專利名稱：自補救濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在許多工業(yè)領(lǐng)域都會接觸到重金屬如鉛、鋅和鉻。這類物質(zhì)在涂裝業(yè)中常用作顏料，并用于制造保護結(jié)構(gòu)、飛機、船舶和其它車輛的金屬表面的防腐漆。例如鉻酸鋅由于它對鋁的保護特性、熱穩(wěn)定性并能承受飛機的熱沖擊試驗，而廣泛用于航空空間工業(yè)中的醇酸、環(huán)氧和聚氨酯底漆中。對這些用途來說，鉻酸鋅是難以替代的。然而不幸的是，鉻酸鋅和含其它重金屬的油漆、材料以及它們的粉塵是有毒的。
背景技術(shù)：
當(dāng)將含鉻酸鋅的底漆和油漆對表面進行噴涂時，以及當(dāng)重新油漆前脫除厚漆膜時，都會產(chǎn)生氣飄粒子。在其它工業(yè)加工過程中也會產(chǎn)生重金屬粉塵和氣溶膠。粉塵和氣溶膠可通過不斷地過濾工作環(huán)境中的空氣而得以控制。而操作人員通常使用防護服和其它帶濾器的面罩來阻擋有害的粉塵。因此，在飛機進行重新油漆的過程以及其它很多工業(yè)領(lǐng)域都會產(chǎn)生已被污染的防護服、個人用空氣過濾器、換氣濾器、其它環(huán)境用濾器以及濾器殘留物的廢棄物。這類廢棄物的安全處理和處置在多數(shù)管理機構(gòu)中是受管制的。
雖然已將濾器設(shè)計成能高效地捕集包括重金屬粉塵和其它有害廢棄物在內(nèi)的氣溶膠和顆粒狀物質(zhì)，但設(shè)計者常忽略了對用過的、已充滿了有害物質(zhì)的濾器的處置問題。以填埋來處置這類濾器是對環(huán)境不負責(zé)的，并可能為各種法規(guī)所禁止。如果這些廢棄物曝露在地下水、風(fēng)、雨或其它環(huán)境條件下，由于濾器中包含的重金屬顆?？赡軙涣苋芏M入其周圍區(qū)域從而會造成嚴重的環(huán)境公害。因此，很需要有經(jīng)改進的、能對已被捕集其中的鉛和其它重金屬進行補救的濾器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供了一種自補救濾器，該濾器包含了一容納在與濾器介質(zhì)相鄰或配置在介質(zhì)中的水溶性聚合物材料中的重金屬補救劑。在一個實施方案中，濾器包含至少一個與至少一層濾器介質(zhì)相鄰或配置在濾器介質(zhì)中的裝有重金屬補救劑的水溶性聚合物小包。該聚合物小包與補救劑一起構(gòu)成固定重金屬的整體固定體系(IFS)。因此，該水溶性小包作為聚合物基質(zhì)起分離補救劑與要進行補救的重金屬的作用，在這種情況下，金屬顆粒被捕集在濾器介質(zhì)中。當(dāng)該用過的濾器放置在水中時，小包會溶解而釋放出補救劑，其后該補救劑就會“固定”重金屬。實際上就是使金屬成為不會被淋溶和/或不會溶解，從而可采用較其它方法費用低的填埋法來處置濾器。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，每個裝有補救劑的多個水溶性聚合物“帶狀小包”成層放置在兩層或多層濾器介質(zhì)層之間或插在一層或多層濾器介質(zhì)層內(nèi)。該帶狀小包是采用套筒封焊機制造的。
在另一個實施方案中，包含補救劑的水溶性聚合物小包是制造如濾器介質(zhì)周邊時裝入濾器的外殼中的。
本發(fā)明改進了許多不同類型的濾器，其中包括噴漆柜中用的空氣濾器、建筑物中用的片狀濾器以及個人過濾口罩用的過濾芯。
本發(fā)明的另一方面中，補救劑是在捕集有重金屬顆粒的濾器進行處置前，加入到濾器中的。補救劑可以例如水性漿料施加在濾器中。
在本發(fā)明的再一方面中，提供了用于熔煉和精煉的濾器基質(zhì)，該濾器基質(zhì)包括包裹在可降解的聚合物基質(zhì)中的含重金屬補救劑的粒料充填的填充柱。


如果參看下面詳細說明和附圖，會對本發(fā)明的這些和其它特征以及實施方案有更好的了解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的適用于容納重金屬補救劑的帶狀水溶性小包的圖解說明；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的補救濾器的圖解說明；圖3所示的是另一個實施方案的圖解說明，其中多個補救劑小包與濾器介質(zhì)相鄰；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的自補救濾器盒的橫截面圖解說明。
具體實施例方式
本發(fā)明的第一方面提供了一種自補救濾器，該濾器包含了容納在與濾器介質(zhì)相鄰或配置在介質(zhì)中的水溶性聚合物材料中的重金屬補救劑。濾器介質(zhì)通常是一層或多層能過濾包括粒度可為亞微米級或較大的重金屬顆粒在內(nèi)的顆粒的材料。有利的是，當(dāng)濾器被顆粒狀物質(zhì)的阻塞或確定不能再使用后，將其浸入水中或用水噴灑后，就可采用對環(huán)境負責(zé)的方法加以處置。
按美國專利申請09/646544(Webster和Hurley)水溶性聚合物材料和重金屬補救劑可稱作“整體固定體系”，該專利申請的內(nèi)容已列入本文供參考。水溶性聚合物材料作為聚合物基質(zhì)起分隔補救劑與被捕集在濾器內(nèi)的重金屬的作用。當(dāng)聚合物材料被水活化(溶解)時，補救劑就釋放出來，并或通過化學(xué)作用使重金屬轉(zhuǎn)變成為不溶(或至少顯著降低溶解度)形態(tài)，或通過物理包裹重金屬的方式，防止隨后被淋溶進入環(huán)境中從而“固定”了重金屬。
補救劑的非限制性實例包括硫化鈣，磷酸鈣，氫氧化鈣，碳酸鈣，氧化鈣，硫化鎂、磷酸鎂，氫氧化鎂，碳酸鎂，氧化鎂，混合的含鈣和鎂的碳酸鹽和磷酸鹽，磷灰石，磷酸氫二鈣，磷酸二氫鈣，三元過磷酸鈣，白云石，磷酸及其鹽，磷酸X鈣(X為金屬離子)，堿土金屬硅酸鹽，水合二氧化硅，水合氧化鋁，吸附金屬的白土如膨潤土和硅藻土，以及它們的混合物?！叭^磷酸鈣”(TSP)是Ca(H2PO4)2·H2O(CAS NO.65996-95-4)。礦質(zhì)磷灰石Ca5(PO4)3(F，Cl，OH)雖有這種功能，但作用較慢。由于堿土金屬硅酸鹽(例如硅酸鈣)是通過吸附和高堿性起作用的，因此它的作用不大可能是永久性的。就補救劑本身的使用來說，磷酸鹽被認為適用于對鉛進行補救，但并不能對其它金屬起補救作用。實際上，磷酸鹽會使砷的淋溶現(xiàn)象更為嚴重。
優(yōu)選的補救劑MBSTM2.1是一種以Molecular Bonding SystemTM為商標的補救劑(購自Solucorp Industries(West Nyack，NY))。MBSTM2.1是碳酸鈣/硫化鈣/三元過磷酸鈣按3∶2∶1(重量/重量)的混合物。該補救劑能使捕集在空氣濾器中的有害金屬變成不溶性，而使其濃度降至于美國Universal Treatments Standard(UTS)的限定范圍。
MBSTM2.1不受pH值影響，可在pH值為1-13的條件下對鉛進行補救。而磷酸鹽和硅酸鹽會受pH值的影響，磷酸鹽在較寬的中性(pH值6-8)條件下發(fā)揮補救作用，而硅酸鹽在強堿性(pH值＞10)的條件下發(fā)揮補救作用。此外，MBSTM補救劑能使可溶性鉛鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧U，而硫化鉛口服是無毒的。因此，它的用途應(yīng)是去除含鉛顆粒的濾器的毒性。
補救劑的用量取決于多個因素，包括濾器的預(yù)期用途，可能遇到的重金屬性質(zhì)，補救劑的選擇，濾器介質(zhì)的性質(zhì)以及濾器的大小和孔隙率。對于用MSBTM補救劑強化(或使用后處理)的、并打算用在噴漆柜中進行鉻酸鹽基油漆的脫漆操作的濾器來說，補救劑與濾器中捕集的油漆殘渣的重量/重量比通常為約1∶4-約1∶1，而為使難以處理的Cr(VI)廢棄物的淋溶量降低至UTS限量以下，兩者的重量比約為1∶1是優(yōu)選的。經(jīng)TCLP檢測表明，當(dāng)淋溶量為800毫克/升的、收集在10平方厘米截面的濾器上的100克鉻(VI)油漆殘渣用50克MBS 2.1的水性漿料處理后，其鉻(VI)的淋溶量只降低20毫克/升Cr(VI)。而用與捕集在濾器中油漆殘渣量相等量的MBS補救劑處理時，就能使淋溶量降至UTS限定的0.6毫克總鉻/升以下。其它廢棄物例如鉛基或鋅基油漆殘渣只需較少量MBS補救劑。對于一定的濾器，重金屬和用途，技術(shù)熟練人員不必做過多試驗就可確定最佳的補救劑用量。
在本發(fā)明的一個實施方案中，重金屬補救劑是經(jīng)預(yù)包裝、密封在水溶性的包括聚合物小袋或小包的聚合材料中的。這類聚合物小袋的非限制性實例包括那些由聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯酯、它們的共聚物以及類似材料制的小包。水溶性包裝材料可以不同的形態(tài)和材料購得，其中一些材料可溶于熱水，而另一些溶于冷水。一種非限制性實例是“冷水可溶的PVA袋”(由Aquafilm Ltd.(Monosol LLC的一部分(Portage，IN和Hartlebury，Worcestershire，UK))銷售的)，廠商可按用戶的具體尺寸和膜厚度的要求供貨。
在另一個實施方案中，形成水溶性帶狀聚合物小包(如圖1所示)，并在套筒封焊機上以豎直方式充填補救劑。帶狀小包10包括多個隔開的小袋或小包20，每個小包都要充填補救劑。每個小包通過一個小的密封區(qū)域30分隔開。對具體的尺寸沒有限定，在一個實施方案中，形成的帶狀小包是由厚度為50-100微米、冷水可溶的PVA薄膜制的，每個小包大約2.5厘米寬、10厘米長，可充填凈重50克補救劑。
在本發(fā)明的一些實施方案中，包含分散劑或其它乳化劑有利于改進小包活化的補救劑的分布，并有利于使釋放的補救劑接近重金屬微粒。分散劑可與重金屬補救劑一起包裹在水溶性聚合物材料(例如上述的袋或包)中，或者與重金屬補救劑分開包裹。分散劑的非限制性實例包括陰離子和非離子超分散劑例如Sosperse 12000、22000、43000和44000，購自Lubrizol Corp.(Charlotte，NC)，脂肪醇烷氧基化物例如Brij，購自Uniqema BV(Gouda，The Netherlands)，脫水山梨醇酯，例如Span(購自Uniqema BV)，酯烷氧基化物，例如Tween(購自UnipemaBV)，以及常規(guī)陽離子去垢劑。分散劑或乳化劑的濃度可隨分散劑或乳化劑的性質(zhì)而定，通常在100毫克/升與10克/升之間。應(yīng)當(dāng)使用足夠量的分散劑或乳化劑以使補救劑迅速而均勻地分散。
濾器介質(zhì)的選擇決定于該濾器的預(yù)期用途和濾器可能曝露的環(huán)境。濾器介質(zhì)的非限制性實例包括玻璃纖維、紙、棉、布、合成材料、纖維以及它們的混合物。濾器可制成許多種不同的形狀，其中包括筒狀、墊子狀、布袋、果凍卷結(jié)構(gòu)、百褶裙狀、蜂巢狀、單層、多層以及其它為具有濾器設(shè)計和用途知識的技術(shù)熟練人員所熟悉的形狀。采用攔截原理的干式濾器以及采用粘性試劑或油類的粘液碰撞式濾器都可使用。
參看圖2，該圖所示的是自補救濾器的一個實施方案。濾器50包括第一層粗糙的非織造聚酯纖維60，第二層粗糙的非織造聚酯纖維70和夾在兩層中間的多個水溶性聚合物小包80。這些小包具有如上所述的帶狀結(jié)構(gòu)。每個小包裝有重金屬補救劑。帶狀小包以平行成排方式放置，間隔10厘米，以使每10×10厘米區(qū)域內(nèi)有50克補救劑(例如MBSTM2.1)小包。該濾器還包括由細非織造聚酯纖維薄層90構(gòu)成的附加濾器介質(zhì)。以常規(guī)方法將各介質(zhì)層組合在一起，并在相鄰濾器介質(zhì)層之間放入帶狀小包。
在另一個實施方案中，帶狀小包從寬度方向穿過粗糙的濾片中心。
圖3所示的是另一種構(gòu)型，其中多個分開的、每個包含重金屬補救劑的小包110放置在靠近濾器介質(zhì)層120處。每個小包是由如上所述的水溶性聚合材料制成的。
根據(jù)本發(fā)明的自補救濾器可以有許多種不同的尺寸和形狀，廣泛適用于各類工業(yè)領(lǐng)域和其它領(lǐng)域。例如，在一個實施方案中，濾器介質(zhì)是大小為1平方米、厚度3-10厘米的粗糙的非織造聚酯纖維濾片。一種噴漆柜用的板狀濾器包括一層或多層濾器介質(zhì)，一個或多個補救劑小包以及(任選)外護罩。在另一個實施方案中，如圖4所示的是個人使用的空氣過濾器的濾芯。該濾芯150包括多個嵌在濾器介質(zhì)170、180兩層之間的補救劑小包160，它們都裝在濾芯外殼190內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明改進的濾器可按常規(guī)方法使用。在濾器使用期限已滿時，可將濾器浸入水中或用水噴灑。水使濾器中整體固定體系活化，使處于濾器介質(zhì)內(nèi)以及其附近的補救劑分散并接近已捕集在介質(zhì)內(nèi)的重金屬微粒。由此導(dǎo)致重金屬被固定，即使重金屬成為水不溶和/或被包裹的不會被淋溶的形態(tài)。依據(jù)政府法規(guī)，這樣的濾器可以按無害化廢物排放和處理。將補救劑包容在濾器內(nèi)可以省去處置前必須將濾器破碎的步驟。因此，降低了為有害廢物管理人員帶來的風(fēng)險。同樣也降低了對濾器的處理費用。
本發(fā)明的另一方面是在使用后但在處理前將補救劑添加到含有已捕集了重金屬微粒的常規(guī)濾器中，而不是將補救劑預(yù)先包裹在濾器內(nèi)或濾器的外殼內(nèi)。補救劑可例如作為水性漿料進行施加。任選的是，漿料中也可包含(如上所述的)分散劑。下面將提供本實施方案的非限制性實施例。
實施例采用TCLP對使用過、破碎的含鉻酸鹽殘渣的濾器進行檢測，發(fā)現(xiàn)鉻的淋容量為598毫克/升鉻(VI)。配制10％(重量/重量)的MBSTM2.1水性漿料，將已污染的濾器材料浸入該漿料中并定時攪拌48小時。然后取出殘渣并瀝干。用TCLP進行后處理分析并未顯示有可檢測的鉻(VI)，檢測限量為0.100毫克/升。
在本發(fā)明的另一方面中，為重金屬的濃縮、回收和再利用而設(shè)計的濾器基質(zhì)(可能在例如貴金屬和/或揮發(fā)性重金屬的熔煉和精煉過程中是需要的)可通過本文所述原理進行改進。按照InternationalApplication，Publication No.WO 98/39382(Hamilton和Hurley)所述制備水溶性PVA粒料(粒徑約為5毫米)并用重金屬補救劑進行浸漬或與其相混合。然后在轉(zhuǎn)鼓中對加有補救劑的水溶性粒料涂敷水溶性或生物可降解的表面涂層，例如涂敷聚乙二醇蠟以形成類似于美國專利申請09/646544(Webster和Hurley)中所述的整體固定體系(IFS)。該IFS膜一般占所涂粒料重量的0.5-20重量％，使IFS膜有較高的表面積。將IFS粒料充填在有水冷卻夾套的冷凝柱中。讓含有揮發(fā)性重金屬如砷或汞的廢氣通過該冷凝柱。于是揮發(fā)性金屬冷凝在IFS粒料表面。當(dāng)IFS粒料已經(jīng)為重金屬所飽和時，從柱中取出填充料并浸入水中。填充料內(nèi)的水溶性PVA粒料溶解后，留下的重金屬不溶殘渣被濃縮到占柱填充料起始重量的0.5-20％。然后通過過濾回收該殘留物并按政府法規(guī)作為無害化廢物進行處理，或者可通過電解、熔煉或其它公知的金屬提取工藝從該殘留物中回收有潛在價值的金屬。
這一方法的優(yōu)點是減少了經(jīng)補救處理的殘渣的體積。水性的無金屬部分可廢棄排放。對于有較高價值的鑄造廢料，乃至金、鉑和鈀蒸氣來說，其殘渣是經(jīng)濃縮的、因而可作為貴金屬礦物回收。
已經(jīng)參考了各個實施方案和不同方面對本發(fā)明進行了說明，但本發(fā)明不限于此，因為技術(shù)熟練人員在閱讀本說明書公開內(nèi)容時就有可能提出其它變體。這類變體和等同內(nèi)容也被認為是在本發(fā)明范圍之內(nèi)的，本發(fā)明的范圍僅由下述權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種自補救濾器，該濾器包含容納在水溶性聚合物材料中的重金屬補救劑，其中聚合材料與濾器介質(zhì)相鄰或配置在濾器介質(zhì)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中重金屬補救劑選自硫化鈣，磷酸鈣，氫氧化鈣，碳酸鈣，氧化鈣，硫化鎂，磷酸鎂，氫氧化鎂，碳酸鎂，氧化鎂，混合的含鈣和鎂的碳酸鹽和磷酸鹽，磷灰石，磷酸氫二鈣，磷酸二氫鈣，三元過磷酸鈣，白云石，磷酸及其鹽，磷酸X鈣，其中X是金屬離子，堿土金屬硅酸鹽，水合二氧化硅，水合氧化鋁，吸附金屬的白土以及它們的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中重金屬補救劑包含碳酸鈣、硫化鈣和三元過磷酸鈣的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中聚合物材料包括聚合物小袋。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的自補救濾器，其中聚合物小袋是由聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯或它們的共聚物制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中聚合物材料包括具有多個聚合物小袋的小包帶，其中重金屬補救劑容納在這些小袋中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，還包含分散劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的自補救濾器，其中分散劑包容在聚合物材料中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中分散劑選自陰離子超分散劑、非離子超分散劑、脂肪醇烷氧基化物、脫水山梨醇酯、酯烷氧基化物，以及陽離子去垢劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中濾器介質(zhì)選自玻璃纖維、紙、棉花、布、合成纖維，以及它們的混合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中濾器介質(zhì)包括聚酯纖維片。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的自補救濾器，其中水溶性聚合物材料是夾在兩層濾器介質(zhì)之間的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的自補救濾器，其中所述兩層濾器介質(zhì)由粗質(zhì)聚酯纖維構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的自補救濾器，還包含一較薄層的與濾器介質(zhì)層相鄰的細非織造聚酯纖維層。
15.一種對已被重金屬污染的濾器進行補救的方法，該方法包括使該濾器與包含重金屬補救劑的水性漿料相接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的對濾器進行補救的方法，其中重金屬補救劑選自硫化鈣，磷酸鈣，氫氧化鈣，碳酸鈣，氧化鈣，硫化鎂，磷酸鎂，氫氧化鎂，碳酸鎂，氧化鎂，混合的含鈣和鎂的碳酸鹽和磷酸鹽，磷灰石，磷酸氫二鈣，磷酸二氫鈣，三元過磷酸鈣，白云石，磷酸及其鹽，磷酸X鈣，其中X是金屬離子，堿土金屬硅酸鹽，水合二氧化硅，水合氧化鋁，吸附金屬的白土，以及它們的混合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的對濾器進行補救的方法，其中漿料還包含分散劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的對濾器進行補救的方法，其中分散劑選自陰離子超分散劑、非離子超分散劑、脂肪醇烷氧基化物、脫水山梨醇酯、酯烷氧基化物，以及陽離子去垢劑。
19.一種自補救濾器筒，該濾器筒包括外殼，置于筒中的濾器介質(zhì)，以及容納在水溶性聚合物材料中的重金屬補救劑，其中聚合物材料與濾器介質(zhì)相鄰或配置在濾器介質(zhì)內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的自補救濾器筒，其中聚合物材料包括聚合物小袋。
全文摘要
本發(fā)明提供的自補救濾器包含容納在與濾器介質(zhì)相鄰或配置在介質(zhì)中的水溶性聚合物材料中的重金屬補救劑。本發(fā)明還提供了一種對被常規(guī)重金屬污染的濾器進行補救的方法，其中包括將被污染的濾器與重金屬補救劑的水性漿料相接觸。
文檔編號B01D46/00GK1905931SQ200480040980
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者P·J·赫爾利 申請人:索魯科普工業(yè)有限公司