Фильтрующая система широкого применения, включающая пропитывающее вещество на основе вольфрама и пригодная для отфильтровывания вредных примесей из воздуха или других газов

Изобретение относится к области фильтрующих материалов. Предложена фильтрующая система, в состав которой входит материал на основе соединений вольфрама в количестве 0,5-10 вес. частей в комбинации с кислыми и щелочными пропиточными материалами, внедряемыми в субстрат, представляющий собой фильтрующую среду в виде твердых частиц с увеличенной площадью поверхности. Изобретение позволяет обеспечить эффективное удаление широкого спектра загрязняющих веществ, включая HCN, хлорциан (СК), аммиак и другие загрязнители кислого и щелочного характера. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к фильтрующим материалам, используемым для удаления загрязняющих веществ из воздуха или иных газов. В частности, данное изобретение относится к фильтрующим материалам, включающим в себя, по крайней мере, один тип фильтрующего материала, частицы которого содержат вольфрам, а также содержащим иные компоненты и прочие пропитывающие вещества, позволяющие в широких пределах варьировать характеристики фильтрующих систем.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Субстратные частицы с увеличенной площадью поверхности, такие как активированный уголь, оксид алюминия, цеолиты и тому подобные материалы, широко используются в системах фильтрации воздуха, так как обладают способностью удалять из него широкий спектр различных материалов. Фильтрующие характеристики данных материалов обусловлены высокой пористостью или криволинейной поверхностной структурой. Пористая поверхность для активированного угля определяется применением способа контролируемого окисления на стадии «активирования» в ходе производства данного материала.

Способность угля удалять загрязняющие вещества из воздуха за счет прямого поглощения определяется взаимодействием на молекулярном уровне между молекулами газа и поверхностью угля. Масштаб этого взаимодействия зависит от факторов, определяющих как физические, так и химические характеристики на поверхности угля, молекулярной конфигурации и размеров газообразного компаунда в струе газа, концентрации газообразных составляющих в струе газа, направляемого для фильтрации, продолжительности удержания газа на угольном слое, температуры, давления и наличия других химических реагентов. В качестве правила, установленного на практике, степень поглощения при наличии одинарного загрязнителя в первую очередь зависит от температуры его кипения. В целом, чем выше температура кипения, тем выше способность угля к удалению химического вещества.

Соответственно, уголь сам по себе не обладает высокой способностью к удалению газов с низкой температурой кипения. Для повышения способности угля к фильтрации газов с более низкой температурой кипения были применены различные технологии, предусматривающие нанесение на его поверхность химических веществ. Эти способы обработки в большинстве случаев известны как «пропитка», в результате которой получают «пропитанный» уголь.

Разработка технологий пропитки на протяжении последнего века сопровождалась появлением различных пропиточных материалов, предназначаемых для удаления широкого спектра химических веществ. В военные годы в области разработки специальных типов угля наблюдался ускоренный прогресс, провоцируемый как реально существующими, так и предполагаемыми факторами опасности. При этом до настоящего времени наблюдаются различия между типами фильтрующих материалов, используемых в военных целях и в гражданской промышленности. Нужды военной сферы включают в себя требования, предусматривающие создание таких фильтрующих материалов, которые бы обеспечивали возможность удаления сразу самых различных типов химических веществ; в ответ на эти требования были разработаны многокомпонентные пропиточные составы. В промышленности, когда характер вероятной опасности известен заранее, применяется методика отбора именно такого фильтра, который соответствует характеру данной угрозы. Соответственно для применения в гражданской сфере разрабатываются фильтры, обладающие способностью к нейтрализации определенного типа или класса химических веществ.

Со временем, законодательные рамки, регламентирующие выбор и применение средств защиты органов дыхания, совершенствовались, как совершенствовались и системы нормативного утверждения этих средств с тем, чтобы их конструкция соответствовала заявленным эксплуатационным требованиям. Такие системы нормативного утверждения для промышленности разрабатываются для применения в международном масштабе. Одним из таких видов нормативного утверждения является система Европейских Норм, широко применяемая в Европе и по всему миру. Еще одним примером таких нормативных утверждений являются требования Национального института по Охране труда и Промышленной Гигиене США, которые приняты в США, Канаде и некоторых других странах. Требования для военных ведомств, технические условия определяются в зависимости от конкретных национальных условий каждой страны, хотя существуют и международно признанные стандарты, разработанные под эгидой Организации Северо-Атлантического Союза (НАТО).

Первый патент США на технологическую обработку угля был выдан на технологию, имеющую целью нейтрализацию с его помощью действия различных химических веществ военного применения и защиты живой силы во время Первой Мировой войны. В Патенте Джошуа К Везеля (Joshua С. Whetzel) и Р.Е.Вильсона (R.H.Wilson) (патент США 1519470, 1924) описано использование аммиачного раствора карбоната меди для пропитки гранулированного активированного угля. Эта технология получила известность как «Ветлеризация», а само угольное изделие как «Ветлерит». С течением времени данная технология подвергалась усовершенствованиям (США 2920050, США 2920051, DE (Герм) 1098579, FR (Фр) 1605363, JP (Яп) 7384984, CZ (Чех) 149995).

В годы Второй Мировой войны были проведены обширные технические исследования, связанные с использованием пропитанных углеводородов. Исследования в данной области, проведенные в США, были подытожены в работе «Проблемы военного ведомства, связанные с аэрозолями и Нестойкими газами», Глава 4: «Импрегнирование древесного угля», авторами Грабенштеттером Р.Дж (Grabenstetter R.J.,) и Бласетом Ф.Е, (Blacet F.E.,), Раздел 10 Отчет Национального Исследовательского Комитета по Обороне (1946) стр. 40-87. Данный отчет содержит подробное описание ряда пропиточных формул.

В Соединенном Королевстве был принят на вооружение несколько иной подход к вопросу пропитки. Здесь, окись меди примешивалась к углю перед его последующей карбонизацией и активированием таким образом, что активированный уголь содержал на конечном этапе металлическую медь, распределенную по всей его структуре. Этот материал стал основой для фильтрующих углей, использованных в годы Второй Мировой войны.

Способность угля к удалению цианового хлорциана (СК) была усовершенствована за счет применения аминового пиридина, или отдельно, за счет импрегнирования хромом в форме натриевого бихромата. Данная форма угля в сочетании с пиридиновым пропиточным составом была использована в военных дыхательных фильтрах, изготовляемых в 1970-х годах.

В ходе исследований, проводимых после Второй Мировой войны, изучались вопросы увеличения сроков службы при хранении импрегнированного угля за счет добавления к нему органических соединений. Эксперименты с применением различных аминов были проведены в Великобритании, Франции и в других странах. Одним из материалов, который способствовал увеличению срока годности при хранении импрегнированного угля, предназначенного для защиты от хлорциана, оказался триэтилленэдиамин (известный также под другими названиями, такими как TEDA, DABCO или 1,4 диазабицикло-2,2,2-октан). При пропитке им угля TEDA CA по себе продемонстрировал способность вступления в непосредственную реакцию с хлорцианом и также продемонстрировал высокую способность к удалению метил бромида и метил иодида. TEDA хорошо адсорбируется в уголь, стабилен и эффективен при пониженных уровнях и обладает минимальной токсичностью в сравнении с прочими аминовыми соединениями. TEDA тверд при комнатной температуре, однако с легкостью сублимируется.

Хром традиционно используется для импрегнирования угля, используемого в военной промышленности, так как он способствует достаточно эффективному удалению циановодорода и хлорциана (СК). Из-за гексавалентной формы своих ионов хром признан сильным легочным канцерогеном. Работы, проводимые в недавнее время и в начале 1970-х годов, были направлены на исследование составов, позволяющих избежать или снизить уровни использования солей хрома для пропитки.

В последнее время традиционная роль военных сил сместилась от участия более или менее прогнозируемых военных конфликтах к выполнению функций по установлению и поддержанию мира, а также к оказанию помощи гражданским властям в рамках реагирования на чрезвычайные ситуации. В числе таких функций могут быть мероприятия по реагированию на выброс химических реагентов, как случайный, так и намеренный. Намеренный выброс химических реагентов, известный как «химический терроризм», имел место на практике и множество раз такого типа угроза высказывалась террористами. Такие происшествия могут быть связаны с использованием как химических реагентов, традиционно рассматриваемых в качестве факторов угрозы военного характера, так и просто опасных химических веществ, обычно используемых в промышленности. Мероприятия по реагированию на такого рода факторы опасности, в конечном счете, как правило, будут проводиться как гражданскими, так и военными властями и по всей вероятности потребуют создания систем защиты, отвечающих как требованиям, разработанным для промышленности, так и для военной сферы.

Системы защиты, основанные на принципах фильтрации, могут применяться персоналом, выполняющим задачи на некотором удалении от точки выброса химического вещества. В таких случаях, желательно, чтобы персонал был способен реагировать на фактор опасности быстро и без промедления. Обычно, однако, задержка в принятии мер может быть неизбежной, так как требуется некоторое время для первоначального определения характера угрозы и выбора соответствующего ей фильтра. Для того чтобы иметь возможность реагировать на широкий спектр возможных факторов опасности, необходимо вести инвентаризационную опись множества различных предлагаемых типов фильтров. Значительно более целесообразным представляется иметь в наличии один тип фильтра, обеспечивающий защиту от многих различных факторов опасности. Такой тип многоцелевого фильтра будет отвечать как промышленным, так и военным нуждам.

В Патенте США №5492882 описана система, состоящая из фильтрующих частиц, пропитанных медными соединениями (Cu), цинковыми соединениями (Zn), сульфатом аммония, влагой, молибденовыми соединениями и прочими реагентами, используемыми в некоторых конструктивных воплощениях. Молибденовые соединения имеют тенденцию к значительной кислотности и используются для повышения уровня защиты не только от HCN и хлорциана (СК), но также и от базовых газов, таких как аммиак. Вместе с тем, молибден в данных формулах используется при относительно высоком заполнении по массе, заполняя собой значительные секции частиц субстрата, которые могли быть использованы для дополнительной обработки другими импрегнантами, которые могли бы быть использованы в ситуациях, когда эффективность молибдена утрачивается и/или уменьшается. Молибденовые соединения имеют тенденцию к значительной кислотности, что ограничивает возможность применения других совместных импрегнантов, при кислотном воздействии молибдена. Молибден также достаточно дорог в сравнении с другими пропиточными материалами.

Итак, снижение концентрации молибдена или отказ от его использования в химическом соединении - непростая задача. Проблема значительной важности заключается в том, чтобы найти возможность снижения концентрации молибдена или даже отказаться от его использования, но при этом обеспечить защиту не только от HCN и СК, но также и от аммиака и от других базовых загрязняющих веществ.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение представляет собой системы фильтрации с широкими фильтрующими характеристиками. Данное изобретение предусматривает получение фильтрующих систем, обладающих высокой эффективностью от воздействия широкого спектра загрязняющих веществ, включая HCN, хлорциан (СК), кислотные загрязнители и базовые загрязняющие вещества, такие как аммиак - при этом отпадает необходимость в использовании молибдена или хромсодержащих материалов (при необходимости, однако, использование таких веществ не исключается). Для получения удовлетворительных характеристик очистки как от аммиака, так и HCN в современных стандартных фильтрующих составах необходимо использовать молибден (или еще более токсичные составы, содержащие Cr - хром). Возможность отказаться от использования молибдена в фильтрующей системе позволяет повысить спектр применения состава (ввиду того, что молибден обладает сильной кислотностью) и исключить высокие затраты, сопряженные с применением молибдена.

Фильтрующие системы особенно подходят для первичного применения в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, при использовании их для фильтрации широкого спектра токсичных газов и испарений, образующихся в промышленности, а также химических веществ, используемых в качестве боевых отравляющих веществ. Фильтрующие системы демонстрируют характеристики, требуемые как применимыми промышленными спецификациями на фильтрацию, так и международно признанными военными стандартами, регламентирующими рабочие характеристики фильтров. Данное изобретение относится в первую очередь к вариантам обработки угольных фильтров с целью повышения их способности удалять токсичные газы с низкой температурой кипения. В предпочтительном варианте применения полученная фильтрующая система особенно хорошо подходит для очистки воздуха при использовании ее в средствах защиты органов дыхания. Вместе с тем, польза данного изобретения сводится не только к области защиты дыхания, но также изобретение может применяться для очистки воздуха или иных газов в связи с технологическими процессами в промышленности.

Широкие возможности фильтрующих систем позволяют создавать конструкции фильтров самого широкого спектра применения, включая фильтры, встраиваемые в противогазы, или устанавливаемые как в один, так и несколько слоев в дыхательных системах принудительной очистки воздуха. Одной из таких систем принудительной очистки воздуха является система коммерческого изготовления, выпускаемая под торговой маркой "BREATHE-EASY" компанией Minnesota Mining and Manufacturing Company (3M).

Преимуществом является то, что фильтрующие системы обладают не только самым широким спектром рабочих характеристик, но также являются компактными и удобными в использовании. Например, фильтрующий состав в соответствии с данным изобретением может быть встроен в тех же самых корпусах и коробках, которые используются в настоящее время и представляют собой фильтрующие изделия коммерческого изготовления. Широкий спектр рабочих характеристик и удобство в применении достигнуты при одновременном обеспечении отличных параметров интенсивности прохода/подачи воздуха. Сопротивление прохождению воздушного потока представленного фильтрующего состава с запасом соответствует требованиям действующих в настоящее время промышленных и военных спецификаций.

Широкий спектр фильтрующих характеристик позволяет использовать представленные в настоящем изобретении фильтрующие системы персоналом групп реагирования, участвующим в выполнении мероприятий по ликвидации последствий происшествий, связанных с выбросом химических веществ, точный тип которых невозможно определить или спрогнозировать заблаговременно. Такая гибкость в реагировании исключает необходимость хранения значительных материальных запасов фильтров различного типа. Во многих обстоятельствах применение фильтрующих систем позволяет без промедления принять меры по ликвидации последствий происшествия, так как широкий спектр защитных свойств, обеспечиваемый данной фильтрующей системой, делает возможным сократить время реагирования за счет исключения таких этапов как анализ химических веществ при выдаче фильтрующей системы, идентификацию химического вещества, подбор требуемого в данной ситуации фильтра, так как фактическая ликвидация последствий происходит только после выполнения этих мероприятий.

В предпочтительном варианте в состав фильтрующих систем, представленных в данном изобретении, входит материал на вольфрамовой основе, а также прочие пропиточные материалы, включенные в структуру субстрата, такие как частицы фильтрующего вещества. Данные субстраты могут использоваться как сами по себе, так и в сочетании с другими фильтрующими материалами. Например, материалы из фильтрующих частиц, содержащих вольфрам, могут перемешиваться, укладываться слоями или иным образом применяться в сочетании с высокоэффективным фильтрующим веществом с целью обеспечения комбинированной защиты от газовых, паровоздушных или твердых загрязняющих веществ. В качестве еще одного примера можно привести материалы из фильтрующих частиц, содержащих вольфрам, которые могут перемешиваться, укладываться слоями или иным образом применяться в сочетании с фильтрующим веществом, изготовленным из так называемых фильтрующих материалов класса В по классификации Европейского Комитета по Стандартизации (CEN).

В одном из своих аспектов представленное изобретение относится к фильтрующим системам, включающим поверхностный субстрат с увеличенной площадью поверхности. На субстрат укладывается первый импрегнант из материала, содержащего вольфрам, в концентрации, достаточной для создания фильтрующего вещества, обеспечивающего защиту от загрязнителей HCN. Второй импрегнант, входящий в состав фильтрующей системы, содержит фильтрующее вещество в концентрации, достаточной для создания фильтра, обеспечивающего защиту от базовых загрязняющих веществ. Третий тип импрегнанта, укладываемый на субстрат фильтрующей системы, содержит фильтрующее вещество в концентрации, достаточной для создания фильтра, обеспечивающего эффективную защиту от кислотных загрязнений.

В еще одном из своих аспектов представленное изобретение относится к фильтрующим веществам. В состав фильтрующего вещества входит субстрат. На субстрат укладывается импрегнант, содержащий медь в концентрации, достаточной для создания вещества, способного отфильтровывать кислотные загрязнители. На субстрат укладывается импрегнант из материала, содержащего вольфрам, в концентрации, достаточной для создания фильтрующего вещества, обеспечивающего защиту от загрязнителей HCN. Концентрация размещаемого на субстрате кислотного, содержащего сульфат импрегнанта достаточна для создания фильтра, обеспечивающего защиту от базовых загрязняющих веществ.

В еще одном из своих аспектов представленное изобретение относится к способу изготовления фильтрующего вещества. Данный способ предусматривает выполнение производственных этапов, предусматривающих внедрение ингредиентов, таких как карбонат, сульфат, гидроокись, материалы, медесодержащий материал, вольфрам содержащий материал, используемых как поодиночке, так и в сочетании, в одну присадку или большее их количество; при этом, по крайней мере, один из ингредиентов включает в свой состав аммониевую составляющую. Технология предусматривает импрегнированное контактирование одной или более присадок в субстрате с получением в результате пропитанного субстрата. Импрегнированный субстрат высушивается, при этом, по крайней мере, частично, сушка производится в вакууме при достаточно высокой температуре, позволяющей формирование по месту на субстрате кислого сульфатного соединения.

В еще одном из своих аспектов представленное изобретение относится к способу изготовления фильтрующего вещества. Данный способ предусматривает выполнение производственных этапов, предусматривающих получение информации, указывающей на то, каким образом рабочие параметры органических паров фильтрующего вещества соотносятся с концентрацией импрегнанта, удаляющего HCN и располагаемого на фильтрующем веществе. Данная информация используется для изготовления фильтрующего вещества, в состав которого входит импрегнант, обеспечивающий удаление HCN.

В еще одном из своих аспектов представленное изобретение относится к способу изготовления фильтрующего вещества. Данный способ предусматривает выполнение производственных этапов, предусматривающих получение информации, указывающей на эффективность действия импрегнанта, удаляющего HCN, в виде функции молекул реагента, используемого на единицу субстрата. Данная информация используется для изготовления фильтрующего вещества, в состав которого входит импрегнант, обеспечивающий удаление HCN, импрегнируемый в субстрат.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩИХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ВОПЛОЩЕНИЙ.

Нижеследующие варианты конструктивных воплощений представляемого изобретения не являются исчерпывающими и не ограничивают применение их строгими рамками приводимого далее подробного описания. Скорее, подбор и описание приводимых ниже конструктивных воплощений осуществлены таким образом, чтобы другие специалисты данной отрасли могли оценить и понять принципы и способы практической реализации данного изобретения.

Фильтрующие системы в соответствии с представленным изобретением включают в свою структуру фильтрующий материал, в состав которого входит субстрат с увеличенной площадью поверхности, пропитанный или обработанный иным способом таким образом, что он способен принимать в себя желательное сочетание описанных ниже пропиточных материалов; в результате этой пропитки фильтрующая система обеспечивает эффективное удаление различных загрязнителей, включая циановодород, хлорциан, кислотные загрязнители, базовые, органические паровоздушные и тому подобные загрязнители. Данный широкий спектр применения данного изобретения не требует обязательного использования в нем молибдена или хрома (хотя при необходимости оно возможно). Под термином эффективность фильтрации, обычно, понимается то, что фильтрующий материал, в состав которого входит импрегнант, обладает большей способностью к удалению указанных загрязнителей из газовых смесей в сравнении с другим идентичным веществом, не содержащим импрегнанта. В предпочтительных конструктивных воплощениях под эффективностью фильтрации подразумевается то, что импрегнант способен обеспечить фильтрующую защиту от указанных загрязнителей в соответствии с требованиями правительственных нормативов, таких как стандарты NIOSH (Национальный институт по охране труда и промышленной гигиене) в США и/или стандарты CEN (Европейский комитет по стандартизации) в Европе. Импрегнант может обладать способностью к эффективной фильтрации как сам по себе, так и в сочетании с одним или большим числом других импрегнантов.

Под термином субстрат с увеличенной площадью поверхности подразумевается субстрат, поверхность которого достаточно выпукла или пориста, предпочтительно на микроскопическом и/или макроскопическом уровне, таким образом, что субстрат может быть пропитан таким образом, чтобы он содержал, по крайней мере, около 0,5%, в предпочтительном варианте, по крайней мере, около 3%, в еще более предпочтительном варианте, по крайней мере, около 5% или более весовых процентов, по крайней мере, первого, второго и третьего из описанных ниже импрегнантов в их совокупности. Примерами такого субстрата являются тканные и нетканые материалы, склеенные, сплавленные либо спеченные полимерные частицы с увеличенной площадью поверхности и/или тому подобное. Предпочтительным к применению является материал из твердых частиц с увеличенной площадью поверхности. Пригодным материалом субстрата из твердых частиц с увеличенной площадью поверхности является материал с удельной площадью BET, равной по крайней мере около 85 м²/г, в более стандартном исполнении по крайней мере от примерно 500 м²/г до 2000 м²/г, и в предпочтительном варианте от примерно 900 м²/г до 1500 м²/г. На практике, удельная площадь поверхности (ВЕТ) материала из частиц может быть определена в соответствии с процедурой, описанной в ISO 9277:1995 и приводимой в данном документе в качестве ссылки в своем полном виде.

Репрезентативными примерами субстрата из твердых частиц с увеличенной площадью поверхности является материал, изготавливаемый из активированного угля, цеолита, окиси алюминия, диоксида кремния, носителя катализатора или сочетания вышеуказанных и тому подобных соединений. Субстрат из твердых частиц, используемый в качестве основы для нанесения пропиточных материалов, может быть как из того же материала, что и импрегнант, так и из другого. Твердые частицы активированного угля на данный момент являются предпочтительными составляющими элементами, по крайней мере, части и в более предпочтительном варианте, по крайней мере, большей части субстрата, составленного из частиц с увеличенной площадью поверхности. Подходящие твердые частицы активированного угля могут быть получены из разнообразных исходных материалов, включая уголь, кокосы, торф, из любого активированного угля из любых источников, из сочетаний, по крайней мере, двух вышеуказанных материалов и/или тому подобных.

В предпочтительном виде, частицы субстрата могут иметь микропористую, мезопористую и/или макропористую структуру, характеристики которой определены в применимых положениях Химического технологического сборника IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии), 2-е издание (1997). Типичное семейство субстрата из твердых частиц активированного угля обычно обладает одновременно характеристиками, свойственными микропористым, мезопористым и макропористым структурам. В предпочтительном варианте, по крайней мере, часть субстрата из твердых частиц в соответствии с данным изобретением является макропористой, особенно это относится к конструктивным воплощениям, в которых твердые частицы фильтрующего материала сформированы с применением способа, включающего в себя стадии импрегнирования раствора с последующей вакуумной осушкой. В таких конструкциях импрегнанты способны более полно и равномерно проникать в пористую структуру субстрата из твердых частиц.

Твердые частицы субстрата с увеличенной площадью поверхности могут быть самого разного размера. Размер частиц субстрата в отрасли, занятой изготовлением фильтров, обычно выражается «в размерах сита». Стандартным выражением для обозначения размера сита является "а×b", где "а" относится к размеру (плотности) ячеек, через которые пройдут практически все частицы, а "b" обозначает достаточно высокую для удержания практически всех частиц плотность ячеек. Например, размер сита 12×30 означает, что через сито с плотностью ячеек 12 нитей на дюйм пройдут практически все частицы; при этом на сите с плотностью ячеек 30 нитей на дюйм практически все частицы будут задержаны. Частицы фильтрующего материала с размером под ячейки сита 12×30 будут иметь диаметр в диапазоне примерно от 0,5 мм до примерно 1,5 мм.

Выбор требуемого размера сита для твердых частиц субстрата обуславливает необходимость нахождения баланса между плотностью и производимостью фильтра на прохождение воздуха. Обычно, при более малом размере сита (т.е. меньшем размере частиц) наблюдается тенденция не только к повышению плотности и производительности фильтра, но более высокое сопротивление прохождению воздуха. Для сбалансированности этих факторов "а" обычно должно быть в диапазоне от 5 до 20, а "b" обычно в диапазоне от 15 до примерно 40, с условием, что разница между "а" и "b" должна быть в пределах от примерно 5 до примерно 30. В числе частиц, специально рекомендуемых в рамках практической реализации данного изобретения, являются частицы 12×20, 12×30 и 12×40.

Для получения частиц фильтрующего материала, в соответствии с представленным изобретением, в субстрат из твердых частиц импрегнируют или вводят каким-либо иным способом по крайней мере три пропиточных импрегнанта. Первый импрегнант является вольфрамсодержащим материалом. Вольфрамсодержащий материал помогает обеспечить эффективную фильтрацию таких загрязнителей как HCN и хлорциан (СК). Кроме того, вольфрамсодержащий материал демонстрирует умеренную кислотность. Вольфрамсодержащий материал также помогает обеспечить фильтрацию базовых загрязнителей, таких как аммиак или ему подобных. Вольфрамсодержащий материал также обеспечивает относительную защиту от HCN и/или (СК) при более низких молекулярных весовых загрузках, чем это имеет место в случаях стандартного применения импрегнантов, изготавливаемых на основе хрома или молибдена.

Вольфрамсодержащий материал может поставляться в самых различных формах, но обычно поставляется в виде солей вольфрама, так как эти соли предлагаются к коммерческой реализации. В качестве специфических примеров солей вольфрама можно привести такие как метавольфрамат аммония и паравольфрамат аммония. Притом, что точный химический состав мета вольфрамата аммония неизвестен, эта соль в технической литературе идентифицирована как имеющая формулу (NH₄)(H₂W₁₂O₄₀)×4Н₂О. Паравольфрамат аммония идентифицирован в технической литературе формулой (NH₄)(H_zW₁₂O₄₁)×4H₂O. Метавольфрамат с одним или большим количеством соответствующих внутренних противоионов более предпочтителен для применения в сравнении с солями паравольфрамата, так как при изготовлении частиц образуются меньшие концентрации побочных продуктов аммиака. Метаформула также больше растворима в водяном растворе. Кроме того, мета вольфрамат обеспечивает более долговременную защиту от HCN при сравнимых весовых загрузках.

Объемы вольфрамсодержащего материала, импрегнируемого на субстрат из твердых частиц, могут варьироваться в широком диапазоне. При слишком низких его концентрациях защита от СК, HCN и/или NH₃ может быть не такой длительной, как это требуется. С другой стороны, существует некий предел использования вольфрамсодержащего материала, после которого его дальнейшее добавление может оказаться мало эффективным или вообще неэффективным. Использование чрезмерного объема пропитывающего материала может привести к занятию тех участков субстрата, на которых с большей целесообразностью можно бы было разместить один или большее число других импрегнантов. Для решения этой проблемы в репрезентативных конструктивных воплощениях данного изобретения объем вольфрамсодержащего материала составляет от 0,5 до 10, в более предпочтительном варианте от 3 до 6 весовых частей на 100 весовых частей частиц субстратного материала.

В некоторых конструктивных воплощениях более целесообразным представляется определение требуемой массы вольфрамсодержащего материала или иных импрегнантов на молярной основе. Это особенно актуально для случаев использования солей вольфрама, в которые входят многие другие составляющие элементы. Особенно ценным преимуществом вольфрамсодержащего материала является то, что он способен обеспечить отличную защиту от желательных загрязнителей при относительно низкой молекулярной концентрации. Например, было определено, что частицы фильтрующего материала, содержащего всего около 0,001 молей вольфрама на грамм частиц субстрата, обеспечивают практически такую же эффективность фильтрации HCN как и 0,08 молей на грамм молибдена при идентичных параметрах частиц фильтрующего материала.

Таким образом, в представленном изобретении предлагается методология корреляции параметров HCN к молярной концентрации, с последующим использованием данной корреляции для более оптимального подбора частиц фильтрующего материала. В частности, имеется возможность получения информации типично экспериментального характера для определения того, каким образом изменяется уровень защиты от HCN при изменении молярной концентрации одного или большего числа импрегнантов, обеспечивающих или исследуемых в настоящее время на предмет возможности их использования для защиты от HCN, фильтрационной защиты от HCN. Данная информация далее может использоваться для изготовления фильтрующего материала из частиц с такой концентрацией импрегнанта, которая бы обеспечивала требуемый в конкретных условиях уровень защиты. По результатам применения данной методологии было определено, что в предпочтительных воплощениях данного изобретения фильтрующий материал из частиц должен содержать менее чем примерно 0,025 молей вольфрама на грамм частиц субстрата, в более предпочтительном варианте менее чем примерно 0,015 молей вольфрама на грамм частиц субстрата, и в наиболее предпочтительном варианте от примерно 0,0001 до примерно 0,02 молей вольфрама на грамм частиц субстрата.

В данном изобретении получило дальнейшее развитие то направление, что защита от воздействия органических паровоздушных агентов, обеспечиваемая за счет применения фильтрующего материала из твердых частиц, соотносится с концентрацией пропиточного средства фильтрующего HCN, импрегнируемого или иным образом внедряемого в структуру фильтрующего элемента из твердых частиц. В частности, в зависимости от характера импрегнанта, используемого для удаления HCN, степень обеспечиваемой им защиты от органических паров может обычно возрастать и/или уменьшаться с увеличением весовой концентрации импрегнанта, фильтрующего HCN в зависимости от конкретных потребностей. Таким образом, имеется возможность получения стандартным экспериментальным способом информации для определения того, каким образом изменяется уровень защиты от органических паров при изменении молярной концентрации одного или большего числа импрегнантов, обеспечивающих защиту от HCN. Данная информация далее может использоваться для изготовления фильтрующего материала частиц с желательной концентрацией импрегнанта, фильтрующего HCN, т.е. для определения баланса между требуемыми степенями защиты от органических паров и HCN.

В практической реализации представленного изобретения предусмотрено также использование второго импрегнанта. В качестве второго импрегнанта используется один или более материалов, обладающих фильтрующей защитой от базовых загрязнителей. Аммиак, к примеру, является типичным базовым загрязняющим веществом, от которого требуется защита. В настоящее время известна широкая гамма данных реагентов, в числе которых кислотосодержащие материалы, такие как бисульфат, сульфаминовая кислота, хлорид цинка, комбинации вышеназванных компонентов и тому подобные составы. Необходимо отметить, что в состав предпочтительных конструктивных воплощений второго импрегнанта входят кислотные материалы, притом, что в состав предпочтительных конструктивных воплощений третьего импрегнанта входят базовые материалы. С технической точки зрения одновременное включение в структуру фильтра кислотных и базовых импрегнантов может представлять собой проблему в случае применения для этого предпочтительных технологий растворных пропиток. Для решения этой проблемы в представленном изобретении использована предпочтительная методика, предусматривающая первоначальное импрегнирование частиц предшествующим второму и третьему желательным импрегнантам составом с последующим превращением в требуемый тип импрегнанта уже по месту. Соответственно кислотный и базовый импрегнанты приобретают способность функционально «сосуществовать» друг с другом на одном и том же субстрате из твердых частиц.

Сульфат аммония, являющийся нейтральной солью, представляет собой пример предпочтительного предшествующего компонента, который может быть превращен в кислотный материал уже по месту. К примеру, при импрегнировании сульфата аммония в субстрат, состоящий, к примеру, из твердых частиц угля, и после осушки и термической обработки, например нагрева до температуры примерно от 140 до 450°С, предпочтительно до температуры, примерно от 190°С до 250°С, в течение времени от 5 минут до 50 часов, предпочтительно от 18 часов до 20 часов, он превращается в кислый материал, как предполагается включающий в свой состав кислый бисульфат. Бисульфат обладает достаточной кислотностью для вступления в реакцию с аммонием, что способствует фильтрации воздуха, содержащего аммиак, или иного газа. В результате такого рода реакции увеличивается продолжительность эксплуатации картриджа с углем, импрегнированным соответствующим составом для нейтрализации аммиака. Преимуществом данного способа является то, что формирование по месту сильного кислого бисульфата позволяет избежать преждевременной деградации или разрушения базового оксидного/гидроокисного импрегнанта, введенного и/или образовавшегося на стадии термической обработки. Наличие солей аммония в пропиточном растворе также помогает улучшить рабочие характеристики фильтра при очистке от токсичных формальдегидных паров, присутствующих в струе воздуха. Сульфатсодержащие материалы, как предполагается, помогают также контролировать pH во время использования фильтрующего материала. Репрезентативные частицы фильтрующих материалов могут содержать от 0,1 до 10, предпочтительно от 2,5 до 4,5, весовых процентов сульфатсодержащих материалов, используемых в качестве предшествующего слоя и/или желательного пропиточного состава.

Желательные условия нагрева будут определяться в зависимости от таких факторов как характеристики нагревательного оборудования и атмосферные условия, в которых осуществляется нагрев. К примеру, при нагреве в вакууме или инертной среде можно использовать более высокую температуру. При нагреве в воздухе может применяться более низкая температура нагрева с тем, чтобы избежать температуры воспламенения частиц.

В практическом воплощении данного изобретения предусмотрено также использование третьего импрегнанта. В качестве третьего импрегнанта используется один или несколько материалов, обеспечивающих фильтрацию кислотосодержащих загрязняющих веществ. Известна широкая гамма таких реагентов, включающая медесодержащие материалы, влагопоглотители, карбонат натрия, гидрокарбонат калия, сочетания вышеуказанных составов и тому подобные. В предпочтительном варианте рекомендуется использование одного или большего числа медесодержащих материалов в качестве, по крайней мере, одной части третьего импрегнанта. Медесодержащие материалы часто являются исходными по своей природе и помогают фильтрации многих газов, таких как HCN, H₂S, кислых и тому подобных газов из потоков воздуха. Медь может поставляться в виде солей, окисей, гидроокисей, металла или иных соединений. Предпочтительна поставка меди в виде соли с последующим преобразованием, по крайней мере, одной части ее в более базовые компоненты, такие как оксиды или гидроокиси, по месту способом тепловой обработки. Репрезентативные частицы фильтрующих материалов могут содержать от 0,1 до 15 весовых процентов одного или более импрегнантов, в состав которых входит медь.

В практическом воплощении данного изобретения кислотные и/или базовые характеристики импрегнанта могут быть определены при растворении от 0,1 г до 5 г импрегнанта в 100 г воды и замере показателя pH, если импрегнант является водорастворимым. Импрегнант является кислотным, если значение pH раствора ниже 7, в более предпочтительном варианте ниже 6, и в самом предпочтительном ниже 5. Если импрегнант в воде не растворяется, его можно смешать с кислотой и далее с основой. Если импрегнант вступает в реакцию с кислотой, то он является базовым. Если импрегнант вступает в реакцию с основой, то он является кислотным. Если импрегнант вступает в реакцию с кислотой и основой, то он является атмосферным и может использоваться для обеспечения двойной защиты как от кислотных, так и базовых загрязнителей. Термин «вступивший в реакцию/прореагировавший с кислотой или основой» в данном контексте означает, что стехиометрический объем материала при подходящей, соответствующей концентрации в диапазоне от 0,01 М до 0,5 М в подходящем растворе при температуре, близкой к окружающей, отреагировал по крайней мере на 10%, в более предпочтительном варианте по крайней мере на 50% до полного завершения реакции.

Помимо первого, второго и третьего вышеописанных импрегнантов могут использоваться еще и дополнительные, один или несколько пропиточных составов. В качестве варианта, вместе с вольфрамсодержащим материалом может использоваться один или несколько импрегнантов, обеспечивающих эффективную защиту от HCN, CK и/или тому подобных загрязнителей. Примерами такого рода реагентов являются компаунды и солесодержащие соединения хрома, ванадия, молибдена, сочетания данных соединений или им подобные. Данные дополнительные импрегнанты могут выступать в форме металлов, но в более типичных вариантах они входят в состав импрегнируемых солей, окисей, гидроокисей и т.п. При использовании дополнительных импрегнантов их соотношение к материалам, содержащим вольфрам, или иным фильтрующим материалам, защищающим от HCN, в предпочтительном варианте должно составлять от 100 к 1 до 1 к 100, в еще более предпочтительном от 20 к 1 до 1 к 20, и в самом предпочтительном находится в пределах от 10 к 1 до 1 к 10.

При этом, так как из-за гексавалентной формы своих ионов хром признан в качестве сильного легочного канцерогена, фильтрующие материалы из твердых частиц предпочтительно не должны содержать регистрируемых концентраций хрома (VI), и в еще более предпочтительном варианте регистрируемых концентраций хрома любой валентности, из-за риска того, что другие формы хрома, например Cr (III), может окисляться до Cr (VI). Использование ванадия также чревато токсичным воздействием. Соответственно, фильтрующие материалы из твердых частиц предпочтительно не должны содержать регистрируемых концентраций ванадия любой валентности. Молибденсодержащие материалы обладают более выраженным кислотным воздействием в сравнении с вольфрамсодержащими. Соответственно, фильтрующие материалы из твердых частиц предпочтительно не должны содержать регистрируемых концентраций молибдена любой валентности. В частности, наиболее предпочтительными воплощениями изобретения являются те, которые не содержат регистрируемых концентраций молибдена, ванадия или хрома. Под термином «регистрируемые» концентрации молибдена, ванадия или хрома в данном документе подразумеваются концентрации менее 0,01 г на грамм субстрата, в более предпочтительном варианте менее 0,0001 г на грамм субстрата. Таким образом, эти вещества могут считаться нерегистрируемыми, даже при наличии их ничтожно малого количества в виде примесей в фильтрующем материале. В представленном изобретении наличие таких веществ может быть определено с помощью способов анализа химического состава, например атомного поглощения.

В числе других дополнительно используемых ипрегнантов в фильтрующем материале можно выделить пропитки, содержащие другие металлы переходной валентности. В качестве примеров таких пропиточных материалов можно указать материалы, содержащие Zn, Ag, Ni, Co, их сочетания и т.п. Принятие решения о том, какой из этих материалов или какие из этих пропиточных материалов выбрать для включения в основное множество твердых частиц фильтрующего материала, зависит от требуемых технических параметров фильтрации, так как каждый металл с переменной валентностью обеспечивает защиту от конкретного загрязняющего воздух вещества. Zn в различных своих формах обладает способностью к фильтрации HCN, хлорциана, циановодорода и NH₃ из потоков воздуха. Репрезентативные образцы твердых частиц фильтрующего материала в соответствии с представленным изобретением могут включать в себя от 1 до 20 весовых процентов одного или более импрегнанта, включая и Zn. Ag обладает способностью к очистке потоков воздуха от мышьяковых газов. Ag работает в каталитическом режиме и, как правило, в ходе фильтрации не расходуется. Соответственно, образцы твердых частиц фильтрующего материала могут включать в свою структуру относительно малые объемы катализатора, например примерно от 0,01 до 1, предпочтительно 0,1 весовых процентов одного или большего числа импрегнантов, содержащих Ag. Ni и Со по отдельности обладают способностью к фильтрации HCN из потоков воздуха. Репрезентативные образцы твердых частиц фильтрующего материала могут включать в себя от 0,1 до 15 весовых процентов одного или более импрегнанта, содержащего Ni (никель) или/и Со (кобальт) соответственно.

Кроме одного или нескольких импрегнантов, содержащих металлы с переменной валентностью, твердые частицы фильтрующего материала могут включать дополнительно в свою структуру один или несколько импрегнантов другого типа. Например, эффективным может быть внедрение одного или большего числа аминовых функциональных импрегнантов во второе множество незанятых частиц фильтрующего материала. В числе подходящих для этого аминов можно выделить мономеры, олигомеры или полимеры. Под термином «мономер» в данной работе подразумеваются полимеризующиеся молекулы, которые образуют базовое повторяющееся звено в полимерной цепи. Термин «олигомер» относится к полимеризующемуся соединению, главная цепь которого сформирована 2-мя-10-ю мономерами. Термин «полимер» относится к полимеризующемуся соединению, главная цепь которого сформирована более чем 10-ю мономерами.

Предпочтительными аминами являются амины, находящиеся в жидком или твердом состоянии при комнатной температуре. Предпочтительные амины обладают способностью к фильтрации СК, метил бромистого метила и/или йодистого метила. В числе репрезентативных образцов пригодных для использования аминов можно выделить триэтилендиамин (TEDA), триэтиленамин (TEA), пиридин, пиридин-4-карбоновую кислоту (Р4СА), сочетания этих компонентов и т.п. Из перечисленных самым предпочтительным является TEDA.

Концентрация амина, внедренного в твердые частицы фильтрующего материала, может варьироваться в широких пределах. Обычно, при слишком малых концентрациях срок службы получившегося фильтрующего материала при фильтрации от СК может оказаться меньше желаемого. Кроме того, при слишком малых концентрациях амина асинэргетический скачок в фильтрующей способности (например, срок службы при фильтрации органических паров, СК и аммиака) может и не наблюдаться, если он используется в сочетании с другими типами пропитки и/или фильтрующего материала из частиц. С другой стороны, использование слишком высоких концентраций амина может привести к нежелательному ухудшению фильтрующей способности частиц фильтрующего материала по удалению органических паров из воздуха или иных газов. Кроме того, при превышении некоторого порогового значения уровня пропитки амином может наблюдаться несоразмерно ничтожное увеличение производительности фильтра. Для того чтобы сбалансировать эти эффекты, предлагаемая концентрация амина, внедряемого во второе множество частиц фильтрующего материала, обычно составляет от 0,5 до 15, в более предпочтительном варианте от 1 до 5 весовых процентов от общей массы импрегнируемых твердых частиц фильтрующего материала.

В некоторых конструктивных воплощениях в качестве дополнительного желательного импрегнанта может применяться вода. Водяная пропитка повышает эффективность фильтрации при необходимости удаления кислотных газов, аммиака и т.п. загрязнителей. При использовании воды ее предпочтительная концентрация составляет от 0,2 до 10, в более предпочтительном варианте от 1 до 5 весовых процентов от общей массы импрегнируемых твердых частиц фильтрующего материала. Прочие пригодные импрегнанты описаны в Сводном техническом отчете «Военные Проблемы в связи с применением аэрозолей и нестойких газов, Раздел 10, NDRC (1946), который указан в данном документе в качестве ссылки в полном своем виде.

При импрегнировании на частицы субстрата первоначальная форма любого из импрегнантов может претерпевать химические изменения или не изменяться в процессе изготовления фильтрующего материала. Например, если технологическим процессом предусмотрена осушка с термическим нагревом после импрегнирования раствора, один или более импрегнантов может преобразоваться в результате химического воздействия в соединения. Например, в результате термической обработки часть или вся соль меди может превратиться в окись меди, гидроокись меди или прочие соединения меди. В качестве еще одного положительного примера можно указать то, что сульфат аммония, как предполагается, преобразуется в бисульфат аммония по месту импрегнирования, что обеспечивает дополнительную степень фильтрации для защиты от базовых загрязнителей, таких как аммиак. Внедрение импрегнантов в первое множество частиц субстрата может выполняться в соответствии со стандартными способами. Импрегнанты данного типа обычно представлены в виде солей, оксидов, карбонатов или тому подобных и импрегнируются растворами, сублимацией, в псевдожидком слое и т.п. Репрезентативные технологии, используемые в данной операции, были подробно описаны в литературе, в том числе патентной, а также документации, цитируемой в настоящей работе в разделе Предпосылки изобретения.

При отсутствии в коммерческой продаже требуемого типа фильтрующего материала из частиц импрегнированного амином можно воспользоваться несколькими технологиями, позволяющими импрегнировать амин в частицы с увеличенной площадью поверхности. В качестве примера таких технологий можно указать импрегнирование в растворе, способ импрегнирования в псевдожидком слое (Po и др. (Ro et. al), Патент США 5792720) и способ сублимации при низком давлении Лианг и др. (Liang et. al), Патент США 5145820). При импрегнировании твердого пропиточного вещества, такого как TEDA, в субстрат из твердых частиц, который уже содержит другие импрегнанты, технология импрегнирования раствором может привести к вымыванию других импрегнантов. Во избежание потерь уже существующих пропиточных веществ, импрегнирование в таких ситуациях предпочтительно выполнять с применением технологии сублимирования, описанной в WO 02/09/2223 A1, включенной в качестве ссылки в полном своем виде в данный документ.

В особенно предпочтительном подходе к изготовлению частиц фильтрующего материала в соответствии с представленным изобретением от 10 до 500, предпочтительно от 10 до 500, более предпочтительно от 100 до 200, и в более предпочтительном варианте примерно 170 весовых частей карбоната аммония и от 10 до 500, в более предпочтительном варианте от 100 до 200, и в еще более предпочтительном примерно 180 весовых частей сульфата аммония растворяются примерно в примерно 300 до 10000, в более предпочтительном варианте от 400 до 1000, и в еще более предпочтительном от 400 до 600 весовых частях дистиллированной воды при смешивании. После осветления раствора в него при смешивании до полного растворения добавляется примерно от 10 до 500, в предпочтительном варианте от 200 до 350, в наиболее предпочтительном примерно 230 весовых частей карбоната меди CuCo₃×Cu(ОН)₂. Предпочтительно, чтобы продолжительность данной операции составила от примерно 30 до примерно 50 минут. После полного растворения базового карбоната меди в раствор добавляется дополнительно от 50 до 1000, в предпочтительном варианте от 310 до 210 весовых частей дистиллированной воды. Обратите внимание, что в предпочтительном варианте соль меди должна быть растворена до момента добавления вольфрама или иных солей металлов с переменной валентностью. При выполнении данной последовательности добавления составов растворение солей меди облегчается.

Далее, в смесь добавляют вольфрам и другие соли металлов с переменной валентностью. Добавлять их можно все сразу или по отдельности. В предпочтительном варианте вольфрамсодержащие соли могут добавляться последовательно, после вмешивания других солей металлов с переменной валентностью. К примеру, если соединение содержит хлорид цинка и вольфрам аммония (мета и/или пара), хлорид цинка можно добавлять в первую очередь. Репрезентативное соединение может содержать примерно от 1 до примерно 500, в предпочтительном варианте от 5 до 50 весовых частей вольфрамовых и от 0 до примерно 15, в предпочтительном варианте от 1 до 5 весовых частей солей цинка на 500-2000 весовых частей смеси. После добавления этих солей смешивание производится до их растворения. Эта процедура в одном из конструктивных воплощений может продолжаться примерно один час.

Далее смесь, состоящая из 500-2000, в предпочтительном варианте от 750 до 1000, в более предпочтительном из примерно 900 весовых частей частиц субстрата на 500-2000 весовых частей смеси помещается в подходящую посуду, такую как ротационную коническую вакуумную сушилку, которая способна вращаться для обеспечения более тщательной пропитки. Смесь также помещается в посуду. Содержимое медленно вращается с медленной скоростью, к примеру от 0,5 до 60, в предпочтительном варианте от 1 до 10 оборотов в минуту, в течение времени, обеспечивающем достаточную степень впитывания (к примеру от 5 до 60 минут, в более предпочтительном варианте 30 минут). По завершении впитывания вращение продолжается с инициированием процесса осушки, которая продолжается в течение достаточного времени и при требуемой температуре. В одном из конструктивных воплощений осушка продолжается примерно от 16 часов до примерно 18 часов при температуре около 360°F. В этих условиях твердые частицы высыхают. В процессе осушки сульфат аммония превращается в кислотные продукты, а соль меди превращается в базовые продукты.

После осушки содержимое посуды охлаждается. В одном из конструктивных воплощений температура емкости для обеспечения ее достаточного охлаждения понижается до 60°F. После достаточного охлаждения партии, например, до температуры, равной 125°F или ниже, полученные частицы фильтрующего вещества можно достать из посуды. В случае, когда в качестве желательного импрегнанта выступает вещество TEDA, на последующей стадии можно добавить его (TEDA) с применением указанной выше технологии сублимирования.

Для формирования одного из репрезентативных конструктивных воплощений фильтрующего материала из частиц используется одна особенно предпочтительная описываемая ниже методика, которая предусматривает пропитку частиц субстрата одним или несколькими пропиточными растворами, содержащими карбонат аммония, сульфат аммония, гидроокись аммония, базовый карбонат меди, метавольфрамат аммония, дополнительно соли цинка и дополнительно TEDA. По завершении пропитки производится сушка импрегнированных частиц. В предпочтительном варианте изобретения, по крайней мере, частично сушка выполняется в вакууме или при повышенной температуре.

Для формирования еще одного из репрезентативных конструктивных воплощений фильтрующего материала из частиц используется особенно предпочтительная описываемая ниже методика, которая предусматривает пропитку частиц субстрата одним или несколькими пропиточными растворами, содержащими карбонат аммония, сульфат аммония, гидроокись аммония, базовый карбонат меди, паравольфрамат аммония, дополнительно соли цинка и дополнительно TEDA. По завершении пропитки производится сушка импрегнированных частиц. В предпочтительном варианте изобретения, по крайней мере, частично сушка выполняется в вакууме или при повышенной температуре.

Для формирования еще одного из репрезентативных конструктивных воплощений фильтрующего материала из частиц используется особенно предпочтительная описываемая ниже методика, которая предусматривает пропитку частиц субстрата одним или несколькими пропиточными растворами, содержащими карбонат аммония, сульфат аммония, гидроокись аммония, базовый карбонат меди, паравольфрамат аммония, ванадат аммония, дополнительно соли цинка и дополнительно TEDA. По завершении пропитки производится сушка импрегнированных частиц. В предпочтительном варианте изобретения, по крайней мере, частично сушка выполняется в вакууме или при повышенной температуре.

Кроме первого фильтрующего элемента из частиц, в состав которого входят по крайней мере типы импрегнантов, описанных в данной работе, фильтрующие системы в соответствии с данным изобретением могут включать в себя также один или несколько фильтрующих материалов в виде частиц, как, например, описанных в патенте США №5344626; 5496785. Такого рода дополнительные фильтрующие материалы в виде частиц могут вмешиваться и/или размещаться в отдельных слоях фильтра, располагаемых в рабочем порядке таким образом, чтобы поток флюида, проходящего через фильтрующую систему, вступал в контакт с каждым фильтрующим слоем. При размещении в отдельных фильтрующих слоях одного или нескольких дополнительных фильтрующих материалов их можно располагать как перед частицами первого фильтрующего материала, так и за ними. В особенно предпочтительном воплощении данного изобретения фильтрующая система, изготовленная в соответствии с ним, состоит из по крайней мере из первого фильтрующего материала из частиц, располагаемого в первом слое фильтра, и по крайней мере частиц фильтрующего материала класса В, располагаемых во втором слое системы фильтра. Этот второй слой в предпочтительном варианте располагается перед первым фильтрующим слоем для повышения защиты от HCN.

Относительная концентрация первого фильтрующего материала из частиц и частиц фильтрующего материала класса В может варьироваться в широких пределах. В качестве общепринятого правила, соотношение множества частиц первого фильтрующего материала к множеству частиц фильтрующего материала класса В должно быть в пределах 19:1, в предпочтительном варианте 1:5, в наиболее предпочтительном 1:1.

Далее следует дальнейшее описание данного изобретения со ссылками на нижеприводимые примеры.

ПРИМЕРЫ и СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ

Эксплуатационный ресурс

Время, необходимое для проникновения газовой смеси (пробы) при некоторой концентрации ее составных компонентов и при некоторой интенсивности ее подачи в сорбирующий слой коробки респиратора (противогаза) до указанного уровня, называется ресурсом коробки респиратора. Ресурс является указателем рабочей производительности сорбента, содержащегося в коробке, его способности удалять составной газ из смеси. Контролируя с течением времени концентрацию составного газа, по мере выхода газовой смеси из коробки можно замерить поглощающую способность сорбента. Испытание с целью определения ресурса испытуемого сорбента, содержащегося в коробках респиратора, было проведено в соответствии с методикой, описанной в Федеральном Нормативе Кодекса законов США, Пункт 42, Том 1, новая редакция от 1 октября, 2002 года, ГЛАВА I, ЧАСТЬ 84 - УТВЕРЖДЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ, Подпункт 1 - Противогазы, раздел 84.126 - стендовые испытания противогазных коробок; минимальные требования (42CFR84.126). Газовая смесь для проведения испытаний на определение ресурса включала в себя смесь базового газа - аммоний NH₃, смесь кислотного газа - двуокись серы SO₂, паровоздушную смесь органических газов циклогексан и смесь военного газа - хлорциан HCN. Концентрация испытательной смеси составляла 1000 частей на миллион (ppm) для аммония, 500 ppm для двуокиси серы, 1000 ppm для циклогексана и 1000 ppm для хлорциана. В качестве газ-носителя с каждой газовой смесью использовался воздух при относительной влажности (RH) 50%, кроме смеси HCN, RH для которой была выбрана равной 70%. Для оценки результатов испытаний была выбрана интенсивность подачи газовой смеси, равная 32-м литрам в минуту (л/мин); исключение составила паровоздушная смесь органических загрязнителей (она подавалась при интенсивности 16 л/мин). Проникающая или запороговая концентрация на момент истечения ресурса для каждой из испытательной газовой смеси составила 50,5,5 и 10 ppm для NH₃, SO₂, циклогексана и HCN соответственно. Ресурс до достижения запороговой концентрации регистрировался в минутах.

Коробки, используемые для оценки рабочих параметров сорбента, имели цилиндрическую форму при внутреннем диаметре 8,25 см. Нижняя часть испытательной коробки противогаза была оснащена упором для сетки из нержавеющей стали с размером ячеек #80, который был размещен таким образом, чтобы был обеспечен заполненный ограничиваемый объем 106 см³. Для проведения исследования 106 см³ сорбента было загружено в коробку, в результате чего в ней образовался слой глубиной 2,54 см и плотностью 0,6 г/см³. Скорость в габаритном сечении испытательной смеси через фильтрующий слой составила 5-10 см/с, в зависимости от конкретного испытуемого газа.

Определение суммарной функции действия и молярной эффективности

Суммарная функция (СА) обработанного сорбента представляет собой стандартную компаративную величину определения рабочих характеристик сорбента. Суммарная характеристика определяется при сложении продолжительности ресурса (SLT) для отдельных составляющих сорбента при воздействии на него газов с различными составляющими. Молярная эффективность (ME) применяется для определения эффективности обработанного сорбента относительно дополнительно вводимых составляющих пропиток. Молярная эффективность базируется на соотношении между суммарной функцией обработанного сорбента и молярной концентрации на единицу массы сорбента пропиточного материала.

Суммарная функция и Молярная эффективность выражаются следующим образом:

CA=ΣSLTg

g=1, 2, 3…n

ME=CA/SML

Где:

Суммарная функция, СА [=] мин

Ресурс для газа gSLTg [=] мин

Молярная загрузка сорбента SML [=] моль/г

Молярная эффективность [=] мин г/моль

Пример 1

Был подготовлен Пример в соответствии с данным изобретением. Для этого активированный уголь был обработан контактным способом с пропиточным раствором, после чего смесь была подвергнута сушке при повышенных температурах. Активированный уголь типа 12Х40 GAC, закупленный у Norit Americas Inc., Прайор, Оклахома посредством Univar Canada Ltd., Lachine PQ, использовался в качестве носителя при подготовке сорбента. Активированный уголь также придал сорбенту способность к поглощению паровоздушных продуктов органического происхождения. Раствор для пропитки был приготовлен за счет смешивания в базовый раствор дополнительных активных компонентов. Базовый раствор состоял из 18% аммиака, 11% карбоната аммония (NH₄)₂CO₃, 11% сульфата аммония (NH₄)₂SO₄, 45% деионизированной воды и 15% базового карбоната меди CuCO₃×Cu(OH)₂. На завершающей стадии составления пропиточного раствора в базовом растворе растворили в концентрации 2 части на сто (pph от массы базового раствора) метавольфрамат аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O. Для приготовления обработанного угля 3541 грамм пропиточного раствора было загружено вместе с 2000 граммами угля в ротационную коническую вакуумную сушилку модели 12RCVD rotacone, производимую компанией Paul О. Abbe Inc., Литл Фолз, Нью Джерси, 0742. Смесь подвергалась смешиванию в сушилке с rotacone в течение 30 минут при скорости вращения 2 об/мин. После увеличения скорости вращений до 4 об/мин смесь была подвергнута нагреванию до температуры 182°С и удерживалась при этой температуре от 16 до 18 часов. После стадии нагрева смесь была охлаждена до 45°С и выгружена из сушилки rotacone. Далее обработанный уголь был сформован в картриджи для оценки его параметров в соответствии с описанными в методике испытаний на определение Ресурса. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента вольфраматом (на угле) приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Пример 2

Был подготовлен Пример 2 также как и Пример 1, с той разницей, что 1,5 части на сто (pph) ванадата аммония NH₄VO₃ были смешаны с 1,5 pph метавольфрамата аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента ванадатом и вольфраматом (на угле) приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Пример Cl

Сравнительный пример был приготовлен также как и Пример 1, с той разницей, что метавольфрамат аммония в пропиточный раствор не добавлялся. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции приводятся в Таблице 2.

Пример С2

Сравнительный пример был приготовлен также как и Пример 1, с той разницей, что метавольфрамат аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O был заменен 3-мя pph молибдата аммония (NH₄)₆(Mo₇O₂₄)×4H₂O. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента молибдатом (на угле) приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Пример С3

Сравнительный пример был подготовлен также как и Пример 1, с той разницей, что метавольфрамат аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O был заменен 6-ю pph молибдата аммония (NH₄)₆(Mo₇O₂₄)×4H₂O. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента молибдатом на угле приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Пример С4

Сравнительный пример был подготовлен также как и Пример 1, с той разницей, что метавольфрамат аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O был заменен 3-мя pph молибдата аммония (NH₄)₆(Mo₇O₂₄)×4H₂O и 3-мя pph хлорида цинка ZnCl₂. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента молибдатом (на угле) приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Пример С5

Сравнительный пример был подготовлен также как и Пример 1, с той разницей, что метавольфрамат аммония (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)×4H₂O был заменен 3-мя pph ванадата аммония NH₄VO₃. Результаты испытания на определение ресурса со значениями Суммарной функции и Молярной эффективности и определенной гальванометрическим способом величиной молярной загрузки сорбента молибдатом на угле приводятся в Таблице 2 и 1 соответственно.

Таблица 1
Пример	Добавляемый компонент	Молекулярная загрузка сорбента (моль/г)
1	Вольфрам	0,000991
2	Вольфрам + ванадат	0,00568
C1	Не добавляется	Не применялся
С2	молибдат	0,0195
C3	молибдат	0,5544
С4	Молибдат + цинк	0,0729
С5	ванадат	0,238

Таблица 2
Пример	Ресурс (мин)	Суммарная функция, (мин)	Молярная эффективность(мин г/моль)×10-4
	OV	HCN	SO2	NH3
1	35	55	50	64	204	20,6
2	26	53	55	66	200	3,52
C1	49	2	42	63	156	Не
						применяется
С2	48	79	45	71	243	1,3
C3	25	64	27	95	211	0,04
С4	28	72	43	63	206	0,28
С5	22	57	33	69	181	0,08

Как следует из результатов, приведенных в Таблице 2, молярная эффективность состава в соответствии с данным изобретением, в котором использован вольфрам, более чем в 10 раз превышает самые лучшие сравнимые составы, в которых для обработки использовались известные химические вещества. Очевидно также то, что при смешивании вольфрама с другими активными реагентами, такими как ванадат в Примере 2, Молярная эффективность состава значительно улучшается в сравнении со случаем использования только одного этого реагента.

Пример 3

Пример 3 был подготовлен и исследован таким же образом, что и Пример 1, с той разницей, что в базовый раствор были вмешаны 3 pph паравольфрамата аммония, (NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₂)×4H₂O был заменен 3-мя; за счет этого молярная загрузка сорбирующей основы составила 0,0089 моль/г. Ресурс пропиточного сорбента был определен равным 12 минутам при воздействии газового эталона HCN.

Прочие воплощения данного изобретения станут очевидными специалистам, работающим в данной отрасли, после ознакомления с данной спецификацией или в ходе практической реализации изобретения, описанного в данном документе. Специалисты, работающие в данной области, могут вносить в описанные методики и конструктивные воплощения изменения, усовершенствования, добавления, не отклоняясь при этом от подлинной сути и духа изобретения, описанного следующими формулами.

1. Фильтрующая система, включающая в себя: (a) субстрат с увеличенной площадью поверхности; (b) от 0,5 до 10 весовых частей первого пропиточного вещества, являющегося вольфрамсодержащим материалом, размещаемым на субстрате, составляющем 100 весовых частей субстрата, обеспечивающего формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от загрязнителей HCN; (c) кислое пропиточное вещество, размещаемое на субстрате в концентрации, обеспечивающей формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от щелочных загрязнителей; (d) щелочное пропиточное вещество, размещаемое на субстрате в концентрации, обеспечивающей формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от кислых загрязнителей.

2. Фильтрующая система по п.1, отличающаяся тем, что вольфрамсодержащий материал получен из ингредиентов, в состав которых входит метавольфрамат.

3. Фильтрующая система по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав входит также цинксодержащий материал, импрегнируемый на субстрате.

4. Фильтрующая система по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав входит также молибденсодержащий материал, импрегнируемый на субстрате.

5. Фильтрующая система по п.1, отличающаяся тем, что указанная фильтрующая система включает в себя первое множество частиц фильтрующего материала, размещенного в указанном субстрате, при этом указанное первое множество частиц фильтрующего материала внедрено в первый фильтрующий слой; при этом указанная фильтрующая система включает в себя второй фильтрующий слой, состоящий из второго множества частиц фильтрующего материала, при этом первый и второй фильтрующие слои функционально размещены в фильтрующей системе таким образом, что при проходе флюида через данную систему, он контактирует с каждым из фильтрующих слоев.

6. Фильтрующая система, включающая в себя: (a) субстрат; (b) медьсодержащее пропиточное вещество, размещаемое на субстрате в концентрации, обеспечивающей формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от кислых загрязнителей; (c) от 0,5 до 10 весовых частей вольфрамсодержащего импрегнанта, размещаемого на субстрате, составляющего 100 весовых частей субстрата, обеспечивающего формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от загрязнителей HCN; и (d) кислый сульфатсодержащий импрегнант, размещаемый на субстрате в концентрации, обеспечивающей формирование фильтрующего материала, эффективно защищающего от щелочных загрязнителей.

7. Фильтрующая система по п.6, отличающаяся тем, что субстрат представляет собой множество частиц субстрата, при этом молярная концентрация вольфрамсодержащего импрегнанта на грамм частиц субстрата меньше 0,025.

8. Способ приготовления фильтрующего материала, включающий в себя следующие стадии: (a) получение ингредиентов, содержащих поодиночке или в совокупности карбонат, предшественник кислого сульфатсодержащего соединения, щелочной материал, медьсодержащий материал, вольфрамсодержащий материал, в одну или несколько присадок; при этом, по крайней мере, один из ингредиентов содержит аммониевую составляющую; (b) обеспечение пропиточного контакта одной или нескольких примесей с субстратом; в результате чего формируется импрегнированный субстрат; (c) сушка импрегнированного субстрата при температуре от 140 до 450°С; при этом, по крайней мере, часть сушки производят в вакууме, в результате чего продукт предшествующей стадии реакции преобразуется в кислое сульфатное соединение.

9. Способ приготовления фильтрующего материала, включающий в себя следующие стадии: (a) получение информации, указывающей на то, как рабочие параметры фильтра по фильтрации органических паровоздушных составов соотносятся с концентрацией пропиточного вещества, удаляющего HCN в фильтрующем материале; (b) использование полученной информации для изготовления фильтрующего материала, обработанного импрегнантом, фильтрующим HCN.

10. Способ приготовления фильтрующего материала, включающий в себя следующие стадии: (a) получение информации, указывающей эффективность импрегнанта, служащего для фильтрации HCN, как функции молярного содержания реагента, применяемого на единицу субстрата; и (b) использование полученной информации для изготовления фильтрующего материала, содержащего часть импрегнанта, фильтрующего HCN и импрегнируемого в субстрат.