Электростатический воздушный фильтр

Электростатический воздушный фильтр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственную заявку

Эта заявка притязает на приоритет по предварительной заявке на патент США № 60/716218 под названием «Electrostatic Air Filter», поданной 12 сентября 2005 г.

Государственные интересы

Данное изобретение создано в связи с выполнением научно-исследовательского проекта, поддерживаемого Военно-Воздушными Силами США, контракт № FA8650-05-M-5822, срок со 2 мая 2005 г. по 15 ноября 2005 г. Соответственно, правительство США имеет определенные права на данное изобретение.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к нановолокнам и, в частности, к использованию нановолокон из оксида алюминия в смесях, используемых в воздушных и газовых фильтрах.

Уровень техники

Качество воздуха внутри и снаружи помещений стало в течение последних двух десятилетий важным предметом обсуждения в аспекте гигиены труда, политическом и научном аспектах и в связи с борьбой с загрязнением окружающей среды. Воздушные и газовые потоки переносят различные частицы. Удаление этих частиц улучшает качество воздуха и снижает риск инфекции или других заболеваний, являющихся следствием загрязнения воздуха, которое обусловлено этими аэрозольными частицами. Хорошее качество воздуха особенно важно для тех, кто страдает от респираторных заболеваний, таких как астма.

Одним из основных источников инфекции являются микроорганизмы, находящиеся в воздухе, когда выводятся из состояния покоя грунт, вода, пыль и разлагающееся органическое вещество. Они могут переноситься внутрь помещений многими носителями, включая людей, воздушные потоки, воду, оборудование или конструкционные материалы. Попав в помещение, сопутствующие микроорганизмы могут быстро размножаться в различных экологических нишах внутри помещения и затем при последующем попадании в воздух могут служить источником воздушных инфекций.

Кроме того, болезнетворные микроорганизмы, такие как вирус гриппа, риновирусы, аденовирусы, респираторно-синцитиальный вирус (RSV), туберкулез и вирус кори, могут распространяться в виде аэрозоля оральными и носовыми выделениями. Часто эти болезнетворные микроорганизмы содержатся в каплях или зародышах капель размером в интервале от 1 мкм до 5 мкм. Эти капли остаются взвешенными на неопределенный срок в воздухе и могут перемещаться на большие расстояния. Рассеивание вирусов в воздухе может усиливаться при кашле и чихании, при которых облако болезнетворных микроорганизмов распространяется в воздухе.

Кроме того, многие отрасли промышленности образуют значительные количества жидкостных аэрозолей, которые способствуют загрязнению воздуха внутри помещений. Примерами таких жидкостных аэрозолей являются: туманы, образуемые жидкостями для обработки металлов в отраслях промышленности, связанных с механической обработкой; туманы лакокрасочных материалов, образуемые в автомобильной промышленности; пестициды, используемые в сельскохозяйственном производстве; туманы краски, образуемые в полиграфической промышленности; и кислотные туманы, образуемые в химической промышленности. Не только отрицательное влияние этих жидкостных аэрозолей на здоровье работников, но также и нормы по охране окружающей среды, которые становятся все более жесткими, требуют использования более эффективных фильтров для уменьшения загрязнения воздуха и улучшения его качества.

Передача по воздуху вещества в виде микрочастиц, включая передачу в виде жидкостных аэрозолей, также представляет собой особую проблему в учреждениях здравоохранения, способствуя примерно 103000 смертей ежегодно, вызываемых инфекциями в госпиталях США. Восприимчивость к этим болезнетворным микроорганизмам, переносимым воздушным путем, наиболее велика среди пациентов с иммунодефицитом, таких как люди пожилого возраста, пациенты с ожогами и пациенты, подвергшиеся имплантированию или химиотерапии. Хирурги и другие медицинские работники также подвергаются воздействию болезнетворных микроорганизмов, переносимых жидкостными аэрозолями в операционные, и подвергаются риску заражения этими болезнетворными микроорганизмами, достигающими слизистой оболочки носа. Например, воздух может быть загрязнен такими вирусами и бактериями, как вирус папилломы человека (HPV), вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) и стафилококки (Staphylococcus), которые высвобождаются в шлейфе загрязнения от лазера хирургического инструмента, используемого при разрезах костей. В качестве другого примера в системах распределения теплой воды обычно находятся разновидности легионеллы (Legionella), которые могут распространяться в воздушном пространстве над ними. Дистиллированная вода, полученная на месте, создает окружающую среду, в которой легионелла может размножаться. В случае некоторых вспышек заболевания в госпиталях работники здравоохранения определили, что пациенты были инфицированы вследствие воздействия зараженных аэрозолей, созданных градирнями, душами, водопроводными кранами, оборудованием для респираторной терапии и дыхательной терапии и увлажнителями комнатного воздуха.

Воздушные фильтры являются средством, на которое потребители, промышленность и учреждения здравоохранения равным образом рассчитывают для улучшения качества воздуха. Например, многие потребители используют домашние воздухоочистители или фильтры в пылесосах для улучшения качества воздуха у себя дома. Работники здравоохранения и работники промышленных предприятий часто рассчитывают на лицевые маски, чтобы защититься от веществ в виде микрочастиц и болезнетворных микроорганизмов, переносимых по воздуху. Обычно используемым видом воздушного и газового фильтра является фильтр, который содержит фильтрующую среду HEPA (фильтрация воздуха с высокоэффективной задержкой частиц). Фильтрующие среды HEPA способны задерживать >99,97% частиц размером 0,3 мкм и состоят из листа нетканого материала, образованного из стеклянных и/или полимерных волокон диаметром в интервале от примерно 0,5 до примерно 10 мкм. Эти фильтры используются главным образом в фильтрующих системах коллективной защиты (помещений), хотя они могут быть также использованы в респираторах. Фильтрующие среды для фильтрации воздуха с ультранизким пропусканием частиц (ULPA) способны к задержке 99,99% частиц определенного размера при заданной скорости пропускаемой среды. Фильтры SULPA (Super ULPA) подходят для использования в тех случаях, когда требуется максимальная чистота. Эти фильтры обладают эффективностью 99,9999% при тех же условиях, что и фильтры ULPA.

Несмотря на исключительно высокую способность воздушных фильтров HEPA к задержке веществ в воздушных или газовых потоках, эти обычные фильтрующие среды HEPA допускают пропускание жидкостей, что ограничивает их эффективность в отношении захвата или задержки болезнетворных микроорганизмов из жидкостных аэрозолей. Засорение жидкостным аэрозолем происходит, когда частицы жидкости, в частности водные аэрозоли, накапливаются на волокнах и образуют тонкую пленку на каждом из волокон. Когда эта пленка соединяет вместе несколько волокон, то образуются жидкостные слои или мостики, которые ограничивают протекание и быстро увеличивают перепад давления, что в конечном счете приводит к снижению эффективности фильтра. По существу, те лица, которые рассчитывают на фильтры, чтобы защититься от болезнетворных микроорганизмов и других частиц, присутствующих в жидкостных аэрозолях, остаются подверженными инфекции, поскольку функциональность фильтрующих сред, имеющихся в распоряжении в настоящее время, менее эффективна при таких обстоятельствах.

В данной области техники известно использование нановолокон, распределенных поверх стеклянных микроволокон, для отфильтровывания частиц субмикронных размеров от воды. Однако такие фильтры имеют высокие перепады давления, что негативно сказывается на их эффективности при использовании в качестве воздушных или газовых фильтров. Например, в Патенте США № 6838005 описан фильтр на базе наноразмерного оксида алюминия, который эффективен для отфильтровывания вирусов от воды. Вплоть до данного изобретения обычно полагали, что любые попытки понизить перепад давления в фильтрах из наноразмерного оксида алюминия потребовали бы размеров пор, которые были бы слишком велики, чтобы отфильтровывать тонкие частицы из воздуха. Кроме того, предполагали, что необходимо водное окружение, чтобы реализовать электрокинетический потенциал наноразмерного оксида алюминия и, соответственно, его электростатические преимущества, что не дает возможности его использования в качестве воздушного фильтра.

Кроме того, энергия, расходуемая на преодоление перепада давления в фильтре, часто стоит больше самого фильтра. В системах с HEPA фильтром стоимость расходуемой энергии может в четыре-пять раз превышать первоначальную стоимость фильтра. Поэтому фильтр, который предоставляет снижение перепада давления в течение всего срока службы фильтра, обеспечил бы значительную экономию средств. Кроме того, в тех случаях, когда фильтрующий материал используется в медицине или там, где он может содержать бактерии, стоимость ликвидации отходов значительно возрастает, поскольку фильтрующий материал рассматривается как опасные в биологическом отношении отходы. Соответственно, увеличенный срок службы фильтра сводит к минимуму частоту ликвидации опасных в биологическом отношении фильтров и тем самым снижает затраты.

В соответствии с вышеизложенным у потребителей, учреждений здравоохранения и в различных отраслях промышленности имеется потребность в рентабельном высокоэффективном фильтре, который задерживает частицы на уровне, по меньшей мере таком же высоком, что и HEPA фильтры, однако который также способен задерживать бактерии, находящиеся в водном аэрозоле, и который превосходил бы обычные HEPA фильтры для очистки воздуха. Такие фильтры были бы особенно полезны для очистки воздуха в таких условиях окружающей среды, как в госпиталях и учреждениях здравоохранения, на фармацевтических предприятиях, например, при приготовлении лекарственных средств, в средствах обеспечения биологической безопасности и для общего удаления спор плесени, грибков и милдью из воздуха и жидкостных аэрозолей. Такие фильтры были бы также полезны для коллективной защиты и в личных респираторах, таких как для защиты военнослужащих от биологической атаки, для защиты от террористических актов с использованием бактерий или вирусов и/или при очистке атакованных мест, таких как Всемирный Торговый Центр.

Сущность изобретения

Данное изобретение представляет собой новый фильтр или фильтрующую среду для очистки от веществ в виде микрочастиц в газообразных средах, что удовлетворяет потребности в высокоэффективном фильтре с высокой поглощающей способностью для очистки от веществ в виде микрочастиц, который задерживает болезнетворные микроорганизмы и другие вещества в виде микрочастиц воздушных или газовых потоков, включая вещества в виде микрочастиц жидкостного аэрозоля, при одновременном обеспечении низкого перепада давления. В соответствии с этим целью осуществления данного изобретения является предоставление фильтра, который обладает по меньшей мере такой же высокой эффективностью фильтрации, что и обычные HEPA фильтры, и который устойчив к засорению жидкостным аэрозолем.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая задерживает бактерии и вирусы в виде жидкостного аэрозоля.

Другой целью в примере осуществления данного изобретения является изготовление воздушного фильтра, который обладает высокой пористостью и поэтому является более устойчивым к адсорбции водного тумана по сравнению с обычными фильтрующими материалами.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая обладает эффективностью фильтрации, по меньшей мере такой же высокой, что и обычные ULPA или Super ULPA фильтры.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая имеет более низкий перепад давления по сравнению с обычными фильтрами.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая обладает большей величиной размера пор и более высокой пористостью по сравнению с HEPA фильтрами, вследствие чего обеспечивается более высокая поглощающая способность для капель воды перед заводнением.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая имеет низкое энергопотребление.

Другой целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая имеет более продолжительный срок службы по сравнению с обычными фильтрами.

Другой целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая обеспечивает низкие эксплуатационные затраты.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая задерживает опасные отходы при минимальных сопутствующих затратах.

Другой целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление фильтрующей среды, которая обладает достаточной прочностью, чтобы из нее мог быть образован гофрированный элемент.

Еще одной целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление способа изготовления фильтра или фильтрующей среды, которые фильтруют газообразные среды при эффективности фильтрации, по меньшей мере такой же высокой, что и у обычных HEPA фильтров, и которые устойчивы к засорению жидкостным аэрозолем.

Другой целью в примере осуществления данного изобретения является предоставление способа использования фильтра или фильтрующей среды для удаления вещества в виде твердых микрочастиц и аэрозолей из газообразных сред.

В целом данное изобретение представляет собой фильтр или фильтрующую среду для газов или газовых смесей. Данная фильтрующая среда содержит наноразмерные волокна из оксида алюминия, которые адсорбируют частицы из воздушного или газового потока, и множество других волокон, которые расположены в виде матрицы с наноразмерными волокнами из оксида алюминия с образованием асимметричных пор. В одном из примеров данные другие волокна включают волокна, минимальный размер которых больше малого (наименьшего) размера наноразмерных волокон из оксида алюминия примерно на порядок величины. Данные другие волокна включены в наноразмерные волокна из оксида алюминия, чтобы предоставить основу для образования пор или больших пространств между волокнами, в которых или на которых диспергируются наноразмерные волокна из оксида алюминия. В примерах асимметричные поры имеют средний размер более примерно 5 мкм. В предпочтительном примере средний размер пор составляет более примерно 10 мкм. В более предпочтительном примере средний размер пор составляет более примерно 20 мкм. В одном из примеров данная среда удаляет вещества в виде микрочастиц из воздушного или газового потока. В другом примере данная среда удаляет жидкостные аэрозоли из воздушного или газового потока.

Грубые волокна предоставляют или образуют поры увеличенного размера, в которых или на которых диспергируются наноразмерные волокна из оксида алюминия. Однако грубые волокна имеют меньшую площадь поверхности на единицу объема или массы, и поэтому количество наноразмерного оксида алюминия, диспергированного на них или в порах, значительно уменьшается. Поэтому в другом варианте осуществления другие волокна состоят из грубых и тонких волокон. Включение тонких волокон предоставляет дополнительную площадь поверхности, так что больше наноразмерных волокон из оксида алюминия может быть внутри данной среды или на ней.

В другом варианте осуществления данное изобретение направлено на способ изготовления фильтрующей среды. Данный способ изготовления включает следующие стадии: формирование наноразмерных волокон из оксида алюминия в присутствии множества других волокон. Данные другие волокна располагаются с образованием множества асимметричных пор. В одном из примеров фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия формируют в виде однородной фильтрующей среды как типичный объемный фильтр. В другом примере фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия гофрируют. В еще одном примере фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия формируют в виде нескольких слоев.

В другом варианте осуществления данное изобретение направлено на способ использования фильтрующей среды из наноразмерного оксида алюминия для удаления вещества в виде микрочастиц, взвешенных в воздушных или газовых потоках. В одном из примеров фильтрующую среду используют для удаления жидкостного и, в частности, водного аэрозоля из вещества в виде микрочастиц, находящихся во взвешенном состоянии в парах. Данный способ использования включает следующие стадии: пропускание газообразной среды через фильтрующую среду, содержащую множество нановолокон из оксида алюминия, смешанных с множеством других волокон, расположенных в виде матрицы с образованием множества асимметричных пор между ними; и удаление вещества в виде микрочастиц из газообразной среды.

Эти и другие детали, цели и преимущества данного изобретения будут лучше поняты или станут более очевидны из приведенных ниже описания, примеров и фигур, представляющих варианты его осуществления.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является графическим представлением скоростей протекания воздуха через фильтры по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтр в зависимости от перепада давления на фильтрах.

Фиг.2 является графическим представлением мутности в зависимости от объема при фильтрации сфер из латекса размером 0,2 мкм, суспендированных в воде, через фильтры по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтр.

Фиг.3 является графическим представлением величины пропускания фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтра при непрерывном прохождении через них аэрозолей с частицами NaCl 0,3 мкм.

Фиг.4 является графическим представлением сопротивления протеканию воздуха для фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтра при непрерывном пропускании через них аэрозолей с частицами NaCl 0,3 мкм.

Фиг.5 является графическим представлением скорости протекания воздуха в зависимости от перепада давления через фильтры по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия после предварительной обработки сферическими частицами латекса размером 0,5 и 1 мкм.

Фиг.6 является графическим представлением величины пропускания фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, по сравнению с фильтром из наноразмерного оксида алюминия без предварительной обработки и HEPA фильтром при пропускании аэрозолей NaCl 0,3 мкм.

Фиг.7 является графическим представлением сопротивления протеканию воздуха для фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, по сравнению с фильтром из наноразмерного оксида алюминия без предварительной обработки и HEPA фильтром.

Фиг.8 является графическим представлением пропускания аэрозолей NaCl 0,3 мкм через фильтры по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтр.

Фиг.9 является графическим представлением сопротивления протеканию воздуха для фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и HEPA фильтра при испытании на поглощающую способность с использованием аэрозоля NaCl.

Фиг.10 является графическим представлением эффективности отделения фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия в зависимости от размера частиц аэрозоля с KCl.

Фиг.11 является графическим представлением антимикробного действия фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия, импрегнированного серебром, на бактериальную пролиферацию.

Фиг.12 является схематическим изображением устройства, используемого для испытаний фильтров по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия с использованием аэрозолей бактерий, передающихся через воду.

Фиг.13 является графическим представлением соотношения между перепадом давления и размером пор в зависимости от диаметра волокон.

Фиг.14 представляет собой сравнение перепада давления для фильтрующей среды по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия и sub-HEPA фильтра.

Подробное описание

Чтобы раскрытие заявленного изобретения было правильно понято, ниже охарактеризованы некоторые используемые здесь термины. Несмотря на то, что заявители описывают приведенные ниже термины, они никоим образом не намереваются отказываться от обычных и привычных значений этих терминов.

Термин «электростатический», как использовано здесь, определяется как связанный с электрическими зарядами или относящийся к ним.

Термин «соотношение размеров», как использовано здесь, определяется как соотношение длины волокна и диаметра волокна в его поперечном сечении.

Термин «наноразмерный оксид алюминия», как использовано здесь, определяется как волокна с соотношением размеров более примерно 5, для которых наименьший размер составляет менее примерно 50 нм. Поперечное сечение волокна может быть круговым (цилиндрическое волокно) или прямоугольным (пластинка). Волокна сформированы из оксида алюминия с разным содержанием связанной воды, чтобы образовать композиции преимущественно формулы AlOOH с разным количеством Al(OH)₃, наряду с возможными примесями гамма- и альфа-оксида алюминия.

Термин « Lyocell», как использовано здесь, относится к волокнам фибриллированной целлюлозы, осажденным из органического раствора, в которых отсутствует замещение гидроксильных групп, и не образованы промежуточные химические соединения (Courtaulds, Ltd.).

Термин «фильтрация воздуха с высокоэффективной задержкой частиц» (HEPA) относится к классу фильтрующей среды, которая способна задерживать >99,97% частиц размером 0,3 мкм.

Термин «фильтрация воздуха с ультранизким пропусканием частиц» (ULPA) относится к классу фильтрующей среды, которая способна задерживать >99,99% частиц определенного размера при заданной скорости протекания фильтруемого вещества.

Термин «Super ULPA» относится к классу фильтрующей среды, которая способна задерживать >99,9999% частиц определенного размера при заданной скорости протекания фильтруемого вещества.

Данное изобретение предоставляет фильтрующую среду для удаления частиц, включая жидкость и, в частности, частицы воды в виде аэрозоля, из воздушного или газового потока или другого газообразного вещества, проходящего через данную фильтрующую среду, чтобы уменьшить загрязнение воздуха и улучшить его качество. В примерах данными частицами являются патогены, такие как бактерии, вирусы, плесень, грибки, милдью, органическое вещество, неорганическое вещество, микроорганизмы, углеродистые частицы, туманы жидкостей для обработки металлов, туманы лакокрасочных материалов, пестициды, туманы краски или кислотные туманы. В примерах воздушный или газовый поток содержит микрочастицы жидкостного аэрозоля, такие как микрочастицы водного аэрозоля. В одном из примеров фильтрующая среда является нетканой электризуемой средой. Данная фильтрующая среда содержит наноразмерные волокна из оксида алюминия, смешанные с другими волокнами. В одном из примеров наноразмерные частицы оксида алюминия являются несферическими. Данные другие волокна располагаются в виде матрицы с образованием асимметричных пор. В одном из примеров тонкий порошок металлического алюминия реагирует с другими волокнами, чтобы сформировать электризуемую среду. Реакцию проводят добавлением аммиака к смеси алюминия и других волокон. Смесь нагревают до температуры кипения воды. В другом примере тригидроксид алюминия нагревают при высокой температуре и давлении в присутствии других волокон, чтобы сформировать электризуемую среду. Данную реакцию проводят при примерно 175°C и около 5 бар в течение примерно тридцати минут.

Другие волокна могут быть такими волокнами, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать гофрирование, включая стеклянные микроволокна, целлюлозу или фибриллированную целлюлозу. В одном из примеров другие волокна имеют минимальный размер, который больше малого размера наноразмерных волокон из оксида алюминия по меньшей мере примерно на порядок величины. В примерах средний размер пор находится в интервале от примерно 4 до примерно 48 мкм. Предпочтительно средний размер пор составляет более примерно 10 мкм. Более предпочтительно средний размер пор составляет более примерно 20 мкм. Обычно размер пор соотносится с диаметром других волокон. Поэтому множество других волокон, имеющих малый диаметр, будет создавать множество асимметричных пор, имеющих небольшие размеры, в то время как множество других волокон, имеющих увеличенный диаметр, будет создавать множество асимметричных пор, имеющих размеры сравнительно большей величины. См., например, Таблицу 1 и Фиг.13. Однако при увеличении диаметра других волокон величина площади поверхности на единицу объема уменьшается, и в результате меньше наноразмерных волокон из оксида алюминия диспергируются на других волокнах и/или в порах. Поэтому в предпочтительных примерах множество других волокон включает комбинацию из множества грубых и множества тонких волокон. Тонкие волокна могут иметь все в основном одинаковый средний диаметр, или некоторые тонкие волокна могут иметь другие диаметры. Включение тонких волокон приводит к соответствующему уменьшению размера пор. См., например, Таблицу 1 и Фиг.13.

Размер пор определяет перепад давления на фильтрующей среде. В предпочтительном примере перепад давления составляет менее примерно 35 мм H₂O для композиционного фильтра тонкой очистки или фильтрующего узла при скорости потока примерно 3,2 м/мин.

В одном из примеров фильтрующая среда по данному изобретению также содержит гранулированный сорбент, предпочтительно коллоидные частицы, который добавлен к фильтрующей среде. Для адсорбции летучих органических соединений, нервно-паралитических газов или иприта добавляют гранулированный активированный уголь в виде тонкого порошка (например, в виде угольной пыли с размером частиц от 3 до 5 мкм), чтобы обеспечить более быструю адсорбцию по сравнению с обычным гранулированным углем с частицами большего размера. В другом примере может быть добавлен гранулированный оксид или гидроксид железа, предпочтительно коллоидного размера, чтобы улучшить адсорбцию растворенных арсенитов и арсенатов. Также к наноразмерному оксиду алюминия может быть добавлен такой гранулированный материал, как тонкодисперсный кремнезем или оксид железа, чтобы дополнительно улучшить эксплуатационные качества фильтрующей среды для общих видов применения с целью удаления вещества в виде частиц.

В одном из примеров фильтрующая среда по данному изобретению также содержит связующее. Связующее может иметь форму волокон (Invista T 104) или может быть смолой, такой как Rohm или Haas Rhoplex HA-16. Включение связующего увеличивает прочность волокнистой среды и/или ее способность к гофрированию.

В одном из примеров фильтрующая среда может также содержать противомикробное средство, которое смешивают с множеством наноразмерных волокон из оксида алюминия и других волокон. В процессе изготовления после приготовления суспензии и перед фильтрованием смеси на сите добавляют противомикробное средство и адсорбируют его на наноразмерных волокнах из оксида алюминия, чтобы обеспечить его действие в качестве противомикробного средства. В одном из примеров противомикробным средством является серебро. В других примерах ионы, например, меди и цинка действуют синергическим образом вместе с серебром в качестве противомикробного средства. В еще одном примере ионы, например, меди и цинка действуют отдельным образом в качестве противомикробного средства.

В одном из примеров данного изобретения фильтрующую среду электростатически заряжают, так что наноразмерные волокна из оксида алюминия захватывают частицы, такие как болезнетворные микроорганизмы и другие вещества. В одном из примеров фильтрующая среда представляет собой фильтр из однородного нетканого материала. В других примерах фильтрующая среда гофрирована, чтобы увеличить площадь поверхности фильтрующей среды примерно в 7-10 раз по сравнению с негофрированной фильтрующей средой. Увеличенная площадь поверхности фильтрующей среды снижает скорость потока через фильтр, что в значительной степени улучшает эффективность фильтрации. Увеличенная площадь поверхности также обеспечивает более высокую поглощающую способность в отношении фильтрации частиц, в результате чего увеличивается период времени до возрастания перепада давления.

В другом примере фильтрующую среду наслаивают или укладывают в стопу, например, наматыванием среды вокруг перфорированной опоры, чтобы улучшить задержку. Необходимость в образовании многослойной структуры может возникнуть в случае, когда размер пор составляет более примерно 25 мкм.

В одном из примеров фильтрующую среду предварительно обрабатывают или предварительно подготавливают пропусканием через нее множества частиц. Частицы могут иметь диаметр в интервале от примерно 0,3 до примерно 1,5 мкм. Включение этих частиц блокирует по меньшей мере некоторые из пор максимальной величины из множества асимметричных пор, чтобы уменьшить первоначальное просачивание через фильтрующую среду. Кроме того, предварительная обработка способствует обеспечению или реализации потенциальных возможностей HEPA или ULPA при использовании фильтра. В одном из примеров данное множество частиц представляет собой множество латексных сфер, хотя данное множество частиц может быть изготовлено из любого вещества, которое способно к блокированию по меньшей мере части пор максимальной величины.

В одном из примеров фильтрующая среда по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия обладает по меньшей мере такой же эффективностью задержки, что и HEPA. В другом примере фильтрующая среда по данному изобретению обладает по меньшей мере такой же высокой эффективностью задержки, что и ULPA.

В другом варианте осуществления данное изобретение является способом изготовления фильтра из наноразмерного оксида алюминия для газообразных сред. Данный способ изготовления включает стадии формирования наноразмерных волокон из оксида алюминия в присутствии множества других волокон. Данные другие волокна располагаются с образованием множества асимметричных пор. В одном из примеров фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия формируют в виде однородного одиночного листа. В другом примере фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия формируют в виде нескольких слоев. В еще одном примере фильтрующую среду из наноразмерного оксида алюминия гофрируют.

Данная фильтрующая среда может быть использована в системе фильтрации. При использовании воздушный или газовый поток пропускают через фильтрующую среду и удаляют из него вещество в виде микрочастиц посредством задержки микрочастиц фильтрующей средой. В одном из примеров газообразная среда содержит суспензию тонких капель воды. Примеры использования такого фильтра включают, однако не ограничиваются ими, использование для фильтрации воздуха в комнатах, использование в респираторах или лицевых масках, использование в автомобильных воздушных фильтрах, использование в чистых производственных помещениях, использование в операционных или использование в промышленных условиях, например, для удаления лакокрасочных материалов или других веществ в виде микрочастиц, содержащихся в промышленных туманах. В одном из примеров фильтрующую среду используют в окружающей среде, которая обладает относительной влажностью более примерно 75%.

Примеры данного изобретения

Представленные ниже примеры иллюстрируют несколько вариантов осуществления данного изобретения. Эти примеры не должны рассматриваться в качестве ограничений. Все величины процентного содержания указаны по массе. Расчеты для определения размера пор представлены в обсуждении, приведенном после Примеров 1-10.

Пример 1

Целью экспериментов, изложенных ниже, являлось получение среды из наноразмерного оксида алюминия, обеспечивающей в основном такой же перепад давления, что и для среды HEPA, и эффективность фильтрации в основном выше по сравнению с HEPA. Целью экспериментов являлось также установление соотношения характеристик адсорбции из воды между фильтрующей средой из наноразмерного оксида алюминия и известной фильтрующей среды HEPA (далее «HEPA фильтр Donaldson»), чтобы оптимизировать фильтрацию воздуха при использовании данных по адсорбции из воды.

Двадцать четыре суспензии смесей наноразмерного оксида алюминия на микрочастицах стекла изготавливали реакционным взаимодействием порошка алюминия с диаметром частиц 5 мкм (Valimet Corp. # H-5) в воде при 100°C в присутствии волокон из боросиликатного стекла неупорядоченной длины (Lauscha). Среды из нетканых волокон, содержащие наноразмерный оксид алюминия, формовали на листовой форме размером 1x1 фут и упрочняли добавлением 17-23% двухкомпонентных волокон (Invista T104, диаметром 20 мкм, длиной 1/2 дюйма), которые служили в качестве связующего. Также добавляли связующее Rhoplex в количестве примерно 2% по массе в жидком виде. Полученные листы обозначали как AFl - AF24.

Фильтры тестировали в качестве одиночных слоев при использовании воздушного потока со скоростью в интервале от примерно 5,6 до примерно 23 м/мин. Данные фильтры сравнивали с водяным фильтром NanoCeram® и HEPA фильтром Donaldson, чтобы сравнить характеристики воздушного или газового фильтра по данному изобретению из наноразмерного оксида алюминия с водяным фильтром и обычным HEPA фильтром.

В Таблице 1 представлены состав, пористость, перепад давления и средний размер пор для каждого из изготовленных листов и сред NanoCeram и HEPA. Фиг.13 также показывает размер пор и перепад давления для некоторых фильтров из наноразмерного оксида алюминия, которые были испытаны. Каждая из фильтрующих сред, представленных в Таблице 1 и на Фиг.13, была испытана в виде среды из одиночного слоя. Однако при использовании эксплуатационные характеристики могут быть улучшены наслаиванием нескольких слоев, как описано выше и как показано в примерах ниже.

Как показано в Таблице 1, фильтры AF1-AF12 включали нановолокна из оксида алюминия, смешанные со стеклянными микроволокнами, диаметр которых составлял для разных фильтров примерно 0,6 мкм, примерно 1,5 мкм или примерно 2,5 мкм. Фильтры AF13-AF24 включали нановолокна из оксида алюминия, смешанные со следующими комбинациями грубых и тонких стеклянных микроволокон: примерно 0,6 мкм + примерно 1,5 мкм; примерно 0,6 мкм + примерно 2,5 мкм или примерно 1,5 мкм + примерно 2,5 мкм. Процентное содержание волокон каждого размера в соответствующей фильтрующей среде из наноразмерного оксида алюминия указано в Таблице 1.

Таблица 1Состав и свойства тестовых фильтровиз наноразмерного оксида алюминия
	Содержаниенаноразмер-ных волокониз оксидаалюминия,%	Содержаниедвухкомпо-нентныхволокон/цел-люлозы,%/%	Содержаниестеклянныхмикроволо-кон, %	Диаметрстеклянныхмикроволо-кон, мкм	Основная масса, г/м2	Порис-тость,доля	ΔP воздуха при 3,2 м/мин, мм H2O	Средний размер пор, (Ур. [3]), мкм
NanoCeram	35	13/21	31	0,6	160	0,88	130	3,8
AF1	3,8	24/0	72,2	1,5	156	0,93	10,4	19
AF2	11,7	22/0	66,3	1,5	170	0,92	12,3	17
AF3	20	20/0	60	1,5	178	0,91	13,0	16
AF4	3,8	24/0	72,2	2,5	155	0,95	4,1	35
AF5	7,7	23/0	69,3	2,5	150	0,96	4,0