包含金属掺杂的硅基凝胶材料的空气过滤介质.pdf

本发明一般涉及用于能够高效地过滤掉有毒气体(例如氨)的空气处理系统中的环境控制单元。这种过滤系统使用新颖的金属掺杂的二氧化硅基凝胶，从密闭环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要具有特殊的孔隙度和密度测量值。另外，为了进行最有效的金属掺杂，必须在这些凝胶处于湿态的情况下进行处理。结合这些特殊的性质和金属掺杂剂，使得能够进行高度有效的有毒气体过滤，从而获得与之前的二氧化硅凝胶过滤产品相比尤为显著的吸收和穿透结果。使用方法和具体过滤设备也包括在本发明之内。

权利要求书
1.  一种多价金属掺杂的硅基凝胶过滤介质，其在以下条件a)、b)、c)之下，对氨气/空气组合物的穿透测量值至少为60分钟：a)当其作为1厘米高的过滤床处于直径4.1厘米的烧瓶中的时候，b)当其在环境温度和环境压力下与恒定氨气浓度1000毫克/米3的氨气接触的时候，c)当同时处于15％的相对湿度的时候；所述过滤介质在达到35毫克/米3的穿透浓度之后，不会表现出任何超过所述穿透浓度的氨气洗脱。

2.  如权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述材料的BET表面积为100-300米2/克；通过氮气孔隙度法测得孔体积约为0.18-0.7立方厘米/克；对所有孔径为20-40的孔测得的积分表面积为50-150米2/克；以所述硅基凝胶材料的总重量为基准计，所述掺杂在硅基凝胶材料之上和之内的多价金属含量为5-25重量％。

3.  如权利要求2所述的过滤介质，其特征在于，所述BET表面积为150-250米2/克；孔体积约为0.25-0.5立方厘米/克；对所有孔径为20-40的孔测得的积分表面积为80-120米2/克；所述多价金属的含量约为8-20％。

4.  如权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

5.  如权利要求4所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

6.  如权利要求2所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

7.  如权利要求6所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

8.  如权利要求3所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

9.  如权利要求8所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

10.  如权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述穿透时间至少为120分钟。

11.  一种过滤系统，包括如权利要求1所述的过滤介质。

12.  一种过滤系统，包括如权利要求2所述的过滤介质。

13.  一种过滤系统，包括如权利要求3所述的过滤介质。

14.  一种过滤系统，包括如权利要求10所述的过滤介质。

15.  一种多价金属掺杂的硅基凝胶过滤介质，其在以下条件a)、b)、c)之下，对氨气/空气组合物的穿透测量值至少为60分钟：a)当其作为1厘米高的过滤床处于直径4.1厘米的烧瓶中的时候，b)当其在环境温度和环境压力下与恒定氨气浓度1000毫克/米3的氨气接触的时候，c)当同时处于80％的相对湿度的时候；所述过滤介质在达到35毫克/米3的穿透浓度之后，不会表现出任何超过所述穿透浓度的氨气洗脱。

16.  如权利要求15所述的过滤介质，其特征在于，所述材料的BET表面积为100-300米2/克；通过氮气孔隙度法测得孔体积约为0.18-0.7立方厘米/克；对所有孔径为20-40的孔测得的积分表面积为50-150米2/克；以所述硅基凝胶材料的总重量为基准计，所述掺杂在硅基凝胶材料之上和之内的多价金属含量为5-25重量％。

17.  如权利要求16所述的过滤介质，其特征在于，所述BET表面积为150-250米2/克；孔体积约为0.25-0.5立方厘米/克；对所有孔径为20-40的孔测得的积分表面积为80-120米2/克；所述多价金属的含量约为8-20％。

18.  如权利要求15所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

19.  如权利要求18所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

20.  如权利要求16所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

20.  如权利要求19所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

21.  如权利要求17所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属选自钴、铁、锰、锌、铝、铬、铜、锡、锑、钨、铟、银、金、铂、汞、钯、镉、镍、及其任意组合。

22.  如权利要求21所述的过滤介质，其特征在于，所述多价金属是铜。

23.  如权利要求15所述的过滤介质，其特征在于，所述穿透时间至少为120分钟。

24.  一种过滤系统，包括如权利要求15所述的过滤介质。

25.  一种过滤系统，包括如权利要求16所述的过滤介质。

26.  一种过滤系统，包括如权利要求17所述的过滤介质。

27.  一种过滤系统，包括如权利要求23所述的过滤介质。

说明书包含金属掺杂的硅基凝胶材料的空气过滤介质
发明领域
本发明一般涉及用于能够高效地过滤掉有毒气体(例如氨)的空气处理系统中的环境控制。这种过滤系统使用新颖的金属掺杂的二氧化硅基凝胶，从封闭环境俘获和除去这些不希望存在的气体。这些凝胶需要具有特殊的孔隙度和密度测量值。另外，为了进行最有效的金属掺杂，这些凝胶优选在处于湿态的情况下用多价金属盐处理。结合这些特殊的性质和金属掺杂剂，使得能够进行高度有效的有毒气体过滤，从而获得与之前的介质过滤产品相比尤为显著的极佳吸收和穿透结果。使用方法和具体过滤设备也包括在本发明之内。
发明背景
人们对于具有以下特征的空气处理系统的需求一直在不断地增加，所述空气处理系统包括空气过滤系统，该空气过滤系统能够保护封闭场所免受该场所附近空气中的有毒蒸气以及颗粒的影响。每年都有许多有毒蒸气污染建筑物环境、导致疾病和破坏的事件发生。目前人们还在努力保护建筑物和其它重要的封闭场所(enclosure)免受作为恐怖主义活动的一部分而释放出的有毒的空气中的蒸气和颗粒的影响。结果，新的过滤器设计的要求受到了军方的推动，以进行保护，使得免受某种有毒气体的伤害。
大体来说，不论在民用设施或军用设施中，仅含颗粒过滤器的常规空气过滤系统(例如具有纸板框架的玻璃纤维垫过滤器)根本无法防护有毒蒸气。市售的静电纤维过滤器对较小的颗粒的去除效率高于标准的尘土过滤器，但是它们仍然不具有蒸气过滤能力。HEPA(″高效率颗粒空气″)过滤器用来高效率地过滤超细固体和液体颗粒的空气分散体，所述颗粒是例如尘土和花粉，放射性微粒污染物以及气溶胶。然而，当面临的威胁是气态化合物或者极小尺寸的气态颗粒(即小于＜0.001微米)的时候，常规的市售HEPA过滤器无法拦截和控制这些种类的空气中的作用物。
最常用的从污染空气中除去蒸气和气体的过滤技术是活性炭。这种活性炭基气体过滤已经被应用于许多各种各样的蒸气相过滤应用中，包括防毒面具和军用车辆以及隐蔽所的保护。在这些应用中，使用浸渍有金属盐的活性炭除去所有的有毒蒸气(例如胂、沙林气体等)。这些有毒气体通常需要大多数商业应用所不需要的高过滤效率。与之相对的是，常规的商业过滤器通常包括位于非织造织物(例如纤维垫)之上或结合在其之内的活性炭材料，还包含共存的填充吸附剂颗粒的大固定床。通常这些用于空气纯化的商业过滤器一直使用，直至在流出物中测得意图除去的化学物质的浓度达到容易测量的百分量(例如10％)时为止。对于防毒面具和/或军用车辆应用，需要更高的长期效率。
在无法通过未浸渍的活性炭除去气体的应用中，使用浸渍的活性炭。这些现有技术的浸渍的活性炭配方通常包含浸渍在活性炭上的铜、铬和银。这些吸附剂能够有效地除去许多种有毒材料，例如氰化物基气体和蒸气。
除了浸渍在活性炭上的许多种其它的无机材料以外，已经发现各种有机浸渍物可以有效地在军事用途中除去氯化氰。它们的例子包括三亚乙基二胺(TEDA)和吡啶-4-羧酸。
人们已经提出用于建筑物保护的各种高效的过滤器系统(商用型和军用型的)，其使用浸渍有铜-银-锌-钼-三亚乙基二胺的活性炭来过滤许多种有毒化学蒸气和气体。但是已经证明这种特殊的活性炭基过滤器对于氨、环氧乙烷，甲醛和氮氧化物之类的其它气体是无效的。这些气体在工业中是非常常见的，当以足够量存在的时候(特别是在密闭空间内)对人体是有害的，迄今为止，已经证明其它过滤器装置不适于环境处理和/或其去除，人们无疑仍需要一种过滤机理来弥补这些缺陷，特别是在高相对湿度(RH)和低相对湿度的环境下弥补这些缺陷。各种化学物质会受到吸附的水的不同的影响。对于氨，由于吸附的水实际上会提高氨与目标吸附剂的亲和性，所以很难在低相对湿度条件下进行过滤(设计的限制)。对于环氧乙烷，情况则相反，这是由于在设计合适的过滤器系统的时候，处于高湿度条件下会带来问题。迄今为止，尚无包含少量过滤介质的过滤系统能够在其设计限制RH之下、在较高的吸收对象浓度之下(例如1000ppm)，长时间有效地除去这些气体，而最终不会发生从过滤器洗脱(eluting)的现象。
已经认识到二氧化硅基组合物是极佳的气体过滤器介质。然而，在现有技术中几乎没有提供关于通过在永久性基底上的过滤介质、以大规模应用可接受的水平提供吸收(uptake)和穿透水平的能力的情况。吸收基本上是过滤介质俘获特定体积目标气体的能力的度量；穿透是用来说明过滤介质俘获的饱和点的标志。因此，人们极为需要具有高吸收(因此能够快速俘获大量有毒气体)和长穿透时间(因此与吸收结合起来，不仅能够实现快速俘获，还能经过长时间才达到饱和)的合适过滤介质。目前使用的标准过滤器对于氨之类的有毒气体受限于缓慢的吸收和较快的穿透时间。人们需要开发一种能够提高吸收和穿透的新的过滤介质。
关于使用金属掺杂的潜在的二氧化硅基化合物除去氨之类的气体的最接近的现有技术是Kemira Agro Oy在WO 00/40324中揭示的。但是这种体系主要是考虑使提供的过滤介质在对收集的气体进行再生、用于进一步的应用，而不是永久性从大气中除去这些气体。不幸的是，这种通过升温或改变压力而很容易地使所述有毒气体再生(即允许俘获的气体被释放)的能力带来了对目标环境的威胁。相反地，现在提出的体系的一个优点是提供有效的长时间穿透(说明随时问推移，能够完全而有效地从目标空间基本除去所有的不希望有的气体)，而且根据吸收的度量，能够完全而有效地吸收基本上所有的这些气体。Kemira的参考文献还具体涉及提供二氧化硅和金属(具体来说主要是铜I盐)的干混合物，如该参考文献所述，该混合物能够提供有效的吸收和再生能力，而不是从目标环境中永久性地有效地除去气体(例如氨)。下文中更深入地讨论了本发明过滤介质的细节。
发明简述
根据本发明的一个方面，过滤介质包含多价金属掺杂的硅基凝胶材料，所述材料的BET表面积为100-300米2/克；通过氮孔隙度测量测得，孔体积约为0.18-0.7立方厘米/克；测得孔径为20-40的所有孔的积分表面积为50-150米2/克；以所述硅基凝胶材料的总重量为基准计，掺杂在所述硅基凝胶材料之上和之内的多价金属的含量为5-25重量％。较佳的是，所述过滤介质的BET表面积为150-250米2/克；孔体积约为0.25-0.5立方厘米/克；测得孔径为20-40的所有孔的积分表面积为80-120米2/克；所述多价金属的含量约为8-20％。
根据本发明的另一个方面，在以下条件a)、b)、c)之下，多价金属掺杂的硅基凝胶过滤介质对氨气/空气组合物的穿透测量值至少为60分钟：a)当其作为1厘米高的过滤床处于直径4.1厘米的烧瓶中的时候，b)当其在环境温度和环境压力下与恒定氨气浓度1000毫克/米3的氨气接触的时候，c)当同时处于15％的相对湿度的时候；所述过滤介质在达到35毫克/米3的穿透浓度之后，不会表现出任何超过所述穿透浓度的氨气洗脱。较佳的是，穿透时间至少为120分钟。另外，本发明的另一个方面涉及多价金属掺杂的硅基凝胶材料，该材料在处于与上述相同的条件下以及相同的测试过程(只是相对湿度为80％)的时候，穿透时间至少为60分钟。较佳的是，所述高相对湿度暴露测试实施例的穿透时间也至少为120分钟。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制备金属掺杂的硅凝胶基颗粒的方面，所述方法依次包括以下步骤：
a)提供硅基凝胶材料；
b)使所述硅基凝胶材料与至少一种多价金属盐湿反应，制得金属掺杂的硅基凝胶材料；
c)干燥所述多价金属掺杂的硅基凝胶材料。
或者步骤″a″可包括用来制备所述硅基凝胶材料的生产步骤。
本发明一个独特的优点是能够提供一种过滤介质，当少量的该过滤介质处于封闭空间特有的压力以及在很宽范围的相对湿度条件下的时候，其表现出高效的氨吸收和穿透性质。本发明的其它优点包括提供用于密闭空间的过滤系统，该过滤系统对于氨气具有稳定而有效的吸收和穿透结果，能够以合适的速率从密闭空间中除去这些有毒气体，使得人员接触的有毒气体降至有害水平以下。本发明的另一个优点是在常规条件下，一旦有毒气体被吸附，就能不可逆地防止该气体释放。
另外，所述发明包括过滤系统，其中引入了至少15重量％的所述过滤介质。另外，我们发现，在这种金属掺杂的二氧化硅基材料凝胶状颗粒的制备中，优选当凝胶状颗粒处于湿态的条件下进行金属盐反应，这一点对于使得所述金属物质最有效、从而以最佳方式结合入目标二氧化硅材料的微孔中的效果来说，是非常重要的。因此，已经确定为了针对所述有毒气体(例如氨)提供最有效的过滤介质和总体过滤系统，必需采用湿凝胶掺杂步骤。
本发明的一个显著优点是提供一种过滤介质，当少量所述过滤介质处于密闭空间典型的压力以及很宽范围的相对湿度之下的时候，其能够表现出高效的氨吸收和穿透性质。本发明的其它优点包括提供一种用于密闭空间的过滤系统，其对氨气具有稳定而有效的吸收和穿透结果，能够以合适的速率将密闭空间内的所述有毒气体减小到低于对人类有害程度的水平。本发明的另一个优点是在常规条件下，一旦吸附了有毒气体，就能不可逆地防止有毒气体被释放。
发明详述
出于本发明的目的，术语″硅基凝胶″包括通过金属硅酸盐(例如硅酸钠)与酸(例如硫酸)反应形成的、允许适当老化形成凝胶材料的材料，或者可得自天然源、具有与通过上述方法形成的凝胶类似的孔结构的材料(例如得自稻壳的材料)。这些合成材料可以分类为硅酸类或聚硅酸类或二氧化硅凝胶类，天然源材料通常以某种形式收获，最后处理成最终的凝胶状产品的形式(例如美国专利第6,638,354号中所述的方法)。严格地说，两种合成种类之间的差异是反应、形成和老化之后得到的凝胶的pH测量值。如果该阶段之后的pH值低于3.0，则认为该凝胶是硅酸类或聚硅酸类的。如果pH值等于或高于3.0，则认为该材料是(常规的)硅胶。在任意的情况下，如上文所述，术语″硅基凝胶″包括所有这些种类的凝胶材料。已经发现所得的pH值低于3.0的硅基凝胶(硅酸或聚硅酸凝胶)中孔径小于20的微孔的百分含量较高，其中值孔径约为30，而具有较高酸性pH值(例如pH值等于和高于3.0，优选但不一定高达4)的硅基凝胶包含孔径满足中值孔径约为30-60的混合物。尽管不希望被理论所限制，认为氨之类的有毒气体的俘获是通过在金属掺杂的硅基凝胶孔中的两个独立的(但是可能是同时的)过程完成的：酸碱反应和络合反应。因此在pH值＜2的条件下形成的所述硅基凝胶包含比在pH＝3-4的条件下形成的凝胶更多的残余的酸，但是在pH＝3-4的条件下形成的凝胶包含更多的孔径适于截留铜之类的金属的孔，因此包含更多的可用于络合反应的金属。认为被硅基凝胶俘获并保持的氨之类的气体的量是这两种作用相结合的结果。术语“多价金属盐”包括含有价数至少为3的金属的任意金属盐。这些多价金属能够特别有效地用来与氨形成所需的络合物；小于3的价数将无法容易地形成这些络合物。
用于金属掺杂的基底材料以及用于所需空气过滤介质的基础材料的含水硅基凝胶可由酸固化二氧化硅水凝胶制备。二氧化硅水凝胶可通过以下方式制备：使碱金属硅酸盐和无机酸在水性介质中反应，以形成二氧化硅水溶胶，使该水溶胶固化形成水凝胶。当与硅酸盐反应的酸的量使得反应混合物的最终pH值为酸性的时候，认为所得的产物是酸固化水凝胶。硫酸是最广泛使用的酸，但是也可使用其它的无机酸，例如盐酸、硝酸或磷酸。可以使用例如硅酸钠或硅酸钾作为所述碱金属硅酸盐。由于硅酸钠是最廉价的，而且最容易得到，因此是优选的。酸性水溶液的浓度通常约为5-70重量％，硅酸盐水溶液中的SiO2含量通常约为6-25重量％，SiO2与Na2O的摩尔比约为1∶1至3.4∶1。
将所述碱金属硅酸盐溶液加入无机酸溶液中，形成二氧化硅水溶胶。对反应物的相对比例进行控制，使得水溶胶包含约6-20重量％的SiO2，pH值约小于5，通常约为1-4。通常采用连续过程，将碱金属硅酸盐独立地计量加入高速混合器中。该反应可以在任意方便的温度下进行，例如在大约15-80℃的温度下进行，通常在环境温度下进行。
所述二氧化硅水溶胶通常会在大约5-90分钟内固化生成水凝胶，然后用水或酸的水溶液洗涤，以除去在反应中形成的残余的碱金属盐。例如，当使用硫酸和硅酸钠作为反应物的时候，硫酸钠会被截留在水凝胶中。在进行洗涤之前，通常要将凝胶切割或破碎成粒度约为1/2-3英寸的小片。可以用无机酸(例如硫酸、盐酸、硝酸或磷酸)或者中等强度的酸(例如甲酸、乙酸或丙酸)的水溶液洗涤所述凝胶。
通常，所述洗涤介质的温度约为27-93℃。较佳的是，洗涤介质的温度约为27-38℃。对凝胶洗涤足够的时间，将盐的总量减小到约小于5重量％。以凝胶的干重为基准计，所述凝胶可包含例如约0.05-3重量％的Na2O以及约0.05-3重量％的SO4。达到这种程度的盐去除效果所需的时间根据洗涤介质的流速以及洗涤设备的结构而变化。通常，达到所需的盐去除效果所需的时间约为0.5-3小时。因此，优选用水在大约27-38℃的温度下洗涤所述水凝胶约0.5-3小时。在一个可能的实施方式中，可以对洗涤进行限制，以允许凝胶材料的表面上以及孔之内包含一定量的盐(例如硫酸钠)。不希望被任何具体科学理论所限制，认为这些盐可以提供一定程度的水合，此种水合可使得随后的金属掺杂过程有效地发生，还可提供足量的水，以促进氨气和金属本身在接触的时候发生络合。
为了制备适应于本发明过滤介质的含水硅基凝胶，完成洗涤时，在5重量％的凝胶的水性浆液中测得的最终凝胶pH值可约为1.5-5。
通过用105℃的烘箱干燥约16小时测得，洗涤后的二氧化硅水凝胶的水含量通常为10-大约60重量％，粒度约为1微米至50毫米。或者对所述水凝胶进行脱水，得到约20-90重量％、优选约50-85重量％的所需的水含量。可使用任意已知的脱水方法减少其中的水含量，或者增大其固体含量。例如，洗涤后的水凝胶可以在以下装置中脱水：过滤器、旋转干燥器、喷雾干燥器、隧道式干燥器、闪蒸干燥器、喷嘴干燥器、流化床干燥器、多段式干燥器等。
在本文中，平均粒度表示使用MICROTRAC粒度分析仪测得的粒度。当水凝胶的水含量约大于90重量％的时候，可以在任意合适的干燥器内，在一定的温度下，对水凝胶预先干燥一段足够的时间，以将水凝胶的水含量减小到约低于85重量％，以便处理、加工和随后的金属掺杂。
通常形成和老化之后的水凝胶材料具有非常粗糙的粒度，因此应该破碎分离以促进合适的金属浸渍。这种粒度减小可通过各种方法完成，这些方法包括研磨、磨碎等。但是一种选项是在金属掺杂过程中对水凝胶材料施加高剪切的混合。在此步骤中，可以将粒度减小到合适的过滤器应用所需的粒度。或者，可以在掺杂步骤中或掺杂步骤之后将水凝胶颗粒同时研磨至较均匀的粒度。在另一种方式中，在用作过滤介质的时候，所述整体制备方法可以完成所需的金属均匀浸渍，以便最有效地去除有毒气体。
因此，在一种可能的实施方式中，在研磨机内对二氧化硅水凝胶进行湿研磨，以提供适用于与金属掺杂剂进一步反应的所需的平均粒度，从而随后制得足够小的孔径，以便当其存在于过滤介质中的时候，最有效地进行氨气截留和保持。例如，所述水凝胶可以用任意标准机械研磨装置(例如但不限于锤磨机)同时进行研磨和干燥。所述多价金属浸渍(掺杂)的硅基凝胶材料的最终粒度取决于提供所需的由其制备的过滤介质的方法。因此，填充的介质可能需要较大的粒度(例如10-100微米)，而可以将较小的粒度(例如1-20微米)用作膜或纤维内的挤出物。但是很重要的问题不是大体的粒度，而是对象水凝胶孔之内掺杂的金属的均匀度。
研磨后的含水硅基凝胶产物优选保持在湿态(尽管可以进行干燥和研磨(独立进行或同时进行)；但是较佳的是，所述材料保持高水含量状态，以与金属掺杂剂进行进一步的反应)，用于随后以多价金属盐进行掺杂，从而在过滤介质内提供有效的氨截留和保持能力。因此这种湿态反应包括在本发明的术语“湿反应”或“湿态反应”之内。不希望被任何具体的科学理论所限制，认为湿态掺杂允许将足量的金属物质结合入硅基凝胶产物的孔内，以允许目标氨充分地络合。在湿态条件下，目标硅基凝胶产物的孔体积足够大，能够允许金属盐进入其中。因此随后的干燥似乎会使得制得的金属周围的孔收缩至一定体积，使得当引入目标氨气的时候，导致氨凝结为液体。很显然，当金属上以水合物形式存在的水转移的时候，此时存在于所述小体积孔内的液体会与金属物质接触，与之发生络合。因此，认为通过上述湿态反应可以最好地达到以下效果：通过在金属物质周围产生小体积的孔，使得该孔内的剩余体积足够小，允许目标氨凝结，然后发生可靠的金属接触，从而发生所需的基本是永久性的络合，以有效俘获氨分子。术语″湿反应″或″湿态反应″中还可能包括另外一种情况，即可以使用已经干燥到一定程度的凝胶颗粒，使其在浆液中与多价金属盐的水溶液反应。尽管所述替代的过滤介质所得的性能并不与上述预先干燥的湿的凝胶颗粒与金属盐的产物相当，但是这种过滤介质的性能结果超过单独使用凝胶的性能结果，或者干混合的金属处理的盐材料的性能结果。已经证明这种替代的方法是有效的，在使用天然来源的材料(例如如上所述来自稻壳)作为与多价金属盐水溶液的反应物的时候是很重要的。
可用于该目的的金属包括上文提及的任意的多价金属，例如但不限于钴，铁，锰，锌，铝，铬，铜，锡，锑，铟，钨，银，金，铂，汞，钯，镉和镍。出于成本的原因，潜在地优选铜和锌，最优选铜。上面列出的内容说明可以用来在掺杂步骤中掺杂入目标硅基凝胶材料孔之内的金属。所述金属盐优选本身是水溶性的，当与二氧化硅基材料反应的时候，能够促进金属从阴离子解离。因此，可以将硫酸根、氯离子、溴离子、碘离子、硝酸根等作为阴离子，最优选硫酸根，因此硫酸铜是最优选的金属掺杂盐(氯化铜也可优选作为具体化合物；但是这种化合物的酸性可能会对工业水平的应用造成妨碍)。不希望受限于任意具体的科学理论，认为硫酸铜能够将铜[作为铜(II)物质]以一定的形式掺杂入硅基凝胶结构中，而转移的铜物质保持了其与铵离子络合的能力，在接触足量的氨气之后，还能进一步使得在过滤介质内发生变色，以促进鉴别气体去除的效率以及过滤介质的最终饱和。通过这种方式可以很容易地经验性地观察所得的过滤系统，以确定过滤介质是否以及何时达到饱和，因此需要进行替换。
已经证明所述湿态掺杂步骤能够特别有效地用来提供如上所述的某些所需的过滤器效率结果。对金属盐和硅基凝胶进行干混合操作无法获得将氨俘获和保持在凝胶孔内需要的相同程度的浸渍。如果不采用所述湿反应，尽管可以完成俘获，但是可能会降低对俘获的氨的保持能力(在此情况下，氨可能实际上在俘获时被改性，或者在目标环境下变为氢氧化铵，还可能有一部分仍为氨气)。不希望仅限于该理论，认为在这种产物中，氨俘获仍然通过金属络合进行，但是由于缺少其中结合有金属的小体积孔，限制了金属的足够强的络合能力，因此在某些环境变化(例如受到高温处理)时无法防止释放的发生。这种结果实际上是最接近的现有技术的目的。如上文中Kemira的参考文献所述，干混合步骤制得可再生的过滤介质，而不是制得永久性俘获和保持的过滤介质。具体的湿反应将在下面的实施例中更具体地进行讨论，但是在最广泛的含义中，该反应包括硅基凝胶与含量至少为50重量％(以凝胶和金属盐材料为基准计)的引入的水反应。较佳的是，水的量更高，例如至少为70％；更优选至少为80％，最优选至少为85％。如果反应条件过于干燥，由于加入水的步骤对于将金属盐输送到凝胶材料的孔里来说是必须的，因此不会发生合适的金属掺杂。如果孔内金属的含量不足，则由其制备的过滤介质的气体去除能力会降低。术语″加入的″或″引入的″水包括各种形式的水，例如但不限于存在于金属盐溶液或凝胶中的水，金属盐水合形式中的水，残留的凝胶反应物盐(例如硫酸钠)的水合形式中的水，湿气和相对湿度；基本上包括不作为凝胶或金属盐自身整体部分的任意形式，或者在发生掺杂之后不会输送到材料的孔之内的任意形式的水。因此，作为非限制性例子，出于该目的，可以依次进行以下步骤：制备凝胶材料后首先进行干燥，随后进行湿润步骤(例如，但不限于，在水溶液中形成浆液)，然后与多价金属盐进行反应，另一种可能的优选的方法是将凝胶材料保持在湿态，然后进行多价金属盐反应。
但是水对于促进凝胶孔内金属与对象有毒气体的络合也是很重要的。不希望被任意具体的科学理论所限制，认为在掺杂的时候，金属盐实际上是保持在孔内而非通过金属阳离子络合在孔内的硅基凝胶上(一些可能实际上络合在凝胶的表面上，但是更容易解络合，因此会随时间除去；在孔之内，与金属的络合更加牢固，因此难以断裂)。在该位点存在的水有助于通过与水合物发生置换而除去络合的盐分子的阴离子部分。认为之后这些水合物可以被例如氨气(或铵离子)替换，从而制得牢固结合很难断裂的整体凝胶/金属/铵络合物，最终不仅提供了有效的氨气俘获机理，而且还成为了基本不可逆地保持这些氨气的方法。作为络合助剂使用的水可以是来自上述金属掺杂步骤的残余的水，或者以水合物的形式存在于凝胶表面上(或者凝胶的孔之内)，或者来自金属盐反应物自身。另外，在一个潜在的优选实施方式中，可以通过吸湿剂(例如，但不限于甘油)的存在提供所述的水。
因此本发明的硅基凝胶颗粒掺杂(浸渍)了至少一种多价金属盐(例如但不限于硫酸铜)，以所述金属浸渍的(掺杂的)硅凝胶基颗粒的总干重为基准计，表述为贱金属(例如铜)的重量百分含量，所述多价金属盐的含量约为2-30重量％。因此所述制得的金属掺杂的硅基凝胶材料提供了一种过滤介质，该介质在直径4.1厘米的烧瓶内用于最多高2厘米的过滤床的时候，在环境压力(即0.8-1.2大气压，或大约0.81-1.25千帕)和环境温度(即20-25℃)条件下，对氨气浓度1000毫克/米3的氨气/空气组合物的穿透时间至少为35毫克/米3，在环境压力下，最高250℃的温度下接触70小时之后，被所述过滤介质俘获的所述氨气不会发生任何可觉察的再生。
以整个过滤介质组合物的重量为基准计，本发明的过滤介质中含水的硅基凝胶的用量约为1-90重量％，优选约为5-70重量％。
本发明的过滤介质还可包含任选的组分，硅酸盐、粘土、滑石、氧化铝、碳、聚合物，包括但不限于多糖，树胶或用作粘合剂填料的其它物质。这些是过滤介质的常规组分，适用于该目的的材料是本领域技术人员众所周知的，因此不再列举。另外，还可以将本发明的这些金属掺杂的硅基凝胶引入聚合物组合物中(通过浸渍或通过挤出)，以提供聚合物膜、复合体或其它种类的用于过滤介质的聚合物固体。另外，可以用本发明的材料对非织造织物进行浸渍、涂敷或其它形式的处理，或者可以用所述材料挤出单独的丝线或纤丝，形成非织造织物、织造织物或针织织物，所有这些也均可作为过滤介质基底。另外，本发明的过滤介质可以在过滤器滤罐内层叠，在它们之间设置其它种类的过滤介质(例如炭黑材料层)，或者可以将所述过滤介质一起散置在同一过滤罐内。如上所述的膜和/或织物可以包括离散的过滤介质区域，或者还包括相同种类的散布的材料(例如，但不限于，在相同的织物或膜内，在表面上混合的炭黑，或者与炭黑共挤出)。
用来测试介质的耐久性的过滤系统通常包括位于直径4.1厘米的烧瓶内的厚度约为1-3厘米的介质床，优选其厚度约为1-2厘米。例如(但不限于)用于工业应用和/或个人应用的情况下，包括这种过滤介质的常规的过滤器中，过滤介质的厚度(量)可能更高，例如对于个人用滤罐过滤器厚度约为1-15厘米，直径约为10厘米，对于工业应用，厚度可高达100厘米，直径为50厘米。另外，这只是所述最终应用的近似数值；所采用的所述床和/或容器的任意厚度、直径、宽度、高度等实际上取决于过滤器能够使用的时间长度，以及目标环境可能包含的气体污染物。可将任意的量的过滤介质加入所述过滤系统中，只要所述容器的结构足以将所述过滤介质容纳在其中，允许有合适的空气流速，以使得过滤介质与目标气体合适地接触即可。
重要的是需要注意，尽管本文讨论的本发明过滤介质的测试对象是氨气，但是这种介质也可有效地用来从某种环境中除去其它的有毒气体，包括例如，但不限于甲醛，一氧化二氮和二硫化碳。
如前文所述，所述过滤介质可用于工业设施(例如保护整个工业建筑或通过面具保护单独的工人)、军事设施(例如用于车辆或建筑物的过滤器，或者用于单独军人的面具)、商业/公共设施(办公建筑、商业中心、博物馆、政府场所和设施等)的过滤应用。具体例子可包括但不限于保护农业环境(例如禽舍)中的工人，在这些环境中，动物粪便可能产生大量的氨气。因此，在这些场所可能使用大规模的过滤器，或者出于该目的，个人可以使用个人过滤器设备。另外，这些过滤器可以用于有可能产生某些有毒气体的变电站中或其周围。通常，本发明的过滤介质可包括在任何种类的过滤系统中，所述过滤系统是在任意种类的环境中除去可能的有毒气体所需的，也是适用的。

附图简述
与本发明的文字描述一起提供了一些附图。这些附图不应看作对本发明的范围构成限制，
图1是关于下面的表6中的信息的图表，此图是关于本发明的过滤介质材料以及比较例过滤介质材料的氨吸收浓度随时间的变化图。
图2是表7中信息的选定部分的图表，此图是关于本发明的过滤介质材料以及比较例过滤介质材料的氨穿透浓度随时间的变化图。
图3是某些本发明的过滤介质材料以及比较例过滤介质材料在完成穿透之后，进一步进行氨吸收，以测试该目标测试材料的可逆性的流出物浓度随时间的变化关系图。
图4是某些本发明的过滤介质材料和比较例过滤介质材料在完成穿透之后，用新鲜空气吹扫样品，以进一步测定该目标测试材料的可逆性和化学活性的流出物浓度随时间的关系图。
本发明优选实施方式
使用购自美国康涅狄格州Shelton的伯晶艾尔玛有限公司(PerkinElmerCorporation)的Optima 3000型ICP-OES测定的铜含量。
吸附剂湿饼的固体％是通过将2克代表性的样品置于CEM 910700微波天平的称量盘之上，将样品干燥至恒重而测得的。使用重量差来计算固体百分含量。通过称取100.0克产物加入250毫升的平底塑料量筒中，以测定填充或振实(tapped)密度。所述量筒用橡胶塞封闭，置于振实密度机上运作15分钟。所述振实密度机是常规的电动机-齿轮减速器驱动器，其操作凸轮以60rpm的转速运转。对所述凸轮进行切削或设计，使得量筒每秒钟上升和下降2.25英寸(5.715厘米)的距离。所述量筒通过导向支架保持在原位。记录下振实之后产物占据的体积，计算出填充密度，单位为克/毫升。
使用具有温度补偿器的Orion Model 140电导计，通过将电极环氧化物电导池(014010)浸没在回收的滤液或滤液流中，测定滤液的电导率。测量通常在15-20℃的温度下进行。
通过Brunaur等人的J.Am.Chem.Soc，60，309(1938)描述的BET氮吸附法测定表面积。
使用氮吸附-脱附等温测量测得可用的孔隙度。使用购自美国乔治亚州Norcross的微粒设备有限公司(Micromeritics Instrument Corporation)的Accelerated Surface Area and′Porosimetry System(A SAP 2010)基于脱附分量测定BJH(Barrett-Joiner-Halender)型平均孔径。样品在150-200℃下放气，直至真空压力约为5微米汞柱。这是在77°K下运作的自动化体积分析仪。孔体积在P/Po＝0.99的压力下测得。平均孔径源自孔体积和表面积(假定为圆柱形孔)。使用BJH法计算孔径分布(ΔV/ΔD)，得到在一定孔径范围内的孔体积。使用Halsey厚度曲线种类，孔径范围为1.7-300.0纳米，两端开口的孔所占分数为0。
根据1985 IUPAC对常规等温种类的分类对N2吸附-脱附等温线进行分类，其包括对滞后的分类，用来描述硅基凝胶中包含的孔的形状和内部连通性。
吸附剂微孔面积(S微)源自用来产生t-曲线的Halsey等温线方程。t-曲线(t-plot)比较了吸附剂凝胶吸收的氮气的体积与吸附层的厚度相比理想参比的关系图。t-曲线的形状可用来预测微孔表面积。然后通过从总BET表面积中减去外部表面积来预测微孔率百分数，S微＝SBET-S外。因此％BJH微孔率＝S微/SBET×100。
金属浸渍含量以元素百分含量来表示。浸渍约5重量％的铜的样品表示了氯化铜的含量，因此加入硅基凝胶中的Cu的百分含量大约是Cu/吸附剂重量的5重量％。对于二水合氯化铜(CuCl2-2H2O)的情况，100克干燥的吸附剂浸渍有113.65克氯化铜。因此，计算基本上是按照下式进行的：金属％＝金属盐中元素金属的重量/(干燥的硅基凝胶的重量+干燥金属盐的总重量)。
实施例
实施例1-4
在实施例1-4中，通过以下方式制备硅酸凝胶颗粒：将24.7％的硅酸钠溶液(摩尔比3.3)加入特定体积的11.4％的硫酸溶液中，直至溶液的pH值达到目标pH值。形成的硅酸凝胶悬浮体在环境温度下老化3-4小时。然后将所述悬浮体置于设定为75℃的烘箱中，处理特定的时间，以完成凝胶形成。接下来，通过搅拌使凝胶破碎，用刮刀刮下，然后过滤，然后用水洗涤至滤液电导率约小于3000μS。脱水后的凝胶在烘箱中，在特定温度下干燥16小时。干燥的材料在一叠2个美国标准筛网尺寸20目和40目的筛网上进行筛分，回收到尺寸为850-425微米的硅酸吸附剂基底颗粒。实施例1-3的处理参数列于下表1。
表1
实施例H2SO4毫升目标pH凝胶形成时间，小时干燥温度℃固体％ 1(参比) 1000 1.75 1.5 75 15 2 1000 1.75 1.5 105 15 3 5000 1.75 1.5 105 18.7 4 5000 1.60 3.0 105 18.7
实施例1不用铜进行处理(因此是参比例)。然后实施例2，3和4通过以下方式用铜浸渍：首先将特定量的CuCl2·2H2O与特定量的水混合，形成氯化铜溶液，然后将特定量的上面形成的脱水的二氧化硅加入所述氯化铜溶液中。(使用根据上述方法测定的干燥的凝胶的固体％，预测获得所需金属浸渍水平所需的浸渍的量)。用HCl或50％的NaOH水溶液将所述制得的悬浮液的pH值调节到目标pH值。然后该浆液在环境温度下搅拌特定的时间，然后过滤回收。为了形成团粒和增大颗粒密度，将200克所述制得的颗粒加入CUISINARTmodel DFP14BW Type 33高剪切混合器/搅拌器中。向所述连续混合的吸附剂颗粒中，以大约10毫升/分钟的速率连续加入作为粘合剂液体的水，直至形成细小团粒。制得的粗的湿团粒的粒度为200-1600微米。回收的湿团粒在特定温度下干燥过夜(16小时)。然后干燥的产物用上述方法通过筛分分级，回收粒度为850-425微米的颗粒。通过这种方式制得的目标颗粒团粒的堆积密度约为0.7克/毫升。可用于铜浸渍的过程变量列于表2。
表2
实施例CuCl2·2H2O克 水 毫升 基材克 pH调节剂目标pH搅拌时间小时干燥温度℃ 1 0 --- --- --- --- --- 105 2 50 700 200 HCl 1.8 48 105 3 190 500 2000 NaOH 2.0 16 105 4 200 0 1000 --- 1.6 16 105
实施例1-4的物理性质根据上文所述的方法测定，结果列于下表5。
实施例5
通过回流技术，通过将250克异丙醇(IPA)和200克得自实施例1的脱水凝胶加入提取烧瓶，用铜对实施例1的产物的一部分进行浸渍。向该浆液中加入50克氯化铜，该混合物在80℃下回流3小时。通过倾滗上清液，从IPA分离铜处理过的聚硅酸吸附剂，回收的固体在105℃的烘箱中干燥16小时。通过将200克实施例4制备的颗粒加入CUISINARTmodel DFP 14BW Type 33高剪切混合器/搅拌器中，使其粒化。向连续混合的吸附剂颗粒中以大约10毫升/分钟的速率连续加入作为粘合剂液体的水，直至形成团粒。制得的粗制湿团粒的粒度为200-1600微米。回收的湿团粒在105℃下干燥过夜(16小时)。然后干燥的颗粒通过如上所述进行筛分，使其分级，回收得到粒度为850-425微米的颗粒。实施例5的吸附剂包含15.2％的氯化铜形式的铜。
实施例6-12
在实施例6-12中，通过以下方式制备硅基凝胶的颗粒：在300-400rpm的搅拌下，将24.7％的硅酸钠溶液(3.3摩尔比)加入5000毫升11.4％的硫酸溶液中，直至溶液的pH值达到目标pH值。然后将悬浮液置于设定在75℃的烘箱中处理特定的时间，以完成凝胶的形成。接下来，通过搅拌使凝胶破碎，用刮刀刮下，然后通过将水泵抽入反应器的底部，使水从顶部溢流出，以进行洗涤，直至溢流液的电导率小于3000μS。然后过滤洗涤后的颗粒，并收集，用作下面所述的铜浸渍的基底材料。实施例6和12分类为聚硅酸类凝胶，剩余的为硅胶类。实施例6-12的处理参数列于下表3。
表3
实施例目标pH 凝胶形成时间， 小时固体％ 6 1.75 3-4 15 7 4.0 0.25 15 8 3.0 1.5 15 9 3.0 1.5 15 10 3.0 1.5 15 11 3.0 1.5 15 12 1.6 34 18.7
然后通过以下方法用铜浸渍实施例6-12的产物，将一定量的上面形成的凝胶湿饼加入硫酸铜溶液中，所述硫酸铜溶液是通过将一定量的CuSO4·5H2O与一定量的水混合起来制得的。(所述干燥的凝胶的固体％通过上述方法测得，其用来预测达到所需金属含量所需要的浸渍的量)。然后所述浆液在环境温度之下，以特定的速度搅拌特定的时间，然后通过过滤脱水(实施例6-7)或者直接置于设定在105℃的烘箱中，不进行过滤(实施例8-12)干燥过夜(16小时)。
为了形成团粒和增大产物密度，使1千克上面制得的堆积密度约为0.50克/毫升的干燥的颗粒在辊式压实机(WP50N/75型，购自德国的亚力山大沃克斯GmbH(Alexanderwerks GmbH))上，以200-500千帕(60-70巴)的压力压制，形成蜡笔形团聚体，然后该团聚体在研磨工艺中捣碎，使用齿形圆盘辊(亚力山大沃克斯)预先研磨。
比较例3
通过以下方式将比较例1的市售硅胶颗粒与铜混合起来：将200克比较例1的颗粒和450克干研磨的硫酸铜CuSO4·5H2O干混合起来(除了以水合形式以及作为反应器中的潮气形式存在的水以外，不加入其它的水)。所述干物理混合物通过如上所述进行筛分，使其分级，回收粒度为850-425微米的颗粒。比较例3包含15％的Cu。
比较例4
对购自美国宾夕法尼亚Pittsburgh的凯尔恭有限公司(Calgon Corporation)的市售ASZM-TEDA浸渍的碳颗粒通过上述方法筛分进行分级，回收粒度为850-425微米的团粒。
根据上文描述的方法测定比较例1-4的物理性质，结果列于下表5，表5中还列出了实施例1-17的性质。
表5

氨吸收
对上面制备的一些实施例进行评价，根据吸收和穿透来评价它们从空气中吸收氨的能力。如上所述，吸收测量提供了在特定时间内，吸收剂过滤介质从测试体系中除去和俘获有毒气体(在此情况下，为测试对象氨气)的效率的证据。穿透测量了所述过滤介质变得饱和所需的时间。对所述过滤介质的该种吸收性质进行筛选，以提供对有效穿透特性的可能性的初始评估。
对于氨吸收测试，依照以下过程，该过程基本上是根据Mahle，J.，Buettner，L和Friday，D.K.在″Measurement and Correlation of the Adsorption Equilibria ofRefrigerant Vapors on Activated Carbon，″Ind.Eng.Chem.Res.，33，346-354(1994)中的描述。将硅基凝胶吸附剂样品加载在15微米的底部为玻璃料(frit-bottomed)的金属小室中，所述金属小室允许恒定体积的空气流在密闭回路体系中回流/通过所述小室。加入100毫克吸附剂(过滤介质)之后，记录下过滤介质的床高。所述体系通常是干的，但是可以通过向所述体系中注入已知量的水来增大相对湿度，从而可以调节(湿化)该体系的相对湿度。所述密闭回路体系中的目标氨浓度为1100毫克/米3，在25℃下平衡，使用红外分析器(MIRAN，FoxboroCompany，Foxboro，MA)监控气流中的实际氨浓度。通过位于循环泵的进口(低压侧)的隔膜将氨注入所述体系中。
所述分批吸收测试首先以旁路模式的吸附床开始。将氨注入该体系中，使其平衡。注入的氨的质量通过气密注射器的体积来决定。红外分析首先对注入的NH3质量进行重复的(redundant)测定。在氨浓度稳定之后，改变床旁路阀的位置，输送氨污染的空气从吸附剂(过滤介质)上通过。然后红外分析仪测定随时间发生函数变化的气相浓度。
浓度的减小说明吸附剂从空气流中除去氨。精确已知重量的对象气体还允许测量氨吸收。体系的温度保持在75℃或在达到平衡的时候从25℃升高到75℃，以测定到此时为止俘获的氨究竟是位于凝胶材料的表面上还是位于孔之内(体系顶部空间内浓度测量值的增大说明从过滤介质释放出了氨)。在所述温度升高的时候观察到的从凝胶材料释放出氨则说明，所述气体的俘获在凝胶表面发生，这是因为任何被俘获在金属络合物孔之内的氨气都不会因为这种较低的升温而如此容易地释放出来。
在干燥和湿润的条件下进行测试，显示本发明的硅基凝胶吸附剂的性能获得提高。
目标是将氨浓度在25℃下减小到小于200毫克/米3，用来显示氨去除的效率。
表6氨吸收
实施例编号起始浓度，毫克NH3/米3   温度变化  浓度，  毫克  NH3/米3   浓度，   毫克NH3/米3    时间    分钟   温度   ℃    比较例1    1000    614    135    75    694    实施例2    1000    97    135    75    67    实施例5    1000    1000    0    75    140
由于吸收体系是蒸气中化学物质的体积量与在吸附剂上化学吸附和/或反应的量成反比的。图1和表6总结了三种吸附剂的分批吸收曲线，两种吸附剂是浸渍的(本发明的)，一种吸附剂是未浸渍的(比较例)。曲线显示了温度对吸收的影响，以及各种吸附剂的初始氨吸收率。这些数据说明特定的吸附剂是否具有足够快的内部传质速率，能够在合理的气体通过速率下用于过滤器。也即是说，即使特定吸附剂能够除去大量的氨，如果其达到平衡需要很长的时间，则该吸附剂将无法用于某些用途的最终应用过滤器中。实际上，被测的实施例的结果都良好地说明具有有效的潜在的穿透特征。
曲线图还显示了对于各种样品，温度对氨的吸附行为的影响。这些数据清楚地显示了存在化学反应。考虑关于比较例1的数据，在接触大约135分钟之后，当样品达到平衡的时候，吸附剂的温度改变到75℃。通过这种改变，氨蒸气相浓度从大约614毫克/米3增大到大约694毫克/米3，这说明通过吸附平衡，随着温度的升高，会吸附较少的氨。大约180分钟之后，氨浓度稳定，至少在接下来1小时内没有观察到可以察觉的变化。对于期望寻求可逆吸附平衡的人来说，这是一个优秀的例子。另一方面，两种浸渍的样品在75℃没有表现出经典的吸附平衡行为。对于实施例2，当在大约135分钟时，温度升高到75℃，当样品达到平衡的时候，由于一些吸附的氨从表面脱附，氨浓度会升高；然而，在大约180分钟之后，最大浓度增大仅为对比较例1观察到的浓度增大的1/2。这意味着虽然有更多的氨与吸附剂结合，但是在温度变化过程中释放的氨却较少。另外，在大约180分钟开始，浓度开始缓慢减小，说明存在化学反应。对于实施例5，不可逆性甚至更加显著。对于该试验，在整个过程中，温度设定在75℃。氨浓度没有任何增大的迹象，这说明即使存在任何可逆吸附的氨，其量也极少。在更高的温度下，氨浓度以容易观察到的速率连续降低到大约300毫克/米3，在此浓度下变平，这又说明所述吸附剂具有高活性，像其它的发明实施例一样，显示出极佳的氨吸收。
氨穿透
用于穿透测量的大体步骤包括使用两个平行流系统，这些系统具有两个不同的阀，它们导向两个不同的吸附床(包括过滤介质)，与两个不同的红外检测器相连，然后与两个质流控制器相连。整体系统基本允许氨和空气在相同的管道内混合，用来传输到吸附床或者继续通过到达相同的气相色谱。通过这种方式，通过气相色谱分析，与同时制得的未过滤的氨/空气混合物相比较，比较特定时间段之后所述两个吸附床内的过滤介质吸收的氨浓度。在系统的端部使用真空，迫使氨/空气混合物通过所述两个平行流系统以及所述未过滤的管道，使用0-50 SLPM质流控制器控制流量。
为了得到氨/空气混合物，两个质流控制器产生竞争(challenge)氨浓度，一个是0-100 SLPM范围的竞争空气质流控制器，另一个是0-100sccm范围的氨质流控制器。使用第三空气流控制器控制通过热水喷雾器的物流，以控制竞争空气相对湿度(RH)。使用两个露点分析仪测定其RH，一个位于床上方的竞争空气管道内，另一个测量从这两个过滤床中的一个流出的流出物的RH(改良用于不同的水平)。
床是4.1厘米的玻璃管，其具有带挡板的筛网，用来保持吸附剂。使用填充塔将吸附剂引入玻璃管内，以便在每一次都获得最佳的和最均匀的填充。
然后使用装有热导检测器(TCD)的HP-5890气相色谱测量竞争化学物质浓度。使用红外分析仪(MIRAN)测量氨的流出物浓度，所述红外分析仪提前在用于氨的特定波长下校准。
通过对所有小于40目(约425微米)的颗粒进行筛分来制备用于测试的吸附剂。最大的颗粒通常不大于约25目(约710微米)。
两个床上方的阀门起初是关闭的。稀释空气流和水喷雾器空气流开始流动，使得所述系统在所需的温度和相对湿度(RH)下平衡。然后改变床上方的阀门位置，同时化学物流开始流动，保持其流速为4.75 SLPM。设定化学物流以达到所需的竞争化学物质浓度。进料化学物质浓度持续地使用GC进行监控。使用之前校准的红外检测器对来自两个吸附床(过滤介质)的流出物的浓度进行持续测量。穿透时间定义为流出的化学物质浓度等于目标穿透浓度的时间。对于氨测试，25℃的竞争浓度为1,000毫克/米3，25℃的穿透浓度为35毫克/米3。
然后对不同的介质样品测量氨穿透，如所述对各样品的床深度进行改变，调节相对湿度，改变氨气的流动单位，以确定不同条件下过滤介质的效率。目标是超过60分钟的穿透时间。结果列于表7。
表7
氨穿透
实施例编   号  测试  ％RH床深度厘米穿透时间，分钟    克/升NH3   3    15    2    108    21.4   3    15    2    113    20.9   3    80    1.5    320    105   6    15    2    180    35.6   6    80    2    219    35.3   7    15    2    163    31.9   7    80    2    257    51.9   8    15    2    147    28.6   8    15    2    144    28.0   9    15    2    200    38.4   9    40    2    414    81.4   10    7    1    38    14.9   10    15    1    92    35   10    30    1    151    59.8   10    80    1    218    90.2   11    15    2    188    36.6   12    23    1.5    71    25.6   12    72    1.5    124    36.6   14    80    1    230    98.5   16    15    1    125    45.1   17    80    1    220    79.2   比较例1    15    1    34    12.1   比较例1    80    1    27    11.4   比较例2    15    1    72    15.2   比较例3    15    1    20    7.2   比较例4    15    1    5    2.3   比较例4    80    1    8.5    3.8
本发明的产物清楚地提供了极高的穿透水平，特别是超过了60分钟的阈值很多，说明该材料具有出人意料的良好结果。图2图示地显示了本发明的实施例和比较例的穿透浓度的显著差异。总氨浓度设定在1000毫克/米3，穿透浓度低得多(在穿透浓度测量的时间越长，过滤介质的效果越好)。很明显，在设定氨浓度下，本发明的实施例提供了好得多的氨去除性能。还注意到图2中的结果实际上反映了相对于在15％的相对湿度下比较例的性能，本发明的实施例在相同的相对湿度下具有极佳的性能。
穿透测试之后的氨再生
另一种评估特定吸附剂的不可逆性的方法是通过再生研究进行评估。起始材料在大约1,000毫克/米3的氨进料浓度下进行平衡，以对新材料确立穿透时间，以及在1,000毫克/米3下用氨使样品完全平衡。与氨接触之后，将吸附剂分为两种不同的样品。一种样品使用下面的步骤(1)再生，另一种样品使用下面的步骤(2)再生。
步骤(1)真空再生：
25克NH3穿透之后的过滤介质在125℃下，在14毫巴汞柱的真空下处理4小时。所得的样品在一叠2个美国标准筛网尺寸20目和40目的筛网上筛分，回收粒度为850-425微米的硅酸吸附剂剂基底颗粒，然后在上面测试方法中列出的条件下测量NH3穿透。
步骤(2)热再生：
在加热炉内，在空气环境中，在250℃下对25克NH3穿透后的过滤介质样品加热处理4小时。所得的样品在一叠2个美国标准筛网尺寸20目和40目的筛网上筛分，回收粒度为850-425微米的硅酸吸附剂剂基底颗粒，然后在上面测试方法中列出的条件下测量NH3穿透。
图3中提供了使用在相同的竞争条件下测试的两种再生过的样品作为初始样品得到的结果。图中还显示了实施例6-12的硅基凝胶的未浸渍颗粒的数据，图3中表示为″基底硅胶″。基于穿透时间，两种再生的样品恢复了初始氨容量的50％以下，而初始氨容量与基底硅胶是相当的。因此，出于所有实际的目的，现在再生后的材料可以处理的氨量小于初始未接触的材料的总氨量的1/2。发明实施例10的材料具有不可逆的用于氨的位点，因此不适于用于循环工艺。结合进行再生之后的穿透数据，说明由于所述材料能够有效地将目标氨通过化学作用永久性地俘获在金属浸渍的孔内，因此本发明的过滤介质是不可逆的。
关于再生能力的氨洗脱
另一种评价选择的吸附剂上吸附的物质的可逆性的技术是进行洗脱测试。将平均浓度的化学物质(对于此处描述的测试为1,000毫克/米3)加入吸附剂的固定床，直至吸附剂饱和。测定流出物浓度达到确立的穿透浓度所需的时间(对于氨，该浓度确定为35毫克/米)。填充具有完全相同的床深度的新的吸附床，化学进料浓度同样确立为1,000毫克/米3。之后化学进料在对应于之前测得的穿透时间的90％的时候失活。使新鲜空气以相同的流速连续通过所述吸附剂，直至目标化学物质最终从所述床洗脱。计算洗脱曲线下面的面积，以确定在洗脱过程中脱附的化学物质的质量。该数值可除以进料步骤中引入的总质量，以计算目标化学物质的去除百分量。化学物质的保持越不可逆，则测得该分量越小。另外，测量了达到的最大流出物浓度。该数值越小，则床内目标化学物质的保持越不可逆。
图4中比较了三种吸附剂，比较例1和实施例10以及实施例6-12的硅基凝胶的未浸渍的颗粒，在图4中称为″基底硅胶″。各吸附剂的床深度为1厘米，在25℃，进料空气流速设定在4.4 SLPM(标准0℃和1大气压)，用于直径4.1厘米的管子，对应于表面速度为6.0厘米/秒。进料的RH固定在15％，温度控制在25℃(±1℃)。由于各种样品过滤介质对于进料浓度为1,000毫克/米3的氨表现出不同的容量，各样品的进料气体失活时间是不同的。
下表8列出了洗脱结果。容量最低的材料是基底硅胶，其在13.5分钟达到穿透时间的90％。最高容量的材料是实施例10，其在63分钟达到其穿透时间的90％。
表8
洗脱测试结果总结
    吸附剂化学物质流出，毫米  进料质量  毫克180分钟时洗脱的质量，毫克  洗脱百分比最大浓度，毫克NH3/米3  比较例1    45    168    116    69％    170  基底硅胶    25    65    30    46％    75  实施例10    75    303    9    3％    12
最具有可逆性的材料是比较例1。用新鲜空气洗脱2小时之后，吸附的氨总质量的大约69％从床上除去。基底硅胶的洗脱百分数仅为46％，对于实施例10，仅为3％。基于回收的氨的百分数，实施例10是最不可逆的氨吸附剂。反映出可逆性的第二个数值是洗脱步骤中的最大流出物浓度。该数值与洗脱百分数相符合。基于最大浓度，最不可逆的吸附剂是实施例10，其最大浓度为12毫克/米3。最易可逆的吸附剂是比较例1，其最大浓度为170毫克/米3。
最后，当考虑材料的预期应用的时候，从目标环境中(即所述体积内)除去的氨的总量的效率也是很重要的。因此，实施例10是三种测试的材料中最佳的。另外，对于许多保护应用，即使化学物质的危险已经下降了，也仍必须继续使用过滤器。因此，能够在接触之后合理的长时间内保持氨的能力也是一个重要的功能。
比较例1和未浸渍的基底硅胶在洗脱过程中表现出的流出物浓度都大于阈值穿透浓度。另一方面，实施例10从未得到高于12毫克/米3的流出物浓度，远低于允许的流出物浓度。所有三个实施例的穿透浓度均约为35毫克/米3，仅有本发明的实施例在初始穿透之后的氨气洗脱结果低于该穿透浓度。因此，认为本发明的过滤介质是不可再生的，这是因为初始俘获的氨从本发明金属掺杂的硅基凝胶之上或孔内释放出的量不会超过穿透浓度；对于本发明的实施例，实际的洗脱量甚至不会达到穿透浓度的50％，而比较例则一开始就达到穿透浓度。这种结果表现出比较材料相对于本发明金属掺杂种类材料的再生能力。
表9
湿度对穿透的影响
  实施例编号测试相对湿度％  床深度厘米穿透时间，分钟    克/升NH3    10    15    1    92.5    35.6    10    30    1    144    59.8    10    50    1    154    72    10    60    1    226    88.6
在目视观察的时候，过滤介质在与氨接触之前为浅蓝色。在这种接触之后，过滤介质变为极深的蓝色，因此提供了一种确定过滤介质效率的经验性方式。
尽管已经结合某些优选实施方式描述和揭示了本发明，但是并不是说本发明限于这些具体实施方式，而是说本发明覆盖所附权利要求书及其等同内容限定的所有等价结构、结构等同内容和所有替代的实施方式以及改进。