DE69731552T2 - Filter bestehend aus hohlfasern die mit festen adsorbenspartikeln imprägniert sind - Google Patents

Description

• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• 1. Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft ein Filtersystem und insbesondere ein System, das ein festes Adsorbens, wie Aktivkohlepartikel, verwendet.
• 2. Beschreibung des Standes der Technik
• Nach dem Stand der Technik ist bekannt, Aktivkohle oder ein Zeolithmaterial als adsorbierendes oder entfernendes Element oder Medium zum Reinigen eines Luftstroms zu verwenden. US Patent Nr. 4,130,487 zeigt ein Filter für Flüssigkeit oder Gase, das Aktivkohle zur Entfernung von Gerüchen während der Luftfiltration verwendet. Die Aktivkohle ist eine zusätzliche Schicht, die dem Filtermaterial hinzugefügt wird.
• Filter nach dem Stand der Technik haben die Oberflächenbeschichtung eines Filtermediums mit groben körnigen Kohlenstoffpartikeln verwendet und haben auch Kohlenstofffasern verwendet. Die Kohlenstofffasern sind aus organischen Polymerfasern gebildet, die erwärmt und karbonisiert sind. Die Fähigkeit, verschiedene pulverige, teilchenförmige Materialien auf eine Oberfläche einer Faser oder eines anderen Objekts aufzutragen, erforderte die Verwendung einer Haftschicht, die dazu dient, die Pulverpartikel an der Oberfläche zu immobilisieren und zu halten. Der Umstand alleine, dass ein Haftmittel zum Halten der Partikel verwendet wird, führt dazu, dass ein Teil der Oberfläche der Pulverpartikel mit dem Haftmittel verunreinigt und daher für die Filtration unwirksam wird. Es muss ein Gleichgewicht zwischen der Festigkeit der Immobilisierung und der Aufrechterhaltung der Wirksamkeit der Pulverschicht gefunden werden. Zur Minimierung dieser Verunreinigung werden häufiger größere Partikel verwendet, so dass der Kontaktpunkt zwischen dem Oberflächenhaftmittel und den Pulverpartikeln klein ist. In typischen gasförmigen Anwendungen unter Verwendung von Aktivkohle sind die verwendeten Partikel häufig 100 μm und größer; und feinpulverige Aktivkohle wird im Grunde nur in flüssigen Endfärbungsanwendungen verwendet, trotz der Tatsache, dass feinpulverige Aktivkohle die Möglichkeit einer viel rascheren Kinetik in sich birgt.
• Eine andere Methode nach dem Stand der Technik besteht darin, Partikel in einen hohlen Kern in einem Hohlfaserelement mit mikroporösen Wänden zu laden, wie in US 5,139,668 beschrieben ist. Diese Methode verwendet einen relativ komplexen Prozess zum Laden einer Aufschlämmung der Partikel durch ein Ende einer solchen Hohlfaser. Ferner ist ein Filter, das solche beladenen Fasern verwendet, in der Kinetik begrenzt, die für einen Kontakt der festen Partikel und des zu filternden Fluids erreicht werden kann, da der Kontakt nur durch winzige Mikroporen in der Faserwand erfolgen kann. Es besteht daher ein Bedarf an alternativen Filtern, die nicht denselben Einschränkungen unterliegen, wie Filter nach dem Stand der Technik.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Filter bereit, in dem ein festes Adsorbens, wie ein Aktivkohlepulver, ohne Verwendung eines Haftmittels in länglichen Hohlräumen eingeschlossen ist, die in jeder der Fasern eines Faserfiltermediums oder einer Matte ausgebildet sind. Das feste Adsorbens in einer solchen Anwendung behält im Prinzip dieselbe Adsorptionsfähigkeit oder -kapazität bei wie es im ursprünglichen unbehandelten Zustand hatte. Dies steht im Gegensatz zum Anheften von Kohlenstoffpartikeln, wo die Partikel nur einen Teil ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten. Die Fasern haben sich in Längsrichtung erstreckende Innenhohlräume, die Öffnungen aufweisen, die sich zu der äußeren Oberfläche der Fasern erstrecken. Diese Fasern bieten eine Möglichkeit, pulverförmige Aktivkohle-Adsorbenspartikel mechanisch, ohne Verwendung eines Haftmittels zu immobilisieren. Die Faser, die Öffnungsgröße und die einzuschließenden Partikel sind so gewählt, dass wenn die Partikel in die länglichen Hohlräume gepresst werden, sie permanent darin gehalten werden. Das Aktivkohlepulver wird mechanisch in den länglichen Hohlräumen der Fasern gehalten und ist im Grund unwiderruflich gebunden. Diese Methode kann sich auf jedes Pulver beziehen, das in einem Fasermedium eingeschlossen werden soll, einschließlich Mittel wie Zeolithe, Natriumhydrogenkarbonat, Cyclodextrine oder jeder Feststoff, der eine gewisse Eigenschaft aufweist, um entweder bestimmte Gase von Interesse zu adsorbieren oder Mittel in einen Fluidstrom freizusetzen.
• Diese Erfindung stellt ein Filtermediummaterial bereit, das flexible Fasern umfasst, die jeweils einen Querschnitt mit inneren Hohlräumen aufweisen. Die inneren Hohlräume erstrecken sich länglich entlang der Längsrichtung der Faser und sind mit einem festen teilchenförmigen Material gefüllt, das unerwünschte Moleküle adsorbieren kann. Die Filtermatte der vorliegenden Erfindung sollte beachtliche Kosteneinsparungen gegenüber Filtern, die Kohlenstofffasern verwenden, mit sich bringen und sollte besser sein als Filter, die körnige Aktivkohlebeschichtungen verwenden.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Für ein besseres Verständnis der Erfindung kann auf die bevorzugten Ausführungsformen Bezug genommen werden, die die Erfindungen veranschaulichen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, von welchen:
• 1 eine Darstellung eines Teils einer Vliesfasermatte unter Verwendung von Fasern ist, die Kohlenstoffpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten;
• 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 1 dargestellten Fasermatte unter Verwendung von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• 3 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Faser zeigt, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und
• 4 eine vereinfachte Ansicht eines Filtrationssystems ist, bei dem eine Faserfiltermatte gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Unter Bezugnahme nun insbesondere auf 1 und 2 ist ein Vliesfasermattenfilter 10 dargestellt, der aus mehreren flexiblen Fasern 20 gebildet ist. Jede Faser 20 enthält einen inneren Hohlraum 22, in dem kleine trockene Aktivkohlepartikel 18 angeordnet sind. Eine längliche Öffnung 24 erstreckt sich von jedem Hohlraum 22 zu der Oberfläche jeder Faser 20. Die mehrlappigen Fasern 20 sind relativ klein mit einem Durchmesser von 10 bis 250 μm oder kleiner. Die Größe der Öffnung 24 ist so gewählt, dass, wenn Partikel 18 in dem Hohlraum 22 angeordnet werden, sie im Allgemeinen permanent eingeschlossen sind und nicht leicht entfernt werden können. Die Aktivkohlepartikel sind so gewählt, dass sie im Wesentlichen kleiner als die Öffnung 24 und im Allgemeinen sehr klein sind, weniger als 10 μm im Durchmesser.
• Die kleinen Kohlenstoffpartikel 18 werden mechanisch eingeschlossen und bleiben in den Faserhohlräumen 22 und dringen im Allgemeinen nicht in den Raum zwischen den Fasern 20; durch die länglichen Öffnungen 24 stehen die Partikel 18 aber mit dem Luftstrom in Verbindung, der über die im Allgemeinen hohlen Fasern 20 strömt.
• Die gasadsorbierenden Aktivkohlepartikel 18, die eine Affinität für die unerwünschten Gase haben, die aus dem Luftstrom zu entfernen sind, werden ausgewählt und in den inneren Kanälen oder Hohlräumen 22 angeordnet, die in den einzelnen, im Allgemeinen hohlen Fasern 20 ausgebildet sind. Die ausgewählten trockenen Partikel verwenden eine Adsorption anstelle einer Absorption als Mechanismus zum Dekontaminieren oder Reinigen des Luftstroms. Die verwendeten Partikel 18 werden so gewählt, dass sie die Dämpfe von Interesse adsorbieren, so dass sie unschädlich sind, und bestimmte Gase und Geruchsdämpfe neutralisieren.
• Die Faserfiltermatte 10 kann in einem Luftfiltrations- oder Geruchsentfernungssystem verwendet werden, wie in dem vereinfachten Diagramm von 4 dargestellt ist. Das Filtersystem hat ein Gehäuse 12 mit einem Lufteinlass 14 und einem Luftauslass 16. Die Fasermatte 10 ist quer im Gehäuse so angeordnet, dass der Luftstrom, der durch einen Einlass 14 eintritt, durch die Fasermatte 10 strömen muss, um den Auslass 16 zu erreichen. Eine mechanische Vorrichtung, wie ein Gebläse, kann zur Unterstützung des Luftstroms verwendet werden. Das Luftfiltrationssystem kann so konstruiert sein, dass die Faserfiltermatte 10 einfach entfernt und getauscht werden kann.
• Eine im Allgemeinen hohle Faser 20, die besonders zur Ausführung der Erfindung geeignet ist, ist in US Patent Nr. 5,057,368 offenbart und in 3 dargestellt. Dieses Patent offenbart eine dreilappige oder vierlappige Faser, die aus thermoplastischen Polymeren gebildet ist, wobei die Faser einen Querschnitt mit einem zentralen Kern und drei oder vier T-förmigen Lappen 26 hat. Die Schenkel der Lappen schneiden am Kern 30, so dass der Winkel zwischen den Schenkeln benachbarter Lappen etwa 80 Grad bis 130 Grad beträgt. Das thermoplastische Polymer ist für gewöhnlich ein Polyamid, ein Polyester, ein Polyolefin oder eine Kombination davon. Die Faser 20, wie in 3 dargestellt, ist als extrudierter Strang mit drei hohlen, inneren, sich länglich erstreckenden Hohlräumen 22 gebildet, von welchen jeder mit der äußeren Strangoberfläche über länglich verlaufende Schlitze 24 in Verbindung steht, die zwischen den äußeren Enden der T-förmigen Lappen definiert sind.
• Wie in 1 und 2 deutlich erkennbar ist, werden die Aktivkohlepartikel 18 in den einzelnen Hohlräumen 22 gehalten, ohne in die Lücken zwischen den Fasern auszulaufen. Die Fasern 20 halten die Aktivkohlepartikel 18 fest in den Hohlräumen 22, so dass die Partikel 18 nicht herausgeschüttelt werden, und die Fasermatte 10 hält die Partikel 18 beim Anfassen oder Handhaben. In einer Filtermatte 10 aus solchen Fasern 20 bleibt die Fläche zwischen den einzelnen Strängen relativ frei von gasadsorbierenden Aktivkohlepartikeln 18, mit welchen die inneren Hohlräume 22 jeder Faser 20 gefüllt sind. Die Fasern der Filtermatte 10 können aus einer oder mehreren Materialarten hergestellt sein, wie aus Polyamiden, Polyestern oder Polyolefinen. Die drei Segmente mit T-förmigem Querschnitt können gekrümmte Außenflächen 28 aufweisen, wie dargestellt, aber die Außenflächen können auch gerade sein. Während die Faser 20 dreilappig dargestellt ist, ist jede andere Anzahl von Lappen geeignet. Zusätzlich können auch andere Außen- oder Innenfasern mit C-förmigen oder anderen Querschnitten zum Halten der kleinen gasadsorbierenden Partikel 18 geeignet sein, vorausgesetzt die Größe der Öffnung vom Hohlraum ist derart, dass die Partikel 18 im Inneren 22 der Faser gehalten werden.
• Beim Bilden der Fasermatte 10 werden die festen Partikel aggressiv in die Fasern 20 gerieben. Das zur Trockenimprägnierung verwendete Verfahren besteht darin, die Fasern 20 zu nehmen und sie großzügig mit dem Adsorbenspulver zu bestäuben. Die Partikel 18 des Adsorbenspulvers haben einen Durchmesser von weniger als dem halben Querschnittsdurchmesser der Faser 20. Die Pulverpartikel 18 werden mehrere Male in die Faser 20 gewalzt. Überschüssiges Pulver wird physikalisch durch Rühren entfernt, unterstützt von einem starken Luftstrom. Die Pulverpartikel 18, die in den Hohlräumen 22 verbleiben, sind überraschend stabil und gegenüber einem physischen Einwirken beständig. Wir nehmen an, dass es sich um einen keilartiger mechanischen Einschluss handelt, der die Partikel 18 fest in den Hohlräumen 22 hält. Die Partikel 18 scheinen ineinander zu greifen und laufen nicht durch die Öffnung 24 aus den Hohlräumen 22 aus. Wir versuchten, eine dreilappige Faser zu imprägnieren, in der die äußeren Enden oder Kappen der Lappen 26 entfernt waren. Von solchen Fasern wurden nur sehr wenig Kohlenstoffpartikel zurückgehalten.
• Zur Bestimmung der Ursache der Kräfte, die für diese überraschend starke Wechselwirkung zwischen den Fasern 20 und den feinen Pulverpartikel 18 verantwortlich sind, versuchten wir, die elektrostatischen Bindungskräfte, falls vorhanden, zu verringern, die diese zähe Agglomeration verursacht haben könnten. Zunächst setzten wir die imprägnierten Kohlenstofffasern einer 100% relativen Feuchte aus und leiteten 40 Meter pro Minute Luft über die Fasern 20 und sammelten den gesamten abfallenden Staub. Es wurden nicht nachweisbare Mengen festgestellt. Ferner nahmen wir die Faserfiltermatte 10 und tauchten sie unter Rühren in Wasser bei Raumtemperatur und stellten fest, dass die Kohlenstoffpartikel 18 weiterhin sicher in Position blieben. Dann nahmen wir die Filterfasermatte 10 und setzten dem Wasser unter Rühren ein Reinigungsmittel zu und stellten keinen weiteren Verlust fest. Zusätzlich widerstanden die kohlenstoffimprägnierten Fasern 20 sowohl einer Alkohol- wie auch Acetonwaschung ohne Verlust an Kohlenstoffpartikeln 18. Diese Tests zeigen deutlich, dass die Kräfte, die für diese Wechselwirkung verantwortlich sind, nicht elektrostatisch sind, und lassen auf einen mechanischen Einschluss schließen. Diese Tests zeigen auch, dass die Fasern 20, die mit Aktivkohle oder anderen Partikeln imprägniert sind, Anwendungen für verschiedene Fluidmedien haben könnten, einschließlich Gas und Flüssigkeiten.
• Die offenbarte Methode kann auf jedes Pulver erweitert werden, das in einem Fasermedium eingeschlossen werden soll, umfassen Mittel wie Zeolithe, Natriumhydrogenkarbonat, Cyclodextrine oder jede Zahl anderer fester Partikel von Interesse. Die Fasern 20 wurden auch zum Einschließen von Partikeln aus Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Silika, Aluminiumoxid in verschiedenen Phasen, Ton, einschließlich Kaolin und Bentonit, verwendet. In den Fasern 20, die in 1 und 2 dargestellt sind, ist der Faserdurchmesser etwa 30 μm. Die Größe der Öffnung 24 des Hohlraums 22 ist etwa 10 μm. Die Kohlenstoffpartikel sind etwa 1 bis 2 μm im Durchmesser und kleiner.
• Das in dieser Erfindung beschriebene Material kann oberflächenbeschichtet sein, während im Prinzip die Eigenschaften des Pulvers vollständig erhalten bleiben, und kann auf die Verwendung mit extrem feinen Pulvern erweitert werden. Dadurch kann die Leistung und Wirksamkeit des Pulvers deutlich verbessert werden. Im Falle von Aktivkohle verwenden typische gasförmige Anwendungen körnigen Kohlenstoff von 100 μm und größer und fein pulverförmige Aktivkohle wird im Prinzip nur in flüssigen Entfärbungsanwendungen verwendet, trotz der Tatsache, dass pulverförmige Aktivkohle das Potenzial für eine viel raschere Kinetik besitzt. Mit dieser Erfindung können Filter unter Verwendung fein pulverisierter Aktivkohle für Gasphasenanwendungen konstruiert werden. Zusätzlich kann die Erfindung auch für Anwendungen auf Flüssigkeitsbasis verwendet werden.
• Im Prinzip stellt diese Erfindung eine vereinfachte und kostengünstige Version einer Filtermatte unter Verwendung von Kohlenstofffaserelementen bereit. Anstatt die Kohlenstofffasern zu bilden, indem zunächst mit einem organisches Polymer begonnen wird, das dann erwärmt und karbonisiert wird, beginnen wir mit einer im Allgemeinen hohlen Faser und imprägnieren diese mit pulverförmigem Kohlenstoff. Einige wenige andere Beispiele für Filteranwendungen dieser Erfindung sind: ein geruchregulierendes Kohlenstofffilter; ein mit Zeolith beschichtetes geruchregulierendes Filter; und ein metallsequestrierendes Wasserfilter. Diese Erfindung könnte auch zur Entfernung organischer Wasserschadstoffe aus kontaminierten Wasserversorgungen verwendet werden.

Claims (7)

1. Filter zum Entfernen von Molekülen aus einem Fluidstrom, umfassend: eine Mehrzahl länglicher Fasern, die jeweils mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden, offenen Kanal aufweisen, der zu der äußeren Faseroberfläche hin offen ist; feste Partikel, die die Moleküle adsorbieren können, die in den offenen Kanälen der Mehrzahl länglicher Fasern angeordnet sind; einen Strömungspfad für den Fluidstrom, der die zu entfernenden Moleküle enthält, der über einen Teil der Mehrzahl länglicher Fasern geleitet wird, wobei die zu entfernenden Moleküle von den festen Partikeln adsorbiert werden.
2. Filter nach Anspruch 1, wobei jede längliche Faser einen Durchmesser von weniger als 250 μm aufweist und die Mehrheit der festen Partikel eine Größe von weniger als 20 μm hat.
3. Filter nach den Ansprüchen 1 bis 2, wobei die festen Partikel Aktivkohle sind und der Fluidstrom Luft ist.
4. Filter nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei eine Mehrzahl offener Kanäle, die jeweils zur äußeren Faseroberfläche hin offen sind, in jeder Faser gebildet ist.
5. Filter nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei jeder sich in Längsrichtung erstreckende, offene Kanal durch zwei Lappen gebildet wird, die sich radial vom Kern der Faser aus erstrecken.
6. Filter nach Anspruch 5, wobei die Lappen T-förmig sind.
7. Filter nach den Ansprüchen 5 bis 6, der Fasern mit drei Lappen enthält, die drei sich in Längsrichtung erstreckende, offene Kanäle bilden.