Системы, индицирующие окончание ресурса эксплуатации, для многослойных фильтрующих картриджей
SERVICE LIFE END DISPLAYING SYSTEMS FOR MULTI-LAYER FILTERING CARTRIDGES

Область техники
Настоящее раскрытие относится в общем к способам фильтрации загрязняющих веществ из газа с применением фильтрующих картриджей и индикаторам окончания ресурса эксплуатации для определения окончания ресурса эксплуатации для фильтрующих картриджей.
Уровень техники
Для защиты людей от вредных загрязняющих воздух веществ было разработано множество систем очистки воздуха. Среди этих систем очистки воздуха имеется широкий ряд респираторов для очистки воздуха, разработанных для фильтрации или адсорбции присутствующих в воздухе загрязняющих веществ. Обычно эти респираторы для очистки воздуха содержат фильтрующий материал, корпус фильтра или некоторую комбинацию фильтрующего материала и корпуса фильтра. При использовании респиратора загрязняющие вещества абсорбируются фильтрующим материалом или удерживаются, или захватываются корпусом фильтра. В какой-то момент фильтрующий материал или корпус фильтра оказываются насыщенными, и способность респиратора удалять вредные загрязняющие воздух вещества начинает ослабевать.
При длительном воздействии окружающей среды, содержащей вредные загрязняющие воздух вещества, таком как, например, длительное или частое воздействие таких сред на рабочего, необходимы методики для определения ресурса эксплуатации респиратора. Одной из таких разработанных методик является методика, основанная на продолжительности эксплуатации респиратора. В этой методике респираторы или фильтры для очистки воздуха заменяют после определенного периода эксплуатации на основании, например, математической модели, как описано Wood et al., Journal of the American Industrial Hygiene Association, Volume 55 (1), pages 11-15, (1994). Однако эта методика не учитывает изменения уровня загрязняющих веществ или скорости потока, проходящего через респиратор, и, следовательно, может приводить к слишком ранней (что не экономно) или слишком поздней (что может представлять опасность для пользователя) замене респиратора или фильтрующих элементов.
К примерам фильтрующих картриджей, содержащих слои или смеси различных поглощающих материалов, относится патент США №5660173 (Newton), в котором описана цилиндрическая фильтрующая коробка для использования совместно с маской для фильтрации газа, включающая содержащий уголь фильтрующий слой усеченной формы и многослойную структуру из угольных частиц различного размера в содержащем уголь фильтрующем слое. В патенте США №5714126 (Frund) описана система фильтров респиратора для фильтрации токсичных веществ, включающая в себя картридж, содержащий слой ненасыщенного активированного угля, слой активированного угля, насыщенный сульфатом, молибденом и медью или цинком, и высокоэффективный воздушный фильтр класса НЕРА. В патенте США №6344071 (Smith et al.) описан фильтрующий материал, включающий по меньшей мере два вида фильтрующих материалов, первое множество частиц фильтрующего материала, содержащих пропитывающее средство на основе переходного металла, и второе множество частиц фильтрующего материала, содержащих пропитывающее средство на основе третичного амина.
Для применения с фильтрующими картриджами респиратора было разработано большое количество индикаторов окончания ресурса эксплуатации (ESLI). Обычно индикаторы ESLI описываются как пассивные или активные. Пассивными индикаторами ESLI являются те, в которых изменение в индикаторе (часто изменение его цвета) происходит вследствие воздействия анализируемого вещества, когда сорбент, предусмотренный для этого анализируемого вещества, почти израсходован. Активными индикаторами ESLI являются те, которые содержат электронный датчик для выявления потока газа, содержащего анализируемое вещество, и подачи предупреждающего сигнала после детектирования анализируемого вещества вследствие израсходования сорбента.
Сущность изобретения
В настоящем описании раскрыты системы, индицирующие окончание ресурса эксплуатации, для многослойных фильтрующих картриджей. Также в описание включены фильтрующие картриджи, способные удалять загрязняющие вещества из газовой среды, содержащие герметичный корпус картриджа, содержащий впускное отверстие для газа, фильтрующий материал и выпускное отверстие для газа. Фильтрующий материал содержит многослойную структуру, при этом многослойная структура содержит первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, смежный с первым и вторым слоями сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом, в других воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом. В некоторых воплощениях первый слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента.
Также в описание включены способы фильтрации загрязняющих веществ из газа. Эти способы включают обеспечение фильтрующего картриджа, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, выявление реакции сенсорного элемента и замену фильтрующего картриджа. Фильтрующие картриджи содержат герметичный корпус картриджа, содержащий впускное отверстие для газа, фильтрующий материал и выпускное отверстие для газа. Фильтрующий материал содержит многослойную структуру, при этом многослойная структура содержит первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, смежный с первым и вторым слоями сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом, в других воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом. В некоторых воплощениях первый слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет понятно в более полной мере при рассмотрении следующего подробного описания различных воплощений раскрытия совместно с прилагаемыми чертежами.
Фиг. 1 - вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.
Фиг. 2 - вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.
Фиг. 3 - вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.
В приведенном ниже описании проиллюстрированных воплощений делается ссылка на прилагаемые чертежи, в которых в иллюстративных целях показаны различные возможные воплощения данного раскрытия. Следует понимать, что возможное применение воплощений и возможные конструктивные изменения могут быть выполнены без отклонения от объема настоящего раскрытия. Фигуры не обязательно выполнены в масштабе. Подобные номера ссылок, использованные в фигурах, относятся к подобным элементам. Однако подразумевается, что использование какого-либо номера для ссылки на элемент, представленный на данной фигуре, не предусматривает ограничения элемента на другой фигуре, обозначенного таким же номером.
Подробное описание изобретения
Для защиты людей от вредных загрязняющих воздух веществ было разработано множество систем очистки воздуха. Среди этих систем очистки воздуха имеется широкий ряд респираторов для очистки воздуха, разработанных для фильтрации или адсорбции присутствующих в воздухе загрязняющих веществ. Это поглощение может быть физическим или химическим. Эти системы очистки воздуха могут быть пассивными, то есть такими, в которых дыхание пользователя протягивает воздух через респиратор, или приводными, то есть такими, в которых механическое устройство, такое как вентилятор, протягивает воздух через респиратор. Обычно в этих респираторах для очистки воздуха применяются фильтрующие картриджи. Как правило, эти фильтрующие картриджи содержат фильтрующий материал, корпус фильтра или некоторую комбинацию фильтрующего материала и корпуса фильтра. При использовании респиратора загрязняющие вещества абсорбируются фильтрующим материалом или удерживаются, или захватываются корпусом фильтра. В какой-то момент фильтрующий материал или корпус фильтра насыющаются, и способность респиратора удалять вредные загрязняющие воздух вещества начинает ослабевать.
При длительном воздействии окружающей среды, содержащей вредные загрязняющие воздух вещества, таком как, например, длительное или частое воздействие таких сред на рабочего, необходимы методики для определения ресурса эксплуатации респиратора. Одной из таких разработанных методик является методика, основанная на продолжительности эксплуатации респиратора, с применением математической модели, как описано Wood et al. в Journal of the American Industrial Hygiene Association, Volume 55 (1), pages 11-15, (1994). В этой методике респираторы или фильтры для очистки воздуха заменяют после определенного периода эксплуатации. Однако эта методика не учитывает изменения уровня загрязняющих веществ или скорости потока, проходящего через респиратор, и, следовательно, может приводить к слишком ранней (что не экономно) или слишком поздней (что может представлять опасность для пользователя) замене респиратора или фильтрующих элементов.
Для применения с фильтрующими картриджами респиратора было разработано большое количество индикаторов окончания ресурса эксплуатации (ESLI). Обычно индикаторы ESLI описываются как пассивные или активные. Пассивными индикаторами ESLI являются те, в которых изменение в индикаторе (часто изменение его цвета) происходит вследствие воздействия анализируемого вещества, когда сорбент, предусмотренный для этого анализируемого вещества, почти выработан. Активными индикаторами ESLI являются те, которые содержат электронный датчик для выявления потока газа, содержащего анализируемое вещество, и подачи предупреждающего сигнала после детектирования анализируемого вещества вследствие выработанного сорбента.
Существует необходимость в индикаторах ESLI, способных индицировать, что картридж следует заменить, когда большая часть сорбента в картридже выработана, но до того, как сорбент в картридже будет выработан полностью. Это позволяет использовать картридж на протяжении его всего ресурса эксплуатации (позволяет сэкономить еще пригодные для использования части сорбента в картридже) и в то же время обеспечивает безопасный допуск для пользователя (когда индикатор активирован, для защиты пользователя еще остается пригодный для использования слой сорбента).
В настоящем описании раскрыты системы фильтрующих картриджей для очистки газообразных сред, содержащие многослойные фильтрующие картриджи и сенсорный элемент, расположенный в многослойном фильтрующем картридже. Сенсорный элемент расположен в фильтрующем картридже таким образом, что при выработке одного слоя или группы слоев сенсорный элемент реагирует, и второй слой или группа слоев начинает очищать газообразную среду. Первый слой или группа слоев имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента. Первый слой или группа слоев характеризуются объемом, и второй слой или группа слоев характеризуются объемом. Если объемы всех слоев сложить для определения общего объема слоев, то объем первого слоя или набора слоев будет составлять более 40% общего объема. В некоторых воплощениях объем первого слоя или набора слоев составляет более 50% общего объема.
В находящейся одновременно на рассмотрении в Патентном ведомстве США заявке №61/569342, озаглавленной "END OF SERVICE LIFE INDICATING SYSTEMS FOR LAYERED FILTER CARTRIDGES", поданной 12/12/2011, описана подобная конфигурация, в которой второй слой или группа слоев меньше, чем первый слой или группа слоев, но второй слой или группа слоев имеют большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента. Однако было обнаружено, что вариабельность уменьшается, если первый слой или группа слоев имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента. В данном контексте вариабельность отражает то, насколько точно датчик предсказывает срок эксплуатации фильтрующего картриджа. Другими словами, конфигурация, описанная в настоящем раскрытии, в которой первый слой или группа слоев имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента, обеспечивает систему, в которой датчик более точно индицирует срок эксплуатации фильтрующего картриджа и, таким образом, обеспечивает более эффективное использование ресурса эксплуатации фильтрующего картриджа и предотвращает расточительные ненужные замены фильтрующего картриджа.
Если не ограничиваться теорией, принято считать, что описанное выше уменьшение вариабельности является, по меньшей мере частично, результатом того, что волновой фронт абсорбции является более однородным и менее вариабельным. Таким образом, когда реакция сенсорного элемента детектируется пользователем, волновой фронт абсорбции является однородным и обеспечивает точное представление об использовании слоя сорбента. Принято считать, что, поскольку первый слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента, наблюдаемый волновой фронт абсорбции является более однородным и менее вариабельным. Поскольку вариабельность в реакции сенсорного элемента уменьшена, может быть достигнуто более эффективное использование фильтрующего картриджа.
Если не указано обратное, все используемые в настоящем описании и формулы изобретения числовые значения, выражающие размер элемента, количества и физические свойства, должны во всех случаях рассматриваться как модифицируемые термином «приблизительно». Соответственно, если не указано обратное, числовые параметры, указанные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными значениями, которые могут варьировать в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить специалисты в данной области техники с применением описанных здесь идей. Перечисление числовых диапазонов посредством их предельных значений включает все числа, находящиеся в этом диапазоне (например, 1-5 включает 1; 1,5; 2; 2,75; 3; 3,80; 4 и 5), а также любой диапазон в пределах этого диапазона.
Используемые в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают воплощения, имеющие ссылки на множественное число, если содержание ясно не указывает на обратное. Например, термин «слой» включает воплощения, содержащие один, два или более слоев. Используемый в настоящем описании и прилагаемых пунктах формулы, термин «или» обычно применяется в том его смысле, который включает значение «и/или», если содержание ясно не указывает на обратное.
Используемый в настоящем документе термин «сенсорный элемент» относится к элементу или группе элементов, реагирующих на анализируемое вещество, например, как правило, посредством изменения по меньшей мере одного из их оптических свойств (что может проявляться в изменении цвета, изменении яркости, интенсивности отраженного света и т.д.) при воздействии на них анализируемого вещества. Сенсорный элемент содержит по меньшей мере один «индикатор» и также может содержать другие элементы. Используемый в настоящем документе термин «индикатор» относится к элементу, который при воздействии на него анализируемого вещества, такого как органический пар или кислота, претерпевает детектируемое изменение, обычно оптическое изменение. Если визуальное изменение является изменением цвета, индикатор называют «колориметрическим». Если сенсорный элемент содержит только один индикатор, эти термины используются взаимозаменяемо.
Используемый в настоящем документе термин «волновой фронт адсорбции» относится к слою газа, содержащего загрязняющие вещества, который прошел через слой сорбента. Слои газа, прошедшие через слой сорбента и не содержащие загрязняющих веществ, не являются волновым фронтом адсорбции.
Используемый в настоящем документе термин «прилегающий», применяемый относительно слоев или других элементов, означает, что слои или другие элементы находятся в непосредственной близости друг к другу без пустого промежутка между ними. Слои или другие элементы могут касаться друг друга или они могут проникать в слои или другие элементы.
Используемый в настоящем документе термин «дыхательное головное устройство» применительно к респиратору означает устройство для ношения человеком, в которое подается очищенный воздух, при этом такие дыхательные головные устройства содержат, например маски респиратора, плотно прилегающие по меньшей мере к дыхательным путям (нос и рот) человека, а также свободно прилегающие маски респиратора. Примеры дыхательных головных устройств, кроме прочего, включают эластомерные маски респираторов, респираторы, закрывающие все лицо, головные уборы, такие как мягкие капюшоны или твердые каски, или другие подходящие респираторные системы.
Используемый в настоящем документе термин «шланг» в отношении приводного респиратора означает устройство, содержащее канал с непроницаемой для текучей среды стенкой (стенками), через которую воздух может перемещаться для подачи отфильтрованного воздуха из источника чистого воздуха (такого как фильтрующий картридж) к дыхательному головному устройству.
Фильтрующий картридж согласно настоящему раскрытию способен удалять загрязняющие вещества из газовой среды и содержит герметичный корпус картриджа. Этот корпус содержит элементы фильтрующего картриджа, удерживает эти элементы в надлежащей конфигурации и защищает элементы от воздействия загрязняющих веществ из газовой среды за исключением направленного потока газовой среды, проходящей через фильтрующий картридж. Элементы фильтрующего картриджа, содержащиеся внутри герметичного корпуса картриджа, содержат по меньшей мере одно впускное отверстие для газа, фильтрующий материал и выпускное отверстие для газа. Фильтрующий материал содержит многослойную структуру, содержащую по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Каждый из этих элементов более подробно описан ниже.
Применение герметичного корпуса картриджа позволяет элементам фильтрующего картриджа находиться в связи по текучей среде друг с другом и защищает эти элементы от негативного воздействия, повреждения и т.д. Корпус обычно сконструирован непроницаемым для текучей среды, подлежащей фильтрации в условиях эксплуатации фильтрующего картриджа. Некоторые потенциально подходящие для корпуса материалы могут включать пластмассы, металлы, композиционные материалы и т.д.
Обычно единственными отверстиями в герметичном корпусе картриджа являются впускное отверстие для газа, находящееся в связи по текучей среде с внешней окружающей средой, и выпускное отверстие для газа, находящееся в связи по текучей среде с пользователем либо непосредственно, либо опосредованно.
Впускное отверстие для газа может быть обычным отверстием или рядом отверстий, или оно может быть более сложным устройством: так, например, оно может содержать предварительный фильтр или экран для уменьшения потока частиц, попадающих в фильтрующий картридж. Примеры предварительных фильтров включают, например, волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п. Предварительные фильтры могут быть съемными, для извлечения, и очистки, или замены. Примеры подходящих экранов включают, например, металлические или пластмассовые сетки, которые могут быть прикреплены без возможности снятия к впускному отверстию для газа или могут быть съемными. В некоторых конфигурациях фильтрующего картриджа может быть выполнено более одного впускного отверстия для газа.
Другим отверстием в корпусе фильтрующего картриджа является выпускное отверстие для газа. В зависимости от типа системы очистки воздуха, с которой применяется фильтрующий картридж, выпускное отверстие для газа может иметь различные формы и конфигурации. Если фильтрующий картридж применяется в пассивной системе респиратора, выпускное отверстие для газа может быть единственным отверстием или может быть рядом отверстий. Дополнительно выпускное отверстие может содержать фильтр или экран для предотвращения попадания к пользователю частиц или пыли из фильтрующего материала. Примеры подходящих фильтров включают, например, волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п. Фильтры могут быть съемными для извлечения, и очистки, или замены. Примеры подходящих экранов включают, например, металлические или пластмассовые сетки, которые могут быть прикреплены без возможности снятия к впускному отверстию для газа или могут быть съемными. Если фильтрующий картридж применяется в приводной системе респиратора, выпускное отверстие для газа может быть единственным отверстием, но в некоторых воплощениях оно может содержать ряд отверстий. В некоторых воплощениях выпускное отверстие для газа является выпускным клапаном, который может соединять корпус фильтрующего картриджа со шлангом или другим соединительным устройством для подачи очищенного воздуха к головному дыхательному устройству или другому устройству. Часто выпускное отверстие для газа является цилиндрическим отверстием, но могут применять и другие формы и контуры. Отверстие может также содержать конструкции, сконструированные для съемного прикрепления фильтрующего картриджа, например к шлангу или другому соединительному устройству.
Фильтрующий материал содержит многослойную структуру, содержащую по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. По меньшей мере один индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Каждый из первого и второго слоев сорбента может быть единственным слоем или может содержать множество подслоев. Кроме того, в дополнение к этим двум слоям сорбента, также могут присутствовать дополнительные слои. Примеры подходящих дополнительных слоев, которые могут наличествовать, включают, например, дополнительные слои сорбента и фильтры для улавливания частиц, такие как волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п.
Первый слой сорбента содержит по меньшей мере один поглощающий материал. Используемый в настоящем документе термин «поглощающий материал» относится к веществу, способному абсорбировать или адсорбировать органический пар. Эта абсорбция или адсорбция может быть либо физической (органический пар физически захватывается на поглощающем материале или внутри него), либо химической (органический пар химически взаимодействует с поглощающим материалом и захватывается). Как описано более подробно ниже, в дополнение к абсорбированию и адсорбированию органических паров, поглощающий материал также может абсорбировать или адсорбировать кислотные газы, основные газы или их комбинации.
Для применения в качестве поглощающего материала может подходить множество различных материалов. Поглощающий материал предпочтительно является достаточно пористым для возможности пропускания через себя имеющегося потока воздуха или других газов и может быть выполнен в виде мелкодисперсного твердого вещества (например, порошка, крупиц, хлопьев, гранул или агломератов) или в виде пористого твердого вещества (например, открытоячеистого пеноматериала или пористого монолитного материала). Обычно поглощающий материал является гранулированным.
Поглощающий материал может быть единственным материалом или он может содержать смесь материалов. Примеры подходящих поглощающих материалов включают, например, активированный уголь, обработанный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель, гопкалит, молекулярные фильтры, металлоорганические каркасы, откалиброванные материалы или другие известные поглощающие материалы, а также их комбинации. Дополнительно, как описано выше, первый слой сорбента может содержать множество подслоев. Каждый из этих подслоев может быть одинаковым или различным поглощающим материалом.
Особенно предпочтительные поглощающие материалы включают активированный уголь; оксид алюминия или оксиды других металлов, способные удалять целевой пар путем адсорбции; глину или другие минералы, обработанные растворами кислот, таких как уксусная кислота, или растворами щелочей, такими как водный раствор гидроксида натрия; молекулярные фильтры и другие цеолиты; другие неорганические сорбенты, такие как оксид кремния; органические сорбенты, включающие суперсшитые системы, такие как высоко сшитые стироловые полимеры, известные как «стиросорбы» (такие как описанные, например, в работе V.A. Dankov, Р. Tsyurupa, Pure and Appl. Chem, vol, 61, pp. 1881-89 (1989) и в L.D. Belyakova, T.I. Schevchenko, V.A. Davankov, Adv. In Colloid and Interface Sci. vol. 25, pp.. 249-66, (1986)). Активированный уголь и оксид алюминия являются особенно предпочтительными поглощающими материалами. Могут применяться смеси поглощающих материалов, например, для абсорбции смесей целевых паров. Если материал взят в мелкодисперсной форме, размер частиц сорбента может сильно отличаться, и его обычно выбирают частично на основе предполагаемых условий эксплуатации. В качестве общей рекомендации мелкодисперсные частицы поглощающего материала могут отличаться в размере, имея средний диаметр от приблизительно 4 до приблизительно 5000 микрометров, например средний диаметр от приблизительно 30 до приблизительно 1500 микрометров. Также могут применяться смеси частиц поглощающих материалов с различными диапазонами размеров (например, в бимодальной смеси частиц поглощающих материалов или в многослойных структурах с применением более крупных частиц сорбента в выше по потоку и более мелких частиц сорбента в ниже по потоку). Также могут применяться поглощающие материалы, применяемые в сочетании с подходящим связующим (например, уголь со связующим) или захваченные на подходящей опоре или внутри нее, как описано в патенте США №3971373 (Braun et al.), патенте США №4208194 (Nelson) и патенте США №4948639 (Brooker et al.), а также в публикации заявки на патент США № 2006/0096911 Al (Brey et al.). Также может быть использован дополнительно иммобилизованный уголь. Уголь может быть иммобилизован множеством различных способов, таких как связывание угля, использование содержащих уголь полотен, угольных блоков и т.п. Примеры иммобилизованного угля включают содержащие частицы волокнистые полотна, описанные в публикации международной заявки WO 2006/052694 (Brey et al.). Гранулированный активированный уголь является особенно предпочтительным поглощающим материалом. Примеры коммерчески доступного гранулированного активированного угля включают уголь от компании Kuraray Chemical Со. класса GG (для общего применения для физической адсорбции) и уголь класса GC или GW (обработанный кислотой уголь для общего применения для физической адсорбции), а также уголь от компании Jacobi Carbons АВ класса GA1 (для общего применения для физической адсорбции). Гранулированный активированный уголь класса GG от компании Kuraray или его эквивалент особенно подходит для адсорбции органического пара и может быть использован в первом слое сорбента.
Фильтрующий материал также содержит второй слой сорбента. Этот второй слой сорбента расположен ближе к выпускному отверстию для газа. Поскольку слои могут иметь множество различных форм, одним из способов сравнения и различия размеров слоев, являет классификация по их объемам. Первый слой характеризуется соответствующим объемом и второй слой также характеризуется соответствующим объемом. Указанные объемы первого слоя и второго слоя, а также любых других опциональных слоев сорбента могут быть скомбинированы для обеспечения общего объема слоя. Как правило, объем первого слоя составляет более 40% общего объема. В некоторых воплощениях объем первого слоя составляет более 50% общего объема.
Первый слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента. В общем, это означает, что первый сорбент является более эффективным слоем с точки зрения адсорбции органических паров, чем второй слой сорбента. Было обнаружено, что такая конфигурация слоев сорбента обеспечивает улучшения в плане вариабельности, другими словами, вариабельность уменьшается. В данном контексте вариабельность отражает то, насколько точно датчик предсказывает срок эксплуатации фильтрующего картриджа. Таким образом, конфигурация, описанная в настоящем раскрытии, в которой первый слой или группа слоев имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента, обеспечивает систему, в которой датчик более точно индицирует срок эксплуатации фильтрующего картриджа и, таким образом, обеспечивает более эффективное использование ресурса эксплуатации фильтрующего картриджа и предотвращает расточительные ненужные замены фильтрующего картриджа.
1
2
1
2
v
v
-1
В некоторых воплощениях отношение показателя A адсорбции первого слоя сорбента к показателю А адсорбции второго слоя сорбента составляет А/А>1. Показатель адсорбции слоя сорбента определяют по формуле А=k×SL, где А - показатель адсорбции; k - коэффициент эффективной скорости адсорбции (мин); и SL - ресурс эксплуатации (минуты), время, требующееся для проникания 1% определенного целевого пара при стандартной температуре и давлении.
Такое определение показателя адсорбции осуществляют с применением методики, описанной в Wood, Journal of the American Industrial Hygiene Association, Volume 55 (1), pages 11-15, (1994).
Поглощающий материал в первом слое сорбента отличается от поглощающего материала во втором слое сорбента. Примеры подходящих поглощающих материалов включают, например, активированный уголь, обработанный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель, гопкалит, молекулярные фильтры, металлоорганические каркасы, откалиброванные материалы или другие известные поглощающие материалы, а также их комбинацию. Гранулированный активированный уголь является особенно предпочтительным поглощающим материалом. Примеры коммерчески доступного гранулированного активированного угля включают уголь от компании Kuraray Chemical Со. класса GG (для общего применения для физической адсорбции) и уголь класса GC или GW (обработанный кислотой уголь для общего применения для физической адсорбции), а также уголь от компании Jacobi Carbons АВ класса GA1 (для общего применения для физической адсорбции). Гранулированный активированный уголь класса GA1 от компании Jacobi или эквивалентный особенно подходит для второго слоя сорбента. В некоторых воплощениях как первый, так и второй слои сорбента содержат гранулированный активированный уголь.
Первый и второй слои сорбента находятся в связи по текучей среде друг с другом. В некоторых воплощениях первый и второй слои сорбента являются непосредственно прилегающими друг к другу. В других воплощениях первый и второй слои сорбента являются раздельными слоями и могут быть разделены пористой мембраной или экраном.
Первый и второй слои сорбента могут иметь любые подходящие формы, такие как прямоугольная, круглая, овальная и т.д. Как правило, форма первого и второго слоев сорбента определяется формой и конфигурацией корпуса фильтрующего картриджа. Для первого и второго слоев сорбента может быть желательно, чтобы они имели одинаковую или подобную длину и ширину, или может быть желательно, чтобы второй слой сорбента имел меньшую длину и/или ширину и чтобы фильтрующий материал имел в целом сужающуюся структуру.
Фильтрующий картридж также содержит сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. Сенсорный элемент содержит по меньшей мере один индикатор, расположенный на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Сенсорный элемент индицирует прохождение волнового фронта адсорбции через фильтрующий картридж. Большое разнообразие сенсорных элементов подходит для применения в фильтрующих картриджах согласно настоящему раскрытию. Сенсорный элемент оптически реагирует на анализируемое вещество, например, посредством изменения по меньшей мере одного из его оптических свойств (что может проявляться в изменении цвета, изменении яркости, интенсивности отраженного света и т.д.) при прохождении волнового фронта адсорбции через первый слой сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом (подразумевающим оптическое изменение, детектируемое человеческим глазом); в других воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом (подразумевающим оптическое изменение, детектируемое электронным устройством). В некоторых воплощениях индикатор, расположенный на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента, может составлять весь сенсорный элемент; в других воплощениях сенсорный элемент больше или сложнее, и только индикатор расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента.
В некоторых воплощениях сенсорный элемент является пленкой. Пленка может иметь множество слоев и может быть колориметрической пленкой (т.е. пленка изменяет цвет при воздействии на нее органического анализируемого вещества), или она может подвергаться какому-либо другому детектируемому оптическому изменению при воздействии на нее анализируемого органического вещества. Примеры подходящих сенсорных пленок описаны в патенте США №7449146 (Rakow et al.) и в патентных публикациях США №2008/0063575 и 2008/0063874 (Rakow et al.).
Сенсорный элемент может также быть структурированным химическим сенсором, таким как описанный в патентной публикации США №2011/0094514 (Rakow et al.). Эти структурированные датчики содержат пленку, содержащую рабочую часть пленки, имеющую слой детектирования и слой окклюзии, связанный с рабочей частью пленки и окклюдирующий часть слоя детектирования. Слой детектирования реагирует на органическое химическое вещество, т.е. слой детектирования изменяет цвет при воздействии на него органического химического вещества. Слой окклюзии предотвращает доступ детектируемого химического вещества в окклюдируемую область и не допускает изменения цвета. Суммарный эффект такой конструкции заключается в том, что в одной рабочей части пленки, при воздействии органического химического вещества, «старый» цвет (то есть цвет в исходном состоянии) слоя детектирования и «новый» цвет (то есть цвет в состоянии измененного цвета слоя детектирования) представлены смежно друг с другом, позволяя пользователю легко определить, произошло ли изменение.
В зависимости от сложности сенсорного элемента внутри фильтрующего картриджа может быть расположен весь сенсорный элемент или часть сенсорного элемента может быть расположена внутри фильтрующего картриджа, а часть сенсорного элемента может быть расположена снаружи фильтрующего картриджа. Это особенно характерно для электронных сенсорных элементов.
В некоторых воплощениях весь сенсорный элемент расположен внутри фильтрующего картриджа. Обычно в этих воплощениях герметичный корпус фильтрующего картриджа содержит окно или иное устройство визуализации, обеспечивающее пользователю возможность видеть сенсорный элемент. Окно или иное устройство визуализации может быть выполнено из стекла или прозрачного пластика. Пример такого устройства описан в патентной публикации США №2010/0294272 (Holmquist-Brown et al.).
Поскольку сенсорный элемент может быть расположен в любом месте фильтрующего картриджа, если по меньшей мере его часть находится на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента, в некоторых воплощениях может быть желательно, чтобы сенсорный элемент располагался на стенке герметичного корпуса фильтрующего картриджа. Таким образом, сигнал либо оптического, либо электронного сенсорного элемента легко передается пользователю. В некоторых воплощениях с колориметрическими сенсорными элементами колориметрический сенсорный элемент расположен на стенке герметичного корпуса фильтрующего картриджа непосредственно прилагающим к окну или иному устройству визуализации.
Три воплощения фильтрующих картриджей согласно настоящему раскрытию показаны на фиг. 1, 2 и 3. На фиг. 1 фильтрующий картридж 100 содержит впускное отверстие 110 для газа, первый слой 120 сорбента, второй слой 130 сорбента, выпускное отверстие 140 для газа и сенсорный элемент 150. На фиг. 2 представлено похожее воплощение, показывающее фильтрующий картридж 200, содержащий впускное отверстие 210 для газа, первый слой 220 сорбента, второй слой 230 сорбента, выпускное отверстие 240 для газа и сенсорный элемент 250. В фильтрующем картридже 200 второй слой 230 сорбента уже, чем первый слой 220 сорбента, что придает фильтрующему материалу в целом сужающуюся структуру. На фиг. 3 показано воплощение фильтрующего картриджа 300 с разделенным потоком. В фильтрующем картридже 300 впускные отверстия 310 для газа расположены вверху и внизу фильтрующего картриджа 300. Впускные отверстия 310 для газа находятся в связи по текучей среде с первыми слоями 320 сорбента, вторыми слоями 330 сорбента, выпускным отверстием 340 для газа и сенсорными элементами 350.
Также раскрыты способы фильтрации загрязняющих веществ из газа. Эти способы включают обеспечение фильтрующего картриджа вышеописанного типа, содержащего герметичный корпус картриджа с многослойными слоями сорбента и сенсорным элементом, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, выявление реакции сенсорного элемента и замену фильтрующего картриджа.
Газообразные загрязняющие вещества обычно содержат органические пары, кислотные газы, основные газы или их комбинации. Термин «органический пар», применяемый в настоящем документе, относится к широкому диапазону находящихся в воздухе летучих органических соединений, которые могут быть вредными для людей, если присутствуют во вдыхаемом ими воздухе. Примеры органических паров, помимо прочего, включают: спирты, такие как изопропанол и бутанол; алканы, такие как гексан и октан; ароматические соединения, такие как бензол, толуол, ксилолы и стирол; галоуглероды, такие как хлороформ и метиленхлорид; кетоны, такие как ацетон и метилэтилкетон; эфиры, такие как тетрагидрофуран; сложные эфиры, такие как этилацетат и этоксиэтилацетат; акрилаты, такие как метилакрилат; нитрилы, такие как ацетонитрил; изоцианаты, такие как толуол-2,4-диизоцианат; и т.п. Используемый в настоящем документе термин «кислотные или кислые газы» относится к газам, содержащим некий кислотный компонент. Кислотный компонент сам по себе может быть газом, таким как, например, газ хлористого водорода, но кислотный компонент не обязательно сам должен быть газом, а просто может присутствовать в газе или газовой смеси. Кроме того, кислотные газы сами по себе могут не быть кислотами, а кислотные соединения могут получаться в результате их соединения с другими материалами, присутствующими в атмосфере. Используемый в настоящем документе термин «щелочные газы или основные газы» относится к газам, содержащим некий щелочной компонент. Щелочной компонент сам по себе может быть газом, таким как, например, аммиачный газ, но щелочной компонент не обязательно сам по себе должен быть газом, а просто может присутствовать в газе или газовой смеси. Кроме того, щелочные газы сами по себе могут не быть щелочами, а щелочные соединения могут получаться в результате их соединения с другими материалами, присутствующими в атмосфере.
Как обсуждалось выше, фильтрующие картриджи содержат по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа фильтрующего картриджа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. По меньшей мере один индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента.
Обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может осуществляться множеством различных способов в зависимости от типа респираторного устройства, к которому прикреплен фильтрующий картридж. Если респираторное устройство является пассивным респиратором, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может включать надевание респиратора и вдыхание. Впускное отверстие для газа фильтрующего картриджа может быть герметизированным или закрытым для защиты фильтрующего картриджа до начала его использования, поэтому обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может также включать этапы снятия герметичного уплотнения или открытия впускного отверстия фильтрующего картриджа. Кроме того, респиратор и фильтрующие картриджи могут храниться отдельно, поэтому может наличествовать этап сборки, включающий прикрепление фильтрующего картриджа к устройству респиратора. Также респиратор может содержать более одного фильтрующего картриджа, и эти фильтрующие картриджи могут быть одинаковыми или различными.
Если респиратор является приводным респиратором, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может включать надевание респиратора и регулировку мощности вентилятора или другого устройства, применяемого для приведения в действие респиратора. Как и в пассивной респираторной системе, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может также включать этапы снятия герметичного уплотнения или открытия впускного отверстия для газа фильтрующего картриджа или респиратора в сборе.
По мере использования респираторного устройства, содержащего фильтрующий картридж согласно настоящему раскрытию, наступает момент, когда подходит окончание полезного функционирования первого слоя сорбента. В этот момент индикатор, расположенный на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента, активируется и приводит к реакции в сенсорном элементе. Реакция сенсорного элемента обычно является оптической. Если сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом, происходит изменение цвета, детектируемое пользователем. Если сенсорный элемент является электронным, генерируется детектируемый пользователем электронный сигнал.
В некоторых воплощениях может быть полезным провести испытание фильтрующего картриджа-прототипа на предмет фильтрации образца органического пара и определить показатель окончания ресурса эксплуатации (определяемый проникновением органического пара) до момента активации сенсорного элемента. Этот процесс более полно описан в разделе «Примеры». Может быть предпочтительно, чтобы показатель составлял 0,90 или менее, означая, что на момент активации сенсорного элемента остается 10% поглощающей способности фильтрующего картриджа. Это значение, равное 10%, оставшейся поглощающей способности соответствует существующему стандарту Национального института по охране труда и промышленной гигиене (NIOSH) для заблаговременного предупреждения пользователя о необходимости в замене фильтрующего картриджа.
Детектирование реакции датчика пользователем является указанием пользователю заменить фильтрующий картридж. Преимущество настоящей системы фильтрующего картриджа и способа фильтрации загрязняющих веществ из газа заключается в том, что, когда пользователь детектирует реакцию датчика, волновой фронт адсорбции является в сущности однородным и, таким образом, обеспечивает точное представление об использовании углерода. Поскольку первый слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем второй слой сорбента, наблюдаемый волновой фронт абсорбции является более однородным и менее вариабельным. Таким образом, второй слой сорбента, обладающий меньшей фильтрующей способностью, обеспечивает дополнительный безопасный допуск до тех пор, пока фильтрующий картридж не будет заменен.
ПРИМЕРЫ
Эти примеры приведены исключительно в иллюстративных целях и не предусматривают ограничения предмета прилагаемой формулы изобретения. Все пропорции, процентные содержания, соотношения и т.д. в примерах и остальной части описания приведены по весу, если не указано обратное. Используемые растворители и другие реагенты были получены от Sigma-Aldrich Chemical Company, Милуоки, штат Висконсин, если не указано иное.
Способы испытаний
Определение ресурса эксплуатации фильтрующего картриджа
Ресурс эксплуатации измеряли посредством испытания картриджа гептаном в количестве 1000 ppm при скорости потока 32 л/мин и относительной влажности 50%. Ресурс эксплуатации измеряли при получении 45 ppm гептана на выпускном отверстии. Концентрацию растворителя поддерживали с помощью насоса Pharmacia серии Р-500, при этом производительность насоса была установлена на уровне 45,446 мл/ч. Концентрация на выходе была измерена с применением пламенно-ионизационного детектора (ПИД) Total Hydrocarbon analyzer FID GOWMAC серии 23-550, изготовленного GowMac Instrument Co.
Настройки детектора ПИД были следующие: диапазон 2, давление воздуха 22, давление топлива 26, давление на образец 1 и период измерений 4.28. Относительную влажность определяли с помощью конденсационного гигрометра с охлаждаемым зеркалом от компании Edgetech.
Сравнительный пример С1:
Подготовка картриджа С1:
3
Образцы фильтрующих картриджей были собраны с использованием корпуса картриджа и наполнены с помощью колонны для засыпки материалом SM-1 в количестве 103 кубических сантиметров (см).
Испытание картриджа С1:
Картриджи, собранные, как указано выше, испытывали на предмет окончания ресурса эксплуатации с использованием вышеописанного способа испытания. Регистрировали момент, когда датчик в фильтрующем картридже индицировал, что окончание ресурса эксплуатации настало. Момент начала проникновения также регистрировали и записывали, как средний ресурс эксплуатации. Наряду со среднеквадратическим отклонением было определено соотношение данного измеренного конечного ресурса эксплуатации к началу проникания (среднему ресурсу эксплуатации). Предпочтительно, чтобы соотношение составляло 0,90 или менее для обеспечения 10% времени заблаговременного предупреждения пользователя картриджа (согласно существующим требованиям NIOSH). Эти данные представлены в Таблице 1.
Примеры 1-4:
Подготовка картриджей 1-4:
Образцы фильтрующих картриджей были собраны с применением корпуса картриджа и наполнены с применением пробирки количествами поглощающих материалов, показанными в Таблице 2. Сравнительный пример С1 приведен для справки.
Испытание картриджа 1-4:
Картриджи, собранные, как указано выше, испытывали на предмет окончания ресурса эксплуатации с использованием вышеописанного способа испытания. Регистрировали момент, когда сенсор в фильтрующем картридже индицировал, что окончание ресурса эксплуатации настало. Момент начала проникновения также регистрировали и записывали, как средний ресурс эксплуатации. Наряду со среднеквадратическим отклонением было определено соотношение данного измеренного конечного ресурса эксплуатации к началу проникания (среднему ресурсу эксплуатации). Предпочтительно, чтобы соотношение составляло 0,90 или менее для обеспечения 10% времени заблаговременного предупреждения пользователя картриджа (согласно существующим требованиям NIOSH). Эти данные представлены в Таблице 3.