专利名称：自补救滤器的制作方法
技术领域：
在许多工业领域都会接触到重金属如铅、锌和铬。这类物质在涂装业中常用作颜料，并用于制造保护结构、飞机、船舶和其它车辆的金属表面的防腐漆。例如铬酸锌由于它对铝的保护特性、热稳定性并能承受飞机的热冲击试验，而广泛用于航空空间工业中的醇酸、环氧和聚氨酯底漆中。对这些用途来说，铬酸锌是难以替代的。然而不幸的是，铬酸锌和含其它重金属的油漆、材料以及它们的粉尘是有毒的。
背景技术：
当将含铬酸锌的底漆和油漆对表面进行喷涂时，以及当重新油漆前脱除厚漆膜时，都会产生气飘粒子。在其它工业加工过程中也会产生重金属粉尘和气溶胶。粉尘和气溶胶可通过不断地过滤工作环境中的空气而得以控制。而操作人员通常使用防护服和其它带滤器的面罩来阻挡有害的粉尘。因此，在飞机进行重新油漆的过程以及其它很多工业领域都会产生已被污染的防护服、个人用空气过滤器、换气滤器、其它环境用滤器以及滤器残留物的废弃物。这类废弃物的安全处理和处置在多数管理机构中是受管制的。
虽然已将滤器设计成能高效地捕集包括重金属粉尘和其它有害废弃物在内的气溶胶和颗粒状物质，但设计者常忽略了对用过的、已充满了有害物质的滤器的处置问题。以填埋来处置这类滤器是对环境不负责的，并可能为各种法规所禁止。如果这些废弃物曝露在地下水、风、雨或其它环境条件下，由于滤器中包含的重金属颗粒可能会被淋溶而进入其周围区域从而会造成严重的环境公害。因此，很需要有经改进的、能对已被捕集其中的铅和其它重金属进行补救的滤器。
发明内容
本发明的一方面提供了一种自补救滤器，该滤器包含了一容纳在与滤器介质相邻或配置在介质中的水溶性聚合物材料中的重金属补救剂。在一个实施方案中，滤器包含至少一个与至少一层滤器介质相邻或配置在滤器介质中的装有重金属补救剂的水溶性聚合物小包。该聚合物小包与补救剂一起构成固定重金属的整体固定体系(IFS)。因此，该水溶性小包作为聚合物基质起分离补救剂与要进行补救的重金属的作用，在这种情况下，金属颗粒被捕集在滤器介质中。当该用过的滤器放置在水中时，小包会溶解而释放出补救剂，其后该补救剂就会“固定”重金属。实际上就是使金属成为不会被淋溶和/或不会溶解，从而可采用较其它方法费用低的填埋法来处置滤器。
在本发明的另一个实施方案中，每个装有补救剂的多个水溶性聚合物“带状小包”成层放置在两层或多层滤器介质层之间或插在一层或多层滤器介质层内。该带状小包是采用套筒封焊机制造的。
在另一个实施方案中，包含补救剂的水溶性聚合物小包是制造如滤器介质周边时装入滤器的外壳中的。
本发明改进了许多不同类型的滤器，其中包括喷漆柜中用的空气滤器、建筑物中用的片状滤器以及个人过滤口罩用的过滤芯。
本发明的另一方面中，补救剂是在捕集有重金属颗粒的滤器进行处置前，加入到滤器中的。补救剂可以例如水性浆料施加在滤器中。
在本发明的再一方面中，提供了用于熔炼和精炼的滤器基质，该滤器基质包括包裹在可降解的聚合物基质中的含重金属补救剂的粒料充填的填充柱。
如果参看下面详细说明和附图，会对本发明的这些和其它特征以及实施方案有更好的了解。
图1是根据本发明的一个实施方案的适用于容纳重金属补救剂的带状水溶性小包的图解说明；图2是根据本发明一个实施方案的补救滤器的图解说明；图3所示的是另一个实施方案的图解说明，其中多个补救剂小包与滤器介质相邻；以及图4是根据本发明一个实施方案的自补救滤器盒的横截面图解说明。
具体实施例方式
本发明的第一方面提供了一种自补救滤器，该滤器包含了容纳在与滤器介质相邻或配置在介质中的水溶性聚合物材料中的重金属补救剂。滤器介质通常是一层或多层能过滤包括粒度可为亚微米级或较大的重金属颗粒在内的颗粒的材料。有利的是，当滤器被颗粒状物质的阻塞或确定不能再使用后，将其浸入水中或用水喷洒后，就可采用对环境负责的方法加以处置。
按美国专利申请09/646544(Webster和Hurley)水溶性聚合物材料和重金属补救剂可称作“整体固定体系”，该专利申请的内容已列入本文供参考。水溶性聚合物材料作为聚合物基质起分隔补救剂与被捕集在滤器内的重金属的作用。当聚合物材料被水活化(溶解)时，补救剂就释放出来，并或通过化学作用使重金属转变成为不溶(或至少显著降低溶解度)形态，或通过物理包裹重金属的方式，防止随后被淋溶进入环境中从而“固定”了重金属。
补救剂的非限制性实例包括硫化钙，磷酸钙，氢氧化钙，碳酸钙，氧化钙，硫化镁、磷酸镁，氢氧化镁，碳酸镁，氧化镁，混合的含钙和镁的碳酸盐和磷酸盐，磷灰石，磷酸氢二钙，磷酸二氢钙，三元过磷酸钙，白云石，磷酸及其盐，磷酸X钙(X为金属离子)，碱土金属硅酸盐，水合二氧化硅，水合氧化铝，吸附金属的白土如膨润土和硅藻土，以及它们的混合物。“三元过磷酸钙”(TSP)是Ca(H2PO4)2·H2O(CAS NO.65996-95-4)。矿质磷灰石Ca5(PO4)3(F，Cl，OH)虽有这种功能，但作用较慢。由于碱土金属硅酸盐(例如硅酸钙)是通过吸附和高碱性起作用的，因此它的作用不大可能是永久性的。就补救剂本身的使用来说，磷酸盐被认为适用于对铅进行补救，但并不能对其它金属起补救作用。实际上，磷酸盐会使砷的淋溶现象更为严重。
优选的补救剂MBSTM2.1是一种以Molecular Bonding SystemTM为商标的补救剂(购自Solucorp Industries(West Nyack，NY))。MBSTM2.1是碳酸钙/硫化钙/三元过磷酸钙按3∶2∶1(重量/重量)的混合物。该补救剂能使捕集在空气滤器中的有害金属变成不溶性，而使其浓度降至于美国Universal Treatments Standard(UTS)的限定范围。
MBSTM2.1不受pH值影响，可在pH值为1-13的条件下对铅进行补救。而磷酸盐和硅酸盐会受pH值的影响，磷酸盐在较宽的中性(pH值6-8)条件下发挥补救作用，而硅酸盐在强碱性(pH值＞10)的条件下发挥补救作用。此外，MBSTM补救剂能使可溶性铅盐转变为硫化铅，而硫化铅口服是无毒的。因此，它的用途应是去除含铅颗粒的滤器的毒性。
补救剂的用量取决于多个因素，包括滤器的预期用途，可能遇到的重金属性质，补救剂的选择，滤器介质的性质以及滤器的大小和孔隙率。对于用MSBTM补救剂强化(或使用后处理)的、并打算用在喷漆柜中进行铬酸盐基油漆的脱漆操作的滤器来说，补救剂与滤器中捕集的油漆残渣的重量/重量比通常为约1∶4-约1∶1，而为使难以处理的Cr(VI)废弃物的淋溶量降低至UTS限量以下，两者的重量比约为1∶1是优选的。经TCLP检测表明，当淋溶量为800毫克/升的、收集在10平方厘米截面的滤器上的100克铬(VI)油漆残渣用50克MBS 2.1的水性浆料处理后，其铬(VI)的淋溶量只降低20毫克/升Cr(VI)。而用与捕集在滤器中油漆残渣量相等量的MBS补救剂处理时，就能使淋溶量降至UTS限定的0.6毫克总铬/升以下。其它废弃物例如铅基或锌基油漆残渣只需较少量MBS补救剂。对于一定的滤器，重金属和用途，技术熟练人员不必做过多试验就可确定最佳的补救剂用量。
在本发明的一个实施方案中，重金属补救剂是经预包装、密封在水溶性的包括聚合物小袋或小包的聚合材料中的。这类聚合物小袋的非限制性实例包括那些由聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯酯、它们的共聚物以及类似材料制的小包。水溶性包装材料可以不同的形态和材料购得，其中一些材料可溶于热水，而另一些溶于冷水。一种非限制性实例是“冷水可溶的PVA袋”(由Aquafilm Ltd.(Monosol LLC的一部分(Portage，IN和Hartlebury，Worcestershire，UK))销售的)，厂商可按用户的具体尺寸和膜厚度的要求供货。
在另一个实施方案中，形成水溶性带状聚合物小包(如图1所示)，并在套筒封焊机上以竖直方式充填补救剂。带状小包10包括多个隔开的小袋或小包20，每个小包都要充填补救剂。每个小包通过一个小的密封区域30分隔开。对具体的尺寸没有限定，在一个实施方案中，形成的带状小包是由厚度为50-100微米、冷水可溶的PVA薄膜制的，每个小包大约2.5厘米宽、10厘米长，可充填净重50克补救剂。
在本发明的一些实施方案中，包含分散剂或其它乳化剂有利于改进小包活化的补救剂的分布，并有利于使释放的补救剂接近重金属微粒。分散剂可与重金属补救剂一起包裹在水溶性聚合物材料(例如上述的袋或包)中，或者与重金属补救剂分开包裹。分散剂的非限制性实例包括阴离子和非离子超分散剂例如Sosperse 12000、22000、43000和44000，购自Lubrizol Corp.(Charlotte，NC)，脂肪醇烷氧基化物例如Brij，购自Uniqema BV(Gouda，The Netherlands)，脱水山梨醇酯，例如Span(购自Uniqema BV)，酯烷氧基化物，例如Tween(购自UnipemaBV)，以及常规阳离子去垢剂。分散剂或乳化剂的浓度可随分散剂或乳化剂的性质而定，通常在100毫克/升与10克/升之间。应当使用足够量的分散剂或乳化剂以使补救剂迅速而均匀地分散。
滤器介质的选择决定于该滤器的预期用途和滤器可能曝露的环境。滤器介质的非限制性实例包括玻璃纤维、纸、棉、布、合成材料、纤维以及它们的混合物。滤器可制成许多种不同的形状，其中包括筒状、垫子状、布袋、果冻卷结构、百褶裙状、蜂巢状、单层、多层以及其它为具有滤器设计和用途知识的技术熟练人员所熟悉的形状。采用拦截原理的干式滤器以及采用粘性试剂或油类的粘液碰撞式滤器都可使用。
参看图2，该图所示的是自补救滤器的一个实施方案。滤器50包括第一层粗糙的非织造聚酯纤维60，第二层粗糙的非织造聚酯纤维70和夹在两层中间的多个水溶性聚合物小包80。这些小包具有如上所述的带状结构。每个小包装有重金属补救剂。带状小包以平行成排方式放置，间隔10厘米，以使每10×10厘米区域内有50克补救剂(例如MBSTM2.1)小包。该滤器还包括由细非织造聚酯纤维薄层90构成的附加滤器介质。以常规方法将各介质层组合在一起，并在相邻滤器介质层之间放入带状小包。
在另一个实施方案中，带状小包从宽度方向穿过粗糙的滤片中心。
图3所示的是另一种构型，其中多个分开的、每个包含重金属补救剂的小包110放置在靠近滤器介质层120处。每个小包是由如上所述的水溶性聚合材料制成的。
根据本发明的自补救滤器可以有许多种不同的尺寸和形状，广泛适用于各类工业领域和其它领域。例如，在一个实施方案中，滤器介质是大小为1平方米、厚度3-10厘米的粗糙的非织造聚酯纤维滤片。一种喷漆柜用的板状滤器包括一层或多层滤器介质，一个或多个补救剂小包以及(任选)外护罩。在另一个实施方案中，如图4所示的是个人使用的空气过滤器的滤芯。该滤芯150包括多个嵌在滤器介质170、180两层之间的补救剂小包160，它们都装在滤芯外壳190内。
根据本发明改进的滤器可按常规方法使用。在滤器使用期限已满时，可将滤器浸入水中或用水喷洒。水使滤器中整体固定体系活化，使处于滤器介质内以及其附近的补救剂分散并接近已捕集在介质内的重金属微粒。由此导致重金属被固定，即使重金属成为水不溶和/或被包裹的不会被淋溶的形态。依据政府法规，这样的滤器可以按无害化废物排放和处理。将补救剂包容在滤器内可以省去处置前必须将滤器破碎的步骤。因此，降低了为有害废物管理人员带来的风险。同样也降低了对滤器的处理费用。
本发明的另一方面是在使用后但在处理前将补救剂添加到含有已捕集了重金属微粒的常规滤器中，而不是将补救剂预先包裹在滤器内或滤器的外壳内。补救剂可例如作为水性浆料进行施加。任选的是，浆料中也可包含(如上所述的)分散剂。下面将提供本实施方案的非限制性实施例。
实施例采用TCLP对使用过、破碎的含铬酸盐残渣的滤器进行检测，发现铬的淋容量为598毫克/升铬(VI)。配制10％(重量/重量)的MBSTM2.1水性浆料，将已污染的滤器材料浸入该浆料中并定时搅拌48小时。然后取出残渣并沥干。用TCLP进行后处理分析并未显示有可检测的铬(VI)，检测限量为0.100毫克/升。
在本发明的另一方面中，为重金属的浓缩、回收和再利用而设计的滤器基质(可能在例如贵金属和/或挥发性重金属的熔炼和精炼过程中是需要的)可通过本文所述原理进行改进。按照InternationalApplication，Publication No.WO 98/39382(Hamilton和Hurley)所述制备水溶性PVA粒料(粒径约为5毫米)并用重金属补救剂进行浸渍或与其相混合。然后在转鼓中对加有补救剂的水溶性粒料涂敷水溶性或生物可降解的表面涂层，例如涂敷聚乙二醇蜡以形成类似于美国专利申请09/646544(Webster和Hurley)中所述的整体固定体系(IFS)。该IFS膜一般占所涂粒料重量的0.5-20重量％，使IFS膜有较高的表面积。将IFS粒料充填在有水冷却夹套的冷凝柱中。让含有挥发性重金属如砷或汞的废气通过该冷凝柱。于是挥发性金属冷凝在IFS粒料表面。当IFS粒料已经为重金属所饱和时，从柱中取出填充料并浸入水中。填充料内的水溶性PVA粒料溶解后，留下的重金属不溶残渣被浓缩到占柱填充料起始重量的0.5-20％。然后通过过滤回收该残留物并按政府法规作为无害化废物进行处理，或者可通过电解、熔炼或其它公知的金属提取工艺从该残留物中回收有潜在价值的金属。
这一方法的优点是减少了经补救处理的残渣的体积。水性的无金属部分可废弃排放。对于有较高价值的铸造废料，乃至金、铂和钯蒸气来说，其残渣是经浓缩的、因而可作为贵金属矿物回收。
已经参考了各个实施方案和不同方面对本发明进行了说明，但本发明不限于此，因为技术熟练人员在阅读本说明书公开内容时就有可能提出其它变体。这类变体和等同内容也被认为是在本发明范围之内的，本发明的范围仅由下述权利要求书所限定。
权利要求
1.一种自补救滤器，该滤器包含容纳在水溶性聚合物材料中的重金属补救剂，其中聚合材料与滤器介质相邻或配置在滤器介质内。
2.根据权利要求1的自补救滤器，其中重金属补救剂选自硫化钙，磷酸钙，氢氧化钙，碳酸钙，氧化钙，硫化镁，磷酸镁，氢氧化镁，碳酸镁，氧化镁，混合的含钙和镁的碳酸盐和磷酸盐，磷灰石，磷酸氢二钙，磷酸二氢钙，三元过磷酸钙，白云石，磷酸及其盐，磷酸X钙，其中X是金属离子，碱土金属硅酸盐，水合二氧化硅，水合氧化铝，吸附金属的白土以及它们的混合物。
3.根据权利要求1的自补救滤器，其中重金属补救剂包含碳酸钙、硫化钙和三元过磷酸钙的混合物。
4.根据权利要求1的自补救滤器，其中聚合物材料包括聚合物小袋。
5.根据权利要求4的自补救滤器，其中聚合物小袋是由聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯或它们的共聚物制成的。
6.根据权利要求1的自补救滤器，其中聚合物材料包括具有多个聚合物小袋的小包带，其中重金属补救剂容纳在这些小袋中。
7.根据权利要求1的自补救滤器，还包含分散剂。
8.根据权利要求7的自补救滤器，其中分散剂包容在聚合物材料中。
9.根据权利要求1的自补救滤器，其中分散剂选自阴离子超分散剂、非离子超分散剂、脂肪醇烷氧基化物、脱水山梨醇酯、酯烷氧基化物，以及阳离子去垢剂。
10.根据权利要求1的自补救滤器，其中滤器介质选自玻璃纤维、纸、棉花、布、合成纤维，以及它们的混合物。
11.根据权利要求1的自补救滤器，其中滤器介质包括聚酯纤维片。
12.根据权利要求1的自补救滤器，其中水溶性聚合物材料是夹在两层滤器介质之间的。
13.根据权利要求12的自补救滤器，其中所述两层滤器介质由粗质聚酯纤维构成。
14.根据权利要求13的自补救滤器，还包含一较薄层的与滤器介质层相邻的细非织造聚酯纤维层。
15.一种对已被重金属污染的滤器进行补救的方法，该方法包括使该滤器与包含重金属补救剂的水性浆料相接触。
16.根据权利要求15的对滤器进行补救的方法，其中重金属补救剂选自硫化钙，磷酸钙，氢氧化钙，碳酸钙，氧化钙，硫化镁，磷酸镁，氢氧化镁，碳酸镁，氧化镁，混合的含钙和镁的碳酸盐和磷酸盐，磷灰石，磷酸氢二钙，磷酸二氢钙，三元过磷酸钙，白云石，磷酸及其盐，磷酸X钙，其中X是金属离子，碱土金属硅酸盐，水合二氧化硅，水合氧化铝，吸附金属的白土，以及它们的混合物。
17.根据权利要求15的对滤器进行补救的方法，其中浆料还包含分散剂。
18.根据权利要求17的对滤器进行补救的方法，其中分散剂选自阴离子超分散剂、非离子超分散剂、脂肪醇烷氧基化物、脱水山梨醇酯、酯烷氧基化物，以及阳离子去垢剂。
19.一种自补救滤器筒，该滤器筒包括外壳，置于筒中的滤器介质，以及容纳在水溶性聚合物材料中的重金属补救剂，其中聚合物材料与滤器介质相邻或配置在滤器介质内。
20.根据权利要求19的自补救滤器筒，其中聚合物材料包括聚合物小袋。
全文摘要
本发明提供的自补救滤器包含容纳在与滤器介质相邻或配置在介质中的水溶性聚合物材料中的重金属补救剂。本发明还提供了一种对被常规重金属污染的滤器进行补救的方法，其中包括将被污染的滤器与重金属补救剂的水性浆料相接触。
文档编号B01D46/00GK1905931SQ200480040980
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者P·J·赫尔利 申请人:索鲁科普工业有限公司