[发明专利]包含金属掺杂的硅基凝胶材料的空气过滤介质

说明书

发明领域

本发明一般涉及用于能够高效地过滤掉有毒气体(例如氨)的空气处理系统中的环境控制。这种过滤系统使用新颖的金属掺杂的二氧化硅基凝胶，从封闭环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要具有特殊的孔隙度和密度测量值。另外，为了进行最有效的金属掺杂，这些凝胶优选在处于湿态的情况下用多价金属盐处理。结合这些特殊的性质和金属掺杂剂，使得能够进行高度有效的有毒气体过滤，从而获得与之前的介质过滤产品相比尤为显著的极佳吸收和穿透结果。使用方法和具体过滤设备也包括在本发明之内。

发明背景

人们对于具有以下特征的空气处理系统的需求一直在不断地增加，所述空气处理系统包括空气过滤系统，该空气过滤系统能够保护封闭场所免受该场所附近空气中的有毒蒸气以及颗粒的影响。每年都有许多有毒蒸气污染建筑物环境、导致疾病和破坏的事件发生。目前人们还在努力保护建筑物和其它重要的封闭场所(enclosure)免受作为恐怖主义活动的一部分而释放出的有毒的空气中的蒸气和颗粒的影响。结果，新的过滤器设计的要求受到了军方的推动，以进行保护，使得免受某种有毒气体的伤害。

大体来说，不论在民用设施或军用设施中，仅含颗粒过滤器的常规空气过滤系统(例如具有纸板框架的玻璃纤维垫过滤器)根本无法防护有毒蒸气。市售的静电纤维过滤器对较小的颗粒的去除效率高于标准的尘土过滤器，但是它们仍然不具有蒸气过滤能力。HEPA(″高效率颗粒空气″)过滤器用来高效率地过滤超细固体和液体颗粒的空气分散体，所述颗粒是例如尘土和花粉，放射性微粒污染物以及气溶胶。然而，当面临的威胁是气态化合物或者极小尺寸的气态颗粒(即小于＜0.001微米)的时候，常规的市售HEPA过滤器无法拦截和控制这些种类的空气中的作用物。

最常用的从污染空气中除去蒸气和气体的过滤技术是活性炭。这种活性炭基气体过滤已经被应用于许多各种各样的蒸气相过滤应用中，包括防毒面具和军用车辆以及隐蔽所的保护。在这些应用中，使用浸渍有金属盐的活性炭除去所有的有毒蒸气(例如胂、沙林气体等)。这些有毒气体通常需要大多数商业应用所不需要的高过滤效率。与之相对的是，常规的商业过滤器通常包括位于非织造织物(例如纤维垫)之上或结合在其之内的活性炭材料，还包含共存的填充吸附剂颗粒的大固定床。通常这些用于空气纯化的商业过滤器一直使用，直至在流出物中测得意图除去的化学物质的浓度达到容易测量的百分量(例如10％)时为止。对于防毒面具和/或军用车辆应用，需要更高的长期效率。

在无法通过未浸渍的活性炭除去气体的应用中，使用浸渍的活性炭。这些现有技术的浸渍的活性炭配方通常包含浸渍在活性炭上的铜、铬和银。这些吸附剂能够有效地除去许多种有毒材料，例如氰化物基气体和蒸气。

除了浸渍在活性炭上的许多种其它的无机材料以外，已经发现各种有机浸渍物可以有效地在军事用途中除去氯化氰。它们的例子包括三亚乙基二胺(TEDA)和吡啶-4-羧酸。

人们已经提出用于建筑物保护的各种高效的过滤器系统(商用型和军用型的)，其使用浸渍有铜-银-锌-钼-三亚乙基二胺的活性炭来过滤许多种有毒化学蒸气和气体。但是已经证明这种特殊的活性炭基过滤器对于氨、环氧乙烷，甲醛和氮氧化物之类的其它气体是无效的。这些气体在工业中是非常常见的，当以足够量存在的时候(特别是在密闭空间内)对人体是有害的，迄今为止，已经证明其它过滤器装置不适于环境处理和/或其去除，人们无疑仍需要一种过滤机理来弥补这些缺陷，特别是在高相对湿度(RH)和低相对湿度的环境下弥补这些缺陷。各种化学物质会受到吸附的水的不同的影响。对于氨，由于吸附的水实际上会提高氨与目标吸附剂的亲和性，所以很难在低相对湿度条件下进行过滤(设计的限制)。对于环氧乙烷，情况则相反，这是由于在设计合适的过滤器系统的时候，处于高湿度条件下会带来问题。迄今为止，尚无包含少量过滤介质的过滤系统能够在其设计限制RH之下、在较高的吸收对象浓度之下(例如1000ppm)，长时间有效地除去这些气体，而最终不会发生从过滤器洗脱(eluting)的现象。