化学反应过滤的装置和方法.pdf

使用具有内部空穴(10)的纤维(2)过滤气体污染物，这些空穴内含有化学反应氧化剂(12)，酸或碱，配合剂，络合剂，或吸湿剂。当污染物为碱性时，优选的反应试剂(12)是氧化剂。当污染物为酸性时，优选的反应试剂(12)是碱性物质，更优选的是包括I族或II族金属阳离子的碱性物质。反应试剂(12)更进一步包括磷酸盐，壳聚糖，次氯酸盐，硼酸盐，碳酸盐，氢氧化物或氧化物。当污染物为中性时，优选的反应试剂(12)是氧化剂，络合剂，配合剂或吸湿试剂。优选将反应试剂(12)浸渍到吸附性固体中，例如包括碳粉，沸石，氧化铝或硅石。优选纤维(2)是多叶型，更加优选是三叶或四叶型。含有许多T形叶片(6)的纤维(2)也是优选的。

1.  一种气体过滤器，包括：
许多延伸纤维，每根纤维限定为许多纵向延伸的内部空穴；和
沉积在纤维内部空穴中的反应试剂，并且该试剂选自由酸、碱、配合剂、络合剂和吸湿试剂构成的组。

2.  权利要求1的过滤器，其中试剂包括酸。

3.  权利要求1的过滤器，其中试剂包括碱。

4.  权利要求1的过滤器，其中反应试剂浸渍入一种吸附性的固体内。

5.  权利要求1的过滤器，其中吸附性的固体选自由碳粉、沸石、氧化铝和硅石构成的组。

6.  权利要求1的过滤器，其中许多纤维的每一根是三叶片形的。

7.  权利要求1的过滤器，其中许多纤维的每一根是四叶片形的。

8.  权利要求1的过滤器，其中许多纤维的每一根包含许多T形的叶片。

9.  用权利要求1的过滤器从气体中滤除气态污染物的方法，包括：
选择与污染物化学反应的反应试剂；
将所述反应试剂浸渍入吸附性的固体；和
将所述吸附性的固体沉积入所述许多内部空穴中。

10.  权利要求9的方法，其中污染物是酸性的。

11.  权利要求9的方法，其中污染物是碱性的。

12.  权利要求9的方法，其中所述吸附性的固体选自由碳粉、沸石、氧化铝和硅石构成的组。

13.  一种纤维垫，其包含：
许多伸长的纤维，每根纤维包含内部空穴；
许多粉末状颗粒物质；和
位于所述纤维的内部空穴中的化学反应试剂，其中所述试剂包含至少一种酸、至少一种吸湿试剂或者其与至少一种酸、至少一种碱、至少一种包含至少一种过渡金属的配合剂、至少一种吸湿试剂，其中所述至少一种吸湿试剂包括锂、钾的卤化物、果糖、丙烯或乙二醇。

14.  权利要求13的垫，其中所述至少一种酸包含液体酸。

15.  权利要求13的垫，其中所述至少一种酸包含粉末状酸。

16.  权利要求13的垫，其中所述至少一种碱包含粉末状的碱。

17.  权利要求16的垫，其中所述粉末状的碱包含碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠、磷酸钠、碳酸钾、氢氧化钾或四硼酸钠。

18.  权利要求13的垫，其中所述至少一种过渡金属包括铜。

19.  权利要求18的垫，其中所述许多纤维包含至少一种热塑性聚合物。

20.  权利要求13的垫，其中所述粉末状颗粒物质包括碳粉。

21.  权利要求13的垫，其中所述粉末状颗粒物质包括沸石、氧化铝或硅石。

22.  权利要求13的垫，其中所述许多纤维的至少一些是三叶片形的。

23.  权利要求13的垫，其中所述许多纤维的至少一些是四叶片形的。

24.  权利要求13的垫，其中所述许多纤维的至少一些包含许多T形的叶片。

25.  权利要求13的垫，其中所述垫是打褶的。

26.  权利要求13的垫，还包括连接到所述垫的框架。

27.  包括权利要求13的垫的气体过滤器。

28.  包括权利要求13的垫的过滤器腔室。

29.  包括权利要求13的垫的外壳。

化学反应过滤的装置和方法
本申请是2001年4月11日提交的PCT/US01/11902(其进入中国国家阶段后的申请号为01817482.5)的分案申请，并享受于2000年10月17日申请的PCT/US00/28680的优先权。
技术领域
本发明涉及过滤体系，并且具体地涉及利用固体和液体反应物的体系。
背景技术
传统已知的是使用活性炭和其他材料作为吸附元件将杂质从空气流中除去。由于有效的纤维横截面的出现，有可能制造具有部分中空的纤维。尤其有效的横截面是一种具有从中心核伸出的三个T形突出部位的横截面，正如在U.S.Patent 5057,368“Filaments Having Trilobal Or Quadrilobal Cross-Sections”toLargman等中所描述的，在此将其引入作为参考。在多种应用中，传统的过滤器使用涂有固体或液体材料的过滤介质；然而，许多应用依赖于吸收，而不是吸附。吸附是在待转移的微粒附着在过滤材料元件的表面之处发生；然而，吸收是发生在将分子运动的迁移率用于以非机械的方式从一个区域到另一个区域移动多余的微粒之处。当某些除去污染物的液体或固体充填在毛细(wicking)纤维中所形成的空穴时，多叶片(multilobal)的纤维作为毛细纤维是有特殊效果的。
在吸附空气过滤和除去气味的应用中，使用以固体过滤颗粒充填的多叶片纤维。这种过滤微粒包括使用碳颗粒，沸石，碳酸氢钠，环糊精和可以吸附某些污染物的固体(见U.S.Patent 5,759,394，在此将其引入作为参考)。其他利用多叶片型纤维作为毛细纤维的应用，还包括填充在纤维空穴中的某些液体的吸收性质。有代表性地选择这些液体以可逆的方式从被污染的空气流中轻微地吸收气味和气体分子，以帮助这些分子最终分散进入另一个空气流(见U.S.Patents5,891,221和5,704,966，在此将其引入作为参考)。
在集成电路生产过程中，维持环境免于污染是非常关键的，因为晶片极易受到小的微粒和某些低浓度的化学药品的影响。这可以通过在具有经过滤的空气的清洁的房间里面制造晶片来做到。过滤器用来使微粒和化学制品浓度减少到极低的含量(小于1ppb)。对于环境的控制有时也装配半导体工具，其在处理时能提供局部的超清洁的气流。然而，传统的化学药品过滤器有极短的使用寿命，需要频繁的更换，而且在需要有效地去除某些化学药品方面是无效的。
优先权申请教导过使用含有与碱性气体起化学反应的试剂的具有纵向伸展的内部空穴的纤维来过滤碱性气体。优选的试剂包括酸，配合剂，络合剂，和吸湿(deliquescing)试剂，并且这些试剂可以方便地浸渍入吸附性的固体中。当时，还没有认识到用氧化剂也可以过滤碱性气体，或者可以用类似的方式过滤酸性或者中性气体。因此，其仍然需要提供适合于过滤各种不同气体的装置和方法。
发明内容
本发明提供一些装置和方法，其中，使用具有内部空穴的纤维过滤气体污染物，该纤维含有化学反应氧化剂，氢离子接受体或提供体，配合剂，络合剂，或吸湿试剂。
气体污染物可以是酸性的，碱性的，或pH中性的。如果污染物是碱性的，试剂可以是任何酸，但是优选的是氧化剂。如果污染物是酸性的，优选的试剂是碱性的，以及更优选的包括I族或II族金属阳离子，下面是优选的阴离子：磷酸盐，壳聚糖，次氯酸盐，硼酸盐，碳酸盐，氢氧化物，或氧化物。当污染物是中性时，优选的试剂是一种络合剂，配合剂，氧化剂，或者吸湿试剂。
在优选的实施方案中试剂包括一种金属阳离子，尤其是I族或II族金属阳离子。试剂也可以进一步包括磷酸盐，壳聚糖，次氯酸盐，硼酸盐，碳酸盐，氢氧化物，或氧化物。
试剂优选的是浸渍入一种吸附的固体内，包括例如炭粉，沸石，氧化铝或硅石。
优选的纤维是多叶片的，最优选的是三叶片或者四叶片的。含有许多T形叶片的纤维也是优选的。
从下列本发明优选的实施方案详细的描述中，连同附图一起，可以更加明确本发明的各种不同的目的、特点，各方面和优点，在附图中数字代表各种成分。
附图说明
图1表示一个单独的多叶片纤维的横断面视图。
图2表示在每个多叶纤维中沉积有试剂的，由多叶片纤维制成的纤维垫的特写图。
图3表示图2中的纤维垫宽视图。
图4表示在一个实施方案中，使用经酸浸渍的多叶片纤维过滤器过滤空气流的腔室。
图5表示图4中的具有多层多叶片纤维过滤器的腔室。
在不同的图中使用相同的参考符号表明类似或者相同的项目。
发明具体实施方式
图1表示单独的多叶型纤维2横截面的详细视图。纤维2是一种由热塑性聚合物制成的，并且用常规纤维成型技术成型的纤维，例如在上面参考U.S.Patent5,057,368中所描述的，纤维组合物通过常规的喷丝头所形成的纺纱纤维。纤维2包括一个芯4，从芯表面伸展出三个叶片6。用顶盖8封端每个叶片6，其中顶盖8与叶片6的末端垂直相连。在叶片6和相邻的顶盖8之间形成的空穴沿着多叶型纤维2的整个长度形成纵向狭缝10。多叶型纤维2具有保留粉末状颗粒物质例如粉末状炭的能力。炭粉可以被顶盖8俘获而机械性地保持在狭缝10中，并不需要使用任何液体物质。可将在狭缝10中的俘获粉末撒进纤维，然后通过振动除去多余的粉末或者用风扇吹去多余的粉末。
优选地，通过毛细力，纤维2可以在狭缝10中保持液体。图2表示的是纤维垫100的特写镜头，其中液体试剂12填充在多孔纤维2的狭缝10中。通过将液滴渗透纤维垫100，以及在与纤维2表面发生作用后虹吸到狭缝10中的方式，液体试剂12可以被用来填充狭缝10。在液滴挤入纤维2之后，它们很快聚结入狭缝10中而在纤维2之间留下多孔空隙。使得气流不受阻碍地通过纤维垫100。作为另一种选择，也可以将纤维2浸入试剂12中通过毛细力将试剂12芯吸到狭缝10中，并除去多余的试剂12。
可以采用不同的方法使试剂12形成液滴，例如通过机械雾化器给试剂12加压，或者，优选地采用常规的液体滴管。试剂12的范围可以是不同的液体，例如酸，碱，氧化剂，还原剂，络合剂，配合剂，以及吸湿试剂。
用作试剂12的酸包括例如，无机酸，例如硼酸，优选的是磷酸或硫酸。也可以使用有机酸而不是无机酸。有机酸包括例如，一元、二元和三元羧酸；这些类型的有机酸包括柠檬酸，乳酸，马来酸，富马酸，己酸，月桂酸，草酸，丙二酸，酒石酸，琥珀酸，水杨酸(salicyclic)，以及苹果酸。在另一个实施方案中，也可以用固体酸代替液体酸，并以类似于上述碳粉的方法，将其浸渍在狭缝10中。在另一个实施方案中，粉末状碱也被用于过滤非碱性污染物。这样的粉末状碱可能包括，诸如碳酸氢钠，碳酸钠，氢氧化钠，磷酸钠，碳酸钾，氢氧化钾，以及四硼酸钠。另外，试剂12可以包括配合剂，其包括过渡金属，例如铜，锡，铁，锌和钛，以及络合剂，其包括俘获剂，例如环糊精。
用作试剂12的碱包括，例如，I族或II族金属阳离子，以及可能更加有利地包括磷酸盐，壳聚糖，次氯酸盐，硼酸盐，碳酸盐，氢氧化物，或氧化物。尤其值得预期的碱是氢氧化钠和氢氧化钾，钾和钠的磷酸盐，钙或镁的氧化物或氢氧化物，钠或钾的碳酸盐。
此处值得预期的氧化剂包括I族或II族金属的高锰酸盐，过氧化氢，以及其他无机和有机过氧化物，I族或II族金属的次氯酸盐，金属氧化物包括锌，锡，铁，钛等等。
此处预期的络合剂包括尿素，环糊精，冠醚等等。
此处预期的配合剂包括锌和锡的醋酸盐等等。
此处预期的吸湿试剂包括锂和钾的卤化物(包括溴化物和氯化物)，果糖，丙烯和乙二醇等。
图3表示纤维垫100的宽视图。纤维2可以在层中被打褶或成型以形成各种不同结构的纤维垫100。通常，狭缝10中的体积可达到多叶纤维2体积的一半，并且依据污染物的密度，纤维2可以在狭缝10中容纳大约100重量％的液体污染物以及25重量％到125重量％的任何固体粉末。利用多叶纤维2俘获液体或固体污染物的性质，试剂12用于吸附和吸收的过滤应用。试剂12被有意识地浸渍狭缝10，并且其可以是反应性的液体或固体试剂，优选的两者都是酸，纤维垫100用作支撑网以便保持试剂12处在高度分散的结构，以去除吸附和吸收性的分子污染物。多叶纤维2不但能保留液体或固体(酸)试剂12，而且在保留液体试剂和固体颗粒的组合物方面也有效。固体吸附剂，例如沸石，氧化铝，活性炭(浸渍的和原始状态的)，和用化学改性硅石可以与酸试剂12以液体或固体形式结合在一起，浸入到多叶纤维2的狭缝10中。固体吸附剂也可以与碱性试剂12结合并浸入到狭缝10中。
纤维垫100对从流体中过滤酸或碱的污染物是特别有效。预期的酸性污染物是在化学领域中通常被认为是酸的任何化学制品或化合物，包括氢离子给予体和电子接受体(路易斯酸)。预期的碱性污染物是在化学领域中通常被认为碱的任何化学制品或化合物，包括氢离子接受体和电子给予体(路易斯碱)。特别预期的酸性污染物是无机酸和有机的酸，尤其包括盐酸，硫的含氧酸(Sulfur oxideacids)，有机酸。特别预期的碱性污染物是氨和胺。
采用此处本发明的技术也可以过滤PH为中性的污染物。特别预期的pH中性的污染物是砷及其衍生物，醇，烃，以及氧化烃。特别预期的用于这些中性污染物反应试剂是配合剂，氧化剂，以及络合剂。
用液体碱性试剂12浸渍的纤维垫100，在从流体中特别吸收酸性污染物，例如无机酸或有机酸，尤其包括含氮或硫的酸，氧化硫，氧化氮，硫化氢，特别有效。在一个示范性的例证中，由硫酸污染的空气流通过纤维垫100。当污染物通过用碱性试剂12，如氢氧化钠浸渍的多叶纤维2时，酸和碱发生化学反应而形成水和非挥发性硫酸钠盐。之后，纤维2保留部分或全部的盐。
在多叶纤维2中使用碱性试剂12的纤维垫100，可以用于各种不同的应用，例如，将多叶纤维2打褶或分层以形成纤维垫100。在一个实施方案中，纤维垫100可以用于如图4所示的过滤室102中的过滤元件。过滤室102是由空腔18组成，其可以用常规金属(例如铝)来设计，以适应处理和现场安装。将打褶或分层的纤维垫100附着到空腔18上，优选地是利用粘结剂或低脱气胶。在另一个实施方案中，也可将纤维垫100附着在一个框架上(框架没有画出)；然后在空腔18中将这个带有纤维垫100的框架安装或去掉交替地进行。空腔18还有入口14和出口16，以便当气流20经过过滤室102时，被纤维垫100过滤，而气流能通过。过滤室102能够用来提供颗粒和/或化学制品过滤。
图5表示纤维垫100的另一个实施方案。图6与图4中的过滤室102在许多方面都相似，只是用多层纤维垫100’代替纤维垫100。多层纤维垫100’是由一些各自相邻的层所组成的过滤器。每个单独的层用上面所讨论的任何试剂浸渍；并且使每层用不同的试剂的几个单独的层，结合成单个多层纤维垫。层数的范围从1到N，并且依据所需功能，纤维垫100′可以包含任何层与试剂的组合。
因此，公开了用于化学反应过滤的装置和方法的具体实施方案和应用。然而，明显地，在不背离本发明的概念下，本技术领域普通技术人员可以做除了所描述之外的更多改进。因此，只要不违背所附权利要求书的精神，本发明的主题并不受限制。