範囲の細孔直径、0.10gm/cc〜0.80gm/ccの細孔体積および300m2〜700m2の表面積を有する活性乾燥剤物質に変換する。
【００５４】
乾燥剤担持ハニカムマトリックスは、一般に、活性乾燥剤が細孔内に合成された繊維ガラス基質の平坦および/または波形のシートである。本発明で使用される繊維ガラス基質は、4ミクロン〜15ミクロンの繊維直径、6mm〜10mmの繊維長さ、0.10mm〜0.75mmの範囲の厚さを有する、高度に多孔質の材料である。本方法で使用される繊維ガラス基質の結合剤含有量は8%以下であり、基質の作製に使用される好ましい結合剤は、ポリビニルアルコールまたはアクリルとの組合せである。乾燥剤担持ハニカムマトリックス中の有機物含有量の百分率も低減されるように、基質中に低含有量の有機結合剤を使用することが望ましい。
【００５５】
一般に、水溶性ケイ酸塩乾燥剤がインサイチュで生成される場合、外部結合剤を添加する必要性は回避される。好適な反応物質で処理されると、ケイ酸塩物質自体が乾燥剤の機能を行う。しかし、乾燥剤をマトリックスに被覆するとき、さらなる結合剤物質を添加することが望ましい。この目的で、水溶性ケイ酸塩を使用することができる。代替的には、乾燥剤をマトリックスに被覆する場合、市販の結合剤を使用してもよい。
【００５６】
本方法で使用される基質の基本重量は、50gsm〜150gsm、好ましくは、80gsmから120gsmの間である。このような基質の作製において使用される繊維は、絶縁グレードの繊維とすることができる。波形にされる平坦なシートを、最初に、活性炭物質または疎水性ゼオライトを有するかまたは有さない、所望の濃度の水ガラス溶液(15%〜40%、好ましくは30%)に通す。このシートを乾燥チャンバ内で、好ましくは、赤外線加熱を使用して乾燥して、水分含有量を確実に15%〜40%の所望の範囲、好ましくは20%となるようにする。ケイ酸カリウムなどの他の種類の水溶性ケイ酸塩も使用できるが、その費用効率性、その副生成物の高い可溶性、より高い結合強度および入手のしやすさから、ケイ酸ナトリウムが好ましい。
【００５７】
繊維ガラス基質に含浸するために、中性グレードの水溶性ケイ酸塩、好ましくは、ケイ酸ナトリウムを使用することが好ましい。中性グレードのケイ酸塩と比較して高アルカリ含有量がアルカリ性グレードに存在することにより、大量の反応物質を使用することを余儀なくされることが観察されている。アルカリ性グレードのケイ酸ナトリウムは、中性グレードのケイ酸塩より高いゲル化速度をももたらす。このゲル化速度は乾燥剤の特性に悪影響を与える。
【００５８】
基質上における乾燥剤物質のインサイチュ合成の方法は、活性炭および/またはHISIVまたはZSM05などの疎水性ゼオライト物質の沈着と同時に遂行することができる。活性炭および/または疎水性ゼオライト物質の使用は、臭気除去のレベルを向上させ、さらには基質自体の構造強度を著しく向上させる。粉末の形状の活性炭(および/または疎水性ゼオライト物質)を、インサイチュの乾燥剤形成の前に、水溶性ケイ酸塩または任意の好適な結合剤無機物もしくは結合剤有機物と混合する。これにより、活性炭粒子または疎水性ゼオライトを乾燥剤内に捕捉/カプセル化することで、臭気制御、VOC吸着およびマトリックス自体の構造強度を向上させることが可能となる。
【００５９】
ケイ酸塩(またはケイ酸塩および活性炭もしくは疎水性ゼオライト)を含浸した平坦なシートを歯付ローラに通すことによって、波形のシートを作製する。ケイ酸塩またはケイ酸塩および活性炭もしくは疎水性ゼオライトを含浸したシートの水分含有量、水ガラスのグレード、波形ローラ、粘着ローラ上のクリアランスの制御、ならびに接着剤の硬化加熱は、シングルフェーサ単位を作製する際に重要である。波形のシートおよび平坦なシートを、波形化に使用されるのと同一の材料からなるさらなるローラを使用して一緒に加圧する。含浸に使用されるのと同一の水ガラスを用いたシングルフェーサを作製している間でも、合成後の粉末化またはより大きな圧力低下を回避するために、接着剤の使用を回避することが好ましい。これは、平坦なシート内の水分含有量をより高く保つことによって達成される。
【００６０】
平坦なシートと波形のシートとの組合せであるシングルフェーサを、ブロックまたは円筒形のいずれかの形状に変換することができる。好ましくは、積層または巻上げの前に中性グレードのケイ酸ナトリウムを順次塗布して、シングルフェーサの接着を確実に行う。シングルフェーサの巻上げまたは積層の前に、1:2.0から1:4.0の範囲、好ましくは、1:3.0のSiO2:Na2Oを塗布することで、ハニカムマトリックスにさらなる強度を与える。次いで、作製されるハニカムマトリックスを乾燥して、シートの接着を促進する。SiO2:Na2Oの比が≦2である場合、結合力がより弱くなり、SiO2:Na2Oの比が4.0を超える場合、接着力がより小さくなる。
【００６１】
中性グレードのケイ酸塩を使用する別の利点は、乾燥の速度である。保水性はアルカリ度の一次関数なので、水分の損失はSiO2:Na2Oの比によって影響を受ける。ケイ酸塩の比がより高いほど、水の量がより少ない。2.0〜2.6の範囲のSiO2:Na2Oの比を有するよりアルカリ性のケイ酸塩の乾燥は、3.0〜3.3の範囲のSiO2:Na2Oを有するケイ酸塩よりも遅い。
【００６２】
次いで、ブロック形態または円筒形形態のいずれかである上で作製されたハニカムマトリックスを、種々の割合の水溶性金属塩または無機もしくは有機の強酸もしくは弱酸、およびケイ酸塩ヒドロゲルを生成する他の形態の溶液に浸漬する。不溶性金属ケイ酸塩ヒドロゲルを形成する水ガラスケイ酸塩と金属塩との間の反応は、以下の表に与えられる。
Na2Si03+Al2(S04)3→Al2(Si03)3+Na2S04
Na2Si03+MgS04→MgSi03+Na2S04
Na2Si03+MgCl2→MgSi03+NaCl
Na2Si03+AICl3→Al2(Si03)3+NaCl
Na2Si03+HCl→H2Si03+NaCl
【００６３】
ゲルマトリックスの洗浄は、活性物質の合成中に形成された副生成物および過剰の反応物質を除去するために必須である。過剰な反応物質の存在に起因するゲルマトリックスの酸性度は、この系で使用される構築材料を劣化させる。ヒドロゲルを、制御されたpHで洗浄する。本方法において使用されるマトリックスのゲル化pHまたは反応物質の濃度、温度、反応時間は、細孔サイズ、多孔度、細孔体積および表面積などの活性物質の特性を変化させる。
【００６４】
構成要素を指定された条件下でさらに乾燥して、ヒドロゲルをエアロゲルに変換する。ケイ酸塩の種類、塩の種類、そのpH、濃度、温度およびゲルをエージング、あるいは処理する時間は、細孔直径、細孔体積、表面積、吸着容量などのゲル特性に大きく影響を与えることが観察されている。ゲル特性に影響を与える他の重要な要因は、ゲルの細孔から蒸発しているときの液体媒体の塩含有量および表面張力である。
【００６５】
本発明の乾燥剤担持ハニカムマトリックス化学フィルタの製造は、円筒形またはブロックの形態/形状の(炭素または疎水性ゼオライトを含むかまたは含まない)水ガラス処理/含浸ガラス繊維基質を積層する工程と、この構成要素を1種または複数の水溶性の二価/三価の塩または有機酸もしくは無機酸(強酸または弱酸)で処理して、水ガラスを活性物質に変換する工程と、次いで、この活性物質を種々の含浸剤で含浸する工程とを含む。
【００６６】
作製されたエアロゲルを、酸化剤の溶液、アルカリ性溶液および弱酸溶液、または種々の温度で種々の浸漬時間の間、種々の濃度の気体状汚染物質を除去するのに好適な任意の反応物質に浸す/含浸する。ハニカムが溶液で十分に含浸されたら、過剰な含浸物を排出し、濃度を再調整した後、別の容器中に保存する。
【００６７】
完全な含浸に必要な時間は、吸着材の構造、温度および他の要因の関数として変動する。次いで、ハニカム材料をオーブンの中に置き、付着水分および水が蒸発するまで、またはこれらが混合物から追い出されて、含浸物質がハニカムケイ酸塩エアロゲル材料ならびに/またはケイ酸塩ヒドロゲルおよび活性炭もしくは疎水性ゼオライトの細孔内に残るまで、加熱する。好ましくは、含浸ハニカム材料の乾燥時間は、50℃〜140℃の範囲である。加熱中の曝露時間は、各物質の質および量、加熱効率および他の要因によって変動する。調製後、含浸剤を含浸されたハニカムマトリックスを、使用する準備が整うまで保存する。含浸工程を以下に記載する:
a.マクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤担持ハニカムマトリックスの脱水
b.含浸剤の含浸
c.含浸されたマクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤担持ハニカムマトリックスの乾燥
【００６８】
本発明者らの実験において、使用した好ましい含浸剤は、過マンガン酸カリウムおよび過マンガン酸ナトリウム、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム、リン酸などの弱酸ならびにチオ硫酸ナトリウムなどの還元剤である。含浸剤の充填率は、乾燥剤の種類、含浸剤の濃度、浸漬時間、温度、ディッピングの回数などの様々な要因に依存する。
【００６９】
過マンガン酸カリウムおよび過マンガン酸ナトリウムの含浸
マクロ多孔質またはミクロ多孔質の乾燥剤物質(活性炭を有するかまたは有さない)で支持されたハニカムマトリックスに、10℃から90℃、最も好ましくは、70℃で、5分から60分間、最も好ましくは、15分間、5%から40%の範囲、好ましくは、過マンガン酸カリウムの場合は15%、過マンガン酸ナトリウムの場合は30%の濃度の過マンガン酸カリウム/過マンガン酸ナトリウム溶液を含浸して、マトリックスの機械強度および水/CTC吸着容量に影響を与えることなく、最大含浸剤充填率を達成する。表1に、含浸剤(KMnO4対NaMnO4)の充填率の百分率および含浸ハニカム乾燥剤担持マトリックスの吸着容量に影響を与える要因の詳細を示す。
【００７０】
【表１】
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【００７１】
目的とする充填率および吸着量を同時に達成する際、濃度、浸漬時間、溶液温度、連続的なディッピングおよび活性物質の表面特性が重要な役割を果たす。ミクロ細孔もしくはマクロ細孔のおよび/またはハイブリッド乾燥剤(不溶性金属ケイ酸塩および活性炭素酸)を用いる、アルカリ、好ましくは、水酸化ナトリウムもしくは水酸化カリウム、または酸、好ましくは、リン酸およびチオ硫酸ナトリウムなどの還元剤の含浸方法を、以下で説明する。活性炭のスラリーを水ガラス溶液中で調製し、ハニカムマトリックスをブロックまたは円筒形の形態に巻き上げる。水ガラスおよび活性炭で支持されたハニカムマトリックスを上記のように塩溶液で処理する。マクロ多孔質、ミクロ多孔質のいずれであれ、(活性炭を有するかまたは有さない)乾燥剤物質で支持されたハニカムマトリックスに、種々の濃度の含浸剤を含浸する。
【００７２】
水酸化カリウムの含浸
マクロ多孔質またはミクロ多孔質の(活性炭および/または疎水性ゼオライト物質を有するかまたは有さない)乾燥剤物質で支持されたハニカムマトリックスに、10℃から50℃、最も好ましくは、30℃で、5分から60分間、最も好ましくは、15分間、2%から15%の範囲、最も好ましくは、6%の水酸化カリウム溶液を含浸して、マトリックスの機械強度および水/CTC吸着容量に影響を与えることなく、最大含浸剤充填率を達成する。表2に、含浸剤(KOH)の充填率の%および含浸ハニカム乾燥剤担持マトリックスの吸着容量に影響を与える要因の詳細を示す。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
リン酸の含浸
マクロ多孔質またはミクロ多孔質の(活性炭を有するまたは有さない)物質で支持されたハニカムマトリックスに、10℃から50℃、最も好ましくは、30℃で、5分から60分間、最も好ましくは、15分間、2%から15%の範囲、最も好ましくは、8%のリン酸溶液を含浸して、マトリックスの機械強度および水/CTC吸着容量に影響を与えることなく、最大含浸剤充填率を達成する。表3に、含浸剤(リン酸)の充填率の百分率および含浸ハニカム乾燥剤担持マトリックスの吸着容量に影響を与える要因の詳細を示す。
【００７５】
【表３】
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【００７６】
チオ硫酸ナトリウムの含浸
マクロ多孔質またはミクロ多孔質の(活性炭または疎水性ゼオライトを有するかまたは有さない)物質で支持されたハニカムマトリックスに、10℃から50℃、最も好ましくは、30℃で、5分から60分間、好ましくは、15分間、5%から45%の範囲、好ましくは、15%のチオ硫酸ナトリウム溶液を含浸して、マトリックスの機械強度および水/CTC吸着容量に影響を与えることなく、最大含浸剤充填率を達成する。表4に、含浸剤(チオ硫酸ナトリウム)の充填率の%および含浸ハニカム乾燥剤担持マトリックスの吸着容量に影響を与える要因の詳細を示す。
【００７７】
【表４】
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【００７８】
本発明は、先行技術の方法に対するいくつかの顕著な利点を提供する。これらのいくつかを以下に要約する。
1.マクロ多孔質物質が一般に好ましいが、ミクロ多孔質物質に過マンガン酸カリウムを高い充填百分率まで含浸することもできる。
2.いくつかの要因に起因して充填率の程度の向上があり、その要因のいくつかを以下に示す:
(a)基質のGSMが先行技術で使用されるものより著しく高い。GSMは一般に50gsmから150gsmまで、好ましくは、80gsmから120gsmの範囲にある。これにより、基質に対するより高い乾燥剤充填率を可能にし、より高い含浸剤の含浸充填率をもたらす。
(b)乾燥剤のインサイチュでの形成は中性のpHとなるように行われ、一般に、酸性であれ塩基性であれ、気体の化学的性質によって受ける影響は最小限である。結合剤は好ましくは回避され、乾燥剤調製物の形成に必要であるとはみなされず、したがって、こうして得られる乾燥剤物質はすべて活性物質である。これにより、基質の表面密度が最終的に400gsmから750gsmに増加する。
(c)充填の程度は、浸漬時間、温度および濃度などの異なる要因の組合せによっても向上する。例えば、過マンガン酸塩(通常は過マンガン酸Na)は、30%を超える充填率を達成する。さらに、必要な水分含有量が維持され、インサイチュで合成されるので乾燥剤はより吸着容量が高く、さらなる利点には、乾燥剤を静菌性および不燃性とすることができるという事実が含まれる。
(d)乾燥剤のインサイチュでの形成の前に、炭素粉末またはHISIVもしくはZSM-05から選択されるゼオライト物質などの疎水性乾燥剤を好適な結合剤(好ましくは無機である)と共に混合することによって、好ましくは乾燥剤を活性炭または疎水性ゼオライトと組み合わせることができる。これにより、炭素粒子を乾燥剤内に捕捉/カプセル化することが可能となる。これにより、臭気制御、VOC吸着およびマトリックス自体の構造強度の向上が可能となる。
3.本発明は、必要であれば、マトリックスの表面積を犠牲にして複数の流体の幾何学的配置を可能にし、性能の顕著で物質的な犠牲を伴わずにより低い圧力低下を可能にする。
4.400fpmから600fpm[2m/secから3m/sec]というより高い面速度で使用する場合に接触時間が減少するにもかかわらず、最大で100%までの効率を実現する。
【外国語明細書】
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