(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の細長い繊維であって、各繊維が複数のＴ形ローブを有し且つ隣接するＴ形ローブ相互間に作られる長手方向に細長い空洞を有し、且つ、各空洞が繊維外に開放する長手方向に延びる開口部を有して成る複数の細長い繊維と、
前記の複数の細長い繊維の前記空洞中に配置された、分子を吸着することができる複数の粒子と、
除去すべき分子が前記粒子によって吸着されるよう、該除去すべき分子を含む流体を前記の複数の細長い繊維の少なくとも一部分に通す流路と
を含み、前記粒子の直径は前記繊維の断面直径の半分より小さく、かつ該粒子は前記繊維の開口部から前記空洞中に押圧されて入れられ、接着剤を使用することなく該空洞中に機械的に固定されることを特徴とする、
流体の流れから除去すべき分子を除去するための装置。
【請求項２】
前記繊維に前記粒子をふりかけてローラをかけることによって、該粒子が前記繊維の空洞内に入れられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記細長い繊維がそれぞれ２５０ミクロン以下の直径を有し、前記粒子が２０ミクロン以下のサイズを有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子が活性炭であり、前記流体が空気である請求項１に記載の装置。
【請求項５】
不織繊維ろ過マットを形成するように配置された複数の細長い繊維であって、各繊維が複数のＴ形ローブを有し且つ隣接するＴ形ローブ相互間に作られる長手方向に細長い空洞を有し、且つ、各空洞が繊維外に開放する長手方向に延びる開口部を有して成る複数の細長い繊維と、
前記空洞内に配置され、除去すべき分子が前記不織繊維ろ過マットを通過するときに当該除去すべき分子を吸着することができる複数の粒子と
を含むフィルタにおいて、
前記粒子の直径は前記繊維の断面直径の半分より小さく、かつ該粒子は前記繊維の開口部から前記空洞中に押圧されて入れられ、接着剤を使用することなく該空洞中に機械的に固定されることを特徴とする、除去すべき分子を除去するためのフィルタ。
【請求項６】
前記繊維に前記粒子をふりかけてローラをかけることによって、該粒子が前記繊維の空洞内に入れられることを特徴とする請求項５に記載のフィルタ。
【請求項７】
前記細長い繊維がそれぞれ２５０ミクロン以下の直径を有し、前記の複数の粒子の平均直径が１０ミクロン以下である請求項５に記載のフィルタ。
【請求項８】
前記繊維が、前記不織繊維ろ過マット中に平行に整列されて配置された請求項５に記載のフィルタ。
【請求項９】
前記繊維が、前記不織繊維ろ過マット中に平行ではない配列として配置された請求項５に記載のフィルタ。
【請求項１０】
複数の細長い繊維であって、各繊維が複数のＴ形ローブを有し且つ隣接するＴ形ローブ相互間に作られる長手方向に細長い空洞を有し、且つ、各空洞が繊維外に開放する長手方向に延びる開口部を有して成る複数の細長い繊維と、
前記の複数の細長い繊維における前記空洞中に配置された気体相汚染物質を吸着することのできる複数の粒子と、
前記の複数の細長い繊維の少なくとも一部を通される気体相汚染物質を含む空気の流路であって、前記空洞中に配置された前記の複数の粒子が当該空気の流路と接して該気体相汚染物質を吸着することができるよう構成された空気の流路とを含み、前記粒子の直径は前記繊維の断面直径の半分より小さく、かつ該粒子は前記繊維の開口部から前記空洞中に押圧されて入れられ、接着剤を使用することなく該空洞中に機械的に固定されることを特徴とする、気体相汚染物質を除去するための空気ろ過システム。
【請求項１１】
前記粒子が活性炭である請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、ろ過システムに関し、より詳細には活性炭粒子などの固体吸着剤を利用するろ過システムに関する。
２．従来の技術の説明
空気の流れを清浄化するための吸着性臭気除去要素または媒体として、活性炭またはゼオライト材料を使用することは、従来の技術において周知である。米国特許第４１３０４８７号は、空気ろ過中に臭気を除去するための活性炭を含有する、液体または気体のためのフィルタを開示している。活性炭はフィルタ材料に追加する追加層中に存在する。
従来の技術のフィルタは、粗粒炭素粒子によるろ材の表面被覆を使用しており、炭素繊維も使用している。炭素繊維は、加熱炭化された有機ポリマー繊維から形成される。様々な粉末微粒子材料を繊維またはその他の品目の表面に被覆できるためには、粉末微粒子を表面上に固定し保持するために接着層を使用することを必要とする。粒子を保持するために接着材を使用するという行為自体の結果、粉末微粒子の表面の一部分が接着剤によって汚染され、したがってろ過のために有効でなくなる。固定の強さと粉末層の効果維持との間のバランスを満たさなければならない。この汚染を最小限に抑えるために、より大きな粒子を使用することが多く、こうして表面接着剤と粉末粒子との間の接触点は小さくなる。活性炭を使用する代表的な気体への応用例では、使用される粒子は１００ミクロン以上であることが多く、細粉にした活性炭は、より強い活性の潜在能力を保持しているという事実にもかかわらず、基本的には液体脱色の応用例においてのみ使用されている。
発明の概要
本発明は、活性炭粉末などの固体吸着剤が、接着剤を使用することなく繊維ろ材または繊維ろ過マット内の各繊維中に形成された長手方向の空洞の内部に固定されているフィルタを提供する。このような応用例における固体吸着剤は、それが元のバージン・ストックにおいて有していた吸着能力すなわち吸着容量を実質的に保持している。これは、粒子がその元の能力の一部分のみを保持するという炭素粒子の接着保持力とは反対である。繊維は長手方向に延びる内部空洞を有し、これらの内部空洞は繊維の外表面に延びる開口部を有する。これらの繊維には、接着剤を使用することなく、粉状活性炭吸着粒子を機械的に固定することができる。粒子を長手方向の空洞中に押し込んだとき永続的に保持されるように、繊維、開口部のサイズ、および固定すべき粒子を選択する。活性炭粉末は繊維の長手方向の空洞の内部に機械的に固定された状態になり、基本的には不可逆的に結合されている。このアプローチは、ゼオライトなどの薬剤、重ソウ、シクロデキストリン、または対象とされる一定の気体を吸着するかまたは流体の流れ中に薬剤を放出する性質を有する固体を含む、繊維媒体の内部に固定しておきたいあらゆる粉末に拡張することができる。
本発明は、各々が内部空洞を伴う断面を有するたわみ繊維を含むろ材を提供する。内部空洞は、繊維の長手方向に沿って縦方向に延び、望ましくない分子を吸着できる固体粒子材料で満たされている。本発明のろ過マットは、炭素繊維を使用するフィルタを越える著しい費用節減を示すはずであり、粒状活性炭被覆を使用するフィルタよりも性能がすぐれている。
【図面の簡単な説明】
本発明をさらによく理解するために、添付の図面に示す本発明の例示的な好ましい実施形態を参照する。
第１図は、本発明による炭素粒子を含む繊維を利用する不織繊維マットの一部分を示す部分図である。
第２図は、本発明による繊維を利用する第１図に示す繊維マットの一部分の拡大図である。
第３図は、本発明を実行するために適した繊維を示す斜視図である。
第４図は、本発明による繊維ろ過マットを使用するろ過システムの簡略図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１図と第２図には特に、複数のたわみ繊維から形成された不織繊維マット１０が示されている。各繊維２０は内部空洞２２を含み、内部空洞２２中には小さな乾燥活性炭粒子１８が配置されている。長手方向の開口部２４が、各空洞２２から各繊維２０の表面まで延びている。多ローブ（multilobe）繊維２０は比較的小さく、その直径は１０〜２５０ミクロンまたはそれ以下である。粒子１８を空洞２２中に配置したとき、概して永続的に固定されて容易に移動できないように、開口部２４のサイズが選択される。活性炭粒子は、開口部２４よりもやや小さくなるように選択され、一般に非常に小さくて直径は１０ミクロン以下である。
小さな炭素粒子１８は機械的に固定されて、繊維空洞２２の内部にとどまり、一般には繊維２０の間には入らず、それでも長手方向の開口部２４を通じて、概して中空である繊維２０を通り過ぎる空気の流れと連絡している。
空気の流れから除去すべき望ましくない気体に対して親和力を有する、気体吸着活性炭粒子１８が選択され、概して中空である個別の繊維２０中に形成された内部チャネルすなわち空洞２２中に配置されている。選択された乾燥粒子は、空気の流れの汚染除去または清浄化のための機構として、吸収ではなく吸着を使用する。使用する粒子１８は、対象とされる蒸気を吸着し、無害であり、特定の気体または悪臭蒸気を中和するものを選択する。
繊維ろ過マット１０を、第４図の簡易線図に示すような空気ろ過または臭気除去システムに使用することができる。このろ過システムは、空気入口１４と空気出口１６とを備えたハウジング１２を有する。繊維マット１０はハウジングを横切って配置されているので、入口１４を通って入る空気の流れは繊維マット１０を通過して出口１６に到達するはずである。ファンなどの機械的装置を使用して空気流を支援することができる。繊維ろ過マット１０を容易に除去したり取り替えることができるように、空気ろ過システムを製造することができる。
本発明を実施するのに特に適した概して中空である繊維２０が、米国特許第５０５７３６８号に開示されており、これを第３図に示す。この特許は、繊維が１個の中央コアと３個または４個のＴ形ローブ２６を備えた断面を有する、熱可塑性ポリマーから形成された３ローブまたは４ローブ繊維を開示している。ローブの脚はコア３０において交差しているので、隣接するローブの脚の間の角度は約８０度から１３０度である。熱可塑性ポリマーは、一般にポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、またはこれらの組合せである。第３図に示すような繊維２０は、３つの中空の内部に長手方向に延びる空洞２２を有する押出しストランドとして形成され、各空洞は、Ｔ形ローブの外端部の間に形成された長手方向に延びるスロット２４によって、ストランド外表面と連絡している。
第１図と第２図に明確に示されているように、活性炭粒子１８はそれぞれの空洞２２中に保持されており、繊維相互間空隙中にこぼれることはない。繊維２０は、触られたり、握られた時粒子１８が振り落とされることはなく、繊維マット１０が粒子１８を保持するように活性炭粒子１８を空洞２２内に強く保持している。このような繊維２０のろ過マット１０中では、それぞれのストランドの間が、気体吸着活性炭粒子１８を比較的含まない状態に留まり、各繊維２０の内部空洞２２はこの気体吸着活性炭粒子が満たされている。ろ過マット１０の繊維は、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィンなどの１つのまたは複数の種類の材料によって作ることができる。３つのＴ形断面のセグメントは図示するように湾曲した外表面２８を有することができ、または外表面２８を直線状にすることもできる。繊維２０は３つのローブを有するものとして示されているが、別の数のローブでもよい。さらに、Ｃ形またはその他の断面を有する他の外部および内部繊維も、空洞からの開口部が粒子１８を繊維内部２２に保持するように寸法決定されるならば、小さな気体吸着粒子１８を保持するのに適している。
繊維マット１０を形成する際に、固定粒子は繊維２０中に積極的にこすり込まれる。乾式充填のために使用される手順は、繊維２０を取って繊維に吸着剤粉末を自由にふりかけることである。吸着剤粉末の粒子１８は、繊維２０の断面直径の半分より小さな直径を有する。粉末粒子１８は数回ローラーをかけることによって繊維２０中に入れられる。過剰の粉末は、強力な空気流を当てて撹拌することによって物理的に除去される。空洞２２の内部に残る粉末粒子１８は驚くほど安定しており、物理的作用に耐える。これは、空洞２２の内部に粒子１８を頑強に保持するくさび石形式の機械的固定によるものと思われる。粒子１８は互いにかみ合うように見え、開口部２４を通じて空洞２２からこぼれることはない。ローブ２６の外端部すなわちキャップを除去して、３ローブ繊維の充填が試みられた。このような繊維によって、非常に小さな炭素粒子が保持された。
繊維２０と微粉粒子１８との間の驚くほど強い相互作用の原因である力の理由を判定するために、発明者等は、この頑強な凝集を引き起こしたと思われる静電結合力を減らすことを試みた。発明者等は最初に、充填された炭素繊維を１００％の相対湿度に当て、繊維２０の上に４０ｍ／分の空気を向け、あらゆるゴミを集めた。これは検知されない程度の量であることがわかった。発明者等はさらに繊維ろ過マット１０を室温の水中に沈めてかき回したが、炭素粒子１８がなお確実に適所に残っていることを発見した。それから繊維ろ過マット１０を取って、水に清浄剤を加えてかき回しても、さらなる損失はないことがわかった。さらに、炭素充填繊維２０はアルコール洗浄とアセトン洗浄の両方に耐え、炭素粒子１８の損失はなかった。これらの試験は明らかに、この相互作用の原因である力が本質的に静電的でなく、機械的固定を示唆していることを示している。これらの試験はまた、活性炭またはその他の粒子によって充填された繊維２０が、気体および液体を含む様々な物体媒質への応用例がありうることも示している。
開示されたアプローチを、ゼオライトなどの薬剤、重ソウ、シクロデキストリン、または対象とされるあらゆる多くの固体粒子を含む、繊維媒体の内部に固定したいあらゆる粉体に拡張することができる。繊維２０はまた、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、シリカ、様々な相のアルミナ、カオリンやベントナイトを含む粘土の粒子を固定するためにも使用されてきた。第１図と第２図に示す繊維２０では、繊維の直径はほぼ３０ミクロンである。空洞２２の開口部２４のサイズは約１０ミクロンである。炭素粒子は約１〜２ミクロンおよびそれ以下の大きさである。
本発明で説明する材料は、粉体の性質を事実上完全に保持して表面被覆させることができ、極めて微粒の粉体の使用に拡張することができる。こうすることによって、粉体の性能と効率を大幅に改善することができる。活性炭の場合には、典型的な気体への応用例では１００ミクロン以上の粒状炭素が使用され、微粉活性炭は、粉状活性炭がはるかに高い活性の可能性を保有するにもかかわらず、基本的には液体脱臭の応用例にのみ使用されていた。本発明によって、気体相への適用例に微粉活性炭を利用するフィルタを製造することができる。さらに、本発明を液体ベースの適用例にも使用することもできる。
基本的に本発明は、炭素繊維エレメントを使用する簡単な低費用バージョンのろ過マットを提供する。有機ポリマーによって始め、その後これを加熱し炭化することによって炭素ろ過繊維を形成する代りに、発明者等は、概して中空の繊維によって始め、これを粉状炭素によって充填する。本発明のための他のいくつかのフィルタの応用例として、臭気抑制炭素フィルタ、ゼオライト被覆臭気抑制フィルタ、および金属イオン封鎖水フィルタがある。本発明は汚染された水供給から有機水汚染物質を除去するためにも使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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