用于分層濾筒的使用壽命終點(diǎn)指示系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了具有使用壽命終點(diǎn)指示系統(tǒng)的分層濾筒系統(tǒng)，所述分層濾筒系統(tǒng)包括濾筒，所述濾筒包括過(guò)濾介質(zhì)。所述過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，所述多層構(gòu)造具有第一吸附劑層、第二吸附劑層、和感測(cè)元件，所述感測(cè)元件鄰近所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層，使得所述感測(cè)元件位于所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層之間的界面處。所述第二吸附劑層具有比所述第一吸附劑層高的吸附容量和/或吸附速率。所述感測(cè)元件指示吸附波前穿過(guò)所述濾筒的通道。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于分層濾筒的使用壽命終點(diǎn)指示系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明整體涉及利用濾筒來(lái)從氣體中濾除污染物的方法以及用于確定濾筒的使 用壽命終點(diǎn)的使用壽命終點(diǎn)指示器。

【背景技術(shù)】
[0002] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種空氣凈化系統(tǒng)來(lái)保護(hù)人免受危害性空氣污染物的侵害。這些空氣 凈化系統(tǒng)包括許多各種不同的空氣凈化呼吸器，所述空氣凈化呼吸器被設(shè)計(jì)用于濾除或吸 附存在于空氣中的污染物。通常，這些空氣凈化呼吸器包含過(guò)濾介質(zhì)、過(guò)濾主體、或者過(guò)濾 介質(zhì)和過(guò)濾主體的某種組合。在使用呼吸器時(shí)，污染物被過(guò)濾介質(zhì)吸附或者被過(guò)濾主體粘 附或捕集。最后，過(guò)濾介質(zhì)或過(guò)濾主體變得飽和并且呼吸器移除危害性空氣污染物的能力 開(kāi)始減弱。
[0003] 在長(zhǎng)期暴露于包含危害性空氣污染物的環(huán)境期間，例如對(duì)于暴露于這種環(huán)境的連 續(xù)性或重復(fù)性工作者，確定呼吸器的有效使用壽命的技術(shù)為必需的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的一種技 術(shù)基于呼吸器的使用時(shí)間。在此技術(shù)中，基于（例如）Wood等人在Journal of the American Industrial Hygiene Association《美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)雜志》，第55卷第I期，第11-15頁(yè) (1994年）中公開(kāi)的數(shù)學(xué)模型，在使用一段時(shí)間后更換呼吸器或空氣凈化過(guò)濾器。然而，此 技術(shù)未考慮通過(guò)呼吸器的污染物含量或流速的變化，因此可導(dǎo)致呼吸器或過(guò)濾器元件被過(guò) 早地（這為浪費(fèi)的）或過(guò)晚地（這會(huì)給使用者造成危險(xiǎn)）更換。
[0004] 包含不同吸附劑材料的層或混合物的濾筒的例子包括美國(guó)專(zhuān)利 No. 5, 660, 173 (Newton)，該專(zhuān)利描述了結(jié)合防毒面具使用的圓柱形罐，所述圓柱形罐包括 截頭形碳床和位于碳床中的不同粒度碳顆粒的分層陣列。美國(guó)專(zhuān)利No. 5, 714, 126 (Frund) 描述了用于濾除毒劑的呼吸器過(guò)濾系統(tǒng)，所述呼吸器過(guò)濾系統(tǒng)包括濾筒和HEPA過(guò)濾器，所 述濾筒包括未浸漬的活性碳層和利用硫酸鹽（鑰和銅或鋅）浸漬的活性碳層。美國(guó)專(zhuān)利 No. 6, 344, 071 (Smith等人）描述了過(guò)濾介質(zhì)，所述過(guò)濾介質(zhì)包括至少兩種過(guò)濾介質(zhì)，第一 多種過(guò)濾介質(zhì)顆粒包含過(guò)渡金屬浸漬劑，第二多種過(guò)濾介質(zhì)顆粒包含叔胺浸漬劑。
[0005] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出與呼吸器的濾筒一起使用的多種使用壽命終點(diǎn)指示器（ESLI)。一般來(lái) 講，ESLI被描述為無(wú)源型或有源型。無(wú)源型ESLI為其中指示器中的變化（通常顏色變化） 是在用于分析物的吸附劑接近耗盡時(shí)因暴露于分析物而形成的ESLI。有源型ESLI為如下 ESLI，所述ESLI包括電子傳感器，以監(jiān)測(cè)用于分析物的氣流并且在因吸附劑耗盡而檢測(cè)到 分析物時(shí)產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開(kāi)了用于分層濾筒系統(tǒng)的使用壽命終點(diǎn)指示器。本發(fā)明包括能夠從氣體 介質(zhì)移除污染物的濾筒，所述濾筒包括密封式濾筒外殼，所述密封式濾筒外殼包括氣體入 口、過(guò)濾介質(zhì)、和氣體出口。過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，多層構(gòu)造包括第一吸附劑層、第二吸附 齊?層、和感測(cè)元件，所述第二吸附劑層比所述第一吸附劑層更靠近氣體出口，所述感測(cè)元件 鄰近所述第一吸附劑層和第二吸附劑層，使得感測(cè)元件的指示元件位于所述第一吸附劑層 和第二吸附劑層之間的界面處。在一些實(shí)施例中，感測(cè)元件為電子感測(cè)元件，在其他實(shí)施例 中，感測(cè)元件為色度感測(cè)元件。在一些實(shí)施例中，第二吸附劑層具有比第一吸附劑層高的吸 附容量和/或吸附速率。
[0007] 本發(fā)明還包括從氣體中濾除污染物的方法。這些方法包括提供濾筒、使氣體流過(guò) 濾筒、檢測(cè)感測(cè)元件中的感測(cè)響應(yīng)、以及更換濾筒。濾筒具有密封式濾筒外殼，密封式濾筒 外殼包括氣體入口、過(guò)濾介質(zhì)、和氣體出口。過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，多層構(gòu)造包括第一吸 附劑層、第二吸附劑層、和感測(cè)元件，所述第二吸附劑層比所述第一吸附劑層更靠近氣體出 口，感測(cè)元件鄰近第一吸附劑層和第二吸附劑層，使得感測(cè)元件的指示元件位于第一吸附 劑層和第二吸附劑層之間的界面處。在一些實(shí)施例中，感測(cè)元件為電子感測(cè)元件，在其他實(shí) 施例中，感測(cè)元件為色度感測(cè)元件。在一些實(shí)施例中，第二吸附劑層具有比第一吸附劑層的 吸附容量和/或吸附速率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 參照以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，可以更全面地理解本專(zhuān)利申 請(qǐng)。
[0009] 圖1示出了本發(fā)明的濾筒的實(shí)施例的剖視圖。
[0010] 圖2示出了本發(fā)明的濾筒的實(shí)施例的剖視圖。
[0011] 圖3示出了本發(fā)明的濾筒的實(shí)施例的剖視圖。
[0012] 在以下對(duì)圖示實(shí)施例的描述中，參照了附圖，并通過(guò)舉例說(shuō)明的方式在這些附圖 中示出在其中可以實(shí)施本發(fā)明的多種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下， 可以利用實(shí)施例并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變。附圖未必按比例繪制。附圖中使用的類(lèi)似標(biāo) 號(hào)是指類(lèi)似組件。然而，應(yīng)當(dāng)理解，使用標(biāo)號(hào)來(lái)指代給定附圖中的組件并非意圖限制在另一 附圖中以相同標(biāo)號(hào)標(biāo)記的組件。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種空氣凈化系統(tǒng)來(lái)保護(hù)人免受危害性空氣污染物的侵害。這些空氣 凈化系統(tǒng)包括寬泛范圍的空氣凈化呼吸器，所述空氣凈化呼吸器被設(shè)計(jì)用于濾除或吸附存 在于空氣中的污染物。此吸附作用可為物理吸附作用或化學(xué)吸附作用。這些空氣凈化系統(tǒng) 可為無(wú)源的，這意味著使用者的呼吸吸取空氣穿過(guò)呼吸器，或者可為電動(dòng)的，這意味著諸如 風(fēng)扇之類(lèi)的機(jī)械裝置吸取空氣穿過(guò)呼吸器。通常，這些空氣凈化呼吸器利用濾筒。一般來(lái) 講,這些濾筒包括過(guò)濾介質(zhì)、過(guò)濾主體、或者過(guò)濾介質(zhì)和過(guò)濾主體的某種組合。在使用呼吸 器時(shí)，污染物被過(guò)濾介質(zhì)吸附或者被過(guò)濾主體粘附或捕集。最后，過(guò)濾介質(zhì)或過(guò)濾主體變得 飽和并且呼吸器移除危害性空氣污染物的能力開(kāi)始減弱。
[0014] 在長(zhǎng)期暴露于包含危害性空氣污染物的環(huán)境期間，例如對(duì)于暴露于這種環(huán)境的連 續(xù)性或重復(fù)性工作者，確定呼吸器的有效使用壽命的技術(shù)為必需的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的一種技 術(shù)基于呼吸器的使用時(shí)間，此技術(shù)采用Wood等人在Journal of the American Industrial Hygiene Association《美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)雜志》，第55卷第I期，第11-15頁(yè)（1994年）中 描述的數(shù)學(xué)模型。在這種技術(shù)中，在一段使用時(shí)間后就更換呼吸器或空氣凈化過(guò)濾器。然 而，此技術(shù)未考慮通過(guò)呼吸器的污染物含量或流速的變化，因此可導(dǎo)致呼吸器或過(guò)濾器元 件被過(guò)早地（這為浪費(fèi)的）或過(guò)晚地（這會(huì)給使用者造成危險(xiǎn)）更換。
[0015] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出與呼吸器的濾筒一起使用的多種使用壽命終點(diǎn)指示器（ESLI)。一般來(lái) 講，ESLI被描述為無(wú)源型或有源型。無(wú)源型ESLI為其中指示器中的變化（通常顏色變化） 是在用于分析物的吸附劑接近耗盡時(shí)因暴露于分析物而形成的ESLI。有源型ESLI為如下 ESLI，所述ESLI包括電子傳感器，以監(jiān)測(cè)用于分析物的氣流并且在因吸附劑耗盡而檢測(cè)到 分析物時(shí)產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)。
[0016] 需要如下ESLI，所述ESLI能夠在濾筒吸附劑的大部分已經(jīng)耗盡時(shí)、但在濾筒吸附 劑完全耗盡之前指示出濾筒應(yīng)進(jìn)行更換。這允許濾筒用于整個(gè)使用壽命（消除了濾筒中的 可用吸附劑的浪費(fèi)部分），并且還為使用者提供了安全界限（當(dāng)啟動(dòng)指示器時(shí)，仍存在可用 的吸附劑層以保護(hù)使用者）。
[0017] 本文公開(kāi)了用于凈化氣體介質(zhì)的濾筒系統(tǒng)，所述濾筒系統(tǒng)包括分層濾筒和位于分 層濾筒內(nèi)的感測(cè)元件。感測(cè)元件以如下方式位于濾筒內(nèi)：在一個(gè)層或?qū)咏M耗盡時(shí)，感測(cè)元件 被觸發(fā)并且第二層或?qū)咏M開(kāi)始凈化氣體介質(zhì)。第二層或?qū)咏M小于第一層或?qū)咏M，但第二層 或?qū)咏M具有比第一吸附劑層高的吸附容量和/或吸附速率。此第二層或?qū)咏M盡管小于第一 層或?qū)咏M，但能夠?yàn)槭褂谜咛峁┍Ｗo(hù)，直到濾筒可進(jìn)行更換。
[0018] 除非另外指明，否則本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中所使用的所有表達(dá)特征尺寸、量和 物理特性的數(shù)值均應(yīng)理解成由術(shù)語(yǔ)"約"修飾。因此，除非有相反的說(shuō)明，否則在上述說(shuō)明 書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中列出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，這些近似值可以根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人 員使用本文所公開(kāi)的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的期望性質(zhì)而變化。以端點(diǎn)表述的數(shù)值范圍包括歸 入該范圍內(nèi)的所有數(shù)值（如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及該范圍內(nèi)的任 何范圍。
[0019] 如本說(shuō)明書(shū)以及所附權(quán)利要求中所用，除非單數(shù)形式"一個(gè)"和"所述"另外明確 指出，否則該內(nèi)容涵蓋具有多個(gè)指代物的實(shí)施例。例如，提及"一層"可涵蓋具有一層、兩層 或更多層的實(shí)施例。如本說(shuō)明書(shū)以及附加的權(quán)利要求書(shū)中所用，除非術(shù)語(yǔ)"或"另外清楚的 表述，否則該內(nèi)容一般以包含"和/或"的意思使用。
[0020] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"感測(cè)元件"是指下述元件或元件的集合：例如，當(dāng)暴露于分析物 時(shí)，通過(guò)經(jīng)受其光學(xué)性質(zhì)中的至少一種的改變（如，可表現(xiàn)為色度改變，反射光的亮度、強(qiáng) 度改變等），以光學(xué)方式響應(yīng)分析物。感測(cè)元件包括至少一個(gè)"指示器元件"并且還可包括 其他元件。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"指示器元件"是指當(dāng)暴露于分析物（例如，有機(jī)蒸氣或酸） 時(shí)發(fā)生可檢測(cè)變化（通常為光學(xué)變化）的元件。當(dāng)視覺(jué)變化為顏色變化時(shí)，指示器被稱(chēng)為 "色度"指示器。如果感測(cè)元件僅包括指示器元件，則這些術(shù)語(yǔ)可互換使用。
[0021] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"吸附波前"是指包含已穿過(guò)吸附劑層的污染物的氣體層。已穿 過(guò)吸附劑層并且不包含污染物的氣體層不是吸附波前。
[0022] 如本文所用，涉及層或其他元件時(shí)的術(shù)語(yǔ)"鄰近"是指層或其他元件彼此緊鄰，且 在它們之間不存在間隙。層或其他元件可為接觸的，或者可存在居間層或其他元件。
[0023] 如本文所用，涉及呼吸器時(shí)的術(shù)語(yǔ)"呼吸頭盔"是指由人佩戴的被提供凈化空氣的 設(shè)備，此類(lèi)呼吸頭盔包括（例如）緊密貼合在至少呼吸通道（鼻部和口部）上的面罩、以及 松弛貼合型面罩。呼吸頭盔的例子包括（但不限于）彈性體面罩呼吸器、全面罩式呼吸器、 頭罩（例如軟罩或硬頭罩）、以及其他合適的呼吸器系統(tǒng)。
[0024] 如本文所用，涉及電動(dòng)呼吸器時(shí)的術(shù)語(yǔ)"軟管"是指包括如下導(dǎo)管的裝置，所述導(dǎo) 管具有流體不可滲透性壁，所述流體不可滲透性壁能夠允許空氣從中穿過(guò)以用于將過(guò)濾空 氣從潔凈空氣供應(yīng)源（例如，濾筒）遞送到呼吸頭盔。
[0025] 本發(fā)明的濾筒能夠從氣體介質(zhì)移除污染物并且具有密封式濾筒外殼。此外殼容納 濾筒的元件，將元件保持為正確構(gòu)型，并且保護(hù)元件以免暴露于除定向流過(guò)濾筒的氣體介 質(zhì)之外的氣體介質(zhì)的污染物。容納在密封式濾筒外殼內(nèi)的濾筒的元件包括至少氣體入口、 過(guò)濾介質(zhì)、和氣體出口。過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，多層構(gòu)造包括至少第一吸附劑層、第二吸 附劑層、和感測(cè)元件，第二吸附劑層比第一吸附劑層更靠近氣體出口，感測(cè)元件鄰近第一吸 附劑層和第二吸附劑層，使得感測(cè)元件的指示元件位于第一吸附劑層和第二吸附劑層之間 的界面處。這些元件中的每一個(gè)更詳細(xì)地描述于下文中。
[0026] 使用密封式濾筒外殼允許濾筒的部件彼此保持流體連通，并且保護(hù)部件免受沖 擊、損害等。外殼通常被設(shè)計(jì)用于在濾筒的使用條件下不可滲透將被過(guò)濾的流體。一些可 能適于用于外殼的材料可包括塑料、金屬、復(fù)合材料等。
[0027] -般來(lái)講，密封式濾筒外殼中的僅有開(kāi)口為氣體入口和氣體出口，氣體入口與外 部環(huán)境流體連通，氣體出口與使用者直接或間接地流體連通。
[0028] 氣體入口可為簡(jiǎn)單孔口或一系列孔口，或者其可為更復(fù)雜的設(shè)備，例如，其可包括 預(yù)過(guò)濾器或篩網(wǎng)以減小進(jìn)入濾筒的顆粒流。預(yù)過(guò)濾器的例子包括（例如）纖維網(wǎng)、網(wǎng)片、泡 沫、非織造織物等等。預(yù)過(guò)濾器可為可拆除的，使得可以將其取下并進(jìn)行清潔或更換。合適 的篩網(wǎng)的例子包括（例如）金屬或塑料網(wǎng)格，其可永久性地附連到氣體入口或者可為可拆 除的。在某些濾筒構(gòu)造中，可能存在不止一個(gè)氣體入口。
[0029] 濾筒外殼中的其他開(kāi)口為氣體出口。根據(jù)其中使用濾筒的空氣凈化系統(tǒng)的類(lèi)型， 氣體出口可具有多種形狀和構(gòu)造。如果濾筒用于無(wú)源型呼吸器系統(tǒng)中，則氣體出口可為單 個(gè)孔口或者其可為一系列孔口。另外，出口可包含過(guò)濾器或篩網(wǎng)，以防止顆粒流或粉塵流從 過(guò)濾介質(zhì)到達(dá)使用者。合適的過(guò)濾器的例子包括（例如）纖維網(wǎng)、網(wǎng)片、泡沫、非織造織物 等等。過(guò)濾器可為可拆除的，使得它們可被取下并進(jìn)行清潔或更換。合適的篩網(wǎng)的例子包 括（例如）金屬或塑料網(wǎng)格，其可永久性地附連到氣體入口或者可為可拆除的。如果濾筒 用于電動(dòng)呼吸器系統(tǒng)中，則氣體出口通常為單個(gè)開(kāi)口，但在一些實(shí)施例中其可包括一系列 開(kāi)口。在一些實(shí)施例中，氣體出口為排氣口，所述排氣口可將濾筒外殼連接到軟管或其他連 接設(shè)備以將凈化空氣提供到呼吸頭盔或其他裝置。通常氣體出口為圓柱形開(kāi)口，但也可使 用其他形狀和輪廓。開(kāi)口還可包括被設(shè)計(jì)用于將濾筒以可脫開(kāi)方式附接到（例如）軟管或 其他連接設(shè)備的結(jié)構(gòu)。
[0030] 過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，多層構(gòu)造包括至少第一吸附劑層、第二吸附劑層、和感測(cè) 元件，第二吸附劑層比第一吸附劑層更靠近氣體出口，感測(cè)元件鄰近第一吸附劑層和第二 吸附劑層。感測(cè)元件的至少一個(gè)指示器元件位于第一吸附劑層和第二吸附劑層之間的界面 處。第一吸附劑層和第二吸附劑層中的每一個(gè)可為單一層或者可包括多個(gè)子層。另外，除 了這兩個(gè)吸附劑層之外，還可存在附加層。可存在的合適附加層的例子包括（例如）附加 吸附劑層、和顆粒過(guò)濾器，例如纖維網(wǎng)、網(wǎng)片、泡沫、非織造織物等等。
[0031] 第一吸附劑層包括至少一種吸附劑材料。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"吸附劑材料"是指能 夠吸收或吸附有機(jī)蒸氣的物質(zhì)。此吸收或吸附作用可為物理作用（有機(jī)蒸氣被物理地捕集 在吸附劑材料上或吸附劑材料內(nèi)）或化學(xué)作用（有機(jī)蒸氣與吸附劑材料化學(xué)地相互作用并 且被捕集）。
[0032] 多種材料可適于用作吸附劑材料。吸附劑介質(zhì)有利地為充分多孔的，以允許空氣 易于流過(guò)或其他氣體經(jīng)由該孔通過(guò)，并且其形式可以為細(xì)碎的固體（如粉末、微珠、薄片、 顆?；蚋骄畚铮┗蛘叨嗫坠腆w（如開(kāi)孔泡沫或多孔一體化材料）。通常吸附劑材料為顆粒 狀的。
[0033] 吸附劑材料可為單一材料，或者其可包括材料的混合物。合適的吸附劑材料的例 子包括（例如）活性碳、處理過(guò)的活性碳、氧化鋁、硅膠、霍加拉特、分子篩、金屬-有機(jī)框 架、模板材料、或其他已知的吸附劑材料、或者它們的組合。另外，如上所述，第一吸附劑層 可包括多個(gè)子層。這些子層中的每一個(gè)可為相同的或不同的吸附劑材料。
[0034] 尤其有利的吸附劑介質(zhì)材料包括活性碳；氧化鋁和能通過(guò)吸附作用移除所關(guān)注的 蒸氣的其他金屬氧化物；由酸性溶液（例如乙酸）或堿性溶液（例如氫氧化鈉水溶液）處 理過(guò)的粘土和其他礦物；分子篩和其他沸石；其他無(wú)機(jī)吸附劑（例如二氧化硅）；以及包括 超高交聯(lián)體系的有機(jī)吸附劑（例如稱(chēng)為"Styrosorbs"的高度交聯(lián)的苯乙烯聚合物）（如 V. A. Davankov和P. Tsyurupa在Pure and Appl. Chem.《理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)》，第61卷，第 1881-89 頁(yè)，1989 年以及 L. D. Belyakova、T. I. Schevchenko、V. A. Davankov 和Μ. P. Tsyurupa 在Adv. in Colloid and Interface Sci.《膠體與界面科學(xué)進(jìn)展》第25卷，第249-66頁(yè)， 1986年中所述）。活性炭和氧化鋁是尤其有利的吸附劑介質(zhì)。吸附劑介質(zhì)的混合物可用于 (例如）吸收所關(guān)注的蒸氣的混合物。如果采用細(xì)碎的形式，則吸附劑粒子大小可以發(fā)生很 大變化，并且通常將部分根據(jù)擬定使用條件進(jìn)行選擇。作為一般性指導(dǎo)原則，細(xì)碎的吸附劑 介質(zhì)粒子的粒度可在約4至約5000微米的平均粒徑范圍內(nèi)變動(dòng)，如，在約30至約1500微 米的平均粒徑范圍內(nèi)變動(dòng)。也可采用具有不同粒度范圍的吸附介質(zhì)顆粒的混合物（如，吸 附介質(zhì)顆粒的雙峰混合物形式，或上游層采用較大的吸附劑顆粒而下游層采用較小的吸附 劑顆粒的多層布置）。還可采用混合有合適粘結(jié)劑（如粘合碳）的吸附劑介質(zhì)，或捕集到合 適的載體上（或其中）的吸附劑介質(zhì)，例如在美國(guó)專(zhuān)利No. 3, 971，373 (Braun等人）、美國(guó)專(zhuān) 利No. 4, 208, 194 (Nelson)和美國(guó)專(zhuān)利No. 4, 948, 639 (Brooker等人）中以及在美國(guó)專(zhuān)利申 請(qǐng)公開(kāi)No.US2006/0096911Al(Brey等人）中有所描述的吸附劑介質(zhì)。另外，還可使用固定 碳。碳可通過(guò)多種方法進(jìn)行固定，例如，通過(guò)粘合碳、碳填充式纖維網(wǎng)、碳?jí)K等等。固定碳的 例子包括描述于PCT公開(kāi)No. W02006/052694(Brey等人）中的含顆粒的纖維網(wǎng)?；钚蕴紴?尤其可用的吸附劑材料。市售活性碳的例子包括以GG(-般氣體）等級(jí)和GC(用作催化載 體的高純度和高硬度活性碳）等級(jí)得自可樂(lè)麗化學(xué)公司（Kuraray Chemical Co.)的那些。 Kuraray GG等級(jí)活性碳尤其適用于第一吸附劑層。
[0035] 過(guò)濾介質(zhì)還包括第二吸附劑層。此第二吸附劑層設(shè)置為更靠近氣體出口，并且通 常小于第一吸附劑層。在提及第二吸附劑層小于第一吸附劑層時(shí)，其意味著第二吸附劑層 的橫截面厚度小于第一吸附劑層的橫截面厚度、或者第二吸附劑層在濾筒外殼內(nèi)占據(jù)的體 積小于第一吸附劑層在濾筒外殼內(nèi)占據(jù)的體積、或者這兩者。
[0036] 盡管第二吸附劑層小于第一吸附劑層，但第二吸附劑層具有比第一吸附劑層高的 吸附容量和/或吸附速率。概括地講，在吸附有機(jī)蒸氣方面，第二吸附劑為比第一吸附劑層 更有效的層。由于第二吸附劑層小于第一吸附劑層，因此這種增強(qiáng)的吸附效率允許第二吸 附劑層來(lái)保持濾筒的正常功能，并且為使用者留出時(shí)間以離開(kāi)污染區(qū)或者在污染物穿透之 前來(lái)更換濾筒。
[0037] 在一些實(shí)施例中，第二吸附劑層的吸附因子A2與第一吸附劑層的吸附因子A 1的比 率為A2A1M15吸附劑層的吸附因子由下式確定：A = kvXSL,其中A =吸附系數(shù)；kv =有效 吸附速率系數(shù)（分鐘并且SL =使用壽命（分鐘），即給定測(cè)試用蒸氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓 力下達(dá)到1 %穿透所需的時(shí)間。
[0038] 此吸附因子使用 Wood 在 Journal of the American Industrial Hygiene Association《美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)雜志》，第55卷第I期，第11-15頁(yè)（1994年）中描述的 方法來(lái)測(cè)定。
[0039] 第二吸附劑層中的吸附劑材料不同于第一吸附劑層中的吸附劑材料。合適的吸附 劑材料的例子包括（例如）活性碳、處理過(guò)的活性碳、氧化鋁、硅膠、霍加拉特、分子篩、金 屬-有機(jī)框架、模板材料、或其他已知的吸附劑材料、或者它們的組合?；钚蕴紴橛绕淇捎?的吸附劑材料。市售活性碳的例子包括以GG(-般氣體）等級(jí)和GC(用作催化載體的高純 度和高硬度活性碳）等級(jí)得自可樂(lè)麗化學(xué)公司（Kuraray Chemical Co.)的那些。Kuraray GC等級(jí)活性碳尤其適用于第二吸附劑層。在一些實(shí)施例中，第一吸附劑層和第二吸附劑層 均包括活性碳。在一些具體實(shí)施例中，第一吸附劑層包括Kuraray GG等級(jí)活性碳，并且第 二吸附劑層包括Kuraray GC等級(jí)活性碳。
[0040] 第一吸附劑層和第二吸附劑層彼此流體連通。在一些實(shí)施例中，第一吸附劑層和 第二吸附劑層彼此緊鄰。在其他實(shí)施例中，第一吸附劑層和第二吸附劑層為分立層并且可 由多孔薄膜或篩網(wǎng)隔開(kāi)。
[0041] 第一吸附劑層和第二吸附劑層可呈任何合適的形狀，例如，矩形、圓形、橢圓形等。 通常，第一吸附劑層和第二吸附劑層的形狀受濾筒外殼的形狀和構(gòu)型控制?？赡苡欣氖?第一吸附劑層和第二吸附劑層具有相等或相似的長(zhǎng)度和寬度，或者可能有利的是第二吸附 劑層具有較短的長(zhǎng)度和/或?qū)挾炔⑶疫^(guò)濾介質(zhì)具有大體錐形的結(jié)構(gòu)。
[0042] 濾筒還包括感測(cè)元件，感測(cè)元件鄰近第一吸附劑層和第二吸附劑層設(shè)置。感測(cè)元 件包括至少一個(gè)指示器元件，該至少一個(gè)指示器元件位于第一吸附劑層和第二吸附劑層之 間的界面處。感測(cè)元件指示吸附波前穿過(guò)濾筒的通道。多種感測(cè)元件適用于本發(fā)明的濾筒 中。當(dāng)吸附波前穿過(guò)第一吸附劑層時(shí)，感測(cè)元件（例如）通過(guò)經(jīng)受改變其光學(xué)性質(zhì)（如，可 表現(xiàn)為色度改變，反射光的亮度、強(qiáng)度改變等）中的至少一種，以光學(xué)方式響應(yīng)分析物。在 一些實(shí)施例中，感測(cè)元件為色度感測(cè)元件（這意味著可通過(guò)人眼來(lái)檢測(cè)光學(xué)變化），在其他 實(shí)施例中，感測(cè)元件為電子感測(cè)元件（這意味著可通過(guò)電子裝置來(lái)檢測(cè)光學(xué)變化）。在一些 實(shí)施例中，位于第一吸附劑層和第二吸附劑層之間的界面處的指示器元件可構(gòu)成整個(gè)感測(cè) 元件，在其他實(shí)施例中，感測(cè)元件為較大的或較復(fù)雜的，并且僅指示器元件位于第一吸附劑 層和第二吸附劑層之間的界面處。
[0043] 在一些實(shí)施例中，感測(cè)元件為膜。膜可具有多個(gè)層并且可為色度膜（即，膜在暴 露于有機(jī)分析物時(shí)改變顏色），或者可在暴露于有機(jī)分析物時(shí)發(fā)生一些其他的可檢測(cè)的光 學(xué)變化。合適的傳感器膜的例子在美國(guó)專(zhuān)利No. 7, 449, 146 (Rakow等人）和美國(guó)專(zhuān)利公布 No. 2008/0063575 和 No. 2008/0063874 (Rakow 等人）中有所描述。
[0044] 感測(cè)元件還可為圖案化的化學(xué)傳感器，例如，描述于美國(guó)專(zhuān)利公布 No. 2011/0094514(Rakow等人）中的那些。這些圖案化的傳感器包括膜，膜包括膜主體和封 閉層，膜主體包括檢測(cè)層，封閉層粘合至膜主體并且封閉檢測(cè)層的一部分。檢測(cè)層響應(yīng)有機(jī) 化學(xué)物，即，檢測(cè)層在暴露于有機(jī)化學(xué)物時(shí)改變顏色。封閉層阻止將被檢測(cè)的化學(xué)物進(jìn)入封 閉區(qū)域并且導(dǎo)致顏色變化。這種布置方式的凈效應(yīng)為在單個(gè)膜主體中，在暴露于有機(jī)化學(xué) 物時(shí)，"舊"顏色（即初始顏色狀態(tài)）和"新"顏色（即，檢測(cè)層的改變的顏色狀態(tài)）并列存 在，從而允許用戶(hù)容易地確定是否已發(fā)生變化。
[0045] 根據(jù)感測(cè)元件的復(fù)雜性，整個(gè)感測(cè)元件可位于濾筒內(nèi)，或者感測(cè)元件的一部分可 位于濾筒內(nèi)并且感測(cè)元件的一部分可位于濾筒外。就電子感測(cè)元件而言，尤其如此。
[0046] 在一些實(shí)施例中，整個(gè)感測(cè)元件位于濾筒內(nèi)。通常，在這些實(shí)施例中，密 封式濾筒外殼包含窗口或其他觀察裝置，以允許使用者觀察感測(cè)元件。窗口或 其他觀察裝置可由玻璃或透明塑料制成。這種布置方式的例子在美國(guó)專(zhuān)利公布 No. 2010/0294272 (Holmquist-Brown 等人）中有所描述。
[0047] 盡管感測(cè)元件可位于濾筒內(nèi)的任何位置處（前提條件是至少一部分存在于第一 吸附劑層和第二吸附劑層之間的界面處），但在一些實(shí)施例中，可能有利的是感測(cè)元件位于 密封式濾筒外殼的壁上。這樣，易于將感測(cè)元件信號(hào)（光學(xué)信號(hào)或電子信號(hào)）傳輸給使用 者。在具有色度感測(cè)元件的一些實(shí)施例中，色度感測(cè)元件位于緊鄰窗口或其他觀察裝置的 密封式濾筒外殼壁上。
[0048] 圖1、圖2、和圖3示出了本發(fā)明的濾筒的三個(gè)實(shí)施例。在圖1中，濾筒100包括氣 體入口 110、第一吸附劑層120、第二吸附劑層130、氣體出口 140、和感測(cè)元件150。圖2為 示出濾筒200的類(lèi)似實(shí)施例，濾筒200包括氣體入口 210、第一吸附劑層220、第二吸附劑層 230、氣體出口 240、和感測(cè)元件250。在濾筒200中，第二吸附劑層230窄于第一吸附劑層 220,從而為過(guò)濾介質(zhì)賦予大體錐形的結(jié)構(gòu)。圖3示出了分流濾筒300的實(shí)施例。在濾筒 300中，氣體入口 310位于濾筒300的頂部和底部。氣體入口 310與第一吸附劑層320、第 二吸附劑層330、氣體出口 340、和感測(cè)元件350流體連通。
[0049] 本發(fā)明還公開(kāi)了用于從氣體中濾除污染物的方法。該方法包括提供上述類(lèi)型的濾 筒，所述濾筒包括具有分層吸附劑層和感測(cè)元件的密封式濾筒外殼；使氣體流過(guò)濾筒；檢 測(cè)感測(cè)元件中的感測(cè)響應(yīng)；以及更換濾筒。
[0050] 氣體污染物通常包括有機(jī)蒸氣、酸性氣體、或它們的組合。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"有機(jī) 蒸氣"是指多種空中的揮發(fā)性有機(jī)化合物，其若存在于空氣中可危害呼吸的人。有機(jī)蒸氣 的例子包括（但不限于）：醇，例如異丙醇和丁醇；烷烴，例如己烷和辛烷；芳族化合物，例 如苯、甲苯、二甲苯、和苯乙烯；鹵代烴，例如氯仿和二氯甲烷；酮，例如丙酮和甲基乙基酮； 醚，例如四氫呋喃；酯，例如乙酸乙酯和乙酸乙氧基乙酯；丙烯酸酯，例如甲基丙烯酸酯； 腈，例如乙腈；異氰酸酯，例如甲苯-2, 4-二異氰酸酯等等。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"酸氣體或酸 性氣體"是指含有一些酸性組分的氣體。酸性組分本身可為氣體，例如氯化氫氣體，但酸性 組分本身無(wú)需為氣體，而是可只是存在于氣體或氣體混合物中。另外，酸性氣體本身可能不 是酸，但是酸可由與存在于大氣中的其他材料的組合而得到。
[0051] 如上所述，濾筒具有第一吸附劑層、第二吸附劑層、和感測(cè)元件，第二吸附劑層比 第一吸附劑層更靠近濾筒的氣體出口，感測(cè)元件鄰近第一吸附劑層和第二吸附劑層。感測(cè) 元件的至少一個(gè)指示器元件位于第一吸附劑層和第二吸附劑層之間的界面處。
[0052] 可通過(guò)多種方法來(lái)使氣體流過(guò)濾筒，這取決于其上附接濾筒的呼吸器裝置的類(lèi) 型。如果呼吸器裝置為無(wú)源型呼吸器，則使氣體流過(guò)濾筒的步驟可包括佩戴呼吸器并且呼 吸。在濾筒被使用之前，濾筒氣體入口可為密封的或覆蓋的以保護(hù)濾筒，因此使氣體流過(guò)濾 筒的步驟還可包括開(kāi)啟或打開(kāi)濾筒入口的步驟。另外，呼吸器和濾筒可保持為分離的，因此 可存在涉及將濾筒附接到呼吸器設(shè)備的組裝步驟。另外，呼吸器可包括不止一個(gè)濾筒，并且 這些濾筒可為相同的或不同的。
[0053] 如果呼吸器為電動(dòng)呼吸器，則使氣體流過(guò)濾筒的步驟可包括佩戴呼吸器并且打開(kāi) 用于為呼吸器供能的風(fēng)扇或其他裝置的電源。正如無(wú)源型呼吸器系統(tǒng)，使氣體流過(guò)濾筒的 步驟還可包括開(kāi)啟或打開(kāi)濾筒氣體入口或組裝呼吸器的步驟。
[0054] 當(dāng)使用包括本發(fā)明的濾筒的呼吸器裝置時(shí)，在第一吸附劑層到達(dá)其使用壽命終點(diǎn) 的情況下到達(dá)響應(yīng)點(diǎn)。此時(shí)，位于第一吸附劑層和第二吸附劑層的界面處的指示器元件被 啟動(dòng)并且導(dǎo)致感測(cè)元件中的響應(yīng)。感測(cè)元件響應(yīng)通常為光學(xué)響應(yīng)。如果感測(cè)元件為色度感 測(cè)元件，則產(chǎn)生可由使用者檢測(cè)的顏色變化。如果感測(cè)元件為電子器件，則產(chǎn)生可由使用者 檢測(cè)的電子信號(hào)。
[0055] 在一些實(shí)施例中，可能有用的是針對(duì)代表性的有機(jī)蒸氣來(lái)測(cè)試典型的濾筒、以及 測(cè)定使用壽命終點(diǎn)（如通過(guò)有機(jī)蒸氣穿透點(diǎn)來(lái)測(cè)定）與感測(cè)元件被啟動(dòng)的點(diǎn)的比率。此方 法更完整地描述于實(shí)例部分中?？赡苡欣氖谴吮嚷蕿椹? 90或更小，這意味著在感測(cè)元件 啟動(dòng)時(shí)，濾筒中剩余10%的吸附劑容量。剩余吸附劑容量的此10%值對(duì)應(yīng)于用于提前警告 使用者以更換濾筒的當(dāng)前NIOSH標(biāo)準(zhǔn)。
[0056] 使用者檢測(cè)到的感測(cè)響應(yīng)指示使用者應(yīng)更換濾筒。用于從氣體中濾除污染物的本 濾筒系統(tǒng)和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)使用者檢測(cè)到感測(cè)響應(yīng)時(shí)，吸附波前僅僅到達(dá)第二吸 附劑層。由于第二吸附劑層具有比第一吸附劑層高的吸附容量和/或吸附速率，因此第二 吸附劑層能夠繼續(xù)吸附污染物，而不管第一吸附劑層的使用壽命終點(diǎn)。第二吸附劑層因此 在可更換濾筒之前提供附加的安全界限。
[0057]
[0058] 這些實(shí)例僅僅是用于示例性目的，并且無(wú)意于限制附帶的權(quán)利要求的范圍。除非 另外指明，否則實(shí)例以及說(shuō)明書(shū)的以下部分及權(quán)利要求書(shū)中的所有份數(shù)、百分?jǐn)?shù)、比率等均 按重量計(jì)。除非另外指明，否則所用溶劑和其他試劑均得自威斯康星州密爾沃基的西格 瑪-奧德里奇化學(xué)公司（Sigma-Aldrich Chemical Company !Milwaukee, Wisconsin)。
[0059] 縮寫(xiě)表
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種能夠從氣體介質(zhì)移除污染物的濾筒，包括： 密封式濾筒外殼，所述密封式濾筒外殼包括： 氣體入口； 過(guò)濾介質(zhì)；和 氣體出口， 其中所述過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，所述多層構(gòu)造包括： 第一吸附劑層； 第二吸附劑層，所述第二吸附劑層比所述第一吸附劑層更靠近所述氣體出口；和 感測(cè)元件，所述感測(cè)元件鄰近所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層，使得所述感測(cè) 元件的指示元件位于所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層之間的界面處。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述第二吸附劑層具有比所述第一吸附劑層高的 吸附容量和/或吸附速率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾筒，其中所述第二吸附劑層的吸附因子A2與所述第一吸附 劑層的吸附因子4的比率為^/Api，其中所述吸附劑層的吸附因子由下式確定 ： A = kvX SL, 其中A =吸附因子； kv =有效吸附速率系數(shù)（分鐘^ ;并且 SL =使用壽命（分鐘），即給定測(cè)試用蒸氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下達(dá)到1 %穿透所需的時(shí) 間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層為基本上 不連續(xù)的層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述感測(cè)元件指示所述吸附波前穿過(guò)所述濾筒的 通道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的濾筒，其中所述感測(cè)元件包括色度感測(cè)元件或電子感測(cè)元 件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述感測(cè)元件位于所述濾筒內(nèi)的某一位置處，使 得所述感測(cè)元件指示包含污染物的吸附波前何時(shí)到達(dá)所述第一吸附劑層和所述第二吸附 劑層之間的界面處。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，還包括附加的吸附劑層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層包括活性 碳、二氧化硅、氧化鋁、或它們的組合的層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的濾筒，其中所述第一吸附劑層包含活性碳，并且所述第二吸 附劑層包含不同的活性碳。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾筒，其中所述感測(cè)元件位于所述濾筒外殼的壁上。
12. -種從氣體中濾除污染物的方法，包括： 提供濾筒，所述濾筒包括： 密封式濾筒外殼，所述密封式濾筒外殼包括： 氣體入口； 過(guò)濾介質(zhì)；和 氣體出口， 其中所述過(guò)濾介質(zhì)包含多層構(gòu)造，所述多層構(gòu)造包括： 第一吸附劑層； 第二吸附劑層，所述第二吸附劑層比所述第一吸附劑層更靠近所述氣體出口；和 感測(cè)元件，所述感測(cè)元件鄰近所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層，使得所述感測(cè) 元件的指示元件位于所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層之間的界面處； 使氣體流過(guò)所述濾筒； 檢測(cè)所述感測(cè)元件中的感測(cè)響應(yīng)；以及 更換所述濾筒。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二吸附劑層具有比所述第一吸附劑層高 的吸附容量和/或吸附速率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二吸附劑層的吸附因子^與所述第一吸 附劑層的吸附因子4的比率為^/Api，其中所述吸附劑層的吸附因子由下式確定 ： A = kvX SL, 其中A =吸附因子； kv =有效吸附速率系數(shù)（分鐘^ ;并且 SL =使用壽命（分鐘），即給定測(cè)試用蒸氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下達(dá)到1 %穿透所需的時(shí) 間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一吸附劑層和所述第二吸附劑層為基本 上不連續(xù)的層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述感測(cè)元件指示所述吸附波前穿過(guò)所述濾筒 的通道。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述感測(cè)元件包括色度感測(cè)元件或電子感測(cè)元 件。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述檢測(cè)所述感測(cè)元件中的感測(cè)響應(yīng)的步驟包 括檢測(cè)顏色變化。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述感測(cè)元件位于所述濾筒內(nèi)的某一位置處， 使得所述感測(cè)元件指示包含污染物的吸附波前何時(shí)到達(dá)所述第一吸附劑層和所述第二吸 附劑層之間的界面處。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述濾筒還包括附加的吸附劑層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述污染物包括有機(jī)蒸氣、酸性氣體、或它們的 組合。
【文檔編號(hào)】B01D46/12GK104245093SQ201280060876
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日
【發(fā)明者】凱文·A·弗蘭克爾, 馬里亞·L·澤林斯基 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司