СИСТЕМЫ, ИНДИЦИРУЮЩИЕ ОКОНЧАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ, ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ КАРТРИДЖЕЙ Российский патент 2016 года по МПК B01D53/75 

Область техники

Настоящее раскрытие относится в общем к способам фильтрации загрязняющих веществ из газа с применением фильтрующих картриджей и индикаторам исчерпания ресурса эксплуатации для определения исчерпания ресурса эксплуатации для фильтрующих картриджей.

Уровень техники

Для защиты людей от вредных загрязняющих воздух веществ было разработано множество систем очистки воздуха. Среди этих систем очистки воздуха имеется широкий ряд респираторов для очистки воздуха, разработанных для фильтрации или адсорбции присутствующих в воздухе загрязняющих веществ. Обычно эти респираторы для очистки воздуха содержат фильтрующую среду, корпус фильтра или определенное сочетание фильтрующих материалов и корпуса фильтра. При использовании респиратора загрязняющие вещества абсорбируются фильтрующей средой или удерживаются или захватываются корпусом фильтра. В какой-то момент фильтрующая среда или корпус фильтра оказываются насыщенными, и способность респиратора удалять вредные загрязняющие воздух вещества начинает ослабевать.

При длительном воздействии окружающей среды, содержащей вредные загрязняющие воздух вещества, таком как, например, длительное или частое воздействие таких сред на рабочего, необходимы методики для определения ресурса эксплуатации респиратора. Одной из таких разработанных методик является методика, основанная на продолжительности эксплуатации респиратора. В этой методике респираторы или фильтры для очистки воздуха заменяют после определенного периода эксплуатации на основании, например, математической модели, как описано в Wood et al., Journal of the American Industrial Hygiene Association, vol. 55(1), pp. 11-15 (1994). Однако эта методика не учитывает изменения уровня загрязняющих веществ или скорости потока, проходящего через респиратор, и, следовательно, может приводить к слишком ранней (что не экономно) или слишком поздней (что может представлять опасность для пользователя) замене респиратора или фильтрующих элементов.

К примерам фильтрующих картриджей, содержащих слои или смеси различных поглощающих материалов, относится патент США №5,660,173 (Newton), в котором описана цилиндрическая фильтрующая коробка для использования совместно с маской для фильтрации газа, включающая содержащий уголь фильтрующий слой усеченной формы и многослойную структуру из угольных частиц различного размера в содержащем уголь фильтрующем слое. В патенте США №5,714,126 (Frund) описывается система фильтров респиратора для фильтрации токсичных веществ, включающая в себя картридж, содержащий слой ненасыщенного активированного угля, слой активированного угля, насыщенный сульфатом, молибденом и медью или цинком, и высокоэффективный воздушный фильтр класса HEP А. В патенте США №6,344,071 (Smith et al.) описываются фильтрующая среда, включающая по меньшей мере два вида фильтрующих сред, где первое множество частиц фильтрующей среды содержит частицы, насыщенные переходным металлом, а второе множество частиц фильтрующей среды включает частицы, насыщенные третичным амином.

Большое количество индикаторов исчерпания ресурса эксплуатации (ESLI) было разработано для применения с фильтрующими картриджами респиратора. Обычно индикаторы ESLI описываются как пассивные или активные. Пассивными индикаторами ESLI являются те, в которых изменение в индикаторе (часто изменение его цвета) происходит вследствие воздействия анализируемого вещества, когда сорбент, предусмотренный для этого анализируемого вещества, почти выработан. Активными индикаторами ESLI являются те, которые содержат электронный датчик для выявления потока газа, содержащего анализируемое вещество, и подачи предупреждающего сигнала после детектирования анализируемого вещества вследствие выработки сорбента.

Сущность изобретения

Раскрыты системы, индицирующие исчерпание ресурса эксплуатации, для многослойных фильтрующих картриджей. Также раскрыты фильтрующие картриджи, способные удалять загрязняющие вещества из газовой среды, содержащие герметичный корпус картриджа, содержащий впускное отверстие для газа, фильтрующую среду и выпускное отверстие для газа. Фильтрующая среда включают многослойную структуру, при этом многослойная структура содержит первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом, в других воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом. В некоторых воплощениях второй слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента.

Также в описание включены способы фильтрации загрязняющих веществ из газа. Эти способы включают предоставление фильтрующего картриджа, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, детектирование отклика сенсорного элемента и замену фильтрующего картриджа. Фильтрующие картриджи содержат герметичный корпус картриджа, содержащий впускное отверстие для газа, фильтрующую среду и выпускное отверстие для газа. Фильтрующая среда включает многослойную структуру, при этом многослойная структура содержит первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом, в других воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом. В некоторых воплощениях второй слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет понятно в более полной мере при рассмотрении следующего подробного описания различных воплощений раскрытия совместно с прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.

На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.

На фиг. 3 показан вид в поперечном сечении воплощения фильтрующего картриджа согласно настоящему раскрытию.

В приведенном ниже описании проиллюстрированных воплощений делается ссылка на прилагаемые чертежи, в которых в иллюстративных целях показаны различные возможные воплощения данного раскрытия. Следует понимать, что возможное применение воплощений и возможные конструктивные изменения могут быть выполнены без отклонения от объема настоящего раскрытия. Фигуры не обязательно выполнены в масштабе. Подобные номера ссылок, использованные в фигурах, относятся к подобным элементам. Однако подразумевается, что использование какого-либо номера для ссылки на элемент, представленный на данной фигуре, не предусматривает ограничения элемента на другой фигуре, обозначенного таким же номером.

Подробное описание изобретения

Для защиты людей от вредных загрязняющих воздух веществ было разработано множество систем очистки воздуха. Среди этих систем очистки воздуха имеется широкий ряд респираторов для очистки воздуха, разработанных для фильтрации или адсорбции присутствующих в воздухе загрязняющих веществ. Это поглощение может быть физическим или химическим. Эти системы очистки воздуха могут быть пассивными, то есть такими, в которых дыхание пользователя протягивает воздух через респиратор, или приводными, то есть такими, в которых механическое устройство, такое как вентилятор, протягивает воздух через респиратор. Обычно в этих респираторах для очистки воздуха применяются фильтрующие картриджи. Как правило, эти фильтрующие картриджи содержат фильтрующую среду, корпус фильтра или некую комбинацию фильтрующей среды и корпуса фильтра. При использовании респиратора загрязняющие вещества абсорбируются фильтрующей средой или удерживаются либо захватываются корпусом фильтра. В какой-то момент фильтрующая среда или корпус фильтра насыщаются, и способность респиратора удалять загрязняющие воздух вредные вещества начинает ослабевать.

При длительном воздействии окружающей среды, содержащей вредные загрязняющие воздух вещества, таком как, например, длительное или частое воздействие таких сред на рабочего, необходимы методики для определения ресурса эксплуатации респиратора. Одной из таких разработанных методик является методика, основанная на продолжительности эксплуатации респиратора, с применением математической модели, как описано в Wood et al., Journal of the American Industrial Hygiene Association, vol. 55(1), pp. 11-15 (1994). В этой методике респираторы или фильтры для очистки воздуха заменяют после определенного периода эксплуатации. Однако эта методика не учитывает изменения уровня загрязняющих веществ или скорости потока, проходящего через респиратор, и, следовательно, может приводить к слишком ранней (что неэкономно) или слишком поздней (что может представлять опасность для пользователя) замене респиратора или фильтрующих элементов.

Для применения с фильтрующими картриджами респиратора было разработано большое количество индикаторов исчерпания ресурса эксплуатации (ESLI). Обычно индикаторы ESLI описываются как пассивные и активные. Пассивными индикаторами ESLI являются те, в которых изменение в индикаторе (часто изменение его цвета) происходит вследствие воздействия анализируемого вещества, когда сорбент, предусмотренный для этого анализируемого вещества, почти выработан. Активными индикаторами ESLI являются содержащие электронный датчик для выявления потока газа, содержащего анализируемое вещество, и подачи предупреждающего сигнала после детектирования анализируемого вещества вследствие выработанного сорбента.

Существует необходимость в индикаторах ESLI, способных показывать, что картридж следует заменить, когда большая часть сорбента в картридже выработана, но до того, как сорбент в картридже будет выработан полностью. Это позволяет использовать картридж на протяжении всего его ресурса эксплуатации (позволяет сэкономить еще пригодные для использования части сорбента в картридже) и в то же время обеспечивает безопасный допуск для пользователя (когда индикатор активирован, для защиты пользователя еще остается пригодный для использования слой сорбента).

В настоящем описании раскрыты системы фильтрующих картриджей для очистки газообразных сред, содержащие многослойные фильтрующие картриджи и сенсорный элемент, расположенный в многослойном фильтрующем картридже. Сенсорный элемент расположен в фильтрующем картридже таким образом, что при выработке одного слоя или группы слоев сенсорный элемент реагирует, и второй слой или группа слоев начинает очищать газообразную среду. Второй слой или группа слоев меньше, чем первый слой или группа слоев, но второй слой или группа слоев имеют большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента. Этот второй слой или группа слоев, несмотря на меньший размер, чем у первого слоя или группы слоев, способны обеспечить защиту пользователя до замены картриджа.

Если не указано обратное, все используемые в настоящем описании и пунктах формулы числовые значения, выражающие размер элемента, количества и физические свойства, должны во всех случаях рассматриваться как модифицируемые термином «приблизительно». Соответственно, если не указано обратное, числовые параметры, указанные в нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными значениями, которые могут варьировать в зависимости от желаемых свойств, к которым стремятся специалисты в данной области техники с применением описанных здесь идей. Перечисление числовых диапазонов посредством их предельных значений включает все числа, находящиеся в этом диапазоне (например, 1-5 включает 1; 1,5; 2; 2,75; 3; 3,80; 4 и 5), а также любой диапазон в пределах этого диапазона.

В настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают воплощения, имеющие ссылки на множественное число, если содержание ясно не указывает на обратное. Например, термин «слой» включает воплощения, содержащие один, два или более слоев. В настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения термин «или» обычно применяется в том его смысле, который включает значение «и/или», если содержание ясно не указывает на обратное.

В настоящем документе термин «сенсорный элемент» относится к элементу или группе элементов, обеспечивающих оптический отклик на анализируемое вещество, например, посредством изменения по меньшей мере одного из их оптических свойств (что может проявляться в изменении цвета, изменении яркости, интенсивности отраженного света и т.д.) при воздействии на них анализируемого вещества. Сенсорный элемент содержит по меньшей мере один «индикатор» и также может содержать другие элементы. В настоящем документе, термин «индикатор» относится к элементу, который при воздействии на него анализируемого вещества, такого как органический пар или кислота, претерпевает детектируемое изменение, обычно оптическое. Если визуальное изменение является изменением цвета, индикатор называют «колориметрическим». Если сенсорный элемент содержит только один индикатор, эти термины используются взаимозаменяемо.

В настоящем документе термин «волновой фронт адсорбции» относится к слою газа, содержащего загрязняющие вещества, который прошел через слой сорбента. Слои газа, прошедшие через слой сорбента и не содержащие загрязняющих веществ, не являются волновым фронтом адсорбции.

В настоящем документе термин «прилегающий», применяемый для слоев или других элементов, означает, что слои или другие элементы находятся в непосредственной близости друг к другу без пустого промежутка между ними. Слои или другие элементы могут соприкасаться друг с другом или они могут проникать в слои или другие элементы.

В настоящем документе термин «дыхательное головное устройство» применительно к респиратору означает устройство для ношения человеком, в которое подается очищенный воздух, при этом такие устройства содержат, например, маски респиратора, плотно прилегающие по меньшей мере к дыхательным путям (нос и рот) человека, а также свободно прилегающие маски респиратора. Примеры дыхательных головных устройств, кроме прочего, включают эластомерные маски респираторов, респираторы, закрывающие все лицо, головные уборы, такие как мягкие капюшоны или твердые каски, или другие подходящие респираторные системы.

В настоящем документе термин «шланг» в отношении приводного респиратора означает устройство, содержащее канал с непроницаемой для текучей среды стенкой (стенками), через которую воздух может перемещаться для подачи отфильтрованного воздуха из источника чистого воздуха (такого как фильтрующий картридж) к дыхательному головному устройству.

Фильтрующий картридж согласно настоящему раскрытию способен удалять загрязняющие вещества из газовой среды и содержит герметичный корпус картриджа. Этот корпус содержит элементы фильтрующего картриджа, удерживает эти элементы в надлежащей конфигурации и защищает элементы от воздействия загрязняющих веществ из газовой среды за исключением направленного потока газовой среды, проходящей через фильтрующий картридж. Элементы фильтрующего картриджа, содержащиеся внутри герметичного корпуса картриджа, содержат по меньшей мере одно впускное отверстие для газа, фильтрующую среду и выпускное отверстие для газа. Фильтрующая среда содержит многослойную структуру, содержащую по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента таким образом, чтобы индикатор сенсорного элемента располагался на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Каждый из этих элементов более подробно описан ниже.

Применение герметичного корпуса картриджа позволяет элементам фильтрующего картриджа находиться в связи по текучей среде друг с другом и защищает эти элементы от негативного воздействия, повреждения и т.д. Корпус обычно сконструирован непроницаемым для текучей среды, подлежащей фильтрации в условиях эксплуатации фильтрующего картриджа. Некоторые потенциально подходящие для корпуса материалы могут включать пластмассы, металлы, композиционные материалы и т.д.

Обычно единственными отверстиями в герметичном корпусе картриджа являются впускное отверстие для газа, находящееся в связи по текучей среде с внешней окружающей средой, и выпускное отверстие для газа, находящееся в связи по текучей среде с пользователем либо непосредственно, либо опосредованно.

Впускное отверстие для газа может быть обычным отверстием или рядом отверстий, или оно может быть более сложным устройством: так, например, оно может содержать предварительный фильтр или экран для уменьшения потока частиц, попадающих в фильтрующий картридж. Примеры предварительных фильтров включают, например, волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п. Предварительные фильтры могут быть съемными, для извлечения и очистки или замены. Примеры подходящих экранов включают, например, металлические или пластмассовые сетки, которые могут быть прикреплены без возможности снятия к впускному отверстию для газа или могут быть съемными. В некоторых конфигурациях фильтрующего картриджа может быть выполнено более одного впускного отверстия для газа.

Другим отверстием в корпусе фильтрующего картриджа является выпускное отверстие для газа. В зависимости от типа системы очистки воздуха, с которой применяется фильтрующий картридж, выпускное отверстие для газа может иметь различные формы и конфигурации. Если фильтрующий картридж применяется в пассивной системе респиратора, выпускное отверстие для газа может быть единственным отверстием или может быть рядом отверстий. Дополнительно выпускное отверстие может содержать фильтр или экран для предотвращения попадания к пользователю частиц или пыли из фильтрующей среды. Примеры подходящих фильтров включают, например, волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п. Фильтры могут быть съемными, для извлечения и очистки или замены. Примеры подходящих экранов включают, например, металлические или пластмассовые сетки, которые могут быть прикреплены без возможности снятия к впускному отверстию для газа или могут быть съемными. Если фильтрующий картридж применяется в приводной системе респиратора, выпускное отверстие для газа может быть единственным отверстием, но в некоторых воплощениях оно может содержать ряд отверстий. В некоторых воплощениях выпускное отверстие для газа является выпускным клапаном, который может соединять корпус фильтрующего картриджа со шлангом или другим соединительным устройством для подачи очищенного воздуха к головному дыхательному устройству или другому устройству. Часто выпускное отверстие для газа является цилиндрическим отверстием, но могут применять и другие формы и контуры. Отверстие может также содержать конструкции, сконструированные для съемного прикрепления фильтрующего картриджа, например, к шлангу или другому соединительному устройству.

Фильтрующая среда содержит многослойную структуру, содержащую по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. По меньшей мере один индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Каждый из первого и второго слоев сорбента может быть единственным слоем или может содержать множество подслоев. Кроме того, в дополнение к этим двум слоям сорбента, также могут наличествовать дополнительные слои. Примеры подходящих дополнительных слоев, которые могут наличествовать, включают, например, дополнительные слои сорбента и фильтры для улавливания частиц, такие как волокнистые полотна, сетки, пеноматериалы, нетканые материи и т.п.

Первый слой сорбента содержит по меньшей мере один поглощающий материал. В настоящем документе термин «поглощающий материал» относится к веществу, способному абсорбировать или адсорбировать органический пар. Эта абсорбция или адсорбция может быть либо физической (органический пар физически захватывается на поглощающем материале или внутри него), либо химической (органический пар химически взаимодействует с поглощающим материалом и захватывается).

Для применения в качестве поглощающего материала может подходить множество различных материалов. Поглощающий материал желательно является достаточно пористым для возможности пропускания через себя имеющегося потока воздуха или других газов и может быть выполнен в виде мелкодисперсного твердого вещества (например, порошка, крупиц, хлопьев, гранул или агломератов) или в виде пористого твердого вещества (например, открытоячеистого пеноматериала или пористого монолитного материала). Обычно поглощающий материал является гранулированным.

Поглощающий материал может быть единственным материалом или он может содержать смесь материалов. Примеры подходящих поглощающих материалов включают, например, активированный уголь, обработанный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель, гопкалит, молекулярные фильтры, металлорганические каркасы, откалиброванные материалы или другие известные поглощающие материалы, а также их сочетание. Дополнительно, как описано выше, первый слой сорбента может содержать множество подслоев. Каждый из этих подслоев может быть одинаковым или различным поглощающим материалом.

Особенно предпочтительные поглощающие материалы включают активированный уголь, оксид алюминия или оксиды других металлов, способные удалять целевой пар путем адсорбции; глину или другие минералы, обработанные растворами кислот, таких как уксусная кислота, или растворами щелочей, такими как водный раствор гидроксида натрия; молекулярные фильтры и другие цеолиты; другие неорганические сорбенты, такие как оксид кремния; органические сорбенты, включающие суперсшитые системы, такие как высоко сшитые стироловые полимеры, известные как «стиросорбы» (такие как описанные, например, в V.A. Dankov, Р, Tsyurupa, Pure and Appl. Chem, vol, 61, pp. 1881-89 (1989) и в L.D. Belyakova. T.I. Schevchenko, V,A, Davankov, Adv. In Colloid and Interface Sci. vol. 25, pp. 249-66, (1986)). Активированный уголь и оксид алюминия являются особенно предпочтительными поглощающими материалами. Могут применяться смеси поглощающих материалов, например, для абсорбции смесей целевых паров. Если материал использован в мелкодисперсной форме, размер частиц сорбента может сильно отличаться, и его обычно выбирают частично на основе предполагаемых условий эксплуатации. В качестве общей рекомендации, мелкодисперсные частицы поглощающего материала могут отличаться в размере, имея средний диаметр от приблизительно 4 до приблизительно 5000 микрометров, например средний диаметр от приблизительно 30 до приблизительно 1500 микрометров. Также могут применяться смеси частиц поглощающих материалов с различными диапазонами размеров (например, в бимодальной смеси частиц поглощающих материалов или в многослойных структурах с применением более крупных частиц сорбента в слое выше по потоку и более мелких частиц сорбента в слое ниже по потоку). Также могут применяться поглощающие материалы, применяемые в комбинации с подходящим связующим (например, уголь со связующим) или захваченные на или в подходящей опоре, как описано в патенте США №3,971,373 (Braun et al.), патенте США №4,208,194 (Nelson) и патенте США №4,948,639 (Brooker et al.), а также в публикации заявки на патент США №US 2006/0096911 Al (Brey et al.). Также может быть использован дополнительно иммобилизованный уголь. Уголь может быть иммобилизован множеством различных способов, таких как связывание угля, использование содержащих уголь полотен, угольных блоков и т.п. Примеры иммобилизованного угля включают содержащие частицы волокнистые полотна, описанные в публикации международной заявки WO 2006/052694 (Brey et al.). Активированный уголь особенно полезен как поглощающий материал. Примеры коммерчески доступного активированного угля включают: уголь изготовителя Kuraray Chemical Со. класса GG (для общего противогазового применения) и уголь класса GC (активированный уголь высокой степени очистки и высокой твердости, применяемый как каталитический носитель). Активированный уголь класса GG марки Kuraray особенно подходит для первого слоя сорбента.

Фильтрующая среда также содержит второй слой сорбента. Этот второй слой сорбента расположен ближе к выпускному отверстию для газа и обычно меньше первого слоя сорбента. Под тем, что второй слой сорбента меньше первого слоя сорбента, подразумевается либо то, что толщина по поперечному сечению второго слоя сорбента меньше, чем толщина по поперечному сечению первого слоя сорбента, либо то, что объем внутри корпуса фильтрующего картриджа, занимаемый вторым слоем сорбента, меньше, чем объем внутри корпуса фильтрующего картриджа, занимаемый первым слоем сорбента, либо и то, и другое.

Несмотря на то, что второй слой сорбента меньше первого слоя сорбента, второй слой сорбента обладает более высокой адсорбционной способностью и/или более высокой скоростью адсорбции, чем первый слой сорбента. В общем это означает, что второй сорбент является более эффективным слоем для адсорбции органических паров, чем первый слой сорбента. Поскольку второй слой сорбента меньше первого слоя сорбента, такая повышенная эффективность адсорбции позволяет второму слою сорбента поддерживать функционирование фильтрующего картриджа и предоставляет пользователю время либо чтобы покинуть загрязненную область, либо для замены фильтрующего картриджа до проникновения через него загрязняющих веществ.

В некоторых воплощениях отношение показателя А₂ адсорбции второго слоя сорбента к показателю A₁ адсорбции первого слоя сорбента составляет А₂/А₁>1. Показатель адсорбции слоя сорбента определяют по формуле: А=k_v×SL, где А - показатель адсорбции; k_v - коэффициент эффективной скорости адсорбции (минуты^-1); и SL - ресурс эксплуатации (минуты), время, требуемое для проникания 1% определенного целевого пара при стандартной температуре и давлении.

Такое определение показателя адсорбции осуществляют с применением методики, описанной в Wood et al., Journal of the American Industrial Hygiene Associaciation, vol 55(1), pp. 11-15 (1994). Поглощающий материал во втором слое сорбента отличается от поглощающего материала в первом слое сорбента. Примеры подходящих поглощающих материалов включают, например, активированный уголь, обработанный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель, гопкалит, молекулярные фильтры, металлоорганические каркасы, откалиброванные материалы или другие известные поглощающие материалы, а также их сочетание. Активированный уголь является особенно предпочтительным поглощающим материалом. Примеры коммерчески доступного активированного угля включают: уголь изготовителя Kuraray Chemical Co. класса GG (для общего противогазового применения) и уголь класса GC (активированный уголь высокой степени очистки и высокой твердости, применяемый как каталитический носитель). Активированный уголь класса GC марки Kuraray особенно подходит для второго слоя сорбента. В некоторых воплощениях как первый, так и второй слои сорбента содержат активированный уголь. В некоторых особых воплощениях первый слой сорбента содержит активированный уголь класса GG марки Kuraray, а второй слой сорбента содержит активированный уголь класса GC марки Kuraray.

Первый и второй слои сорбента находятся в связи по текучей среде друг с другом. В некоторых воплощениях первый и второй слои сорбента являются непосредственно прилегающими друг с другом. В других воплощениях первый и второй слои сорбента являются раздельными слоями и могут быть разделены пористой мембраной или экраном.

Первый и второй слои сорбента могут иметь любые подходящие формы, такие как прямоугольная, круглая, овальная и т.д. Как правило, форма первого и второго слоев сорбента определяется формой и конфигурацией корпуса фильтрующего картриджа. Для первого и второго слоев сорбента может быть желательно, чтобы они имели одинаковую или подобную длину и ширину, или может быть желательно, чтобы второй слой сорбента имел меньшую длину и/или ширину и чтобы фильтрующая среда имела в целом сужающуюся структуру.

Фильтрующий картридж также содержит сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. Сенсорный элемент содержит по меньшей мере один индикатор, расположенный на границе между первым и вторым слоями сорбента. Сенсорный элемент сигнализирует о прохождении волнового фронта адсорбции через фильтрующий картридж. Большое разнообразие сенсорных элементов подходит для применения в фильтрующих картриджах согласно настоящему раскрытию. Сенсорный элемент оптически откликается на анализируемое вещество, например, посредством изменения по меньшей мере одного из его оптических свойств (что может проявляться в изменении цвета, изменении яркости, интенсивности отраженного света и т.д.) при прохождении волнового фронта адсорбции через первый слой сорбента. В некоторых воплощениях сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом (подразумевающим оптическое изменение, детектируемое человеческим глазом); в других воплощениях сенсорный элемент является электронным сенсорным элементом (подразумевающим оптическое изменение, детектируемое электронным устройством). В некоторых воплощениях индикатор, расположенный на границе между первым и вторым слоями сорбента, может составлять весь сенсорный элемент; в других воплощениях сенсорный элемент больше или сложнее, и только индикатор расположен на границе между первым и вторым слоем сорбента.

В некоторых воплощениях сенсорный элемент является пленкой. Пленка может иметь множество слоев и может быть колориметрической пленкой (т.е. пленка изменяет цвет при воздействии на нее органического анализируемого вещества) или она может подвергаться какому-либо другому детектируемому оптическому изменению при воздействии на нее анализируемого органического вещества. Примеры подходящих сенсорных пленок описаны в патенте США №7,449,146 (Rakow et al.) и в патентных публикациях США №2008/0063575 и 2008/0063874 (Rakow et al.).

Сенсорный элемент может также быть структурированным химическим сенсором, таким как описанный в патентной публикации США №2011/0094514 (Rakow et al.). Эти структурированные датчики содержат пленку, содержащую рабочую часть пленки, имеющую слой детектирования и слой окклюзии, связанный с рабочей частью пленки и окклюдирующий часть слоя детектирования. Слой детектирования реагирует на органическое химическое вещество, т.е. слой детектирования изменяет цвет при воздействии на него органического химического вещества. Слой окклюзии предотвращает доступ детектированного химического вещества в окклюдируемую область и не допускает изменения цвета. Суммарный эффект такой конструкции заключается в том, что в одном корпусе пленки, при воздействии органического химического вещества, «старый» цвет (то есть цвет в исходном состоянии) слоя детектирования и «новый» цвет (то есть цвет в состоянии измененного цвета слоя детектирования) представлены смежно друг с другом, позволяя пользователю легко определить, произошло ли изменение.

В зависимости от сложности сенсорного элемента, внутри фильтрующего картриджа может быть расположен весь сенсорный элемент, или часть сенсорного элемента может быть расположена внутри фильтрующего картриджа, а часть сенсорного элемента может быть расположена снаружи фильтрующего картриджа. Это особенно характерно для электронных сенсорных элементов.

В некоторых воплощениях весь сенсорный элемент расположен внутри фильтрующего картриджа. Обычно в этих воплощениях герметичный корпус фильтрующего картриджа содержит окно или иное устройство визуализации, обеспечивающее пользователю возможность видеть сенсорный элемент. Окно или иное устройство визуализации может быть выполнено из стекла или прозрачного пластика. Пример такого устройства описан в патентной публикации США №2010/0294272 (Holmquist-Brown et al.).

Поскольку сенсорный элемент может быть расположен в любом месте фильтрующего картриджа, если по меньшей мере его часть находится на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента, в некоторых воплощениях может быть желательно, чтобы сенсорный элемент располагался на стенке герметичного корпуса фильтрующего картриджа. Таким образом, сигнал либо оптического, либо электронного сенсорного элемента легко передается пользователю. В некоторых воплощениях с колориметрическими сенсорными элементами колориметрический сенсорный элемент расположен на стенке герметичного корпуса фильтрующего картриджа непосредственно прилегающим к окну или иному устройству визуализации.

Три воплощения фильтрующих картриджей согласно настоящему раскрытию показаны на фиг. 1, 2 и 3. На фиг. 1 фильтрующий картридж 100 содержит впускное отверстие 110 для газа, первый слой 120 сорбента, второй слой 130 сорбента, выпускное отверстие 140 для газа и сенсорный элемент 150. Фиг. 2 представляет похожее воплощение, показывая фильтрующий картридж 200, содержащий впускное отверстие 210 для газа, первый слой 220 сорбента, второй слой 230 сорбента, выпускное отверстие 240 для газа и сенсорный элемент 250. В фильтрующем картридже 200 второй слой 230 сорбента уже, чем первый слой 220 сорбента, что придает фильтрующей среде в целом сужающуюся структуру. Фиг. 3 показывает воплощение фильтрующего картриджа 300 с разделенным потоком. В фильтрующем картридже 300 впускные отверстия 310 для газа расположены вверху и внизу фильтрующего картриджа 300. Впускные отверстия 310 для газа находятся в связи по текучей среде с первыми слоями 320 сорбента, вторыми слоями 330 сорбента, выпускным отверстием 340 для газа и сенсорными элементами 350.

Также раскрыты способы фильтрации загрязняющих веществ из газа. Эти способы включают обеспечение фильтрующего картриджа вышеописанного типа, содержащего герметичный корпус картриджа с многослойными слоями сорбента и сенсорным элементом, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, детектирование отклика сенсорного элемента и замену фильтрующего картриджа.

Газообразные загрязняющие вещества обычно включают органические пары, кислотные газы или их комбинации. Термин «органический пар», используемый в настоящем документе, относится к широкому диапазону находящихся в воздухе летучих органических соединений, которые могут быть вредными для людей, если присутствуют во вдыхаемом ими воздухе. Примеры органических паров, кроме прочего, включают: спирты, такие как изопропанол и бутанол; алканы, такие как гексан и октан; ароматические соединения, такие как бензол, толуол, ксилолы и стирол; галоуглероды, такие как хлороформ и метиленхлорид; кетоны, такие как ацетон и метилэтилкетон; эфиры, такие как тетрагидрофуран; сложные эфиры, такие как этилацетат и этоксиэтилацетат; акрилаты, такие как метилакрилат; нитрилы, такие как ацетонитрил; изоцианаты, такие как толуол-2,4-диизоцианат; и т.п. В настоящем документе термин «кислотные или кислые газы» относится к газам, содержащим некий кислотный компонент. Кислотный компонент сам по себе может быть газом, таким как, например, газ хлористого водорода, но кислотный компонент не обязательно сам должен быть газом, а просто может присутствовать в газе или газовой смеси. Кроме того, кислотные газы сами по себе могут не быть кислотами, а кислоты могут получаться в результате их соединения с другими материалами, присутствующими в атмосфере.

Как обсуждалось выше, фильтрующие картриджи содержат по меньшей мере первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа фильтрующего картриджа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. По меньшей мере один индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента.

Обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может осуществляться множеством различных способов в зависимости от типа респираторного устройства, к которому прикреплен фильтрующий картридж. Если респираторное устройство является пассивным респиратором, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может включать надевание респиратора и вдыхание. Впускное отверстие для газа фильтрующего картриджа может быть герметизированным или закрытым для защиты фильтрующего картриджа до начала его использования, поэтому обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может также включать этапы снятия герметичного уплотнения или открытия впускного отверстия фильтрующего картриджа. Кроме того, респиратор и фильтрующие картриджи могут храниться отдельно, поэтому может наличествовать этап сборки, включающий прикрепление фильтрующего картриджа к устройству респиратора. Также респиратор может содержать более одного фильтрующего картриджа, и эти фильтрующие картриджи могут быть одинаковыми или различными.

Если респиратор является электроприводным респиратором, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может включать надевание респиратора и регулировку мощности вентилятора или другого устройства, применяемого для приведения в действие респиратора. Как и в пассивной респираторной системе, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, может также включать этапы снятия герметичного уплотнения или открытия впускного отверстия для газа фильтрующего картриджа или респиратора в сборе.

По мере использования респираторного устройства, содержащего фильтрующий картридж согласно настоящему раскрытию, наступает момент, когда подходит окончание полезной эксплуатации первого слоя сорбента. В этот момент индикатор, расположенный на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента, активируется и вызывает отклик в сенсорном элементе. Отклик сенсорного элемента обычно является оптическим. Если сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом, происходит изменение цвета, детектируемое пользователем. Если сенсорный элемент является электронным, генерируется детектируемый пользователем электронный сигнал.

В некоторых воплощениях может быть полезным проведение испытания фильтрующего картриджа-прототипа на предмет фильтрации образца органического пара и определение показателя окончания ресурса эксплуатации (определяемый проникновением органического пара) до момента активации сенсорного элемента. Этот процесс более полно описан в разделе «Примеры». Может быть желательным, чтобы показатель составлял 0,90 или менее, означая, что на момент активации сенсорного элемента остается 10% поглощающей способности фильтрующего картриджа. Это значение, равное 10%, оставшейся поглощающей способности, соответствует существующему стандарту Национального института по охране труда и промышленной гигиене (NIOSH) для заблаговременного предупреждения пользователя о необходимости замены фильтрующего картриджа.

Детектирование сенсорного отклика пользователем является указанием пользователю заменить фильтрующий картридж. Преимущество настоящей системы фильтрующего картриджа и способа фильтрации загрязняющих веществ из газа заключается в том, что, когда пользователь детектирует сенсорный отклик, волновой фронт адсорбции только достигает второго слоя сорбента. Вследствие того, что у второго слоя сорбента большая адсорбционная способность и/или более высокая скорость адсорбции, чем у первого слоя сорбента, второй слой сорбента может продолжать адсорбировать загрязняющие вещества, несмотря на исчерпание ресурса эксплуатации первого слоя сорбента. Таким образом, второй слой сорбента обеспечивает дополнительный безопасный допуск до тех пор, пока фильтрующий картридж не будет заменен.

Примеры

Эти примеры приведены исключительно в иллюстративных целях и не предусматривают ограничения предмета прилагаемой формулы изобретения. Все пропорции, процентные содержания, соотношения и т.д. в примерах и остальной части описания приведены по весу, если не указано обратное. Используемые растворители и другие реагенты были получены от Sigma-Aldrich Chemical Company, Милуоки, штат Висконсин, если не указано иное.

Способы испытаний

Определение ресурса эксплуатации фильтрующего картриджа

Ресурс эксплуатации измеряли посредством испытания картриджа октаном в количестве 500 ppm при скорости потока 32 л/мин и относительной влажности 50%. Ресурс эксплуатации измеряли при получении 5 ppm октана на выпускном отверстии. Концентрация октана на выходе была измерена с применением пламенно-ионизационного детектора (ПИД) Total Cardrocarbon analyzer FID GOWMAC серии 23-550, изготовленного GowMac Instrument Co. Настройки детектора ПИД были следующие: диапазон 2, давление воздуха 22, давление топлива 12, период измерений 1.1.

Сравнительный пример С1:

Подготовка картриджа С1:

Образцы фильтрующих картриджей были собраны с использованием корпуса картриджа и наполнены с применением колонны для засыпки материалом SM-1 в количестве 140 кубических сантиметров (см³).

Испытание картриджа С1:

Картриджи, собранные, как указано выше, испытывали на предмет исчерпания ресурса эксплуатации с использованием вышеописанного способа испытания. Момент, когда сенсор в фильтрующем картридже был активирован, также был отмечен. Также был рассчитан показатель исчерпания ресурса эксплуатации до момента, когда сенсор был активирован. Показатель означает время между активацией сенсора и прониканием. Желательно, чтобы показатель составлял 0,90 или менее для обеспечения 10% времени заблаговременного предупреждения пользователя картриджа (согласно существующим требованиям NIOSH). Эти данные представлены в Таблице 1.

Примеры 1-4:

Подготовка картриджей 1-4:

Образцы фильтрующих картриджей были собраны с использованием корпуса картриджа и наполнены с применением колонны для засыпки количествами поглощающих материалов, показанными в Таблице 2. Сравнительный пример С1 приведен в качестве справочного образца.

Испытание картриджа 1-4:

Картриджи, собранные, как указано выше, испытывали на предмет исчерпания ресурса эксплуатации с использованием вышеописанного способа испытания. Момент, когда сенсор в фильтрующем картридже был активирован, также был отмечен. Также был рассчитан показатель исчерпания ресурса эксплуатации до момента, когда сенсор был активирован. Показатель означает время между активацией сенсора и прониканием. Желательно, чтобы показатель составлял 0,90 или менее для обеспечения 10% времени заблаговременного предупреждения пользователя картриджа (согласно существующим требованиям NIOSH). Эти данные представлены в Таблице 3.

Группа изобретений относится к фильтрующему картриджу и способу фильтрации загрязняющих веществ из газа с применением фильтрующего картриджа. Фильтрующий картридж для удаления загрязняющих веществ из газовой среды содержит герметичный корпус картриджа, содержащий впускное отверстие для газа, фильтрующую среду и выпускное отверстие для газа. При этом указанная фильтрующая среда содержит многослойную структуру, содержащую первый слой сорбента, второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента. При этом индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента. Способ фильтрации загрязняющих веществ из газа содержит следующие стадии: обеспечение вышеуказанного фильтрующего картриджа, обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж, детектирование отклика сенсорного элемента и замену фильтрующего картриджа. Техническим результатом является повышение безопасности использования фильтрующего картриджа, а также своевременная индикация окончания срока службы фильтрующего картриджа. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 пр., 3 ил.

1. Фильтрующий картридж для удаления загрязняющих веществ из газовой среды, содержащий:
герметичный корпус картриджа, содержащий:
впускное отверстие для газа,
фильтрующую среду и
выпускное отверстие для газа,
при этом указанная фильтрующая среда содержит многослойную структуру, содержащую:
первый слой сорбента,
второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и
сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента, при этом индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента.

2. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором второй слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента.

3. Фильтрующий картридж по п. 2, в котором отношение показателя А₂ адсорбции второго слоя сорбента к показателю A₁ адсорбции первого слоя сорбента составляет А₂/А₁>1, при этом показатель адсорбции слоя сорбента определяется по формуле:
А=k_v×SL,
где А - показатель адсорбции;
k_v - коэффициент эффективной скорости адсорбции (минуты^-1); и
SL - срок службы (минуты), время, требуемое для проникания 1% определенного целевого пара при стандартной температуре и давлении.

4. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором первый слой сорбента и второй слой сорбента выполнены, по существу, отдельными слоями.

5. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором сенсорный элемент выполнен с возможностью сигнализирования о прохождении волнового фронта адсорбции через фильтрующий картридж.

6. Фильтрующий картридж по п. 5, в котором сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом или электронным сенсорным элементом.

7. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором сенсорный элемент расположен внутри фильтрующего картриджа в местоположении, выбранном с возможностью обеспечения сигнализирования сенсорным элементом достижения волновым фронтом адсорбции, содержащим загрязняющее вещество, границы между первым и вторым слоями сорбента.

8. Фильтрующий картридж по п. 1, дополнительно содержащий дополнительные слои сорбента.

9. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором первый и второй слои сорбента содержат слои активированного угля, оксида кремния, оксид алюминия или их комбинации.

10. Фильтрующий картридж по п. 9, в котором первый слой сорбента содержит активированный уголь, а второй слой сорбента содержит другой активированный уголь.

11. Фильтрующий картридж по п. 1, в котором сенсорный элемент расположен на стенке корпуса картриджа.

12. Способ фильтрации загрязняющих веществ из газа, содержащий: обеспечение фильтрующего картриджа, при этом фильтрующий картридж содержит:
герметичный корпус картриджа, содержащий:
впускное отверстие для газа,
фильтрующую среду, и
выпускное отверстие для газа,
при этом указанная фильтрующая среда содержит многослойную структуру, содержащую:
первый слой сорбента,
второй слой сорбента, расположенный ближе к выпускному отверстию для газа, чем первый слой сорбента, и
сенсорный элемент, прилегающий к первому и второму слоям сорбента, при этом индикатор сенсорного элемента расположен на границе соприкосновения первого и второго слоев сорбента,
обеспечение газового потока, проходящего через фильтрующий картридж,
детектирование отклика сенсорного элемента и
замену фильтрующего картриджа.

13. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что второй слой сорбента имеет большую адсорбционную способность и/или более высокую скорость адсорбции, чем первый слой сорбента.

14. Способ по п. 13, характеризующийся тем, что отношение показателя А₂ адсорбции второго слоя сорбента к показателю A₁ адсорбции первого слоя сорбента составляет А₂/А₁>1, при этом показатель адсорбции слоя сорбента определяют по формуле:
А=k_v×SL,
где А - показатель адсорбции;
k_v - коэффициент эффективной скорости адсорбции (минуты^-1); и
SL - ресурс эксплуатации (минуты), время, требуемое для проникания 1% определенного целевого пара при стандартной температуре и давлении.

15. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что первый слой сорбента и второй слой сорбента являются, по сути, отдельными слоями.

16. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что сенсорный элемент сигнализирует о прохождении волнового фронта адсорбции через фильтрующий картридж.

17. Способ по п. 16, характеризующийся тем, что сенсорный элемент является колориметрическим сенсорным элементом или электронным сенсорным элементом.

18. Способ по п. 17, характеризующийся тем, что детектирование отклика сенсорного элемента содержит детектирование изменения цвета.

19. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что сенсорный элемент располагают внутри фильтрующего картриджа в местоположении, выбранном с возможностью обеспечения сигнализирования сенсорным элементом достижения волновым фронтом адсорбции, содержащим загрязняющее вещество, границы соприкосновения первого и второго слоев сорбента.

20. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что фильтрующий картридж дополнительно содержит дополнительные слои сорбента.

21. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что загрязняющие вещества содержат органические пары, кислотные газы или их комбинации.