(57)【要約】  複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む多孔質セラミック構造と、該多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品が開示され、該ナノ膜は、多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含む。このような濾過物品の製造方法、及び、このような濾過物品を使用して流体から微粒子を濾過する方法もまた開示される。
2018533471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む多孔質セラミック構造と、
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜であって、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含む、ナノ膜と
を備えた、濾過物品。
【請求項２】
前記少なくとも１つの無機酸化物が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、又はそれらの組合せから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の濾過物品。
【請求項３】
前記ナノ膜が、約８５％以上の多孔率を有することを特徴とする、請求項１に記載の濾過物品。
【請求項４】
前記ナノ膜の厚さが、約１０ｎｍ〜約２０μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の濾過物品。
【請求項５】
多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含む、濾過物品の製造方法であって、
前記多孔質セラミック構造が、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、
前記ナノ膜が、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、かつ
前記ナノ粒子が、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する、
方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、その全体がここに参照することによって本願に援用される、２０１５年１０月３０日出願の米国仮特許出願第６２／２４８，６９０号の優先権の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、概して、多孔質セラミックフィルタなどのハニカム構造、より詳細には、ナノ膜を含む、多孔質セラミックハニカム構造又はハニカム、並びに、このような多孔質セラミック構造を製造する方法、及びこのようなフィルタ構造を使用して流体から微粒子を濾過する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
空気の浄化及び濾過は、例えば、病院、研究所、手術室、医療施設、クリーンルーム、自動車、航空機、住居など、多くの状況下において重要でありうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示は、さまざまな実施形態において、複数のチャネルを画成かつ分離する複数の多孔質内壁を含む、多孔質セラミックハニカム構造などの多孔質セラミック構造又は「基材」と、多孔質セラミック基材の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品に関し、ここで、該ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック基材構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する。さまざまな実施形態によれば、少なくとも１つの無機酸化物は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、及びそれらの組合せから選択することができる。ナノ膜の多孔率は、ある特定の実施形態では、約８０％超でありうる。さらなる実施形態によれば、多孔質セラミック構造又は基材は、約５μｍ〜約２０μｍの範囲のメジアン細孔径を有しうる。さらに別の実施形態では、ナノ膜は、約２０μｍ以下の厚さを有しうる。さらに別の実施形態によれば、多孔質セラミック構造又は基材は、約９９％を超える濾過効率、及び／又は、約５００Ｐａ以下の圧力損失を有しうる。さまざまな実施形態によれば、複数のチャネルは、チャネルの端部又はその近く、若しくはチャネル内において、閉鎖又は封止又は塞栓することができる。
【０００５】
本明細書に開示される濾過物品に流体を流す工程を含む、流体から微粒子を濾過する方法もまた開示される。多孔質のセラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含む、このような濾過物品の製造方法についても開示され、ここで、多孔質セラミック構造又は基材は、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する。さまざまな実施形態において、ナノ膜を堆積させる工程は、少なくとも１つの酸化剤の存在下で少なくとも１つの無機酸化物前駆体を燃焼させて、無機酸化物ナノ粒子を生成する工程、及び、多孔質セラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を形成するのに十分な堆積時間の間、該多孔質セラミック構造又は基材に無機酸化物ナノ粒子を含む流体流れを流す工程を含みうる。さまざまな実施形態によれば、無機酸化物前駆体は、少なくとも１つの溶媒を含む、溶液の形態でありうる。堆積プロセス変数は、非限定的な実施形態では、約１０ｍｇ／分〜約２００ｍｇ／分の範囲のナノ粒子流速、約５秒〜約５分の範囲の堆積時間、及び／又は、約５０℃〜約１２００℃の範囲の堆積温度を含みうる。
【０００６】
本開示のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載され、一部には、その説明から当業者に容易に明らかとなり、あるいは、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含めた、本明細書に開示される方法を実践することによって認識されよう。
【０００７】
前述の概要及び以下の詳細な説明はいずれも、本開示のさまざまな実施形態を提示しており、特許請求の範囲の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することが意図されていることが理解されるべきである。添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれてその一部を構成する。図面は、本開示のさまざまな実施形態を例証しており、その説明と併せて、本開示の原理及び動作を説明する役割を担う。
【０００８】
以下の詳細な説明は、可能な場合には、同様の要素の言及には同様の番号が用いられる、以下の図面と組み合わせて読む場合に、さらに理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ベアセラミックハニカムフィルタのメジアン細孔径の関数としての圧力損失及び濾過効率を示すグラフ
【図２Ａ】例示的な多孔質セラミックハニカム構造又は基材を示す図
【図２Ｂ】図２Ａと同じ
【図３】セラミック構造又は基材のメジアン細孔径の２乗の関数としてのスート負荷を示すグラフ
【図４】スート負荷の関数としての圧力損失を示すグラフ
【図５】セラミック基材のメジアン細孔径の関数としてのシステム全体の圧力損失、ナノ膜の圧力損失、及びセラミック構造又は基材の圧力損失のグラフ
【図６】図５と同じ
【図７Ａ】本開示のさまざまな実施形態に従うナノ膜を備えた多孔質セラミック構造又は基材の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像
【図７Ｂ】図７Ａと同じ
【図７Ｃ】図７Ａと同じ
【図７Ｄ】図７Ａと同じ
【発明を実施するための形態】
【００１０】
濾過物品
複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む、多孔質セラミック構造又は基材と、該多孔質セラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品が開示され、ここで、ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する。
【００１１】
図１は、ナノ膜を備えていない、ベアセラミックハニカムフィルタ（２００／８、６５％多孔率）についてのメジアン細孔径の関数としての圧力損失及び濾過効率を示すグラフである。プロットから分かるように、濾過効率は、フィルタのメジアン細孔径を縮小させることによって増加させることができる。しかしながら、空気濾過効率を改善するためにメジアン細孔径を縮小させると、圧力損失の増加も生じる（領域Ａ）。同様に、圧力損失を低下させるためにメジアン細孔径を増大させると、濾過効率の低下をもたらす（領域Ｂ）。
【００１２】
ベアフィルタについての圧力損失は、指数関数的減衰関数（１）：
ΔＰｓ＝Ａ１＊ｅｘｐ（−ｄ５０／Ｋ１）＋Ｐ０          （１）
によって推定することができ、式中、Ａ１、Ｋ１、及びＰ０は、多孔率、セルの幾何学形状、ウェブ厚、フロー表面積、及びナノ膜の火炎堆積条件に関連した構造パラメータであり、ｄ５０は、フィルタのメジアン細孔径である。対照的に、フィルタの濾過効率は、図１のプロットが示すように、ボルツマン分布に従う。よって、最小必要要件の初期空気濾過効率（８５％）及び圧力損失（１２０Ｐａ）を実現することは、現在まで、不可能ではないにしても、困難であった。本明細書に開示されるナノ膜で処理された多孔質セラミック構造又は基材は、この問題に対する解決策を提供することができる。
【００１３】
本明細書で用いられる場合、用語「ナノ膜」は、約１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有するナノ粒子の凝集によって形成される、フィルム、コーティング、又は層のことを指すことが意図されている。例えば、ナノ膜は、例えば１００ｎｍ未満の平均粒径又は直径を有しうる、無機酸化物ナノ粒子、若しくは２つ以上の無機酸化物ナノ粒子の混合物を含みうる。当然ながら、ナノ膜は、球状のナノ粒子を含むものに限られず、任意の粒子形状が本開示の範囲内に入ることが想定されていることが理解されるべきである。用語「フィルム」、「層」、及び「コーティング」は、ナノ粒子によって表面に形成されるナノ膜についての言及に、相互交換可能に用いられる。用語「表面」は、本明細書では、外部の構造又は基材の壁及び内部の構造又は基材の微細構造の両方の上に細孔及び／又はチャネルによって形成される任意の表面を含むがそれらに限定されない、セラミック構造又は基材の外面又は内面についての言及に用いられる。
【００１４】
さまざまな実施形態によれば、ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含みうる。例えば、ナノ膜は、無機酸化物ナノ粒子の混合物を含みうる。適切なナノ粒子は、非限定的な実施形態では、限定されることなく、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などの酸化物、並びにそれらの組合せを含みうる。ナノ粒子は、ある特定の実施形態では、例えば、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲など、約９０ｎｍ未満、約８０ｎｍ未満、約７０ｎｍ未満、約６０ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、約４０ｎｍ未満、約３０ｎｍ未満、約２０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、又は約５ｎｍ未満など、約１００ｎｍ以下の少なくとも１つの寸法を有しうる。ナノ粒子は、球形、卵形、小板形（platelet）、及び他の形状など、任意の規則的な又は不規則な形状を有しうる。よって、少なくとも１つの寸法は、粒径、直径、長さ、幅、高さ、又は任意の他の適切な寸法に対応しうる。
【００１５】
非限定的な実施形態では、ナノ膜は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約１０ｎｍ〜約１０μｍ、約２０ｎｍ〜約５μｍ、約３０ｎｍ〜約２μｍ、約４０ｎｍ〜約１μｍ、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍ、約６０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約７０ｎｍ〜約３００ｎｍ、約８０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約９０ｎｍ〜約１５０ｎｍ、又は約１００ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲など、約２０μｍ以下の厚さを有しうる。ナノ膜の多孔率は、さまざまな実施形態において、約８５％超、８６％超、８７％超、８８％超、８９％超、９０％超、９１％超、９２％超、９３％超、９４％超、９５％超、又はそれ以上など、約８０％以上でありうる。
【００１６】
本明細書に開示される「多孔質」のセラミック構造又は基材は、約４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、又はそれ以上など、少なくとも約４０％の多孔率を有するセラミック構造又は基材を含む。多孔質セラミック構造又は基材は、形状、サイズ、細孔径、細孔分布、及び／又は細孔数について制限されない。例えば、多孔質セラミック構造又は基材は、適切な幅、長さ、高さ、及び／又は直径を有する、立方体、ブロック、ピラミッド形、円筒形、球形など、任意の所望の３次元形状を有しうる。さまざまな実施形態において、多孔質セラミック構造又は基材は、例えば押出及び／又は成形技法によって、モノリス型の構造として形成されうる。当業者は、このようなセラミックモノリス構造を形成するためのさまざまな技法に精通している。
【００１７】
多孔質セラミック構造又は基材はまた、フロースルーモノリス、ウォールフローモノリス、又はパーシャルフローモノリス構造を含むがそれらに限定されない、さまざまな構成及び設計も有しうる。例示的なフロースルーモノリス又は基材としては、チャネル、多孔質ネットワーク、又はその中を流体が構造の一方の端部から他方の端部へと流れうる他の通路を含む構造が挙げられる。例示的なウォールフローモノリスとしては、例えば、チャネル又は多孔質ネットワーク、若しくは、構造の対向する両端部において開放又は塞栓されていてもよい他の通路を備えており、それによって、構造の一方の端部から他方の端部へと流れる際に、流体の流れがチャネル壁を通過するように導く、モノリス型構造が挙げられる。例示的なパーシャルフローモノリスとしては、例えば、流体が閉塞なしにチャネル内を通流することができるように、両端が開放された幾つかのチャネル又は通路を有する、ウォールフローモノリスとフロースルーモノリスとの任意の組合せが挙げられうる。
【００１８】
ある特定の実施形態では、多孔質セラミック構造又は基材は、ハニカム形状、例えば、平行なチャネル又はセルを画成する複数の交差する壁を含む、モノリス又は他の構造などの構造を有しうる。ハニカムの構成のセルの幾何学形状は、微粒子物質の堆積を増加させるためのその単位容積あたりの高表面積の理由から、濾過に使用することができる。複数のチャネル１０５を含む、このようなハニカム構造又は基材１００が、図２Ａに示されている。図２Ｂは、図２Ａのｘ軸に沿って切り取ったハニカム構造１００の一部の断面図を示している。複数の内壁１１０は、チャネル１０５を分離かつ画成する。よって、ナノ膜１１５（破線で示される）は、内部のチャネル壁の表面（図示される）、及び／又は、ハニカムの外面（図示せず）、並びにそれらの変形の少なくとも一部分の上に形成されうる。
【００１９】
図２Ａ〜Ｂに描かれるナノ膜及びハニカム構造は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲をいかなる方式でも限定するものと解釈されるべきではない。例えば、ハニカム構造１００は、実質的に六角形の断面（例えば、ｙ軸に対して垂直な面において）を有するチャネル１０５を具備するように描かれているが、チャネルは、例えば、円形、正方形、三角形、矩形、又は正弦波状の断面、若しくはそれらのいずれかの組合せなど、別の幾何学形状を有していてもよい。加えて、ハニカム構造１００は、実質的に環状円筒形状として描かれているが、このような形状は単なる例示であって、多孔質セラミック構造又は基材は、球形、楕円形、ピラミッド形、立方形、又はブロックの形状を含むがそれらに限定されない、別の形状を有することができる。さらには、ナノ膜１１５は、特定のチャネル１０５の内壁１１０のコーティングとして示されているが、ナノ膜は、限定されることなく、外部の構造又は基材の表面を含めた、すべてのチャネルの全体又は一部、若しくはそれらの任意の部分をコーティングすることができる。
【００２０】
ハニカムフィルタは、しばしば、代表的な表面積の１平方インチあたりのセル（又はチャネル）、並びに内壁の厚さ（１０−３インチ（約２５．４μｍ））を単位として記載される。よって、３００セル／ｉｎ２（約４６．５セル／ｃｍ２）及び０．００８インチ（約２０３μｍ）の壁厚を有するハニカム構造は、３００／８ハニカムと表示されよう。例示的なハニカムは、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約１５０〜約４００セル／ｉｎ２（２３．２５〜６２セル／ｃｍ２）、又は約２００〜約３００セル／ｉｎ２（３１〜４６．５セル／ｃｍ２）など、約１００〜約５００セル／ｉｎ２（１５．５〜７７．５セル／ｃｍ２）を含みうる。幾つかの実施形態では、内壁の厚さは、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約０．００６〜約０．０１５インチ（１５２〜３８１μｍ）、約０．００８〜約０．０１インチ（２０３〜２５４μｍ）など、約０．００５〜約０．０２インチ（１２７〜５０８μｍ）の範囲であってよく、例えば、約５×１０−３インチ（約１２７μｍ）、６×１０−３インチ（約１５２μｍ）、７×１０−３インチ（約１７８μｍ）、８×１０−３インチ（約２０３μｍ）、９×１０−３インチ（約２２９μｍ）、１０×１０−３インチ（約２５４μｍ）、１２×１０−３インチ（約３０５μｍ）、１４×１０−３インチ（約３５６μｍ）、１６×１０−３インチ（約４０６μｍ）、１８×１０−３インチ（約４５７μｍ）、又は２０×１０−３インチ（約５０８μｍ）である。さまざまな実施形態において、ハニカムフィルタ又は構造の長さ及び／又は直径は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約１インチ〜約１２インチ（２．５４〜３０．４８ｃｍ）、約２インチ〜約１１インチ（５．０８〜２７．９４ｃｍ）、約３インチ〜約１０インチ（７．６２〜２５．４ｃｍ）、約４インチ〜約９インチ（１０．１６〜２２．８６ｃｍ）、約５インチ〜約８インチ（１２．７〜２０．３２ｃｍ）、又は約６インチ〜約７インチ（１５．２４〜１７．７８ｃｍ）など、１〜数インチの範囲でありうる。
【００２１】
多孔質セラミック構造又は基材の組成は、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）又はガソリン微粒子フィルタ（ＧＰＦ）の用途のために選択されうる。例示的な材料としては、コージエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、ユークリプタイト、アルミン酸カルシウム、リン酸ジルコニウム、スポジュメンなどを含むがそれらに限定されない、多孔質セラミックが挙げられる。フィルタ又は基材は、ある特定の実施形態では、フィルタの多孔質の外面など、外周を形成する外皮を備えていてもよく、該外皮は、内壁を取り囲んで、例えば複数のチャネルなどを画成する多孔質微細構造を有する壁を備えた、ハニカム構造を形成する。外皮と内壁は、同じ材料でできていても異なる材料でできていてもよく、幾つかの実施形態では、外皮は、内壁の厚さとは異なる厚さを有していてもよい。
【００２２】
多孔質セラミック構造又は基材は、フロースルー、ウォールフロー、又はパーシャルフロー構成を有するように適合させることができる。ウォールフロー及びパーシャルフローは、例えば、構造又は基材を通して延在する１つ以上の通路（又はチャネル）を塞栓することによって、達成することができる。例えば、塞栓によってチャネルの対向する端部を交互に塞いで、流体の流れが多孔質内壁構造の壁を通流するように促し、ウォールフローフィルタを形成してもよい。末端を塞栓されたチャネル内の圧力の増加は、流体が遮られずに通過する間に流体中の微粒子物質が壁に捕捉されるように、流体を、塞がれていないチャネルへと多孔質壁を通り抜けるように強いることができる。塞栓は、適切な材料でできていてよく、例えば、セラミック（例えば、コージエライト、チタン酸アルミニウム、アルミン酸カルシウム等）と、結合剤、充填剤、及び／又は溶媒（例えば、繊維、シリカゾル、メチルセルロース、水等）との混合物を含みうる。
【００２３】
ある特定の非限定的な実施形態によれば、多孔質セラミック構造又は基材は、例えば、約３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、又は２０μｍなど、約３μｍ〜約２０μｍの範囲など、その間のすべての範囲及び部分範囲を含めた、約５μｍ〜約１５μｍ、又は約８μｍ〜約１０μｍなど、約２０μｍ未満のメジアン細孔径（ｄ５０）を有しうる。例えば、多孔質セラミック基材のメジアン細孔径は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば約７μｍ〜約９μｍ、又は８μｍなど、約６μｍ〜約１０μｍの範囲でありうる。加えて、幾つかの実施形態では、例えば、２０μｍを超える細孔が、全多孔率の約１０％未満を構成するように（ｄ９０＝２０μｍ）、セラミック基材内のより大きい細孔の数を制限することが望ましいであろう。例えば、３０μｍを超える細孔は、全多孔率の約８％未満、約５％未満、又は約２％未満を構成しうる。同様に、幾つかの実施形態では、例えば、３μｍ未満の細孔が全多孔率の約１０％未満を構成するように（ｄ１０＝３μｍ）、セラミック基材内のより小さい細孔の数を制限することが望ましいであろう。例えば、３μｍ未満の細孔は、全多孔率の約８％未満、約５％未満、又は約２％未満を構成しうる。
【００２４】
本明細書で用いられる場合、用語「負荷」、「コーティング」、又は「改質」された基材は、その上に少なくとも１つのナノ膜が、負荷、コーティング、又は他の方法で堆積されている多孔質セラミック基材について言及するために相互交換可能に用いられる。図７Ａ〜Ｂに関してさらに詳細に論じられるように、ナノ膜は、セラミック基材内の細孔の少なくとも一部を被覆又は部分的に被覆するように、基材上に堆積させることができる。例えば、ナノ膜は、外壁面上の細孔（例えば、細孔「開口部」）を被覆することができ、あるいは、１つ以上の細孔の「ネック」を介してセラミック基材の微細構造内に広がることができる。よって、ナノ膜は、細孔の開口部を被覆することができ、あるいは、細孔チャネルに裏打ちすることができ、それによって、流体がフィルタ内を流れる間にその上に微粒子を捕捉することができる、非常に多孔質の表面領域を提供することができる。ナノ膜は、比較的少量の材料を使用して堆積させることができ、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば、約１ｍｇ／Ｌ〜約１０００ｍｇ／Ｌ、約１０ｍｇ／Ｌ〜約９００ｍｇ／Ｌ、約２５ｍｇ／Ｌ〜約８００ｍｇ／Ｌ、約５０ｍｇ／Ｌ〜約７００ｍｇ／Ｌ、約１００ｍｇ／Ｌ〜約６００ｍｇ／Ｌ、約２００ｍｇ／Ｌ〜約５００ｍｇ／Ｌ、又は約３００ｍｇ／Ｌ〜約４００ｍｇ／Ｌなど、例えば約５００ｍｇ／Ｌ未満、又は約２５０ｍｇ／Ｌ未満など、多孔質セラミック基材の単位容積（Ｌ）あたり約１グラム未満のナノ粒子を堆積させることができる。
【００２５】
本明細書に開示される濾過物品を使用して、流体流れから微粒子物質を除去することができる。例えば、流体流れは、気体、蒸気、又は液体を含んでよく、微粒子は、気体流又は液体流中の固体微粒子、若しくは、ガス流中の液滴など、流体中に別の相を含みうる。よって、微粒子には、スート、アッシュ、埃、エアロゾル化した液体、及び所与の流体中に存在する他のさまざまな微粒子汚染物質が含まれうる。
【００２６】
例えば、感染症は、直接及び間接的な接触のみならず、空気を介したウイルス及び細菌の移動によって拡散されうる。時間経過とともに環境規制が厳しくなるにつれて、移動する車両からの排気に対する懸念もまた、高まっている。さまざまな空気汚染物質は、例えば、埃の粒子又はエアロゾル化された液滴などの小さい微粒子によって、空気を通して運ばれうる。これらの小さい粒子は、空中に浮くことができ、換気システムを通じて、かなりの距離にわたって気流に乗ることができる。現在のところ、産業用の空気浄化は、高性能微粒子エア（ＨＥＰＡ）又は超低浸透エア（ＵＬＰＡ）フィルタを使用して行うことができる。ＨＥＰＡフィルタは、最高で９９．９７％まで浄化することができるのに対し、ＵＬＰＡフィルタは、空気を最高で９９．９９７％まで浄化することができる（０．３μｍの粒径について）。
【００２７】
さまざまな市販のＨＥＰＡ及びＵＬＰＡフィルタは、０．１〜１μｍの範囲のサイズを有する細孔を伴う、ランダムに配置された繊維のマットで構成されている。これらのフィルタの濾過機構は、粒子が濾過マトリクス又はウェブ内に捕捉されたまま保たれるように、遮断、衝突、及び拡散の組合せでありうる。よって、この濾過機構のため、従来のＨＥＰＡ及びＵＬＰＡフィルタの再生は実用的ではない。現在利用可能なフィルタは定期的に交換すべきであることから、それらは、短い寿命及び／又はより低い容量を有する、使い捨ての構成要素で構築されることが多い。また、セラミックハニカムフィルタを使用する空気濾過も試みられているが、典型的には、ＨＥＰＡ規格を満たすのに十分な空気濾過効率をもたらさない。さらには、空気濾過効率を向上させるためのそれらのハニカムの改質は、しばしば、フィルタの性能にとって有害でありうる、フィルタ全体にわたる圧力損失を結果的に生じる。セラミックハニカムフィルタの濾過効率及び／又は圧力損失は、フィルタにアッシュケーキ、炭素スートケーキ、及び／又は自由粒子を負荷することによって変化させることができる。しかしながら、それらのフィルタにおける、空隙率が比較的低い（＜７０％）粒子充填及び不十分な耐久性の制限、並びにこれらの微粒子のより高い負荷レベル（１〜１０ｇ／Ｌ）に起因して、このような改質されたハニカムフィルタは、十分な濾過効率を有しない可能性があり、大きい圧力損失を有する可能性があり、及び／又は、フィルタ表面における有害な残留物の堆積に起因する不十分な耐久性を示す可能性がある。
【００２８】
他方では、本明細書に開示される濾過物品のさまざまな実施形態は、比較的低い圧力損失も示しつつ、十分に高い濾過効率を有する多孔質セラミックフィルタを提供することができる；幾つかの実施形態では、これらの物品は、例えば、定期的に廃棄及び交換する必要なく、再生させることができる。製造コスト、複雑性、及び／又は時間を削減することができ、かつ、環境影響を低減することができる、このようなフィルタの製造方法が、本明細書に開示される。
【００２９】
濾過物品の濾過効率は、流体がフィルタを通過する前及び後の流体の粒子負荷を比較することによって測定することができる。濾過効率は、本明細書では、効率的微粒子エア（ＥＰＡ）フィルタ、高性能微粒子エア（ＨＥＰＡ）フィルタ、及び超低浸透エア（ＵＬＰＡ）フィルタについての米国及び欧州の濾過規格に関して論じられる。このような規格は、０．３μｍの粒径についての濾過効率を測定する（下記表ＩＩ参照）。さまざまな実施形態によれば、本明細書に開示される濾過物品は、例えば、約７０％〜約９９％の範囲など、少なくとも約７０％、例えば、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、又は少なくとも約９９％、若しくはそれ以上などの濾過効率（０．３μｍ）を有しうる。幾つかの実施形態では、濾過効率は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約８５％超（Ｅ１０）、約９５％超（Ｅ１１）、約９９．５％超（Ｅ１２）、約９９．９５％超（Ｈ１３）、約９９．９９５％超（Ｈ１４）、約９９．９９９５％超（Ｕ１５）、約９９．９９９９５％超（Ｕ１６）、又は約９９．９９９９９５％超（Ｕ１７）でありうる。本明細書に開示される濾過物品は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約１００Ｌ／分〜約２０００Ｌ／分、約２５０Ｌ／分〜約１５００Ｌ／分、約５００Ｌ／分〜約１２５０Ｌ／分、又は約７５０Ｌ／分〜約１０００Ｌ／分などの液体流速範囲にわたって、上記濾過効率を示しうる。
【００３０】
本明細書に開示される濾過物品は、比較的低い圧力損失「ペナルティ」（例えば、ベアフィルタの圧力損失と負荷されたフィルタの圧力損失との差）も示しつつ、改善された濾過効率をもたらしうる。本明細書で用いられる場合、用語「圧力損失」は、流体がセラミック基材又はフィルタをその入口端から出口端へと流れるときに、結果的に得られる流体の圧力損失のことを指す。本明細書に提供される圧力損失の測定値及び数値は、例えば、フィルタに微粒子が負荷される前にフィルタを通る最初の通過など、フィルタの「初期」の圧力損失のことを指す。フィルタ全体にわたる圧力損失は、フィルタに微粒子物質がますます負荷されるようになるにつれて、自然に増加する傾向があると理解されている。幾つかの実施形態では、濾過物品の圧力損失は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば約１００Ｐａ〜約５００Ｐａの範囲など、約５００Ｐａ未満、例えば、約４００Ｐａ未満、約３００Ｐａ未満、約２００Ｐａ未満、又は約１００Ｐａ未満などでありうる。さらなる実施形態によれば、ベアフィルタ（同様の組成物及び構造のもの）と比較して、負荷されたフィルタの圧力損失ペナルティは、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば、約２５〜約２００Ｐａの範囲など、約２００Ｐａ未満、例えば、約１５０Ｐａ未満、約１００Ｐａ未満、約７５Ｐａ未満、約５０Ｐａ未満、又は約２５Ｐａ未満でありうる。
【００３１】
本明細書に開示される濾過物品は、従来のフィルタと比較して、微粒子の回収のための表面積の増加など、１つ以上のさらなる利点を有しうる。この表面積の増加により、フィルタが、再生前に、より長い寿命を有することができるように、より大きい濾過容量へと変化させることができる。例えば、本明細書に開示されるコーティングされたセラミック構造又は基材は、従来のＨＥＰＡフィルタのものよりも約３〜４倍長い寿命を有しうる。加えて、実施例４に関してさらに詳細に論じられるように、ナノ膜を使用して、微粒子物質のすべてではないにしても大部分を捕捉することができることから、本明細書に開示される濾過物品は、ひとたびフィルタがその濾過容量に達したらフィルタ全体を廃棄するのではなく、フィルタを洗浄してナノ膜（及び捕捉された微粒子）を除去し、多孔質セラミック構造又は基材上に新しいナノ膜を再堆積させることによって、再生させることができる。
【００３２】
方法
濾過物品の製造方法が本明細書に開示され、該方法は、多孔質のセラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含み、該多孔質セラミック構造又は基材は、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する。流体から微粒子を濾過する方法が本明細書にさらに開示され、該方法は、多孔質セラミック構造又は基材と、該多孔質セラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品内にガスを流す工程を含み、該多孔質セラミック構造又は基材は、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、ナノ膜は、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する。
【００３３】
本明細書に開示されるさまざまな実施形態によれば、ナノ膜の堆積は、火炎堆積、熱分解、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、又は他の形態のＣＶＤなど、適切なナノ粒子堆積法を使用して行うことができる。火炎堆積は、例えば、酸化剤の存在下で少なくとも１つの無機酸化物前駆体を燃焼させて、無機酸化物ナノ粒子を生成する工程を含みうる。例えば排ガス又は燃焼チャンバから出る蒸気などのナノ粒子を含む流れは、次に、ナノ粒子が構造又は基材の表面の少なくとも一部の上に堆積されるように、ベア多孔質セラミック構造又は基材内を流れうる。
【００３４】
適切な無機酸化物前駆体には、所望の無機酸化物を形成するように酸化することができる供給源成分を含む、液体、気体、又は蒸気成分が含まれうる。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノ粒子の場合には、前駆体には、幾つか例を挙げると、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、及びアセチルアセトン亜鉛など、Ｚｎを含む任意の成分が含まれうる。同様に、シリカ（ＳｉＯ２）ナノ粒子の場合には、前駆体は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）など、Ｓｉを含む任意の成分でありうる。同様の前駆体は、Ａｌ２Ｏ３（例えば、アルミニウムトリｓｅｃ‐ブトキシド）、ＴｉＯ２（例えば、チタンイソプロポキシド）、ＳｎＯ２（例えば、塩化スズ（ＩＶ））、及び他のナノ粒子を生成するように選択されうる。所与の用途のために、前駆体の適切なタイプ及び量を選択することは、当業者の能力の範囲内である。
【００３５】
ある特定の実施形態では、無機酸化物前駆体は、少なくとも１つの前駆体及び少なくとも１つの溶媒を含む、溶液、分散液、又は懸濁液の形態でありうる。例えば、無機酸化物前駆体は、溶媒中に溶解又は懸濁された固体であってよく、あるいは、液体前駆体を溶媒と組み合わせて、溶液又は分散液を形成してもよい。適切な溶媒は、非限定的な例として、水、脱イオン水、アルコール、揮発性炭化水素、及びそれらの組合せを含みうる。例えば、溶媒は、アセトン、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ピリジン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジクロロメタン、キシレン、ヘキサン、及びそれらの組合せを含みうる。このような溶液、分散液、及び／又は懸濁液中の前駆体の濃度は、例えば、所望のナノ粒子生成速度に応じて、変動させることができる。幾つかの非限定的な実施形態では、前駆体濃度は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約２質量％〜約４０質量％、約３質量％〜約３０質量％、約４質量％〜約２５質量％、約５質量％〜約２０質量％、約６質量％〜約１５質量％、約７質量％〜約１０質量％、又は約８質量％〜約９質量％など、約１質量％〜約５０質量％の範囲でありうる。
【００３６】
少なくとも１つの無機酸化物前駆体を、少なくとも１つの酸化剤の存在下で燃焼させて、供給源成分を無機酸化物へと変換することができる。酸化剤としては、例えば、空気、Ｏ２ガス、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２など、酸素を含む液体、気体、又は蒸気成分が挙げられうる。燃焼剤もまた、前駆体の気化及び／又は酸化を補助するために含まれうる。適切な燃焼剤には、可燃性炭化水素及びそれらの混合物、例えばガスと天然ガスなどが含まれうる。例示的な炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンなどのＣ１〜Ｃ１２炭化水素、並びにこのような炭化水素を含む混合物が挙げられうる。
【００３７】
燃焼温度は、用いられる前駆体材料に応じて可変でありうるが、一般には、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約５００℃〜約１８００℃、約６００℃〜約１６００℃、約８００℃〜約１４００℃、又は約１０００℃〜約１２００℃など、約４００℃〜約２０００℃の範囲でありうる。幾つかの実施形態では、温度は、所望のナノ粒子サイズ及び／又は分布を達成するように選択及び／又は変動させてもよい。堆積は、燃焼温度で行われてもよく、あるいは、さまざまな実施形態に従う異なる温度で行われてもよい。例示的な堆積温度は、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば、約１００℃〜約１１００℃、約１５０℃〜約１０５０℃、約２００℃〜約１０００℃、約２５０℃〜約９００℃、約３００℃〜約８００℃、約４００℃〜約７００℃、又は約５００℃〜約６００℃など、約５０℃〜約１２００℃の範囲でありうる。堆積は、大気圧で行われてもよく、あるいは、さまざまな実施形態では、減圧下で生じてもよい。
【００３８】
前駆体の流速（又は、前駆体が燃焼される速度）もまた、前駆体の濃度、並びに、所望のナノ粒子生成速度及び／又はナノ膜の厚さに応じて変動させてよい。例示的な前駆体の流速は、幾つかの実施形態では、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約２ｍＬ／分〜約４０ｍＬ／分、約３ｍＬ／分〜約３０ｍＬ／分、約４ｍＬ／分〜約２５ｍＬ／分、約５ｍＬ／分〜約２０ｍＬ／分、約６ｍＬ／分〜約１５ｍＬ／分、約７ｍＬ／分〜約１０ｍＬ／分、又は約８ｍＬ／分〜約９ｍＬ／分など、約１ｍＬ／分〜約５０ｍＬ／分の範囲でありうる。燃焼剤及び／又は酸化剤の流速も同様に、所望の反応化学量論を達成するように変動させることができる。このような流速は、さまざまな実施形態では、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約２０ｍｇ／分〜約４００ｍｇ／分、約３０ｍｇ／分〜約３００ｍｇ／分、約４０ｍｇ／分〜約２００ｍｇ／分、約５０ｍｇ／分〜約１５０ｍｇ／分、又は約７５ｍｇ／分〜約１００ｍｇ／分など、約１０ｍｇ／分〜約５００ｍｇ／分の範囲のナノ粒子生成速度をもたらしうる。
【００３９】
ナノ粒子の生成後、排ガス又は蒸気などのナノ粒子を含む流れは、それらの少なくとも１つの表面上にナノ粒子を堆積させるために、多孔質セラミック構造又は基材内を流れうる。ナノ粒子は、多孔質構造又は基材の入口から出口への抵抗が最も小さい経路を追従する傾向があることから、構造又は基材を通る自然な流体の流れは、より均一に堆積されたナノ膜をもたらすことができる。代替的に又は加えて、ナノ粒子の流れ及び堆積は、インサイチュでモニタすることができ、それに応じて堆積プロセス変数を変更して、所望のナノ膜の特性及び／又は均一性をもたらしてもよい。本明細書に開示される方法はまた、有利には、本方法が最小限の汚染及び／又は材料損失しか生じさせないように、高いナノ粒子回収効率（例えば、＞９０％）も有しうる。
【００４０】
堆積時間は、例えば、濾過効率、膜厚、及び／又は圧力損失などの所望のナノ膜の特性に基づいて変動させてもよい。例示的な堆積時間は、非限定的な実施形態では、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、約５秒〜約１０分、約１５秒〜約８分、約３０秒〜約６分、４５秒〜約５分、約６０秒〜約３分、又は約９０秒〜約２分など、数秒から数分までの範囲でありうる。このような堆積時間は、さまざまな実施形態では、それらの間のすべての範囲及び部分範囲を含めて、例えば、約１ｍｇ／Ｌ〜約１０００ｍｇ／Ｌ、約１０ｍｇ／Ｌ〜約９００ｍｇ／Ｌ、約２５ｍｇ／Ｌ〜約８００ｍｇ／Ｌ、約５０ｍｇ／Ｌ〜約７００ｍｇ／Ｌ、約１００ｍｇ／Ｌ〜約６００ｍｇ／Ｌ、約２００ｍｇ／Ｌ〜約５００ｍｇ／Ｌ、又は約３００ｍｇ／Ｌ〜約４００ｍｇ／Ｌなど、約１ｇ／Ｌ未満、例えば約５００ｍｇ／Ｌ未満、又は約２５０ｍｇ／Ｌ未満などのスート負荷を生じうる。
【００４１】
本明細書に開示される堆積パラメータは、所望の濾過効率及び／又は圧力損失特性を有する濾過物品を達成するように、当業者が組み合わせる、及び／又は、修正することができる。よって、本明細書に開示される方法は、前駆体濃度、燃焼温度、堆積温度勾配（例えば、構造又は基材の１つ以上の領域を加熱又は冷却）、一定又は可変の流速などの処理条件に基づいて、ナノ膜構造の形態を制御するための幅広い可撓性を提供することができる。
【００４２】
セラミックの微細構造が単独でフィルタの濾過効率及び圧力損失に影響を与えうるベアセラミック構造又は基材とは異なり、ナノ膜をコーティングされた構造又は基材の全体的な性能は、構造又は基材のセラミックの微細構造と、ナノ膜の微細構造の両方によって決定されうる。よって、濾過物品は、ベアフィルタとは異なり（例えば、図１を参照）、比較的高い濾過効率及び比較的低い圧力損失の両方を達成するように調整することができる。例えば、ナノ膜の圧力損失は、以下の関数（２）を使用してモデル化することができる：
ΔＰｎ＝Ｋ２（ｄ５０）２          （２）
コーティングされた構造又は基材についてのシステム全体の圧力損失は、以下の関数（３）を使用してモデル化することができる：
ΔＰ＝ΔＰｓ＋ΔＰｎ＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｄ５０／Ｋ１）＋Ｐ０＋Ｋ２（ｄ５０）２  （３）
式中、Ａ１、Ｋ１、Ｋ２、及びＰ０は、多孔率、セルの幾何学形状、ウェブ厚、フロー表面積、及びナノ膜の火炎堆積条件に関連した構造パラメータであり、ｄ５０は、構造又は基材のメジアン細孔径である。
【００４３】
図３は、高濾過効率（＞９９．９％）では、コーティングされた構造又は基材のスート負荷（ｍｇ／Ｌ）が、構造又は基材のメジアン細孔径の２乗（ｄ５０）２の関数として、線形に増加することを示すプロットである。図４は、圧力損失（Ｐａ）もまた、コーティングされたフィルタのスート負荷（ｍｇ／Ｌ）の関数として線形に増加することを示すプロットである。これらの相関に基づいて、比較的低いメジアン細孔径を有するセラミック構造又は基材上に比較的薄いナノ膜を堆積させることによって、コーティングされたフィルタを構築することが有利でありうると考えられる。
【００４４】
上記関数及び関係を用いて、コーティングされた構造又は基材全体について最小限の圧力損失を生じうる、有利な微細構造を決定することが可能でありうる。例えば、図５〜６に示されるように、システム全体の圧力損失の関数は、個々のナノ構造及びベアフィルタの関数を組み合わせることによってプロットすることができ、その曲線の最小値（矢印で示される）を決定することができる。図５に示されるナノ膜をコーティングされたフィルタ（４００ｍ３／時の流速、９６０ｃｍ２のフロー表面積、６５％の多孔率、２００／６、４インチ（約１０．１６ｃｍ）の長さ）の場合には、約１４０Ｐａの最小圧力損失を、約８〜９μｍのメジアン細孔径を使用して達成することができる。同様に、図６に示されるナノ膜をコーティングされたフィルタ（４００ｍ３／時の流速、９６０ｃｍ２のフロー表面積、６５％の多孔率、１００／６、６インチ（約１５．２４ｃｍ）の長さ）については、市場における現行のＨＥＰＡフィルタ（およそ１２０Ｐａ）よりも低い約１００Ｐａの最小圧力損失を、約８〜９μｍのメジアン細孔径を使用して達成することができる。
【００４５】
さまざまな開示される実施形態は、その特定の実施形態に関して記載される特定の特徴、要素、又は工程を包含しうることが認識されよう。特定の特徴、要素、又は工程が１つの特定の実施形態に関して記載されているが、さまざまな例示されていない組合せ又は順列（permutations）における代替的な実施形態と相互交換する又は組み合わせることができることもまた認識されよう。
【００４６】
本明細書で用いられる場合、名詞は、「少なくとも１つ」の対象を指し、そうでないことが明確に示されていない限り、「１つのみ」の対象に限定されるべきではないこともまた理解されるべきである。よって、例えば、「チャネル（a channel）」についての言及は、文脈上明らかに別の意味を示さない限り、１つのこのような「チャネル」又は２つ以上のこのような「チャネル」を有する例を包含する。同様に、「複数」又は「アレイ」は、２つ又はそれ以上を意味することが意図されており、したがって、「チャネルのアレイ」又は「複数のチャネル」は、２つ以上のこのようなチャネルを意味する。
【００４７】
範囲は、本明細書では、「約」１つの特定の値から、及び／又は、「約」別の特定の値までとして表すことができる。このような範囲が表される場合、例には、その１つの特定の値から、及び／又は、他の特定の値までが含まれる。同様に、値が、先行詞「約」を使用して近似値として表される場合、その特定の値が別の態様を形成することが理解されよう。範囲の各々の端点は、他の端点に関連して、及び他の端点とは独立して、の両方で重要であることもさらに理解されよう。
【００４８】
本明細書で表されるすべての数値は、そうでないことが明示されない限り、そのように記載されているかどうかにかかわらず、「約」を含むと解釈されるべきである。しかしながら、列挙される各数値は、「約」その値として表されるかどうかにかかわらず、同様に正確に熟慮されている（precisely contemplated）ことがさらに理解される。よって、「１００ｎｍ未満の寸法」及び「約１００ｎｍ未満の寸法」はいずれも、「約１００ｎｍ未満の寸法」並びに「１００ｎｍ未満の寸法」の実施形態を包含する。
【００４９】
明示的に記載されない限り、本明細書に記載されるいずれの方法も、その工程が特定の順序で行われることを必要とすると解釈されることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が実際にその工程が従うべき順序を記載していない場合、又は、その工程が特定の順序に限定されるべきであることが特許請求の範囲又は明細書中に特に記載されていない場合、特定の順序が推定されることは決して意図されていない。
【００５０】
特定の実施形態のさまざまな特徴、要素、又は工程が、移行句「〜を含む」を使用して開示される可能性があるが、移行句「〜からなる」又は「〜から実質的になる」を使用して記載されうるものを含めた代替的な実施形態が黙示的に含まれることが理解されるべきである。よって、例えば、Ａ＋Ｂ＋Ｃを含む方法に対する黙示的な代替となる実施形態は、方法がＡ＋Ｂ＋Ｃからなる実施形態、及び方法がＡ＋Ｂ＋Ｃから実質的になる実施形態を包含する。
【００５１】
本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示に対してさまざまな修正及び変更がなされうることは、当業者にとって明白であろう。本開示の精神及び実体を取り込む、開示される実施形態の修正、組合せ、部分組合せ、及び変形が当業者に想起されうることから、本開示は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内にあるすべてを包含すると解釈されるべきである。
【００５２】
以下の実施例は、非限定的かつ単に例示的なものであることが意図されており、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【実施例】
【００５３】
実施例１
天然ガス中の無機酸化物前駆体を燃焼及び酸化させてナノ粒子を生成することによって、ＭＲＰセラミックハニカムフィルタ（３００／８、ｄ５０＝７．４μｍ、多孔率５０％、直径２インチ（約５．０８ｃｍ）、長さ６インチ（約１５．２４ｃｍ））上にＳｉＯ２を含むナノ膜の火炎堆積を行った。燃焼チャンバからハニカムフィルタ内に排気を流して、フィルタ表面にナノ粒子を堆積させることによって、ナノ膜を形成した。無機酸化物前駆体はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）溶液（エタノール中、１０質量％）であり、これを、１４４ｍｇ／分のＳｉＯ２ナノ粒子生成速度を与えるように、５ｍＬ／分の速度で燃焼させた。ＴＥＯＳ前駆体の燃焼及び酸化は、次式で表すことができる：
（ＣＨ３ＣＨ２Ｏ）４Ｓｉ＋ＣＨ４＋８Ｏ２  →  ＳｉＯ２＋２ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ
【００５４】
堆積時間（ｔＤ）を３０〜３００秒で変動させて、さまざまなスート負荷を有するフィルタを製造した。堆積後のフィルタの重量（ＷＤ）からベアフィルタの重量（ＷＢ）を減算することによって、ハニカムフィルタの重量の増加を測定し、この値を使用して、フィルタにおけるナノ膜の重量（ＷＮ）及びスート負荷（ｇ／Ｌ）を推定した。濾過効率（ＥＦ、０．３μｍの粒子）及び圧力損失（ΔＰ、Ｐａ）を、２つの異なる空気（煤煙）の流速（１１３Ｌ／分、２０８Ｌ／分）で、負荷されたフィルタとベアフィルタ（ｔＤ＝０ｓ）について測定及び比較した。これらの試験結果を下記表Ｉに示す。参考に、ＨＥＰＡ及びＵＬＰＡフィルタについての米国及び欧州規格を表ＩＩに提供する。
【００５５】
【表１】
2018533471.tif 000003
【００５６】
【表２】
2018533471.tif 000004
【００５７】
表Ｉから分かるように、ベアフィルタがＥＰＡフィルタについての最小濾過要件（＞８５％）さえも満たさなかったのに対し、ナノ膜を含むフィルタはすべて、ＨＥＰＡ、さらにはＵＬＰＡの濾過規格さえも満たす、改善された濾過効率を示した。さらには、ナノ膜を含む各フィルタは、４００ｍｇ／Ｌ未満の総重量の増加を示し、比較的低いシリカスート負荷が示唆された。最後に、圧力損失は、堆積時間の関数として、８０〜２００Ｐａの範囲のベアフィルタと比較して、増加するか、又は「ペナルティ」である。
【００５８】
図７Ａ〜Ｄは、本明細書に開示される火炎堆積法を使用して堆積させたＳｉＯ２ナノ膜を含むセラミックハニカムのＳＥＭ画像である。ハニカムのコーティングされた表面の局所的な図である図７Ａ、及び図７Ａの丸で囲まれた部分の拡大画像である図７Ｂに見られるから分かるように、ナノ膜は、壁面において、細孔の開口部を覆うことができる。加えて、ハニカムフィルタの断面図である図７Ｃ、及び図７Ｃの丸で囲まれた部分の拡大画像である図７Ｄに示されるように、ナノ膜は、細孔内に、かつ、ハニカム壁内深くにも延在しうる。図７Ｃの矢印は、ナノ膜が延在していない領域を指し示しているのに対し、図７Ｄの矢印は、細孔壁上にナノ膜を形成するＳｉＯ２ナノ粒子を示している。
【００５９】
実施例２
実施例１に概説したのと同じ火炎堆積法を使用して、ＭＥＥセラミックハニカムフィルタ（３００／８、ｄ５０＝１０．７μｍ、多孔率５０％、直径２インチ（約５．０８ｃｍ）、長さ６インチ（約１５．２４ｃｍ））上にＳｉＯ２を含むナノ膜の火炎堆積を行い、濾過効率におけるセラミック微細構造の効果を評価した。堆積時間（ｔＤ）を７．５〜６０秒で変化させて、さまざまなスート負荷を有するフィルタを生成した。２０８Ｌ／分の空気（煤煙）流速における、負荷されたフィルタとベアフィルタ（ｔＤ＝０秒）についての濾過効率（ＥＦ、０．３μｍの粒子）及び圧力損失（ΔＰ、Ｐａ）を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表ＩＩＩに示す。
【００６０】
【表３】
2018533471.tif 000005
【００６１】
表ＩＩＩに示されるように、６０秒の堆積時間で、コーティングされたフィルタの濾過効率は、９９＋％に達しうるが、それでもなお、真のＨＥＰＡの規格を満たしていない。理論に縛られることは望まないが、より大きいメジアン細孔径を含むセラミック構造又は基材は、より長い堆積時間の恩恵を受けることができ、より多くのナノ粒子を堆積させることができ、したがって、より高い濾過効率を実現するナノ膜を生成すると考えられる。
【００６２】
実施例３
その濾過効率の改善のためにＧＰＦにナノ膜を施す一般的な実現可能性を示すために、ガソリン微粒子フィルタ（ＧＰＦ）を使用してスケールアップ実験を行った。無機酸化物前駆体としてのＴＥＯＳ溶液（エタノール中、２質量％）及び、５７．６ｍｇ／分のＳｉＯ２ナノ粒子生成速度を与えるように１０ｍＬ／分の燃焼速度を使用して、ＫＨＬ（２００／８、ｄ５０＝１４μｍ、多孔率５５％、直径５．６６インチ（約１４．３８ｃｍ）、長さ４．５インチ（約１１．４３ｃｍ））セラミックハニカムフィルタ上にＳｉＯ２を含むナノ膜の火炎堆積を行った。堆積時間（ｔＤ）を６０〜２４０秒で変化させて、さまざまなスート負荷を有するフィルタを生成した。ハニカムフィルタの重量の増加を測定し、フィルタにおけるスート負荷（ＷＮ、ｍｇ／Ｌ）の推定に使用した。２つの異なる空気（煤煙）流速（１２５０Ｌ／分、８００Ｌ／分）において、負荷されたフィルタとベアフィルタ（ｔＤ＝０ｓ）について、濾過効率（ＥＦ、０．３μｍの粒子）及び圧力損失（ΔＰ、Ｐａ）を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表ＩＶに示す。表ＩＶは、最小限の材料（＜２００ｍｇ／Ｌ）及び比較的短い処理時間を使用してＧＰＦの濾過効率を向上させるために無機酸化物ナノ膜を使用する、一般的な実現可能性を実証している。当然ながら、フィルタの濾過効率は、堆積時間、前駆体濃度等の１つ以上のプロセス変数を変化させることによって、さらに向上させることができる。
【００６３】
【表４】
2018533471.tif 000006
【００６４】
実施例４
熱的、機械的、及び環境的ストレスに曝露する前後のフィルタの濾過効率及び圧力損失を測定することによって、堆積されたナノ膜の安定性を評価した。堆積時間を９０〜１８０秒で変化させて、実施例１に概説したものと同じ火炎堆積法を使用して、ＭＲＰセラミックハニカムフィルタ（３００／８、ｄ５０＝１０．７μｍ、多孔率５０％、直径２インチ（約５．０８ｃｍ）、長さ６インチ（約１５．２４ｃｍ））上にＳｉＯ２を含むナノ膜の火炎堆積を行った。加熱、水、及び気流への曝露の前後の負荷されたフィルタについて、濾過効率（ＥＦ、０．３μｍの粒子）及び圧力損失（ΔＰ、Ｐａ）を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表Ｖに示す。
【００６５】
【表５】
2018533471.tif 000007
【００６６】
表ＩＶに示されるように、熱サイクルへの曝露（１００℃／時のランプ速度で８００℃まで加熱し、８００℃で１時間保持）後に、フィルタは、濾過効率及び圧力損失の点で、殆ど又は全く変化を示さず、したがって、フィルタが優れた熱安定性を有し、かつ、高温用途に確実に使用することができることが示唆された。気流への曝露（２０ｋＰａのバックフラッシュを３分間）後に、フィルタは、殆ど又は全く濾過効率の変化を示さず、フィルタが優れた機械的安定性も有することが示唆された。最後に、水への曝露（３Ｌ／分のバックフラッシュの後に１００℃で乾燥）後に、フィルタは、ベアフィルタ（ｔＤ＝０秒）のものと類似した濾過効率及び圧力損失値を示し、ナノ膜が首尾よく洗い流されたことが示唆された。よって、本明細書に開示されるフィルタは、容量に達した後に該フィルタ全体を破棄するのではなく、ハニカムからナノ膜（及び捕捉された微粒子）を洗い流し、新しいナノ膜を再堆積させることによって、有効に再生させることができると考えられる。
【００６７】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００６８】
実施形態１
複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む多孔質セラミック構造と、
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜であって、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含む、ナノ膜と
を備えた、濾過物品。
【００６９】
実施形態２
前記多孔質セラミック構造がセラミックハニカムであることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７０】
実施形態３
前記ナノ膜が、前記多孔質セラミック構造の多孔質内壁面の少なくとも一部の上に堆積されることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７１】
実施形態４
前記少なくとも１つの無機酸化物が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、又はそれらの組合せから選択されることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７２】
実施形態５
前記ナノ膜が、約８５％以上の多孔率を有することを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７３】
実施形態６
前記多孔質セラミック構造が、約３μｍ〜約２０μｍの範囲のメジアン細孔径を有することを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７４】
実施形態７
前記多孔質セラミック構造が、約６μｍ〜約１０μｍの範囲のメジアン細孔径を有することを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７５】
実施形態８
前記ナノ膜の厚さが、約１０ｎｍ〜約２０μｍの範囲にあることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７６】
実施形態９
前記ナノ粒子が、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の平均粒径を有することを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７７】
実施形態１０
前記濾過物品の濾過効率が、約１００Ｌ／分〜約１５００Ｌ／分の範囲の液体流速で、約０．３μｍの粒径を有する微粒子について、約８５％以上であることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７８】
実施形態１１
前記濾過物品の圧力損失が、約１００Ｌ／分〜約１５００Ｌ／分の範囲の液体流速で、約１００Ｐａ〜約５００Ｐａ以下の範囲にあることを特徴とする、実施形態１に記載の濾過物品。
【００７９】
実施形態１２
実施形態１に記載の濾過物品に前記流体を流す工程を含む、流体から微粒子を濾過する方法。
【００８０】
実施形態１３
多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含む、濾過物品の製造方法であって、
前記多孔質セラミック構造が、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、
前記ナノ膜が、少なくとも１つの無機酸化物のナノ粒子を含み、かつ
前記ナノ粒子が、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約０．００１ｇ／Ｌ〜約１ｇ／Ｌの範囲の濃度で存在する、
方法。
【００８１】
実施形態１４
前記ナノ膜を堆積させる工程が、
少なくとも１つの酸化剤の存在下で少なくとも１つの無機酸化物前駆体を燃焼させて、無機酸化物ナノ粒子を生成する工程、及び
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を形成するのに十分な堆積時間の間、前記多孔質セラミック構造に前記無機酸化物ナノ粒子を含む流体流れを流す工程
を含むことを特徴とする、実施形態１３に記載の方法。
【００８２】
実施形態１５
前記少なくとも１つの無機酸化物前駆体が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、又はそれらの組合せから選択される供給源を含むことを特徴とする、実施形態１４に記載の方法。
【００８３】
実施形態１６
前記少なくとも１つの無機酸化物前駆体が、少なくとも１つの溶媒を含む溶液であることを特徴とする、実施形態１４に記載の方法。
【００８４】
実施形態１７
前記多孔質セラミック構造の上の前記無機酸化物ナノ粒子の堆積速度が、約１０ｍｇ／分〜約２００ｍｇ／分の範囲にあることを特徴とする、実施形態１４に記載の方法。
【００８５】
実施形態１８
前記堆積時間が、約５秒〜約５分の範囲にあることを特徴とする、実施形態１４に記載の方法。
【００８６】
実施形態１９
堆積温度が、約５０℃〜約１２００℃の範囲にあることを特徴とする、実施形態１３に記載の方法。
【００８７】
実施形態２０
前記多孔質セラミック構造が、約４０％以上の多孔率、及び約５μｍ〜約２０μｍの範囲のメジアン細孔径を有するセラミックハニカムであることを特徴とする、実施形態１３に記載の方法。
【符号の説明】
【００８８】
１００  ハニカム構造／基材
１０５  チャネル
１１０  内壁
１１５  ナノ膜
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2018533471.tif 000015
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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